Utilizzo dei gruppi statici di continuità

Emerson Network Power UPS

Nel precedente articolo si sono approfondite le configurazioni intrinseche e impiantistiche per l’inserimento di UPS (Uninterruptible Power Supply) in un impianto elettrico. Ora tratteremo la valutazione delle protezioni elettriche, l’interfaccia con i generatori elettrogeni e gli accumulatori per l’immagazzinamento dell’energia da utilizzare durante la mancanza rete.

Protezioni elettriche

  • Sovraccarico: se il sovraccarico da inverter ha una durata superiore al massimo previsto (es. 125% per un tempo >10 min), al termine del tempo prestabilito il carico viene commutato sulla linea di by-pass, se questa è idonea. Una volta risolto il problema, l’UPS commuta il carico automaticamente su inverter.
  • Cortocircuito o guasto: se il sovraccarico ha un valore superiore al massimo disponibile da inverter, es. >150%, il controllo dell’UPS lo considera un cortocircuito ed abbassa la tensione di uscita. Con tensione al di sotto del -10%, il carico viene commutato sulla linea di by-pass, se questa è idonea, che sopporta valori di sovraccaricabilità più elevati. Una volta risolto il guasto, l’UPS commuta il carico automaticamente su inverter.

In caso di mancanza rete, il carico può essere alimentato solo dall’inverter. Per cui, in caso di cortocircuito, la tensione viene abbassata affinchè la corrente in uscita rientri nei limiti massimi previsti (es. 1,5 In) per un tempo massimo previsto (es. 200 ms).

UPS

La protezione a monte dei gruppi di continuità può essere una protezione magnetotermica, tipicamente in curva C. Se il sistema di alimentazione è di tipo TN-S (conduttore di neutro collegato a terra, con distribuzione separata) non è necessaria la protezione differenziale.

Nel caso si usino protezioni differenziali a monte dell’UPS, queste dovranno essere di tipo A per circuiti monofase e di tipo B per circuiti trifase, ritardati di almeno 300 ms o tarabili in tempo e tarabili in corrente. La Idn (corrente differenziale nominale di intervento) dovrà essere valutata sommando le correnti di dispersione sia dell’UPS che dei carichi a valle.

La protezione a monte dell’UPS deve essere in grado di proteggere l’impianto anche a valle dell’UPS (gli UPS non proteggono l’impianto). Si può considerare come riferimento che l’UPS alimenti il carico attraverso il sezionatore di manutenzione.

Nel caso la linea di neutro venga aperta a monte dell’UPS (es. intervento di una protezione quadripolare oppure commutazione Rete-GE), per cui il neutro non è collegato a terra ed il sistema diventa momentaneamente IT, la norma CEI 64-8 ne permette il funzionamento senza dovere inserire un controllore di isolamento, in quanto è bassa la probabilità di un secondo guasto durante il funzionamento momentaneo da batteria.

  • Ritorno di energia: Il commutatore statico di by-pass può essere soggetto ad un guasto per cui l’SCR (Silicon Controlled Rectifier) è in conduzione anche se non è comandato ad esserlo. Questo fa sì che su una fase ci sia sempre collegamento fra inverter e ingresso di by-pass. In mancanza rete, si avrebbe un ritorno di energia sulla linea a monte, pericolosa per gli operatori. La norma EN 62040-1 obbliga i costruttori ad avere il dispositivo di apertura interno quando gli UPS sono del tipo a presa e spina, mentre per gli UPS con collegamento a morsetti è possibile fornire un contatto di allarme per il comando di un dispositivo esterno.
  • Spegnimento di emergenza: Gli UPS sono dotati di un ingresso per lo spegnimento di emergenza di tutti i convertitori interni. Questo ingresso, chiamato spesso EPO (Emergency Power Off), è in grado di recepire un contatto libero da tensione fornito dal cliente, in genere proveniente da un pulsante di emergenza. Su alcuni UPS a bordo macchina è disponibile un pulsante di EPO.

UPS e Generatori Elettrogeni

Per una corretta scelta della potenza del Generatore Elettrogeno (GE), devono essere presi in considerazione:

  • Il tipo di servizio al quale è destinato:

    • Produzione di energia elettrica in servizio continuo.
    • Produzione di energia elettrica in servizio di emergenza.
    • Produzione di energia elettrica per un tempo limitato.
  • Le condizioni ambientali di funzionamento: sia il motore che l’alternatore prevedono declassamenti in funzione dell’altitudine (da 100 metri in su) e della temperatura ambiente.
  • Il tipo di carico da alimentare e le modalità di applicazione dello stesso: la potenza attiva del carico è il riferimento per il dimensionamento del motore e deve rientrare nei limiti previsti per l’alternatore.
  • La potenza apparente, gli spunti di corrente e la distorsione di corrente reiettata dal carico, servono per dimensionare l’alternatore, che in genere prevede un cosφ (coseno dell’angolo di sfasamento tra la corrente e la tensione in un sistema elettrico in corrente alternata) del carico di 0,8 induttivo (con cosφ diversi deve essere declassato).
  • Per garantire la distorsione di tensione di uscita massima all’8% – limite entro cui tutti i carichi devono funzionare – è necessario conoscere la distorsione di corrente del carico e la reattanza sub-transitoria del GE.
  • In genere non è possibile applicare istantaneamente un carico prossimo alla potenza nominale del GE perchè il motore potrebbe spegnersi. Per ottenere questo risultato, è necessario sovradimensionare il GE oppure utilizzare una tipologia adeguata (es. motore aspirato).
  • I carichi capacitivi sono compatibili se entro il 10÷20% della potenza nominale (caratteristica da verificare con il costruttore del GE).

L’UPS, secondo le proprie caratteristiche costruttive, può prevedere spunti alla alimentazione (ponte dodecafase con trasformatore), distorsioni di corrente reiettate (la condizione peggiore sono ponti monofasi o trifasi a SCR (Silicon Controlled Rectifier) senza PFC (Power Factor Correction), tempi di accensione del raddrizzatore a carico, ricarica della batteria. Quindi è necessario conoscere:

  • La corrente/potenza massima assorbita in ingresso all’UPS e se prevede spunti.
  • Se prevede ritardi all’avviamento del raddrizzatore (es. più UPS di alta potenza in parallelo, con la possibilità di avviare i vari raddrizzatori uno alla volta).
  • Se l’accensione del raddrizzatore avviene con una rampa, quindi non è istantanea.
  • Il valore di reattanza sub-transitoria del GE o la Vcc% (tensione di cortocircuito percentuale) del trasformatore di cabina.
  • Il valore della distorsione di corrente reiettata dal raddrizzatore dell’UPS.
  • Se l’UPS può inibire la ricarica della batteria in funzionamento da GE (riducendo la potenza richiesta).
  • Il rapporto di dimensionamento in funzione della distorsione di corrente (vedere tabella seguente).

ups-2

Zs: reattanza subtransitoria o Vcc%

UPS per circuiti di sicurezza

La norma EN 50171 indica che possono essere utilizzati UPS per alimentare sistemi essenziali di sicurezza, conformi alla norma di prodotto degli UPS (EN 62040-1) e alle prescrizioni aggiuntive della norma EN 50171.

Accumulatori

Tipologie di batterie al piombo acido:

  • Le batterie al piombo acido regolate a valvole VRLA (Valve Regulated Lead Acid) sono le più utilizzate: tensione di 2V/cella, a bassa manutenzione, senza possibilità di rabbocco di acqua, possono essere realizzate con piastre impastate o al piombo puro oppure per una vita operativa più lunga con piastre a tubetti. Esistenti in due tipologie: AGM (Absorbed Glass Mat) con elettrolito assorbito in una struttura di fibra di vetro e GEL (ad elettrolito gelificato), con bassissima emissione di gas e quindi implementabili in aree accessibili all’operatore, possono essere installate dentro l’UPS, in armadi o scaffali esterni. Possono avere una vita attesa di 5 anni, 10/12 anni, oltre 12 anni, 15 anni, 20 anni. Il riferimento Europeo per queste batteria è la Guida Eurobat.
  • Batteria al piombo acido a vaso aperto: tensione di 2V/cella, la perdita di acqua durante la ricarica è elevata, in compenso permette il rabbocco dell’acqua perduta; in ricarica si utilizzano due livelli di tensione, la dissipazione di idrogeno è molto alta. La tipologia Plantè prevede piastre al piombo puro realizzate con una fitta serie di solcature per aumentare la superficie (vita più lunga, più adatte a scariche medio-lunghe).

Installazione

La norma di riferimento è la EN 50272-2, dove viene indicato come installare e ventilare correttamente le batterie. La norma contiene le formule per la corretta diluizione dell’idrogeno emesso dagli accumulatori ed il dimensionamento delle aperture per la ventilazione naturale. La norma prevede un margine di 5 volte inferiore alla minima concentrazione esplosiva di idrogeno (4%).
I parametri che condizionano la vita reale dell’accumulatore sono:

  • Temperatura di esercizio
  • Numero di scariche e ricariche
  • Profondità di scarica
  • Modalità di ricarica
  • Modalità di installazione e relativa ventilazione

Altre tipologie di accumulatori:

  • Batterie al NiCd (nichel-cadmio): più adatte per temperature di esercizio estese da -40°C a +60°C. Tensione di 1,2 V/cella, con vita attesa fino a 20 anni, permette il rabbocco di acqua. È necessario periodicamente effettuare una carica di formazione.
  • Batterie agli Ioni di Litio: con energia elevata in spazi ridotti, alto numero di cicli, ricarica in tempi ridotti, prevedono controlli elettronici obbligatori di temperatura e di corrente.
  • Batterie al Sodio Nichel: con sali secchi senza elettrolito, temperatura interna di funzionamento di 250°C, sono necessariamente coimbentate. Ampio campo di variazione della temperatura operativa.
  • Fuel Cell: utilizzano idrogeno in forma di gas o liquidi (es. metanolo). Sono lente ad attivarsi, per cui servono comunque in parallelo delle batterie al piombo acido per alcuni minuti; possono fornire energia per ore. Sono una alternativa ai GE per basse potenze in località isolate (telecomunicazioni).
  • Volani: accumulano energia in forma dinamica con una massa rotante nel vuoto, talvolta con cuscinetti magnetici; massa grande con basso numero di giri o massa piccola con elevato numero di giri. Forniscono circa 2 minuti di autonomia.

Nel prossimo articolo approfondiremo i concetti di base per la gestione della manutenzione ordinaria e straordinaria dei gruppi statici di continuità.

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

 

 

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