Principi fondamentali di funzionamento dei generatori per IT · 2004 American Power Conversion....

Principi fondamentali di funzionamento dei generatori per IT

White Paper n. 93

A cura di Robert Wolfgang

2004 American Power Conversion. Tutti i diritti riservati. È vietato utilizzare, riprodurre, fotocopiare, trasmettere o memorizzare in qualsiasi sistema di recupero di qualsiasi natura ogni parte della presente pubblicazione in assenza di autorizzazione scritta concessa dal proprietario del copyright. www.apc.com Rev 2004-0

2

Sintesi Ogni professionista IT responsabile del funzionamento di apparecchiature informatiche

deve assicurarsi che il data center o la sala CED sia protetta dal rischio di interruzioni

prolungate dell'alimentazione elettrica. Comprendere le funzioni e i concetti basilari dei

gruppi elettrogeni di riserva significa gettare delle solide basi che consentiranno ai

professionisti IT di specificare, installare e far funzionare senza problemi impianti critici.

Questo documento è un'introduzione all'argomento dei gruppi elettrogeni e dei sottosistemi

di riserva per l'alimentazione dei carichi elettrici critici di un impianto in caso di black-out.


3

Introduzione Un gruppo elettrogeno di riserva è costituito da due sottosistemi di base: (1) il generatore, costituito dal

motore primo, dall'alternatore e dal regolatore, e (2) il sistema di distribuzione, costituito dall'Automatic

Transfer Switch (commutatore automatico, ATS) e dalla relativa apparecchiatura di manovra e distribuzione.

La Fig. 1 rappresenta un tipico gruppo elettrogeno di riserva. In questo documento si descrivono questi

sottosistemi principali e le loro funzioni base. Tuttavia esso va considerato un lavoro a carattere divulgativo

(tratto da una serie di White Paper APC con una trattazione più ampia dell'argomento) contenente riferimenti

bibliografici per il lettore interessato a un approfondimento della materia.

Fig. 1 - Gruppo elettrogeno di riserva

Quando si investe nell'acquisto di un generatore, occorre avere chiari i vantaggi tecnici offerti dagli odierni

sistemi ed essere a conoscenza dei notevoli progressi in termini di affidabilità e funzionalità che sono stati

realizzati negli ultimi 10-15 anni. Spesso è possibile modificare con un “retrofit” i generatori meno recenti in

modo che soddisfino gli attuali requisiti. Il White Paper APC n. 90, “Requisiti essenziali per i generatori per

i data center della prossima generazione” contiene un approfondimento sui requisiti essenziali dei generatori

per gli odierni impianti mission-critical.


4

Il motore primo: il motore a combustione interna Che cos'è la combustione interna? I motori di quasi tutte le auto odierne sono a combustione interna.

Il motore a combustione interna è stato un'insostituibile “bestia da soma” nella seconda metà del XX

secolo e anche nel nuovo millennio assolve ancora a questo ruolo. Sostanzialmente, esso converte

l'energia chimica del carburante in energia meccanica tramite le sue parti mobili interne. L'aria esterna

viene mescolata con il carburante all'interno del motore e la miscela viene incendiata per creare

un'esplosione controllata (combustione) all'interno di determinate cavità (i cilindri). Anche se vi sono

numerose varianti del motore a combustione interna, quella più diffusa per i gruppi elettrogeni di riserva

è il motore a quattro tempi. Quest’ultimo viene denominato quattro tempi perché il ciclo di combustione

comprende quattro fasi distinte, ossia: aspirazione dell'aria / miscelazione, compressione della miscela,

combustione o esplosione, e scarico. Quando ci si riferisce ai generatori, il motore viene in genere chiamato

“motore primo”. Segue una descrizione degli attributi fondamentali associati al motore primo.

Combustibile Nei motori a combustione interna si utilizzano quattro tipi principali di carburante, ossia: diesel, gas naturale,

GPL e benzina. La scelta del tipo di carburante dipende da vari fattori: stoccaggio, costo e accessibilità.

Scarico, emissioni e rumorosità Gli scarichi di un generatore costituiscono un problema importante per quanto riguarda l'inquinamento

dell'aria e l'inquinamento acustico. Mentre il concetto di attenuazione del rumore e dei gas di scarico

è chiaro, le questioni ambientali e normative lo sono molto meno. L'EGSA (Electrical Generating Systems

Association) è un'organizzazione mondiale che offre una profusione di informazioni sulle emissioni e su altri

aspetti dei gruppi elettrogeni di riserva. Le norme a tutela dell'ambiente, le autorizzazioni edilizie e la durata

dell'uso dei gruppi elettrogeni variano notevolmente di luogo in luogo. Negli Stati Uniti, ad esempio, l'EPA

(Environmental Protection Agency; Ente per la protezione dell'ambiente) ha delegato ad ogni stato della

confederazione l'autorità giurisdizionale e la discrezionalità sui metodi per raggiungere gli obiettivi nazionali

in tema di qualità dell'aria. In altri paesi operano enti normativi analoghi, che fissano limiti alle emissioni

dei gruppi elettrogeni. La Defra (Department for Environment, Food and Rural Affairs; Dipartimento per

l'ambiente, le risorse alimentari e la politica agricola), ad esempio, fissa le politiche di tutela ambientale

nel Regno Unito, mentre in India questo ruolo è ricoperto dal MoEF (Ministry of Environment and Forests;

Ministero dell'ambiente e delle foreste). Se l'impianto è ubicato in un'area in cui vigono norme severe,

insieme alla domanda per ottenere le autorizzazioni può essere necessario presentare una dichiarazione

sulle emissioni del gruppo elettrogeno. I professionisti dell'industria di solito conoscono la procedura di

approvazione nell'area in cui svolgono le loro attività.


5

Un'altra questione sottoposta al vaglio degli enti proposti è quella riguardante l'inquinamento acustico. Nelle

norme locali sull'inquinamento acustico viene di solito definito come il massimo rumore di fondo registrabile

nel corso di un periodo di osservazione di 24 ore. Le marmitte di scarico sono generalmente suddivise in tre

categorie: industriali, residenziali e per applicazioni critiche. La terza categoria è quella che offre la massima

riduzione del rumore. Per risparmiare sulle spese di progettazione di retrofit, occorre considerare la

rumorosità nominale del sistema prima dell'acquisto e fare in modo che le autorità urbanistiche autorizzino

tali valori ancora nelle fasi di progettazione. Anche le vibrazioni meccaniche contribuiscono alla rumorosità

complessiva e alla percezione del rumore da parte dei residenti nella zona. Per ridurre al minimo le

vibrazioni, si possono adottare particolari tecniche di isolamento e di montaggio.

C'è infine la questione dell'aspetto estetico, un altro criterio talora adottato dagli enti locali che devono

concedere la licenza per i gruppi elettrogeni. In alcuni comuni le norme prevedono anche restrizioni sulla

posizione del gruppo elettrogeno, ad esempio prescrivendo che debba essere racchiuso in una struttura

in cemento o con pareti di isolamento il cui stile non stoni con quello dell'edificio principale. Ciò per evitare

che il gruppo elettrogeno sia appariscente e per mantenere una certa neutralità estetica rispetto all'ambiente

circostante.

Aspirazione dell'aria Nella progettazione dell'ambiente è importante alimentare il motore con un flusso d'aria fresca e pulita.

È inoltre consigliabile un'abbondante ventilazione dell'ambiente con aria fresca e pulita per assicurare

il massimo comfort al personale. A tale scopo, spesso sono necessari sfiati di grandi dimensioni e, se

possibile, ventole supplementari. È infine necessario prendere precauzioni per evitare la penetrazione

di pioggia, neve e detriti all'interno del sistema.

Raffreddamento La maggior parte dei motori primi per i generatori sono dotati di un sistema di raffreddamento a radiatore

molto simile a quello delle automobili. Essi sono dotati di una ventola per convogliamento di una quantità

sufficiente di aria sul radiatore, allo scopo di mantenere una temperatura moderata del motore. Il calore

disperso viene estratto dal radiatore e guidato verso l'esterno, attraverso un condotto la cui area della

sezione trasversale è uguale alla superficie radiante. La luce dell'aria di aspirazione (feritoie di ventilazione

della sala) è normalmente del 25% - 50% più grande dell'area del condotto. Per garantire un funzionamento

affidabile occorre una manutenzione scrupolosa del sistema di raffreddamento. I tubi e il livello di

refrigerante, il funzionamento della pompa d'acqua e l'antigelo protettivo devono essere sottoposti ad una

diligente ispezione perché forniscano prestazioni accettabili.

Lubrificazione Nei moderni motori a 4 tempi si utilizzano sistemi di filtraggio a flusso totale che pompano l'olio lubrificante

attraverso filtri montati esternamente per impedire che particelle e contaminanti danneggino le parti in

movimento o i cuscinetti. Per mantenere il livello d'olio corretto vengono impiegati serbatoi d'olio di reintegro,

mentre dei radiatori dell'olio esterni evitano i problemi di lubrificazione dovuti a temperature elevate.


6

Filtri: aria e carburante L'aria e il carburante sono elementi critici per un funzionamento affidabile del motore primo ed è essenziale

che sia seguito un programma di manutenzione adeguato. Un sistema ridondante, con doppie tubazioni del

carburante e doppi filtri, è di grande aiuto nelle applicazioni mission-critical, in cui devono essere supportati

tempi di funzionamento prolungati. Questo perché le tubazioni del carburante e i filtri possono essere isolati

e sostituiti mentre il motore resta in funzione. La mancanza di scorte per filtri e altri “materiali di consumo”

può provocare un'interruzione delle attività.

È’ possibile effettuare il monitoraggio preventivo di questi filtri mediante indicatori della pressione

differenziale. Essi mostrano la differenza di pressione ai due capi del filtro o fra due tubi del carburante

durante il funzionamento del motore. Nel caso dei filtri dell'aria, questi dispositivi di monitoraggio preventivo

vengono chiamati indicatori di restrizione. Essi forniscono un'indicazione visiva della necessità di sostituire

un filtro a secco dell'aria di aspirazione mentre il motore del generatore è in funzione.

Motore dello starter Il sistema di avviamento è uno dei più critici per il funzionamento del generatore. Per carichi mission-critical

spesso vengono usati sistemi UPS con un'autonomia della batteria di pochi minuti, quindi è molto importante

che l'avviamento sia rapido. Il tempo minimo per la rilevazione del problema di alimentazione, l'avviamento

del motore primo, la stabilizzazione della frequenza e della tensione in uscita e il collegamento ai carichi è di

solito dell'ordine di almeno 10-15 secondi. Tuttavia molti sistemi attualmente in uso non si comportano in

modo sufficientemente affidabile in questo senso, spesso a causa di batterie scariche o addirittura assenti

perché rubate. Altri problemi possono derivare dalla manutenzione insufficiente o da errori umani. Una

manutenzione e una progettazione coscienziose sono di importanza fondamentale per ottenere una

percentuale di successo accettabile nell'avviamento dei gruppi elettrogeni.

Nella maggioranza dei generatori si utilizza un motore dello starter azionato da batteria, come nelle

automobili, ma talora nei motori primi più pesanti si utilizza in alternativa un sistema pneumatico o idraulico.

L'elemento critico nello starter tradizionale è evidentemente il sistema a batteria. Ad esempio, l'alternatore

per la carica della batteria presente in alcuni motori non impedisce che la batteria si scarichi durante i periodi

di inutilizzo. La presenza di un sistema di carica automatico e separato, con possibilità di allarme remoto,

viene considerata “prassi ottimale”. È inoltre essenziale tenere la batteria calda ed evitare di esporla ad

agenti corrosivi.

Il riscaldamento della batteria viene effettuato con un elemento termico che mantiene la temperatura

dell'elettrolita a un livello opportuno. Nei climi freddi ciò fa aumentare notevolmente la corrente di

avviamento disponibile per il motore dello starter. Le batterie sono classificate in base ai CCA

(Cold Cranking Amperes) che indicano gli ampere disponibili per 30 secondi a 0°F (-17,8°C).

A temperature inferiori a 0°F (-17,8°C) e superiori a 80°F (26,7°C) l'affidabilità è assolutamente

insoddisfacente.


7

Anche i riscaldatori del blocco motore contribuiscono ad aumentare la percentuale di avviamenti

riusciti poiché riducono l'attrito che il motore dello starter deve vincere quando questo viene avviato.

Da numerosi studi risulta che i problemi di avviamento sono la causa principale dei problemi di

funzionamento del generatore.

L'alternatore: il componente di generazione dell'energia elettrica La funzione dell'alternatore è quella di convertire l'energia meccanica proveniente dal motore primo

in corrente alternata. Questo principio è simile a quello dell'alternatore di un'automobile che però,

normalmente, è condotto da una cinghia, mentre quello del generatore è condotto dall'albero motore

principale del motore primo. Un alternatore molto semplice può essere composto da un anello di filo

metallico e da un magnete. L'energia elettrica viene prodotta quando l'anello metallico si muove attraverso

il campo magnetico prodotto dai poli positivo e negativo del magnete; altrimenti, si può muovere il campo

magnetico mentre il filo metallico resta fermo. Un alternatore di questo tipo, naturalmente, produrrebbe una

quantità molto ridotta di energia elettrica, ma i principi elettrici su cui si basa sono uguali a quelli dei grandi

alternatori presenti nei generatori. Nel corso degli anni sono state perfezionate alcune caratteristiche dei

componenti degli alternatori per migliorarne l'efficienza, la capacità e l'affidabilità. Di seguito è riportata una

spiegazione di ognuna di queste caratteristiche. La Fig. 2 illustra i componenti principali dell'alternatore

tipico di un generatore.

Figura 2 - Vista in sezione: alternatore brushless autoeccitato, con regolatore esterno

3 fase + Uscita CA neutra

Alternatore principale del campo in rotazione

Cavi rotore principale

Alloggiamento motore

primo

Albero motore

Statore principale (avvolgimento dell'indotto)

3 fase + Uscita CA neutra

+ -

Armatura girevole Alternatore eccitatore

Statore eccitatore (campo)

Rotore eccitatore (armatura)

Ingresso CC (dal regolatore di tensione)

Assemblaggio raddrizzatore (da CA a CC)


8

Brushless L'aggettivo “brushless” (senza spazzole) significa che in questo tipo di generatore non è necessario il

contatto con le parti in rotazione per trasferire l'energia elettrica ai o dai componenti. Nei motori e nei

generatori molto piccoli la presenza delle spazzole è ancora accettabile, ma esse hanno lo svantaggio di

essere usurabili ed è impossibile sottoporle a un'ispezione preventiva. Un gruppo elettrogeno di grandi

dimensioni con spazzole non possiede l'affidabilità necessaria per il funzionamento di unità mission-critical.

Autoeccitato Nell'esempio precedente, per generare il campo magnetico viene usato un magnete; ma negli alternatori

più grandi è necessario un campo magnetico molto più potente per generare grandi quantità di energia

elettrica. Si tratta di una situazione analoga a quella di un'officina di autodemolizioni, in cui occorre spostare

grosse masse metalliche: anche qui non si può usare un semplice magnete, ma occorre un elettromagnete

appeso a una gru. Un elettromagnete è un magnete alimentato ad energia elettrica e, nel caso dei

moderni alternatori, “autoeccitato”. Questo aggettivo significa che l'elettricità usata per creare il campo

elettromagnetico viene prodotta all'interno dell'alternatore stesso, permettendo così di generare grandi

quantità di energia elettrica senz'altra energia che quella fornita dal motore primo.

Statore principale o avvolgimento dell'indotto Lo statore principale, o avvolgimento dell'indotto, è costituito da bobine fisse di filo metallico in cui viene

indotta l'energia elettrica per i carichi critici. Le caratteristiche della corrente alternata prodotta sono correlate

alla quantità e alla geometria degli avvolgimenti della bobina. Sono a disposizione diverse configurazioni per

soddisfare diversi requisiti di portata e tensione.

Gli avvolgimenti trifase sono tre bobine separate, disposte a 120 gradi l'una dall'altra sulla circonferenza

di rotazione. Quando il campo magnetico dell'alternatore ha solo una coppia di poli nord-sud, viene creato

un ciclo di corrente alternata per fase per ogni rotazione del motore primo. In altre parole, per produrre c.a.

a 60 Hz il motore primo deve far girare l'alternatore a 3600 giri al minuto. Questo è un regime abbastanza

elevato per i sistemi di generatori diesel che subiscono un'usura doppia rispetto a un motore funzionante

a 1800 giri/min. Progettando il campo magnetico dell'alternatore con quattro poli, è sufficiente far ruotare

il motore primo a 1800 giri/min per ottenere un'uscita a 60 Hz. Sono inoltre disponibili sistemi di generatori

con un regime ancora più basso che integrano alternatori a 6 o a 8 poli (con velocità di rotazione rispettiva

di 1200 e 900 giri/min).

Messa a terra La messa a terra del generatore e la connessione del neutro rappresentano un dettaglio importantissimo.

Per evitare guasti e ottenere un'alimentazione di buona qualità è indispensabile che il metodo di messa

a terra sia conforme alle norme elettriche del luogo di installazione. Negli Stati Uniti, ad esempio, occorre

attenersi alle norme del National Electrical Code (NEC) Article 250 Ref. 4, o altre norme locali.


9

La messa a terra è forse l'aspetto più soggetto a errori di interpretazione e applicazione negli impianti di

qualsiasi dimensione. Informazioni a questo proposito si possono ricavare dallo standard IEEE1 Standard

446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial

and Commercial Applications (Orange Book). Quando si alimentano carichi elettronici sensibili, inoltre,

occorre dedicare una seria considerazione alle raccomandazioni dello standard IEEE 1100-1999,

“IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book)”.

Temperatura di funzionamento La temperatura di funzionamento degli avvolgimenti dell'alternatore è un altro parametro importante,

in particolare nelle applicazioni in condizioni ambientali estreme (altitudine, temperatura ambiente

o ventilazione).

Talvolta, per contenere le temperature dell'avvolgimento, si utilizza un generatore sovradimensionato. In

alternativa, è possibile utilizzare un isolamento speciale in grado di sopportare temperature più elevate. In

particolari ambienti di installazione possono esservi problemi operativi e condizioni difficili dovute ad umidità,

temperatura, funghi, insetti nocivi, ecc. Per ovviare a questi problemi sono disponibili versioni e isolamenti

speciali, che aiutano a mantenere asciutti gli avvolgimenti e a impedire il deterioramento dell'isolamento.

Il regolatore: frequenza di uscita c.a. e regolazione Il regolatore mantiene costante il regime del motore primo in condizioni variabili, regolando il carburante che

lo alimenta. È necessaria una frequenza c.a. stabile e questa è direttamente proporzionale alla precisione

e al tempo di risposta del regolatore. Questo elemento è un componente chiave per la determinazione della

qualità dell'alimentazione c.a. in uscita.

Le variazioni di frequenza e il loro impatto sulla qualità dell'alimentazione non rappresentano un problema

che gli utenti devono affrontare quando sono collegati a una rete elettrica stabile. Tuttavia i componenti

elettronici sensibili sono vulnerabili al disturbo causato da cambiamenti di frequenza improvvisi,

determinati dall'alimentazione dal generatore. La capacità del generatore di fornire una frequenza costante

è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione del motore primo controllato dal regolatore. Sono

a disposizione diversi tipi di regolatori, dal semplice tipo a molla fino ai complessi sistemi idraulici ed

elettronici che regolano dinamicamente l'apertura della valvola a farfalla per mantenere costante il regime

del motore. La semplice aggiunta o rimozione di carichi, oppure il ciclo di accensione/spegnimento dei

carichi stessi, può creare condizioni di instabilità che devono essere neutralizzate dal regolatore.

1 L'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) è considerato un'organizzazione tra le più autorevoli in vari settori tecnici, tra cui quello dell'alimentazione elettrica. È un associazione senza fini di lucro costituita da professionisti tecnici, con oltre 360.000 iscritti di più di 175 nazioni. www.ieee.org


10

Il regolatore isocrono mantiene costante la velocità indipendentemente dal livello di carico. Sono comunque

presenti lievi variazioni di velocità del motore primo; la loro entità è una misura della capacità stabilizzante

del regolatore. L'attuale tecnologia dei regolatori permette di contenere le variazioni di frequenza entro

il ±0,25%, con tempi di risposta alle variazioni di carico dell'ordine di 1-3 secondi. Gli odierni dispositivi

elettronici allo stato solido assicurano un'elevata affidabilità e la regolazione della frequenza necessaria per

carichi sensibili.

Quando due o più generatori sono collegati in parallelo per esigenze di capacità o di ridondanza, devono

essere tutti regolati alla stessa velocità, utilizzando la frequenza dell'alimentazione di rete o di un altro

generatore come riferimento. Ciò accade perché se le due sorgenti non sono sincronizzate, una di esse

supporterà una frazione maggiore del carico e ciò, a sua volta, imporrà una correzione.

Di recente sono stati sviluppati sofisticati sistemi di regolatori elettronici per installazioni in parallelo, che

forniscono un miglior coordinamento e una maggiore stabilità della frequenza in diverse condizioni. Queste

nuove tecnologie, grazie alla loro affidabilità, alle esigenze minime di manutenzione e alle migliori funzioni di

coordinamento, soddisfano come auspicato i requisiti di disponibilità dei moderni data center.

La scelta del regolatore è influenzata dal tipo di carburante del gruppo elettrogeno, nonché dall'entità delle

possibili variazioni improvvise dei carichi. Poiché entrambi questi fattori contribuiscono alla precisione e alla

stabilità della velocità del motore primo, è indispensabile tenerne conto in fase di progettazione.

Regolazione della tensione La funzione fondamentale di un regolatore di tensione è semplicemente quella di controllare la tensione

prodotta all'uscita dell'alternatore. Il funzionamento del regolatore di tensione è di importanza vitale per

i carichi critici dipendenti da alimentazione classificata “computer grade”. L'obiettivo è quello di configurare

un sistema con un tempo di risposta adeguato, per minimizzare le sottotensioni e le sovratensioni che si

verificano quando varia il carico. Un altro aspetto da considerare è il comportamento del regolatore quando

è soggetto a carichi non lineari, ad esempio con gli alimentatori a commutazione di vecchio tipo. I carichi non

lineari prelevano corrente in modo incoerente con la forma d'onda della tensione, mentre i carichi resistivi

(come quello di una lampadina) lo fanno in sincronia con la forma d'onda. I carichi non lineari possono

interagire negativamente con un generatore, mettendo così a rischio la disponibilità del carico critico durante

il funzionamento in standby.

La norma EGSA 101E sezione 5 definisce il parametro di regolazione della tensione come la “differenza tra

la tensione di stato stazionario a vuoto e a pieno carico, espressa come percentuale della tensione a pieno

carico”. Vi sono tre aspetti dell'alternatore che determinano la tensione: l'intensità del campo magnetico, la

velocità di intersezione con il campo magnetico e il numero di avvolgimenti (spire) della bobina. Gli ultimi

due sono fattori costanti in questa discussione, il che significa che la regolazione della tensione è una

funzione dell'alterazione del campo magnetico per raggiungere il risultato desiderato.


11

Vi sono molte tecnologie per il monitoraggio della tensione di uscita che consentono di fornire la qualità

di alimentazione più adeguata all'uso nei data center. Indipendentemente dal tipo del regolatore, occorre

ragionare su una situazione “worst case” che produca una variazione di tensione ancora inferiore al valore

massimo accettabile. Le situazioni worst-case possono essere determinate, ad esempio, dalla temperatura

eccessiva dell'avvolgimento (che produce un abbassamento della tensione) o da un'alta percentuale

di carichi non lineari. Gli odierni data center contengono pochissimi carichi non lineari, grazie alla prevalenza

di alimentatori con correzione del fattore di potenza (PFC). Tuttavia, se il generatore sarà usato come

alimentazione di riserva per altri sistemi dell'edificio, occorrerà identificare i carichi non lineari per garantire

la scelta del generatore più adatto.

Apparecchiatura di manovra e distribuzione La distribuzione dell'uscita del generatore ai carichi critici costituisce un altro problema molto importante

per la progettazione del sistema. L'IEEE Emerald Book (standard IEEE 1100-1999) è riconosciuto come

la massima autorità nel campo dell'alimentazione di apparecchiature sensibili. In questo documento si

suggerisce di progettare il sistema secondo l'IEEE Orange Book (standard IEEE 446-1995) che fornisce

direttive su sistemi automatici di monitoraggio della sorgente di alimentazione e prevede l'avviamento

del motore e il trasferimento del carico al generatore non appena l'alimentazione è disponibile e stabile.

Esse prevedono inoltre il ritrasferimento del carico all'alimentazione di rete non appena vengono

ristabilite le condizioni normali. Di solito, tutte queste funzioni sono incorporate in un sistema automatico

di commutazione chiamato ATS (Automatic Transfer Switch). Tra le altre funzioni comuni, vale la pena

di citare la programmazione di un test automatico del generatore e l'importantissimo ciclo di

raffreddamento per il generatore non appena viene ripristinata l'alimentazione di rete. Questo hardware

è stato sinora commercializzato da diversi fornitori, compresi i produttori di generatori, i produttori di

apparecchiature di distribuzione e le aziende specializzate nella progettazione di ATS. Tuttavia, oggi

esistono sistemi pre-progettati esenti dagli inconvenienti delle soluzioni personalizzate, quali l'elevato

TCO (Total Cost of Ownership; costo totale di possesso) e la notevole complessità. Per ulteriori

informazioni sui sistemi ATS, consultare il White Paper APC n. 94, “Principi fondamentali di funzionamento

dei commutatori di trasferimento per generatori per applicazioni IT”. La Fig. 3 illustra la posizione dell'ATS

nella distribuzione elettrica dell'edificio. Figura 3 – Gruppo elettrogeno di riserva con ATS

Normale

Corrente

Emergency

Interruttore di circuito di trasferimento

Carichi

Corrente


12

Nella progettazione di questo sistema occorre tenere conto anche di un'adeguata protezione dalle

sovracorrenti. I contatti del meccanismo di commutazione devono essere in grado di sopportare correnti

di punta senza fondersi. È’ inoltre importante evitare che il commutatore si surriscaldi a pieno carico e che

sia in grado di erogare un'adeguata corrente di cortocircuito (necessaria per far scattare dispositivi di

protezione dalle sovracorrenti, quali gli interruttori automatici). Per il ritrasferimento all'alimentazione di

rete vi sono diversi schemi di commutazione, noti come “a transizione aperta” e “a transizione chiusa”.

“Transizione aperta” significa che il carico viene scollegato dalla rete di alimentazione prima di essere

collegato al generatore. “Transizione chiusa” significa che il carico viene prima collegato al generatore

e poi scollegato dall'alimentazione di rete. Nel secondo caso, per un breve periodo di tempo sono collegati

contemporaneamente l'alimentazione di servizio e il generatore. Il tipo a transizione chiusa è più elaborato

e riduce al minimo le interruzioni momentanee del trasferimento.

Gruppi elettrogeni multipli o paralleli ridondanti Per decidere qual è il numero di gruppi elettrogeni necessari, occorre tenere conto della capacità

e dell'affidabilità del sistema desiderate. Un sistema con diverse unità più piccole (identiche) che, sommate,

forniscono il carico di punta richiesto, più un'unità supplementare, è chiamato N+1 ridondante. Se ne può

vedere un esempio nella Fig. 4, in cui due gruppi elettrogeni da 800 kW sincronizzati supportano un carico

di 1,6 MW, mentre il terzo generatore da 800 kW funge da riserva.

Figura 4 - Sistema di gruppi elettrogeni ridondanti isocroni N+1 da 1,6 MW

Controllo combustibile

Motore Regolatore

velocità

Condi-visione

del carico

Monito-raggio RPM

Genera-tore da 800 kW

Monitoraggio della tensione

Carico


Motore

Regolatore velocità

Monito-raggio RPM


Motore

Regolatore velocità

Monito-raggio RPM

Condi-visione

del carico

Condi-visione

del carico






13

L'attivazione della rispettiva sequenza di avviamento fa partire tutti e tre i generatori e li sincronizza.

Con una ridondanza N+1 è possibile supportare 1,6 MW. Il collegamento in parallelo dell'apparecchiatura

di manovra implica un aumento dei costi, ma statisticamente fa aumentare l'affidabilità rispetto ad un

singolo motore primo. In questo esempio, la probabilità che in un determinato momento sia inattivo più di un

generatore sono minime rispetto a quelle di un sistema a generatore singolo. Tutto ciò, naturalmente, non

esclude la possibilità che un guasto comune (ad esempio, l'esaurimento del carburante) provochi il collasso

di un sistema apparentemente ridondante.

Un altro importante vantaggio del concetto “modulare” (aggiunta di piccoli sistemi fino a raggiungere

le dimensioni del carico) è la scalabilità. Per gli impianti in espansione si può progettare un sistema

predisposto al potenziamento futuro della capacità, destinando già in partenza dello spazio ai componenti

che saranno aggiunti successivamente e dimensionando la portata dei cavi in previsione del carico finale.

I costi di capitale e la manutenzione dei componenti non ancora installati vengono differiti fino al momento

in cui l'aumento del carico critico giustificherà l'investimento. È importante valutare accuratamente le

esigenze e fare delle scelte giudiziose e coerenti con le definizioni precedenti. Il lettore che desideri maggiori

informazioni sulla scalabilità può consultare il White Paper APC n. 37, “Ottimizzare gli investimenti per la

realizzazione di infrastrutture per sale CED e apparati di rete”.

L'intero sistema e la progettazione compatibile Il White Paper APC n. 95, “Dimensionamento dei generatori a motore a combustione interna per

infrastrutture mission-critical”, tratta dei concetti di dimensionamento e carico dei generatori. Tuttavia

è importante sottolineare le influenze del fattore di potenza, dei commutatori di trasferimento e dell'UPS

sulle prestazioni complessive dell'intero sistema. Quando nel progetto sono coinvolti diversi fornitori,

è essenziale che tutti costoro partecipino al collaudo completo dell'installazione e alla messa in servizio.

Questo tipo di approccio può evidenziare prematuramente problemi di incompatibilità non previsti, prima

che essi compromettano i carichi critici. Il collaudo dovrebbe essere eseguito a carichi diversi, fino ad un

utilizzo al 100%. Spesso è necessario carichi fittizi in sostituzione dei carichi veri e propri; non bisogna però

dimenticare che questa simulazione può non rappresentare correttamente il fattore di potenza dei carichi

veri e propri. In mancanza di speciali carichi di prova reattivi, occorre eseguire un ciclo di prova

supplementare non appena sono disponibili i carichi veri e propri.

C'è però un metodo per evitare la complessità e il collaudo “multi-vendor” di soluzioni personalizzate di

gruppi elettrogeni, ATS e UPS, consistente nello specificare un sistema completo pre-progettato, prodotto

e pre-collaudato in base agli standard ISO 9000 da parte di un singolo fornitore. Un altro vantaggio dei

sistemi pre-progettati è il costante aumento della qualità e dell'affidabilità dovuto al ricorso a tecniche

produttive standardizzate e finalizzate all'eliminazione dei difetti (cosiddette tecniche di “Reliability Growth”).


14

Conclusioni Il motore primo fornisce energia al generatore. La presenza di un regolatore preciso è indispensabile per

ottenere una frequenza stabile con carichi variabili. Per creare ed erogare c.a. di qualità al commutatore

di trasferimento e alimentare i carichi critici, sono necessari elementi quali l'alternatore, il regolatore e altri

comandi. I generatori tradizionali possono essere complessi, con conseguente aumento dei costi di

engineering e maggiore probabilità che si verifichino guasti. I sistemi alternativi pre-progettati offrono una

maggiore affidabilità, grazie al ricorso a tecniche produttive standardizzate.

Bibliografia NFPA 110, Standard for Emergency and Standby Power Systems, edizione 1999,

National Fire Prevention Association, 1999 (http://www.nfpa.org)

NFPA 111, Standard on Stored Electrical Energy Emergency and Standby Power Systems, edizione 1996

National Fire Prevention Association, 1999

Standard IEEE 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for

Industrial and Commercial Applications (Orange Book) (http://ieee.org)

Standard IEEE 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic

Equipment. (Emerald Book)

Standard IEEE 602-1996, IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care Facilities,

(White Book)

Standard EGSA 100, 101 e 404 (http://www.egsa.org)

“On-Site Power Generation,” Electrical Generating Systems Association, 1998 ISBN 0-9625949-3-8

Informazioni sull'autore Robert Wolfgang è un Senior Applications Engineer di APC. Attualmente è responsabile della

consulenza e dell'analisi di data center per layout fisici di clienti CAD, in conformità con le norme NEC

e le “prassi ottimali” di progettazione. Nella sua qualità di membro qualificato dall'Electrical Generating

Society Association nell'ambito del team Availability Science di APC, si è dedicato alla compilazione delle

“prassi ottimali” per molti dei sottosistemi della Network-Critical Physical Infrastructure. Bob è laureato in

Ingegneria Meccanica e lavora da 15 anni in APC, avendo occupato posizioni diverse nei settori QA,

gestione del supporto tecnico e Availability Science.

Principi fondamentali di funzionamento dei generatori per IT · 2004 American Power Conversion....

Documents

Transcript of Principi fondamentali di funzionamento dei generatori per IT · 2004 American Power Conversion....