Natura dei gruppi statici di continuità (UPS)

Server UPS

Server UPSLa gestione di carichi critici e preferenziali, quindi la disponibilità, la qualità, la continuità di alimentazione, rende necessario l’utilizzo di gruppi statici di continuità o UPS (Uninterruptible Power Supply); in questo articolo ne approfondiremo la natura a partire dalle normative e dall’attuale stato dell’arte, per agevolarne la scelta e l’utilizzo.

Qualche dato sugli UPS

L’UPS è un sistema che, agendo come interfaccia tra la rete elettrica e le utenze, fornisce al carico una alimentazione elettrica continua di alta qualità. Secondo la tipologia di funzionamento, l’UPS garantisce una tensione di alimentazione affidabile, la protezione da qualsiasi tipo di interruzione dell’alimentazione elettrica, il filtraggio da un’ampia tipologia di disturbi di rete, entro tolleranze compatibili con i requisiti delle utenze.

Gli UPS sono generalmente costituiti da tre elementi principali:

  • Raddrizzatore-caricabatterie, per la conversione della tensione alternata in tensione continua
  • Batterie di accumulatori, per immagazzinare l’energia e recuperarla durante la mancanza rete
  • Inverter per trasformare la tensione continua in tensione alternata, stabilizzata e filtrata

Possono essere integrati con bypass automatico e sezionatore di manutenzione.

Direttive Europee e Norme di riferimento

  1. Direttiva Europea 2006/95/CE: sicurezza dei dispositivi elettrici a bassa tensione, marcatura CE obbligatoria; per gli UPS la norma applicabile é: EN 62040-1 “Prescrizioni generali e di sicurezza”
  2. Direttiva Europea 2004/108/CE: compatibilità elettromagnetica, marcatura CE obbligatoria; per gli UPS la norma applicabile é: EN 62040-2 “Prescrizioni di compatibilità elettromagnetica (EMC)”, dove sono indicate 3 categorie: C1: immunità massima per installazioni residenziali; C2: immunità intermedia, UPS con corrente ≤16 A; C3: immunità minima richiesta, UPS con corrente ≥16 A
  3. Norma EN 62040-3 “Metodi di specifica delle prestazioni e metodi di prova”, che fornisce indicazioni per: temperatura ambiente, altitudine, compatibilità con le reti elettriche, …, test di accettazione e di tipo.

Classificazione degli UPS

Nella norma EN 62040-3 viene inoltre riportata la classificazione degli UPS in funzione delle prestazioni, con la siglatura: AAA-BB-CCC
Le prime 2/3 lettere indicano le caratteristiche di dipendenza dalla rete in ingresso:

VFD: UPS passivo di bypass (Voltage-Frequency Dependent), tensione e frequenza di uscita dipendenti dalla rete. In condizioni normali il carico viene alimentato direttamente dalla rete, in emergenza il carico viene alimentato entro pochi millisecondi dall’inverter che preleva energia dalle batterie. Non c’è alcun condizionamento di tensione e frequenza verso il carico
VI: UPS interattivo (Voltage Independent), tensione di uscita indipendente dalla rete. In condizioni normali la rete viene filtrata e condizionata, migliorando la qualità della tensione al carico; in emergenza il carico viene alimentato entro pochi millisecondi dall’inverter che preleva energia dalle batterie. Non c’è alcun condizionamento della frequenza verso il carico
VFI: UPS a doppia conversione (Voltage-Frequency Independent), tensione e frequenza indipendenti dalla rete. La tensione alternata della rete è convertita in tensione continua dal raddrizzatore: prima conversione. La tensione continua carica la batteria ed alimenta l’ingresso dell’inverter, che converte la tensione continua in tensione alternata per il carico: seconda conversione. In emergenza l’inverter continua ad essere alimentato dalle batterie

VFD

VIVFI

Le 2 lettere centrali indicano le caratteristiche della forma d’onda di tensione di uscita. Prima lettera con funzionamento normale o da bypass. Seconda lettera con funzionamento da batteria. Sigle: S, Sinusoidale (THDv <8%); X, Sinusoidale su carico lineare; non sinusoidale su carico distorcente (THDv >8%); Y, Non sinusoidale, con distorsione fuori dai limiti della IEC 61000-2
Le ultime 3 cifre indicano le prestazioni dinamiche della tensione di uscita: Prima cifra: durante il cambiamento del modo operativo; Seconda cifra: durante la presa di carico, con carico lineare; Terza cifra: durante la presa di carico, con carico non lineare, Le cifre si riferiscono a 3 classi, che individuano le variazioni massime di tensione in uscita all’UPS.

Classe 1
Classe 1
Classe 2
Classe 2
Classe 3
Classe 3

 

Compatibilità con i carichi


I carichi possono essere del tipo Lineare o Non Lineare. Carico Lineare: dove non sono presenti convertitori (es. motore), caratterizzati dallo sfasamento, cosφ, fra le forme d’onda della tensione e della corrente; induttivo, quando la corrente è in ritardo rispetto alla tensione, o capacitivo, quando la corrente è in anticipo rispetto alla tensione. Il Fattore di Potenza, FP, è il rapporto tra la potenza attiva, P (W) e la potenza apparente S (VA). In un carico lineare cosφ ed FP coincidono. Carico Non Lineare: dove sono presenti convertitori (es. azionamento elettronico per motore) che creano una differenza fra il cosφ e FP in quanto allo sfasamento aggiungono gli effetti della distorsione generata da questi carichi.

Formula_1

Le nuove tecnologie di server e l’utilizzo della doppia linea di alimentazione hanno modificato la tipologia di carico: da tipicamente induttivo a tipicamente capacitivo. Gli UPS hanno adattato di conseguenza il diagramma della potenza in uscita da asimmetrico, adatto a carichi induttivi ma non a carichi capacitivi, a simmetrico, senza declassamento per cosφ sia induttivi che capacitivi, con la possibilità di funzionare fino a FP=1.

 Diagramma circolare asimmetrico; FP = 0,8 max
Diagramma circolare asimmetrico; FP = 0,8 max
Diagramma Circolare Simmetrico
Diagramma circolare simmetrico FP = 1

Caratteristiche dell’ingresso principale

  • Variazioni di tensione e frequenza accettate: le più ampie possibili senza scaricare le batterie; la tensione minima accettata potrebbe essere estesa se il carico è inferiore alla potenza nominale
  • Distorsione di corrente reiettata: il valore tipico è <5% a pieno carico, può essere <3%
  • Fattore di Potenza in Ingresso: tipico >0,95 a pieno carico, può arrivare a ≥0,99

Caratteristiche del circuito di controllo della batteria

  • Controllo dei parametri di batteria: le tensioni di mantenimento e carica vengono regolate in funzione della temperatura, del tipo di carica, del tipo di batteria
  • Ripple (componente alternata) di tensione e di corrente: minimo per non ridurre la vita delle batterie; tensione: ≤1%; corrente: <5% della capacità della batteria secondo VDE0510
  • Tensione di fine scarica batteria: spegne l’inverter per non sovrascaricare la batteria, regolabile in funzione della profondità di scarica
  • Test di batteria: effettua una scarica controllata con tempo limitato senza rischi per il carico; può essere automatico o manuale

Caratteristiche dell’inverter

  • Fattore di Potenza di uscita: da 0,6 a 1; tipico 0,8
  • Distorsione di Tensione di uscita: la più bassa possibile, tipica <2% su carico lineare, <5% su carico non lineare
  • Stabilità della tensione di uscita statica: tipica ±1% con carichi bilanciati; ±3% con carichi sbilanciati
  • Stabilità della tensione di uscita dinamica: vedere Classi 1, 2, 3 della EN 62040-3
  • Stabilità della frequenza di uscita: precisione del sincronismo tarabile (±1%, ±2%, …)
  • Fattore di Cresta (rapporto tra valore di cresta e valore efficace della corrente in uscita): tipico 3:1, indica la compatibilità con carichi distorcenti
  • Capacità di sopportare sovraccarichi o cortocircuiti in uscita senza subire danni

Caratteristiche del Commutatore Statico di Bypass

  • Variazioni di tensione e frequenza accettate: in genere selezionabili; Frequenza: dipende dal valore impostato di sincronismo; Tensione: tipico ±10% compatibile con tutti i carichi
  • Sovraccarico: aumenta la capacità dell’UPS di alimentare i sovraccarichi momentanei in uscita
  • Corrente massima transitabile: questo dato serve a controllare i limiti di selettività dell’UPS in un impianto
  • Tempi di trasferimento del carico: da alcuni ms (VFD) a senza interruzione.

Caratteristiche complessive

  • Rumorosità: indicata in dBA, decibel con curva di ponderazione “A” che si avvicina alla effettiva sensibilità dell’orecchio umano; riferita ad 1 m di distanza, secondo la norma ISO 3746.
  • Dalla norma EN 62040-3
  • Temperatura: 0°C/+40°C
  • Umidità relativa: minimo 20%/80%
  • Altitudine: fino a 1000 m senza declassamento. Per altitudini superiori si applica un declassamento dovuto alla minore densità dell’aria
  • Rendimento: la norma riporta varie tabelle con l’indicazione del rendimento minimo al 25%, 50%, 75%, 100% in funzione: della tensione di esercizio, della classe, della taglia e della tipologia di funzionamento (VFI, VI, VFD)

Agli UPS viene quindi richiesto di controllare molti parametri elettrici, come molteplici possono essere le modalità di utilizzo e le configurazioni installative, che approfondiremo in un prossimo articolo.
 

Autore: Lodovico Piermattei, consulting & solutions engineer, Emerson Network Power in Italia per ElettricoMagazine

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