Utilizzo dei gruppi statici di continuità (UPS)

Emerson Network Power UPS

Emerson Network Power UPSI gruppi statici di continuità (UPS, Uninterruptible Power Supply) sono necessari per la protezione e la continuità di carichi critici e preferenziali; per ottenere questo obiettivo possono essere installati in diverse configurazioni, intrinseche o impiantistiche, per potere garantire, oltre alla continuità di alimentazione, anche una maggiore affidabilità.

In questo primo articolo approfondiremo l’utilizzo di questi dispositivi, per individuare la soluzione installativa adeguata.

 

Configurazioni intrinseche

Monolitico: si intende un UPS a sé stante costituito di tutte le sue parti: raddrizzatore, inverter, commutatore statico di by-pass, by-pass di manutenzione; realizzato in uno o più armadi interconnessi fra loro. Nel caso uno dei componenti interni si guasti, per la riparazione è necessario disalimentarlo completamente, eventualmente spostando il carico sul sezionatore di manutenzione.
Modulare: si intende un UPS realizzato con vari moduli intercambiabili, addizionabili, rimovibili, sostituibili o riparabili mentre gli altri moduli continuano ad alimentare il carico; dotato di ingresso in comune, uscita in comune, spesso un unico commutatore statico di by-pass e un unico by-pass di manutenzione. Dotabile di batterie modulari o centralizzate. Come minimo ogni modulo di potenza è costituito da raddrizzatore e inverter. Potenze da pochi kVA a MVA.
Tower: dotato di una struttura autoportante, può essere dotato di ruote, nelle taglie fino a 60 kVA può contenere batterie, può essere accoppiato ad armadi batterie esterni. Può avere dimensioni che permettono di inserire l’intero armadio dentro un armadio rack 19". Può essere realizzato con armadi identici agli armadi rack 19".
Per Rack 19": con dimensioni compatibili al posizionamento interno ad armadi rack 19", talvolta dotato di guide di supporto opzionali; talvolta dotato di supporti per il montaggio come tower, in genere prevede batterie interne e cassetti di batteria esterni sempre per armadi rack 19".

Configurazioni impiantistiche

Configurazione centralizzata: un unico dispositivo di grandi dimensioni che protegge l’intera infrastruttura. Vantaggi: maggiore efficienza energetica, un unico sistema da manutenere e monitorare, migliore controllo del raffreddamento e delle condizioni ambientali poichè collocato in locale tecnico, minor costo totale, ottimizzazione degli spazi occupati, maggiore aspettativa di vita sia per l’UPS che per le batterie. Svantaggi: maggiori costi di installazione e cablaggio, maggiore distanza dal carico da proteggere, singolo punto di guasto (problema risolvibile scegliendo installazioni ridondanti).
Configurazione distribuita: numerosi dispositivi di bassa potenza a protezione di gruppi di dispositivi o anche di singole apparecchiature. Vantaggi: facilità di installazione, facilità di ricollocazione dei sistemi esistenti, flessibilità del sistema, dimensionamento dedicato e vicinanza ai carichi da proteggere. Svantaggi: minore efficienza energetica, maggior numero di batterie da manutenere e sostituire, maggior numero di dispositivi da manutenere, eventuale estensione di autonomia o ridondanza più costosa, maggiore costo totale.

Configurazione UPS     

Singolo: un solo UPS che alimenta tutti i carichi preferenziali o un carico preferenziale particolare (ad esempio uno generale che alimenta tutto un ospedale oppure che alimenta solo una Risonanza Magnetica).
In parallelo: si collegano in parallelo due o più UPS, ad esempio per ottenere una ridondanza N+1 e/o per aumentare la potenza disponibile, ad esempio 3 da 500kVA per alimentare un carico fino a 1000kVA con ridondanza 1 su 3.
Parallelo Distribuito: UPS dotati ciascuno di un proprio commutatore statico. I commutatori statici devono funzionare tutti in parallelo (talvolta si aggiungono induttanze interne a monte di ciascun commutatore statico).
Parallelo Centralizzato: viene utilizzato un unico commutatore statico centralizzato separato dall’UPS, non viene utilizzato quello interno ai singoli; prevede una affidabilità maggiore nel caso di un alto numero di UPS in parallelo.
Stand-by: particolare configurazione di collegamento con massimo 2 dispositivi, in cui l’uscita di uno alimenta l’ingresso di by-pass di quello a valle, il quale alimenta il carico preferenziale. Si utilizza solo per aumentare l’affidabilità e la disponibilità di alimentazione su un certo carico. Ridondanza 1+1. Possono essere utilizzati due UPS di costruttori diversi, in quanto non devono coordinarsi fra loro. La potenza disponibile è relativa a quello che alimenta il carico. L’affidabilità è simile a quella del paralello ridondante di 2 UPS, 1+1.
Doppio radiale: configurazione di impianto realizzabile quando i carichi o la maggior parte di essi sono dotati di doppio alimentatore. Separando il più possibile l’impianto in due parti speculari, a partire dal singolo carico fino a due diverse cabine elettriche con due diverse linee di media o alta tensione, si ottiene un valore di affidabilità e disponibilità elevatissimo. La separazione deve permettere che qualsiasi tipo di guasto su una linea (anche acqua e incendio) non abbia nessun effetto sulla seconda linea. Molto dipende anche dalla facilità e dalla rapidità della manutenzione. Negli USA è nata una classificazione chiamata TIER che con numeri da 1 a 4 indica la complessità, il costo e l’affidabilità dell’impianto (Riferimenti TIA 942, Uptime Institute).

Classificazione TIER UPS

Affidabilità: indica la capacità di funzionamento dell’UPS nel tempo.L’affidabilità viene spesso indicata con la sigla MTFB (Mean Time Between Failure).
MTBF: indica il tempo medio, espresso in ore (h) o migliaia di ore (kh), che intercorre fra un guasto e un altro guasto; per gli UPS con il termine guasto non si intende qualsiasi tipo di guasto, ma quello in grado di disalimentare il carico. Considera il valore di MTBF dei componenti interni e della tipologia circuitale interna, estendendosi a sistemi complessi di più UPS.
MTTR: tempo medio di riparazione, considera il valore dei tempi di riparazione in ore (h).
Disponibilità: è il rapporto fra MTBF ed MTTR; più  è  alto il numero di 9 del risultato più è alta la disponibilità.

Disponibilità UPS

 

Trasformatore: l’UPS fino ad alcuni anni fa utilizzava il trasformatore in uscita all’inverter per adattare la tensione dello stesso a quella nominale di uscita, migliorando la qualità della forma d’onda derivante da una frequenza di commutazione bassa. Inoltre, si posizionava un trasformatore con due secondari sfasati di 30° elettrici a monte del raddrizzatore per ridurre le armoniche di corrente generate dal funzionamento degli SCR, UPS di tipologia dodecafase. Gli UPS di più recente progettazione, utilizzando IGBT con commutazione a più alta frequenza, il booster per innalzare la tensione di batteria, un inverter al posto del raddrizzatore, o comunque un raddrizzatore con il ponte a piena conduzione (PFC), non sono dotati di trasformatori interni, riducendo ingombri e migliorando i rendimenti. I trasformatori possono essere ancora necessari, nell’UPS o nell’impianto, per esigenze specifiche tipo:

  • Ricostruire un sistema TN-S oppure creare un sistema IT
  • Ridurre alcune tipologie di disturbi elettromagnetici, armoniche a basse frequenze generate dal carico o disturbi ad alta frequenza che si chiudono verso massa
  • Adattare la tensione (in questo caso possono essere utilizzati autotrasformatori)  
  • Posizionando il trasformatore a valle dell’uscita dell’UPS o a monte di entrambi gli ingressi si ottiene l’isolamento galvanico completo; posizionato in uscita, la  potenza del trasformatore corrisponde a quella dell’UPS; se posizionato a monte, deve essere dimensionato sulla massima potenza assorbita dall’UPS considerando anche la ricarica della batteria.
  • Posizionando il trasformatore su uno solo degli ingressi è possibile adattare l’UPS ad essere alimentato da due linee con neutro non in comune fra loro (ad esempio due diverse cabine elettriche). Se l’UPS è dotato di trasformatore in uscita all’inverter, posizionando il trasformatore sul solo ingresso di by-pass si riesce ad ottenere l’isolamento galvanico completo.

Nella seconda parte dell’articolo approfondiremo la valutazione delle protezioni elettriche, l’interfaccia con i generatori elettrogeni e gli accumulatori per l’immagazzinamento dell’energia da utilizzare in caso di mancanza rete.

 

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

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