Valutazione tecnica - - APC USA · segue le definizioni contenute nelle norme EN 50160 e ANSI...

APC by Schneider Electric Edizione 01/2012 pag. 1

Valutazione tecnica

Sommario Alimentazione di carichi sensibili .................................. 2

Tipi di disturbo elettrico ........................................................................2 Disturbi principali con alimentazione elettrica a bassa tensione ...........3

UPS ................................................................................... 4 La soluzione UPS .................................................................................4 Applicazioni UPS ..................................................................................5

Tipi di UPS ....................................................................... 7 UPS statico o rotante ...........................................................................7 Tipi di UPS statici .................................................................................9

Componenti e funzionamento dell'UPS ........................ 16 Componenti di un'unità UPS ................................................................16 Caratteristiche principali dei componenti UPS......................................19 Schema riassuntivo per le caratteristiche principali ..............................24 Modalità di funzionamento UPS ...........................................................25 Configurazioni UPS ..............................................................................26

Tecnologie ....................................................................... 28 UPS senza trasformatore .....................................................................28

Compatibilità elettromagnetica (CEM) .......................... 34 Disturbi elettromagnetici .......................................................................34 Norme e raccomandazioni CEM ...........................................................35

Norme relative agli UPS .................................................. 36 Ambito e osservanza delle norme ........................................................36 Norme principali per la regolamentazione degli UPS ...........................36

Immagazzinamento dell'energia .................................... 39 Tecnologie utilizzabili ...........................................................................39 Batterie .................................................................................................39 Volani ...................................................................................................43

Combinazione di UPS/gruppo elettrogeno ................... 46 Utilizzo di un generatore .......................................................................46 Combinazione di UPS/gruppo elettrogeno ...........................................46

Condizioni di carico transitorio ..................................... 48 Valutazione delle correnti di spunto ......................................................48

Armoniche ....................................................................... 49 Armoniche ............................................................................................49 Valori caratteristici delle armoniche ......................................................51

Carichi non lineari e tecnologia PWM ........................... 54 Prestazioni dei carichi non lineari per gli UPS con tecnologia PWM ....54 Confronto tra sorgenti diverse ..............................................................57 Chopping a frequenza libera ................................................................58

Raddrizzatore PFC .......................................................... 60


Alimentazione di carichi sensibili

Teoricamente, i sistemi di distribuzione dell'alimentazione, pubblici e privati,

forniscono alle apparecchiature elettriche una tensione sinusoidale di ampiezza e

frequenza fisse (ad esempio, 400 volt efficaci a 50 Hz in sistemi a bassa tensione).

Tuttavia, in condizioni reali i fornitori indicano il grado di fluttuazione rispetto ai valori

nominali. Lo standard EN 50160 definisce le fluttuazioni normali nella tensione di

alimentazione BT per i sistemi di distribuzione europei come segue:

Tensione da +10% a -15% (valori efficaci medi su intervalli di 10 minuti),

il 95% della quale deve rientrare, ogni settimana, nella fascia di +10%.

Frequenza da +4% a +6% nell'arco di un anno con 1% per il 99,5% del tempo

(collegamenti sincroni in un sistema interconnesso).

In pratica, però, oltre alle fluttuazioni indicate, l'onda sinusoidale della tensione

presenta sempre una distorsione di un certo grado dovuta ai vari disturbi che

possono verificarsi nel sistema.

Fare riferimento al White Paper WP 18 "The Seven Types of Power Problems"

(Le sette differenti problematiche relative all'alimentazione elettrica)

Fonti dei disturbi Alimentazione di rete L'alimentazione di rete può essere disturbata o addirittura interrotta dai seguenti

fenomeni:

Fenomeni atmosferici che colpiscono le linee aeree o i cavi interrati:

- fulmini che producono un improvviso sovraccarico di tensione nel sistema;

- brina che può accumularsi sulle linee aeree e causarne la rottura;

Incidenti:

- caduta di un ramo su una linea, che può causare un cortocircuito o un'interruzione;

- taglio di un cavo, ad esempio durante opere di scavo o altri lavori di costruzione;

- guasti nel sistema di alimentazione di rete;

Squilibri di fase;

Attivazione di dispositivi di controllo o protezione nel sistema di alimentazione di

rete per il distacco del carico o a fini di manutenzione.

Apparecchiature in uso Alcune apparecchiature possono generare disturbi nel sistema di alimentazione di

rete, ad esempio:

Attrezzature industriali:

- motori, che possono causare cali di tensione dovuti a correnti di spunto all'avvio;

- attrezzature quali forni ad arco e saldatrici, che possono causare cali di tensione e

interferenze ad alta frequenza;

Apparecchiature elettroniche di potenza (alimentatori a commutazione, variatori di

velocità, ballast elettronici e così via), che spesso originano armoniche;

Infrastrutture degli edifici, quali ascensori che possono provocare correnti di

spunto o lampade fluorescenti che causano la formazione di armoniche.

Tipi di disturbo

I disturbi dovuti alle cause sopra indicate sono raccolti nella seguente tabella, che

segue le definizioni contenute nelle norme EN 50160 e ANSI 1100-1992.

Tipi di disturbo elettrico

Fare

riferimento al

WP 18


Alimentazione di carichi sensibili (cont.)

Disturbi Caratteristiche Cause principali Conseguenze principali

Interruzioni di alimentazione

Microinterruzioni

Totale assenza di tensione 10 ms.

Agenti atmosferici, commutazioni, guasti, lavori sulla rete.

Funzionamento difettoso e perdita di dati (sistemi informatici) o interruzione della produzione (processi continui).

Interruzioni

Totale assenza di tensione per più di un periodo:

- interruzione breve: 3 minuti (il 70% delle interruzioni dura meno di 1 s) - interruzione lunga: > 3 minuti

Agenti atmosferici, commutazioni, guasti, incidenti, interruzioni di linea, lavori sulla rete.

A seconda della durata, spegnimento dei macchinari e rischi per la sicurezza delle persone (ad esempio, per gli ascensori), perdita di dati (sistemi informatici) o interruzione della produzione (processi continui).

Variazioni di tensione

Cadute di tensione

Il valore efficace della tensione risulta ridotto a meno del 90% del valore nominale (ma superiore allo 0%), con ritorno a un valore maggiore del 90% in un lasso di tempo compreso tra 10 ms e 1 minuto.

Fenomeni atmosferici, fluttuazioni di carico, cortocircuito su un circuito vicino.

Spegnimento dei macchinari, malfunzionamenti, danni all'attrezzatura e perdita di dati.

Sovratensione

Aumento temporaneo fino al 10% oltre la tensione nominale, per una durata variabile da 10 ms ad alcuni secondi.

- Qualità dei generatori di servizio e dei sistemi di trasmissione. - Interazione tra generatori e fluttuazioni di carico nel sistema di alimentazione di rete. - Commutazione nel sistema di alimentazione di rete. - Arresto di carichi a elevata potenza (ad esempio, motori o banchi di condensatori).

- Per i sistemi informatici: corruzione dei dati, errori di elaborazione, spegnimento del sistema, eccessive sollecitazioni dei componenti. - Aumento della temperatura e invecchiamento precoce delle apparecchiature.

Sottotensione

Calo di tensione che può durare da alcuni minuti fino a giorni interi.

Picchi di consumo, quando la rete non può soddisfare la richiesta ed è costretta a ridurre la tensione per limitare l'alimentazione fornita.

Spegnimento dei sistemi informatici. Corruzione o perdita dei dati. Aumento della temperatura. Invecchiamento precoce delle apparecchiature.

Spike di tensione

Salto considerevole e repentino della tensione (ad esempio, 6 kV).

Fulmini vicini, scariche statiche.

Errori di elaborazione, corruzione dei dati, spegnimento del sistema. Danni a computer e schede elettroniche.

Squilibrio di tensione (in sistemi trifase)

Condizione nella quale il valore efficace delle tensioni di fase o gli squilibri tra fasi non sono uguali.

- Forni a induzione. - Carichi monofase non bilanciati.

- Aumento della temperatura. - Interruzione di una fase.

Variazioni di frequenza

Fluttuazioni di frequenza

Instabilità nella frequenza. Solitamente +5%, -6% (valore medio per intervalli di tempo di 10 secondi).

- Regolazione dei generatori. - Funzionamento anomalo dei generatori. - Fonte di frequenza instabile.

Tali variazioni superano la tolleranza di determinati strumenti e hardware dei computer (spesso pari a ± 1%), pertanto possono causare la perdita o la corruzione dei dati.

Sfarfallio Sfarfallio dei sistemi di illuminazione dovuto a un calo di tensione o frequenza (< 35 Hz).

Saldatrici, motori, forni ad arco, apparecchi a raggi X, dispositivi laser, banchi di condensatori.

Disturbi fisiologici.

Altri disturbi

Transienti ad alta frequenza

Salto considerevole, repentino e rapido della tensione. Simile a uno spike di tensione.

Fenomeni atmosferici (fulmini) e commutazioni.

Distruzione delle apparecchiature, invecchiamento precoce, guasto di componenti o materiali isolanti.

Breve durata < 1 s Ampiezza da < 1 a 2 kV con frequenze di alcune decine di MHz.

Avvio di piccoli carichi induttivi, aperture e chiusure ripetute di contattori e relè a bassa tensione.

Durata media > 1 s e 100 s Valore di picco da 8 a 10 volte superiore al valore nominale fino ad alcuni MHz.

Guasti (fulmini) o commutazioni ad alta tensione trasmesse alla bassa tensione mediante accoppiamento elettromagnetico.

Lunga durata > 100 s Valore di picco da 5 a 6 volte superiore al valore nominale fino ad alcune centinaia di MHz.

Arresto di carichi induttivi o guasti ad alta tensione trasmessi al sistema di bassa tensione mediante accoppiamento elettromagnetico.


Alimentazione di carichi sensibili (cont.)

Distorsione armonica

Distorsione delle sinusoidi di corrente e tensione dovuta alle correnti armoniche assorbite da carichi non lineari. L'effetto delle armoniche di ordine superiore al 25 è trascurabile.

Macchinari elettrici con nucleo magnetico (motori, trasformatori a vuoto e così via), alimentatori a commutazione, forni ad arco, variatori di velocità.

Sovradimensionamento dell'attrezzatura, aumento di temperatura, fenomeni di risonanza con i condensatori, distruzione dell'apparecchiatura (trasformatori).

Compatibilità elettromagnetica (CEM)

Disturbi condotti o radiati di tipo elettromagnetico o elettrostatico. L'obiettivo è quello di garantire emissioni ridotte e livelli di immunità elevati.

Attivazione di componenti elettronici (transistor, tiristori, diodi), scariche elettrostatiche.

Malfunzionamento di dispositivi elettronici sensibili.


UPS

Le attività economiche moderne dipendono sempre più dalle tecnologie digitali,

molto sensibili ai disturbi elettrici.

Di conseguenza, molte applicazioni necessitano di un'alimentazione di emergenza

che le protegga da eventuali disturbi nell'alimentazione di rete:

Processi industriali e relativi sistemi di controllo/monitoraggio - rischio di perdite di

produzione;

Aeroporti e ospedali - rischi per la sicurezza delle persone;

Tecnologie di informazione e comunicazione - rischio di arresto dei processi di

elaborazione con costi orari di inattività molto elevati dovuti all'interruzione nello

scambio di dati di vitale importanza, fondamentale per le aziende globali.

UPS

Un gruppo di continuità o UPS (uninterruptible power system) ha la funzione di

assicurare l'alimentazione alle applicazioni più sensibili.

L'UPS è un dispositivo elettrico posizionato tra la rete e i carichi sensibili, che

fornisce tensione e garantisce:

Alta qualità: la sinusoide in uscita è libera da qualsiasi tipo di disturbo presente

nell'alimentazione di rete e rientra nei rigidi valori di tolleranza per ampiezza e

frequenza;

Alta disponibilità: la fornitura costante di tensione, entro le tolleranze specificate,

è assicurata da una fonte di alimentazione di emergenza. L'alimentazione di

emergenza solitamente proviene da una batteria, che fornisce energia quando

necessario, senza alcuna discontinuità, sostituendo l'alimentazione di rete e

garantendo all'applicazione l'autonomia di cui ha bisogno.

Tali caratteristiche fanno dell'UPS la tipologia di alimentazione ideale per tutte le

applicazioni sensibili, grazie a qualità e disponibilità di alimentazione garantite,

indipendentemente dalle condizioni della rete.

Componenti di un UPS

Un UPS solitamente è costituito dai componenti principali indicati di seguito.

Raddrizzatore/caricabatteria Questo componente assorbe l'alimentazione di rete e produce una corrente

continua, che alimenta l'inverter e carica o ricarica la batteria.

Inverter Questo componente rigenera totalmente una sinusoide di alta qualità per la tensione

in uscita:

priva di qualsiasi tipo di disturbo presente nell'alimentazione di rete, in particolare

esente da microinterruzioni;

entro i valori di tolleranza richiesti dai dispositivi elettronici sensibili (ad esempio,

tolleranze relative ad ampiezza ± 0,5% e frequenza ± 1%, in confronto a ± 10% e ±

5% per i sistemi di alimentazione di rete, ovvero un fattore di miglioramento pari

rispettivamente a 20 e 5).

Nota: il termine "inverter" viene utilizzato a volte per indicare l'intero UPS, mentre in

realtà ne costituisce solo una parte.

Batteria La batteria garantisce un'autonomia operativa sufficiente (da 6 minuti ad alcune ore)

subentrando al posto dell'alimentazione di rete quando necessario.

Bypass statico Il bypass statico garantisce il trasferimento senza interruzione del carico dall'inverter

all'alimentazione di rete diretta e viceversa. Il trasferimento senza interruzione viene

eseguito da un dispositivo che implementa gli SCR (a volte denominato

commutatore statico).

Grazie al bypass statico è possibile mantenere costante l'alimentazione del carico,

persino in caso di guasto interno o durante gli interventi di manutenzione dei moduli

raddrizzatore/caricabatteria e inverter. Questo componente può inoltre essere

utilizzato per i trasferimenti volti a richiamare a monte tutta l'alimentazione

disponibile nel caso di sovraccarichi (ad esempio, cortocircuiti) che superano la

capacità dell'UPS.

Durante il funzionamento in modalità bypass statico, il carico è fornito direttamente

dall'alimentazione di rete e non è più protetto (funzionamento in modalità ridotta).

La soluzione UPS


UPS

Bypass di manutenzione È possibile utilizzare questo bypass per alimentare il carico correttamente con

l'alimentazione di rete, senza dover richiamare l'inverter o il commutatore statico. Il

trasferimento al bypass di manutenzione viene attivato dall'utente mediante gli

interruttori. Attivando gli interruttori necessari, il bypass statico e l'inverter vengono

isolati per eseguire la manutenzione, ma continuano ad alimentare il carico in

modalità ridotta.


UPS (cont.)

H V/LV

transform er

H V system

N on-sensitive loads

N orm al utility power

(d isturbances and

system to lerances)

Static

bypass

M aintenance

bypass

Inverter

Battery

R ectifier/

charger

Sensitive loads

U PS

R eliable power

(no d isturbances, w ith in

strict to lerances

and available due to

battery backup power)

Fig. 5.1. La soluzione UPS.

Gli UPS vengono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni che richiedono energia elettrica sempre disponibile e esente dai disturbi tipici dell'alimentazione di rete. La tabella seguente presenta alcune delle possibili applicazioni.

Per ciascuna di esse viene indicato il grado di sensibilità ai disturbi e il tipo di UPS

più adatto alla protezione dell'applicazione.

Le applicazioni che richiedono questo tipo di installazione sono:

sistemi informatici;

telecomunicazioni;

sistemi produttivi e strumentazione;

altre applicazioni.

Le tipologie di UPS più adatte sono descritte a pagina 9, nella sezione "Tipi di UPS

statici".

Sono presenti UPS statici con le seguenti caratteristiche:

standby passivo;

interazione con il sistema di distribuzione;

doppia conversione.

Applicazioni UPS


UPS (cont.)

Applicazioni UPS Applicazione Dispositivi protetti Protezione necessaria contro Tipo di UPS

(vedere pag. 8) Microinterr

uzioni

Interruzioni Variazioni

di tensione

Variazioni

di

frequenza

Altro

Sistemi informatici

Data center - Ampi alloggiamenti per server montati su rack - Data center su Internet

***** ***** ***** ***** ***** Doppia conversione

Reti aziendali - Insiemi di computer con terminali e periferiche (unità di archiviazione su nastro, unità disco e così via)

***** ***** ***** ***** ***** Doppia conversione

Piccole reti e server - Reti costituite da PC o workstation, reti di server (WAN, LAN)

**** **** *** *** ** Interazione con il sistema di distribuzione

Computer autonomi - PC, workstation - Periferiche: stampanti, plotter, segreteria telefonica

** ** * * ** Standby passivo

Telecomunicazioni

Telecomunicazioni - PABX digitali ***** ***** ***** ***** *****

Doppia conversione

Sistemi produttivi e strumentazione

Processi industriali - Controllo di processo - PLC - Sistemi a controllo numerico - Sistemi di controllo - Sistemi di monitoraggio/controllo robot - Macchine automatiche

*** ***** *** *** **** Doppia conversione

Settore medico e laboratori

- Strumentazione - Scanner (60 Hz)

**** ***** **** **** *** Doppia conversione

Attrezzature industriali

- Macchine utensili - Robot per saldatura - Presse a iniezione plastica - Dispositivi di regolazione di precisione (tessuto, carta e così via) - Impianti di riscaldamento per la produzione di semiconduttori, vetro, materiali puri

*** **** *** *** *** Doppia conversione

Impianti di illuminazione - Edifici pubblici (ascensori, dispositivi di sicurezza) - Gallerie - Impianti di illuminazione delle piste negli aeroporti

** **** *** *** ** Doppia conversione Interazione con il sistema di distribuzione

Altre applicazioni

Frequenze speciali - Conversione di frequenza - Alimentatori per aeromobili (400 Hz)

**** **** **** ***** *** Doppia conversione

* bassa sensibilità ai disturbi.

***** alta sensibilità ai disturbi.


Tipi di UPS

Soluzioni con UPS statico o rotante

Esistono due tipologie principali di UPS (figura 5.2 e maggiori dettagli in White

Paper WP 92 - "Comparison of Static and Rotary UPS", Confronto tra UPS statico e

rotante) che differiscono fondamentalmente nel modo in cui è implementata la

funzione inverter dell'UPS.

Soluzione statica

Questi UPS utilizzano solo componenti elettronici per eseguire la funzione inverter.

Si ottiene così una funzione inverter statico.

Soluzione rotante

Questi UPS utilizzano macchine rotative per eseguire la funzione inverter.

Si ottiene così una funzione inverter rotante.

In pratica, in questi UPS vengono uniti un motore, un generatore e un inverter statico

molto semplificato.

L'inverter filtra i disturbi provenienti dall'alimentazione di rete e regola solamente la

frequenza della tensione in uscita (solitamente in forma di "onda quadra"), che

alimenta un gruppo motore/generatore regolato, a volte collegato a un volano.

Il gruppo motore/generatore genera una sinusoide di tensione in uscita, utilizzando

la frequenza in uscita dell'inverter come riferimento.

Fig. 5.2. UPS statico e rotante.

Confronto

Soluzione rotante Alcune delle argomentazioni a sostegno di questa soluzione sono le seguenti:

Elevata corrente di cortocircuito del generatore dell'ordine di 10 In (dieci volte la

corrente nominale) che facilita la protezione dei dispositivi;

Capacità di sovraccarico pari al 150% (della corrente nominale) su un periodo più

lungo (due minuti anziché uno);

Installazione a valle isolata galvanicamente dalla sorgente di corrente alternata a

monte grazie al gruppo motore/generatore;

Impedenza interna che assicura elevate tolleranze ai carichi non lineari, spesso

presenti con gli alimentatori a commutazione tipici dei sistemi informatici.

UPS statico o rotante

Fare riferimento

al WP 92


Tipi di UPS (cont.)

Soluzione statica Confronto con i vantaggi delle soluzioni rotanti

Gli UPS statici di APC by Schneider Electric offrono tutti i vantaggi elencati di

seguito.

Funzionamento in modalità di limitazione di corrente (ad esempio, fino a 2,33 per

MGE Galaxy 5000) con discriminazione garantita per circuiti con valori fino a In/2.

Queste caratteristiche, più che sufficienti a livello operativo, escludono gli svantaggi

dei sistemi rotanti:

- surriscaldamento dei cavi;

- le conseguenze di una corrente di cortocircuito eccessiva e il calo di tensione

corrispondente per i dispositivi sensibili, durante il tempo necessario ai dispositivi di

protezione per eliminare il guasto.

Capacità di sovraccarico pari al 150% (della corrente nominale) per un minuto.

La capacità di sovraccarico di due minuti non ha alcuna reale utilità, dato che la

maggior parte dei sovraccarichi è di brevissima durata (inferiore a un secondo, come

per le correnti di spunto di motori, trasformatori ed elettronica di potenza).

Isolamento galvanico, se necessario, ottenuto mediante un trasformatore di

isolamento.

Funzionamento a doppia conversione che isola completamente il carico

dall'alimentazione di rete e rigenera la tensione in uscita con una regolazione di

precisione di ampiezza e frequenza della tensione.

Impedenza interna molto bassa per prestazioni migliori con carichi non lineari

grazie all'impiego di tecnologie a transistor di potenza.

Altri vantaggi Le soluzioni statiche offrono molti altri vantaggi, grazie all'utilizzo della tecnologia

con transistor di potenza unita alla tecnica di chopping (interruzione) PWM.

Design complessivo semplificato, che presenta una riduzione del numero di

componenti e connessioni, nonché delle possibili cause di guasto.

Capacità di reazione immediata alle fluttuazioni di frequenza e ampiezza

dell'alimentazione di rete mediante regolazione a commutazione comandata da

microprocessore, basata sulle tecniche di campionamento digitale. L'ampiezza di

tensione torna alle condizioni impostate (± 0,5% o ± 1% a seconda del modello) in

meno di 10 millisecondi per variazioni del gradino di carico fino al 100%.

Nell'intervallo di tempo indicato, il cambiamento del gradino di carico produce una

variazione della tensione di carico inferiore a ± 2% per MGE Galaxy PW e Galaxy

5000, ad esempio.

Efficienza elevata e costante con qualsiasi carico percentuale: un vantaggio

fondamentale per unità UPS ridondanti con bassi carichi percentuali. Un'unità UPS

statica con carico al 50% mantiene un'elevata efficienza (94%), mentre l'efficienza

dell'UPS rotante cala fino a un intervallo di 88-90% (valore tipico), con un effetto

diretto sui costi di esercizio.

Configurazioni ridondanti che garantiscono elevata disponibilità nella struttura di

sistemi di alimentazione particolarmente affidabili (ad esempio, per data center).

Possibile integrazione in architetture ridondanti con funzioni separate che

semplificano gli interventi di manutenzione, mediante l'isolamento di alcuni

componenti dell'installazione.

I sistemi rotanti consentono di integrare l'UPS, l'alimentazione di emergenza e il

generatore in un unico componente, rendendo così possibile la separazione delle

funzioni.

Nessun punto singolo di vulnerabilità. I sistemi rotanti dotati di volani si basano

sulla capacità del motore di avviarsi rapidamente (solitamente in meno di 12

secondi). Ciò significa che il motore deve sempre essere in condizioni perfette e

sottoposto a una manutenzione costante. Se non si avvia, non c'è tempo per

eliminare i carichi critici in maniera ordinata.

È inoltre importante evidenziare i seguenti vantaggi non trascurabili:

dimensioni e peso ridotti;

nessuna usura dei componenti rotativi, con la conseguente facilità e rapidità di

manutenzione. Ad esempio, con i sistemi rotanti è necessario verificare

l'allineamento delle parti rotative e, dopo un periodo compreso tra 2 e 6 anni, la

sostituzione dei cuscinetti è un intervento importante (sollevamento dell'attrezzatura,

riscaldamento e raffreddamento dei cuscinetti durante la sostituzione).

Conclusione

Grazie ai vantaggi sopra indicati, gli UPS statici vengono utilizzati nella maggior

parte dei casi, in particolare per applicazioni ad elevata potenza.


Tipi di UPS (cont.)

Nelle pagine seguenti, il termine UPS (uninterruptible power supply) sta a indicare

la soluzione statica.


Tipi di UPS (cont.)

Norme

UPS A causa del notevole aumento dei carichi sensibili, con il termine "UPS" si intende

oggi un gran numero di dispositivi che spaziano dalle poche centinaia di VA per PC

fino a molti MVA per data center e centri di telecomunicazioni.

Allo stesso tempo, sono state sviluppate diverse tipologie di prodotti, con nomi

commerciali non sempre chiari (a volte persino fuorvianti) per gli utenti finali.

Per questo motivo la IEC (International Electrotechnical Commission, Commissione

elettrotecnica internazionale) ha stabilito nuovi standard che regolamentano le

tipologie di UPS e le tecniche utilizzate per misurare il livello delle prestazioni. Tali

criteri sono stati inoltre adottati dal CENELEC, ovvero il Comitato europeo di

normazione elettrotecnica.

La norma IEC 62040-3 e la sua equivalente europea EN 62040-3 definiscono tre tipi

(topologie) standard di UPS e i relativi livelli di prestazioni.

Le tecnologie UPS includono:

● Standby passivo

● Line-interactive

● Doppia conversione

Alimentazione CA in ingresso Le seguenti definizioni riguardano il funzionamento dell'UPS in rapporto alla fonte di

alimentazione, compreso il sistema di distribuzione a monte dell'UPS.

Le norme definiscono i seguenti termini:

Alimentazione principale: energia normalmente disponibile in modo continuo, di

solito offerta da un'azienda di fornitura elettrica, ma a volte generata dall'utente

stesso;

Alimentazione in standby: energia destinata a sostituire l'alimentazione

principale in caso di guasto alla stessa.

In sostanza un UPS può avere uno o due ingressi:

Ingresso CA normale (o Rete 1), alimentato dall'alimentazione principale;

Ingresso CA di bypass (o Rete 2), alimentato dall'alimentazione in standby,

solitamente mediante un cavo separato proveniente dallo stesso quadro elettrico

generale di bassa tensione (QGBT).

UPS in funzione in modalità di standby passivo

L'UPS viene installato in parallelo alla rete e la sostituisce in caso di

emergenza. La batteria viene caricata mediante un caricabatteria che costituisce un

elemento separato dall'inverter.

Principio di funzionamento

Modalità normale

- L'inverter funziona in modalità di standby passivo.

- Il carico è alimentato dalla rete attraverso un filtro che elimina alcuni disturbi e

fornisce una regolazione parziale della tensione.

- Le norme non definiscono ulteriormente il filtro, si parla semplicemente di un

"interruttore UPS". Viene inoltre indicato che "è possibile incorporare ulteriori

dispositivi per fornire una compensazione dell'alimentazione, ad esempio un

trasformatore ferrorisonante o un trasformatore a commutazione automatica di

prese".

Modalità batteria di riserva

- Quando la tensione CA in ingresso non rispetta le tolleranze specificate per l'UPS o

l'alimentazione di rete non è disponibile, l'inverter e la batteria subentrano per

garantire l'alimentazione continua del carico, in seguito a un brevissimo periodo di

trasferimento (solitamente meno di 10 ms). Le normative non stabiliscono un periodo

di tempo, ma specificano che "il carico viene trasferito all'inverter direttamente o

mediante l'interruttore UPS (che può essere di tipo elettronico o elettromeccanico)".

- L'UPS continua a funzionare con l'alimentazione della batteria fino al termine

dell'autonomia della stessa o fino al ripristino della normale alimentazione di rete,

che comporta il trasferimento del carico all'ingresso CA precedentemente utilizzato

(modalità normale).

Tipi di UPS statici


Tipi di UPS (cont.)

Fig. 5.3. UPS in funzione in modalità di standby passivo.

Vantaggi Schema semplificato;

Costi ridotti.

Svantaggi Nessun reale isolamento del carico rispetto al sistema di distribuzione a monte;

Tempo di trasferimento. Il sistema opera senza un vero commutatore statico,

quindi è necessario un determinato lasso di tempo per il trasferimento del carico

all'inverter. Questo periodo di tempo risulta accettabile per alcune applicazioni

individuali, ma è incompatibile con le prestazioni richieste da sistemi più sensibili e

sofisticati (centri informatici di grandi dimensioni, centrali telefoniche e così via);

Nessuna regolazione della frequenza in uscita, che resta quella dell'alimentazione

di rete.

Utilizzo Questa configurazione rappresenta un compromesso tra il costo e un livello

accettabile di protezione dai disturbi.

A causa degli svantaggi sopra indicati, questo tipo di UPS, in pratica, viene utilizzato

solo per potenze nominali basse (< 2 kVA) e non può essere impiegato come

convertitore di frequenza.

UPS in funzione in modalità line-interactive

Nella configurazione di standby l'inverter è collegato in parallelo all'ingresso

CA e ha anche la funzione di caricabatteria, pertanto interagisce (funzionamento

inverso) con la sorgente CA in ingresso.

Principio di funzionamento Modalità normale

Il carico è alimentato con alimentazione condizionata mediante un collegamento in

parallelo tra ingresso CA e inverter. Se l'alimentazione di rete rientra nei valori di

tolleranza, l'inverter regola le fluttuazioni nella tensione in ingresso. In caso contrario

(funzionamento inverso), l'inverter carica la batteria. La frequenza in uscita varia in

base alla frequenza in ingresso CA.




garantire l'alimentazione continua del carico. L'interruttore di rete (ad esempio, un

commutatore statico) scollega inoltre la corrente alternata in ingresso per impedire il

passaggio dell'alimentazione dall'inverter a monte.




Tipi di UPS (cont.)




Tipi di UPS (cont.)

Modalità bypass

Questo tipo di UPS può essere dotato di bypass. In caso di mancato funzionamento

di una delle funzioni dell'UPS, è possibile trasferire il carico all'ingresso CA di bypass

attraverso il bypass di manutenzione.

Fig. 5.4. UPS in funzione in modalità line-interactive.

Vantaggi I costi possono essere ridotti rispetto agli UPS a doppia conversione con una

potenza nominale equivalente, poiché l'inverter non funziona in modo continuo.

Svantaggi Nessun reale isolamento del carico rispetto al sistema di distribuzione a monte, il

che comporta:

- sensibilità alle variazioni nella tensione di rete e frequenti richieste a carico

dell'inverter;

- influenza dei carichi non lineari a valle sulla tensione in ingresso a monte.

Nessuna regolazione della frequenza in uscita, che resta quella dell'alimentazione

di rete.

Mediocre compensazione della tensione in uscita, in quanto l'inverter non è

installato in serie con l'ingresso CA. La norma parla di "alimentazione compensata" a

causa del collegamento in parallelo tra ingresso CA e inverter. Tuttavia la

compensazione è limitata dalla sensibilità alle fluttuazioni di tensione a monte e a

valle, nonché dalla modalità operativa reversibile dell'inverter.

L'efficienza dipende da vari fattori:

- il tipo di carico. Con carichi non lineari, la corrente assorbita è costituita da

armoniche che alterano la corrente fondamentale. Le correnti armoniche sono

alimentate dall'inverter reversibile che regola la tensione, riducendo drasticamente

l'efficienza.

- il carico percentuale. Al decrescere del carico percentuale, la potenza richiesta per

caricare la batteria aumenta in modo significativo.

Si rileva un punto singolo di vulnerabilità dovuto all'assenza di un bypass statico;

in pratica, in caso di malfunzionamento, l'UPS si spegne.

Utilizzo Questa configurazione non si adatta alla regolazione di carichi sensibili nella gamma

di potenza medio-alta, in quanto non consente di eseguire la regolazione della

frequenza. Per questa ragione, viene utilizzata quasi esclusivamente per potenze

nominali basse.


Tipi di UPS (cont.)

UPS a doppia conversione

L'inverter è collegato in serie con l'ingresso CA e l'applicazione. L'alimentazione

del carico attraversa costantemente l'inverter.

Principio di funzionamento Modalità normale

Durante il normale funzionamento, l'alimentazione fornita al carico passa attraverso il

raddrizzatore/caricabatteria e l'inverter che in combinazione eseguono una doppia

conversione (CA-CC-CA), da cui il nome. La tensione è continuamente rigenerata e

regolata.




garantire l'alimentazione continua del carico.





Modalità bypass

Questo tipo di UPS è dotato di un bypass statico (a volte denominato commutatore

statico) che garantisce il trasferimento senza interruzione del carico dall'inverter

all'alimentazione di rete diretta e viceversa.

Il carico viene trasferito al bypass statico nei seguenti casi:

- guasto dell'UPS;

- transienti della corrente di carico (correnti di spunto o di guasto);

- sovraccarichi;

- fine dell'autonomia della batteria.

La presenza di un bypass statico presuppone che le frequenze in ingresso e uscita

siano identiche; in questo caso l'UPS non può essere utilizzato come convertitore di

frequenza. Se i livelli di tensione non corrispondono è necessario utilizzare un

trasformatore bypass.

L'UPS è sincronizzato con l'ingresso CA di bypass per garantire trasferimenti privi di

interruzioni dall'inverter alla linea di bypass.

Nota: è disponibile una seconda linea di bypass, spesso denominata bypass di

manutenzione, da utilizzare per gli interventi di manutenzione. Questa linea è chiusa

da un interruttore manuale.

Fig. 5.5.UPS a doppia conversione.


Tipi di UPS (cont.)

Vantaggi Rigenerazione completa dell'alimentazione in uscita, proveniente sia dalla rete sia

dalla batteria;

Totale isolamento del carico dal sistema di distribuzione e dai suoi disturbi;

Ampio intervallo di tensione in ingresso e allo stesso tempo precisa regolazione

della tensione in uscita;

Indipendenza delle frequenze in ingresso e in uscita, che consente di rientrare

sempre nelle rigide tolleranze relative alla frequenza in uscita. Possibilità di utilizzo

come convertitore di frequenza (se previsto), semplicemente disattivando il

commutatore statico;

Prestazioni di livello molto superiore in condizioni di stato stazionario e transitorie;

Passaggio immediato alla modalità batteria di riserva in caso di guasto

all'alimentazione di rete;

Trasferimento senza interruzione a una linea di bypass (modalità bypass);

Possibilità di bypass manuale (di solito standard) per facilitare gli interventi di

manutenzione.

Svantaggi Prezzo di mercato elevato, ma compensato dai numerosi vantaggi.

Utilizzo Questa configurazione è la più completa in termini di protezione del carico,

possibilità di regolazione e livelli di prestazione. Viene così garantita la massima

indipendenza della tensione e frequenza in uscita rispetto a tensione e frequenza in

ingresso.

I suoi numerosi vantaggi rendono questa configurazione virtualmente l'unica

utilizzabile per potenze nominali medie e alte (a partire da 10 kVA).

Conclusione

Gli UPS a doppia conversione rappresentano la maggioranza dei sistemi di

potenza medio-alta venduti (95% con potenza di pochi kVA e 98% per potenze di

10 kVA e superiori).

Ciò è dovuto ai numerosi punti di forza degli UPS di questo tipo, che rispondono

alle esigenze di carichi sensibili con potenze nominali come quelle indicate, in

particolare grazie al posizionamento in serie dell'inverter e dell'ingresso CA.

Inoltre, questa soluzione è caratterizzata da pochissimi svantaggi, a parte

ovviamente il costo elevato, che è però giustificato dall'offerta di prestazioni

superiori, indispensabili per la protezione di carichi di natura critica. Un altro punto

debole è rappresentato dalle perdite leggermente più elevate (una piccola

percentuale).

Nelle gamme di potenza prese in considerazione, le altre tecnologie risultano

marginali, nonostante i costi notevolmente inferiori.

Tali tecnologie presentano gli svantaggi qui elencati:

Nessuna regolazione della tensione per UPS in modalità di standby passivo;

Nessuna regolazione della frequenza per UPS in modalità di standby passivo e

UPS line-interactive;

Isolamento mediocre (spesso un limitatore di tensione) dall'ingresso CA a causa

della configurazione in parallelo dell'inverter.

Conclusione

Per potenze nominali basse (<2 kVA), le tre tecnologie standard coesistono.

È il rapporto tra costi ed efficacia delle funzioni di protezione, in relazione ai requisiti

dei carichi e ai possibili rischi (per persone, produzione e così via), a determinare la

scelta di una delle tre tipologie.

Gli UPS a doppia conversione sono utilizzati quasi esclusivamente per

potenze nominali superiori.


Tipi di UPS (cont.)

UPS in linea a conversione delta

La struttura di questo UPS, illustrata nella figura 5.6, è costituita da una tecnologia

più recente, introdotta dieci anni fa per eliminare gli inconvenienti tipici della struttura

in linea a doppia conversione. È disponibile in dimensioni che vanno da 5 kVA a 1,6

MW. Negli UPS in linea a conversione delta, molto simili per struttura a quelli in

linea a doppia conversione, l'inverter alimenta sempre la tensione di carico.

Tuttavia, il convertitore delta fornisce anche potenza all'uscita dell'inverter. In caso

di disturbi o guasti CA, questa struttura si comporta esattamente come quella in linea

a doppia conversione.

DELTA

CONVERTER

BATTERY

MAIN

INVERTER

AC

DC DC

AC

STATIC BYPASS

SWITCH

DELTA

TRANSFORMER

Figura 5.6: UPS in linea a conversione delta

Un metodo semplice per capire l'efficienza energetica della topologia a conversione delta consiste nel considerare l'energia necessaria per consegnare un pacco dal quarto piano al quinto piano di un edificio come illustrato nella Figura 5.7. La tecnologia di conversione delta consente di risparmiare energia poiché il pacco viene trasportato solo per la differenza (delta) tra i due punti di inizio e fine del percorso. L'UPS in linea a doppia conversione trasferisce l'alimentazione alla batteria e viceversa, mentre il convertitore delta sposta solo dei componenti dell'alimentazione dall'ingresso all'uscita.

X4th

Floor

5th

Floor

DOUBLE CONVERSION DELTA CONVERSION

X4th

Floor

5th

Floor

Figura 5.7: Confronto tra doppia conversione e conversione delta


Tipi di UPS (cont.)

Nella struttura della conversione delta in linea, il convertitore delta viene utilizzato

per una doppia finalità. La prima è il controllo delle caratteristiche della potenza in

ingresso. Questo front end attivo assorbe la potenza in modo sinusoidale, riducendo

al minimo le armoniche riflesse sulla rete. In questo modo la compatibilità tra sistema

del generatore e rete è ottimizzata, con una conseguente riduzione del riscaldamento e

dell'usura del sistema di distribuzione dell'alimentazione. La seconda funzione del

convertitore delta è il controllo della corrente in ingresso, al fine di caricare il sistema

della batteria.

Gli UPS in linea a conversione delta garantiscono le stesse caratteristiche di uscita

rispetto a quelli in linea a conversione doppia. Tuttavia, le caratteristiche in ingresso

sono spesso differenti. Un design in linea a conversione delta fornisce un ingresso per

il fattore di potenza rettificato e controllato dinamicamente, ovviando all'utilizzo poco

efficiente di banchi di filtri, tipico delle soluzioni tradizionali. Il vantaggio principale

è una riduzione significativa delle perdite di energia. Inoltre il controllo della potenza

in ingresso rende l'UPS compatibile con tutti i gruppi di generatori e riduce la

necessità di sovradimensionare i cavi e il generatore. La tecnologia in linea a

conversione delta è oggi l'unica tecnologia specifica per UPS protetta da brevetti,

pertanto è improbabile che sia disponibile presso un gran numero di fornitori UPS.

In condizioni di stato stazionario il convertitore delta consente all'UPS di fornire

potenza al carico con un'efficienza molto maggiore rispetto alla struttura a doppia

conversione.


Componenti e funzionamento dell'UPS

Le informazioni riportate di seguito riguardano gli UPS a doppia conversione,

ovvero la tecnologia più frequentemente utilizzata da APC by Schneider Electric per

potenze nominali superiori a 10 kVA.

Schema generale di un UPS

Ai vari elementi riportati nel seguente schema sono stati assegnati dei numeri che

corrispondono alle sezioni presenti nelle pagine successive.

Fig. 5.6. Componenti di un'unità UPS.

Fonti di alimentazione e ingressi UPS

In sostanza un UPS può avere uno o due ingressi:

Ingresso CA normale (o Rete 1), alimentato dall'alimentazione principale;

Ingresso CA di bypass (o Rete 2), alimentato dall'alimentazione in standby,

solitamente mediante un cavo separato proveniente dallo stesso quadro elettrico

generale di bassa tensione (QGBT).

Fonti CA, vedere pag. 9.

Per una maggiore affidabilità generale del sistema, si consiglia di collegare l'UPS sia

alla fonte di alimentazione principale sia a quella in standby (ingressi UPS alimentati

mediante due circuiti separati provenienti dal QGBT). Tuttavia, se non sono

disponibili due circuiti separati dal QGBT, entrambi gli ingressi CA (normale e

bypass) possono essere alimentati mediante l'alimentazione principale (secondo

cavo).

La gestione dei trasferimenti tra le tue linee in ingresso è la seguente.

L'UPS sincronizza la tensione in uscita dell'inverter con quella della linea di

bypass, nel caso in cui quest'ultima rientri nei valori di tolleranza. Se è necessario, il

commutatore statico può trasferire il carico all'ingresso CA di bypass, senza

interruzioni (dato che le due tensioni sono sincronizzate e in fase) né disturbi (dato

che l'alimentazione in standby rientra nella tolleranza) per il carico stesso.

Componenti di un UPS


Componenti e funzionamento dell'UPS

Al contrario, quando l'alimentazione in standby non rientra nei valori di tolleranza,

l'inverter non è più sincronizzato e il trasferimento risulta impossibile. È comunque

possibile eseguirlo manualmente.


Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)

Componenti di un UPS Raddrizzatore/caricabatteria (1) Trasforma l'alimentazione CA dalla fonte di alimentazione principale in corrente e

tensione CC utilizzata per:

alimentare l'inverter;

caricare la batteria e fornirle tensione di mantenimento.

Inverter (2) Utilizzando la corrente continua fornita da:

raddrizzatore durante il normale funzionamento;

batteria durante il funzionamento autonomo;

l'inverter rigenera completamente un segnale sinusoidale in uscita, che rientra nei

valori di tolleranza di ampiezza e frequenza.

Batteria (3) Garantisce l'autonomia dell'UPS rispetto all'alimentazione di rete in caso di:

interruzione di servizio;

caratteristiche dell'alimentazione di rete che non rispettano la tolleranza specificata

per l'UPS.

L'autonomia della batteria è normalmente compresa tra 6 e 30 minuti e può essere

estesa su richiesta. In base alla durata dell'autonomia, la batteria è alloggiata

nell'armadio dell'UPS o in un armadio separato.

Bypass statico (4) Viene utilizzato un commutatore statico per il trasferimento del carico dall'inverter al

bypass senza alcuna interruzione* nell'alimentazione del carico (l'assenza di

interruzioni dipende dal fatto che il trasferimento viene eseguito da componenti

elettronici e non meccanici). Il passaggio è possibile quando le frequenze a monte e

a valle dell'UPS sono identiche.

Il trasferimento avviene automaticamente per una delle seguenti ragioni:

Arresto volontario dell'UPS;

Sovraccarico che supera la capacità limitata dell'inverter (è possibile disattivare

questo trasferimento);

Guasto interno.

È anche possibile eseguirlo manualmente. * Il trasferimento senza interruzioni è possibile quando la tensione in uscita dell'inverter e quella

in ingresso CA del bypass sono sincronizzate. La sincronizzazione viene mantenuta fino a

quando l'alimentazione in standby rientra nei valori di tolleranza.

Bypass manuale (5) Per il trasferimento del carico al bypass a fini di manutenzione viene utilizzato un

interruttore manuale. Il passaggio è possibile quando le frequenze a monte e a valle

dell'UPS sono identiche.

Per passare alla modalità di bypass manuale vengono utilizzati interruttori manuali.

Interruttori manuali (6, 7, 8) Questi dispositivi isolano i moduli raddrizzatore/caricabatteria e inverter e/o la linea

di bypass per interventi di manutenzione.

Interruttore di circuito delle batterie (9) L'interruttore di circuito delle batterie protegge queste ultime da uno scaricamento

eccessivo, nonché il raddrizzatore/caricabatteria e l'inverter da un eventuale

cortocircuito della batteria.

Trasformatore di isolamento a monte (10) (attrezzatura opzionale)

Garantisce l'isolamento dell'ingresso/uscita UPS quando l'installazione a valle è

alimentata attraverso il bypass.

Risulta particolarmente utile quando le modalità di messa a terra dei sistemi a monte

e a valle sono diverse. Può essere installato nell'armadio UPS per la gamma MGE

Galaxy PW.

Trasformatore di adattamento della tensione (11)



(attrezzatura opzionale)

Consente di adattare la tensione al valore desiderato.



Filtri (12) (attrezzatura opzionale)

Quando il raddrizzatore/caricabatteria è di tipo a ponte di Graetz basato su tiristori

(come negli UPS MGE Galaxy PW e 9000), un filtro armonico a monte riduce le

armoniche di corrente prodotte dall'attivazione dei tiristori del raddrizzatore (vedere

"Installazione dell'UPS - Fattori chiave" a p. 24). In questo modo viene inoltre

ridotta la distorsione di tensione sulle barre collettrici a monte derivante dal

passaggio delle correnti armoniche (il livello necessario è solitamente <5%). Inoltre

questi UPS prodotti da APC by Schneider Electric sono dotati di un conduttore

neutro sovradimensionato, installato di serie, che consente di far fronte alle

conseguenze di armoniche di terzo ordine e relativi multipli che attraversano il

conduttore neutro.

Tutti gli altri UPS delle gamme MGE Galaxy e Symmetra sono dotati di un

raddrizzatore tipo PFC che elimina la necessità di utilizzare un filtro (vedere

"Installazione dell'UPS - Fattori chiave" a p. 24).

A valle, gli UPS che impiegano le nuove tecniche di chopping PWM possono

essere collegati direttamente a carichi non lineari. Questa tecnica consente agli UPS

prodotti da APC by Schneider Electric di mantenere i livelli di THDU (distorsione

armonica totale) al di sotto del 3%.

Comunicazioni integrate (13) (14) Accanto all'esigenza di un'interfaccia uomo/macchina di facile utilizzo per monitorare

l'attività dell'UPS, risulta oggi sempre più importante la comunicazione tra gli UPS e

l'ambiente elettrico e di calcolo (sistemi di supervisione, sistemi di gestione degli

edifici o BMS, sistemi di gestione informatica e così via).

Gli UPS di APC by Schneider Electric sono progettati con una capacità integrata di

comunicazione totale e includono:

Un'interfaccia uomo/macchina (HMI) di facile utilizzo con display grafico avanzato

e quadro sinottico. L'interfaccia si basa su sistemi di automonitoraggio e

autodiagnostica che indicano continuamente lo stato dei vari componenti UPS, in

particolare delle batterie.

Ad esempio, per le gamme MGE Galaxy:

- il sistema Digibat monitora continuamente lo stato della batteria con funzioni

complete di gestione della batteria;

- il sistema di monitoraggio della batteria B2000 o Cellwatch rileva immediatamente

e localizza eventuali guasti alla batteria, per un monitoraggio predittivo.

Per le gamme Symmetra:

- il sistema di gestione della batteria APC installabile su rack (1U), accessibile

mediante browser Web, unisce il monitoraggio e la verifica della batteria alla carica

rapida singola per il massimo rendimento della batteria.

Un'ampia selezione di schede di comunicazione compatibili con gli standard del

mercato:

- Scheda di gestione della rete (Ethernet)

- Scheda Modbus - Jbus (RS232 e RS485)

- Scheda relè (contatti a secco) per indicazioni

- Scheda modem con teleassistenza

È possibile utilizzare tali schede per implementare funzioni di teleassistenza, arresto

controllato, notifiche e supervisione.

Interfaccia uomo-macchina e trasmissione di informazioni: vedere "Installazione

dell'UPS - Fattori chiave" p. 49.

Dispositivi di protezione e distribuzione a monte e/o a valle (15) (16) (attrezzatura opzionale)

È possibile dotare l'UPS della seguente attrezzatura:

Interruttori di circuito BT a monte per ingressi CA (normale e bypass);

Quadro elettrico BT a monte con protezione degli interruttori di circuito per ingressi

CA (normale e bypass);

Quadro elettrico BT a valle con protezione degli interruttori di circuito per diversi

circuiti di uscita.

APC by Schneider Electric offre una selezione di UPS e dispositivi di protezione

perfettamente coordinati in termini di valori nominali e prestazioni.

Soluzioni complete



APC by Schneider Electric è in grado di fornire soluzioni complete, dotate di tutti i

componenti elencati qui sopra, comprese soluzioni con aria condizionata per data

center, in combinazione con Schneider Electric. Per gli utenti, ciò significa avere un

unico partner commerciale e un'installazione che offre prestazioni e affidabilità

eccezionali.



Le caratteristiche qui descritte sono basate sulle principali specifiche tecniche

descritte nelle norme IEC 62040-3 / EN 62040-3 riguardanti i requisiti prestazionali

per gli UPS.

Alcuni termini qui utilizzati differiscono dal linguaggio comune e certe nuove funzioni

non sono state ancora assimilate dai produttori del settore. Pertanto, caratteristiche e

termini nuovi impiegati nelle norme vengono qui indicati tra parentesi e preceduti da

un asterisco.

Ad esempio, il titolo della sezione "Corrente in ingresso durante la carica con

tensione di mantenimento della batteria", scritto con linguaggio di uso comune, è

seguito da "(* corrente in ingresso nominale)", locuzione utilizzata nella norma.

Inoltre, alcuni valori numerici vengono utilizzati come esempi.

Tali valori, per la maggior parte, provengono dalle caratteristiche tecniche degli UPS

corrispondenti, indicate nel Capitolo 4 o utilizzate semplicemente a scopo

esemplificativo.

Alimentazione CA in ingresso

Numero di fasi e modalità di messa a terra del sistema L'alimentazione con ingresso CA (alimentazione principale) è trifase + neutro. Gli

ingressi monofase non vengono utilizzati per i livelli di potenza trattati qui.

La modalità di messa a terra del sistema è solitamente imposta dalle norme (IT, TT,

TNS o TNC).

Ingresso CA normale L'ingresso CA normale è alimentato dall'alimentazione di rete per il

raddrizzatore/caricabatteria, entro determinati valori di tolleranza.

Esempio: 400 V efficaci ± 15% a una frequenza di 50 o 60 Hz ± 5%, trifase.

Ingresso CA di bypass

L'ingresso CA di bypass è alimentato dall'alimentazione in standby. In pratica,

questo cavo è collegato a un alimentatore di rete nel quadro elettrico generale di

bassa tensione (QGBT), diverso da quello che alimenta l'ingresso CA normale.

Generalmente, la tensione così fornita ha le stesse caratteristiche di quella

dell'alimentazione di rete.

Esempio: 400 V efficaci ± 15% a una frequenza di 50 o 60 Hz ± 5%, con una

corrente di cortocircuito Icc2 = 12,5 kA. La corrente di cortocircuito rappresenta

un'informazione importante per i dispositivi di protezione a valle in caso di

funzionamento mediante bypass statico o di manutenzione.

L'utilizzo di alimentazione principale e alimentazione in standby separate è

consigliato, poiché aumenta l'affidabilità generale del sistema, ma non è obbligatorio.

Tuttavia, se non sono disponibili due circuiti separati dal QGBT, entrambi gli ingressi

CA (normale e bypass) possono essere alimentati mediante l'alimentazione

principale (secondo cavo).

Raddrizzatore/caricabatteria

Tensione di mantenimento Rappresenta la tensione fornita dal raddrizzatore/caricabatteria che mantiene la

batteria completamente carica.

Varia in base alle batterie utilizzate e alle indicazioni del produttore.

Corrente in ingresso durante la carica con tensione di mantenimento della batteria (* corrente in ingresso nominale) Rappresenta la corrente richiesta, in normali condizioni operative, per l'alimentazione

dell'inverter alla potenza nominale durante la carica con tensione di mantenimento

della batteria.

Esempio: per un MGE Galaxy PW a 100 kVA con autonomia della batteria di 10

minuti, la corrente è I mantenimento ingresso = 166 A durante la carica con tensione

di mantenimento della batteria.

Corrente in ingresso durante la carica della batteria Corrisponde alla corrente richiesta per l'alimentazione dell'inverter alla potenza

nominale durante la carica della batteria. Di conseguenza, ha un valore superiore

Caratteristiche principali dei

componenti UPS



rispetto alla corrente precedente e viene utilizzata per dimensionare i cavi di

ingresso del caricabatteria.

Esempio: per lo stesso UPS di prima, la corrente in ingresso è I mantenimento

ingresso = 182 A, ovvero superiore a quella indicata sopra poiché è necessaria per

caricare la batteria.



Massima corrente in ingresso

Corrente in ingresso quando l'UPS funziona nelle peggiori condizioni di sovraccarico

consentite con la batteria scarica. È superiore alla corrente in ingresso durante la

carica della batteria indicata sopra (a causa della corrente di sovraccarico), ma è

limitata nel tempo (come il sovraccarico).

Esempio: per lo stesso UPS indicato sopra, MGE Galaxy PW può sopportare un

sovraccarico del 25% per 10 minuti e un sovraccarico del 50% per un minuto. Nello

scenario peggiore con la carica della batteria in corso, la corrente in ingresso può

raggiungere:

I ingresso max = 182 A x 1,25 = 227,5 A per dieci minuti;

I ingresso max = 182 A x 1,5 = 273 A per un minuto

Oltre i limiti qui indicati, l'UPS avvia il trasferimento del carico senza interruzioni alla

linea di bypass e inverte il trasferimento automaticamente quando il sovraccarico è

terminato o è stato eliminato dai dispositivi di protezione preposti.

Batteria (* mezzo di immagazzinamento dell'energia)

Tipo Una batteria è caratterizzata dalla tipologia (piombo-acido aperta o sigillata, nichel-

cadmio) e dal tipo di installazione. APC by Schneider Electric propone batterie

piombo-acido sigillate, installate in armadi.

Durata di servizio Definita come il periodo operativo, in normali condizioni di utilizzo, durante il quale la

batteria è in grado di fornire almeno il 50% dell'autonomia iniziale.

Ad esempio, l'UPS MGE Galaxy PW è alimentato di serie da batterie piombo-

acido sigillate con una durata di servizio di oltre dieci anni. Questo tipo di batteria,

con un'autonomia nominale di 30 minuti, alla fine della durata di servizio specificata

garantisce da contratto solo 15 minuti di autonomia.

Può avere un'autonomia maggiore se è stata utilizzata in condizioni ottimali (in

particolare per quanto riguarda la temperatura); tuttavia, è garantito a livello

contrattuale che l'autonomia non possa essere inferiore a questa durata, se non in

caso di uso improprio.

Modalità di funzionamento La batteria può essere:

In carica: assorbe una corrente di carica (carica I1) alimentata dal

raddrizzatore/caricabatteria.

In carica con tensione di mantenimento: la batteria assorbe una corrente bassa,

detta "di mantenimento" (I1 mantenimento), alimentata dal

raddrizzatore/caricabatteria, che mantiene la propria carica mediante

compensazione delle perdite a circuito aperto.

In scaricamento: la batteria alimenta l'inverter fino al raggiungimento della

tensione di arresto.

Quando viene raggiunta questa tensione, impostata dal produttore, la batteria viene

scollegata automaticamente (UPS di APC by Schneider Electric) per evitare danni

causati da scarica profonda.

Tensione nominale La tensione CC in uscita fornita dalla batteria all'inverter.

Esempio: 450 V CC per le gamme MGE Galaxy PW.

Capacità La capacità della batteria è espressa in ampere/ora.

Esempio: per un MGE Galaxy PW a 100 kVA dotato di una batteria con dieci

minuti di autonomia e durata di servizio di cinque anni, la capacità è pari a 85 Ah.

Numero di celle Numero di celle singole della batteria che costituiscono l'intera stringa di batterie.

Esempio: la batteria di MGE Galaxy PW 100 kVA è composta, per un determinato

tipo di batteria, da 33 celle che forniscono 13,6 V ciascuna, per un'autonomia di dieci

minuti.

Tensione di mantenimento



Rappresenta la tensione CC fornita dal raddrizzatore/caricabatteria e utilizzata per

mantenere la batteria completamente carica.

Esempio: per un MGE Galaxy PW, la tensione di mantenimento è compresa tra

423 e 463 V CC.



Autonomia (* durata energia accumulata) Il periodo di tempo, specificato all'inizio della durata di servizio della batteria, durante

il quale la batteria alimenta l'inverter a pieno carico nominale, in assenza

dell'alimentazione con ingresso CA.

Esempio: MGE Galaxy PW offre tempi di autonomia standard di 8, 10, 15, 20, 30

e 60 minuti.

La durata varia in base al carico percentuale dell'UPS.

Per un UPS funzionante a pieno carico nominale (100% della potenza nominale),

l'autonomia della batteria termina quando la tensione della batteria scende alla

tensione di arresto specificata dal produttore. Ciò comporta l'arresto automatico degli

UPS di APC by Schneider Electric.

Per un UPS che opera a una percentuale di carico inferiore (ad esempio, 75%), il

tempo di autonomia effettivo potrebbe essere maggiore. In ogni caso, l'autonomia

termina sempre quando viene raggiunta la tensione di arresto della batteria.

Tempo di ricarica (* durata nominale energia ripristinata) Tempo necessario alla batteria per recuperare l'80% di autonomia (90% di capacità),

a partire dalla tensione di arresto della batteria. L'alimentazione proviene dal

raddrizzatore/caricabatteria.

Esempio: per un UPS MGE Galaxy 5500, il tempo di ricarica va da otto a dieci

ore, a seconda della batteria e della relativa autonomia. Da notare che è molto

improbabile che venga richiesto alla batteria di fornire alimentazione due volte in un

così breve periodo di tempo. Ciò significa che il tempo di ricarica indicato

rappresenta effettivamente un buon livello di prestazioni.

Corrente massima della batteria (Ib) Nella fase di scarica, la batteria alimenta l'inverter con una corrente Ib che raggiunge

il valore massimo al termine dello scaricamento. Questo valore determina la

protezione della batteria e le dimensioni dei cavi.

Esempio: per un MGE Galaxy 5500 a 100 kVA, questa corrente corrisponde a Ib

max = 257 A.

Inverter

Potenza nominale (Sn) (* potenza apparente nominale in uscita) La potenza massima apparente Sn (kVA) che l'inverter può fornire a un carico

lineare con un fattore di potenza di 0,8 durante il normale funzionamento in

condizioni di stato stazionario.

Le norme applicano inoltre questo parametro al funzionamento con alimentazione a

batteria. Teoricamente il valore corrisponde se la batteria è dimensionata in modo

corretto.

Esempio: un dispositivo MGE Galaxy 5500 con potenza nominale (Sn) pari a 100

kVA.

Potenza in uscita attiva (Pa) (* potenza nominale attiva in uscita per carichi lineari o non lineari di riferimento) La potenza attiva Pa (kW) che corrisponde alla potenza in uscita apparente Sn

(kVA), nelle condizioni di misurazione sopra indicate. Lo stesso valore può essere

indicato per un carico non lineare di riferimento standard.

Esempio: l'UPS indicato in precedenza, MGE Galaxy 5500, con potenza nominale

di 100 kVA alimenta una potenza attiva pari a Pa = Sn x 0,8 = 80 kW.

Corrente nominale (In) La corrente che corrisponde alla potenza nominale.

Esempio: per un UPS MGE Galaxy 5500 a 100 kVA e una tensione in uscita pari

a 400 V, questa corrente corrisponde a:

InSn

Un

3=

100000

400 1732x , = 144,3 A



Potenza di carico apparente (Su) e carico percentuale Rappresenta la potenza apparente Sn (kVA) effettivamente fornita dall'inverter al

carico, nelle condizioni operative selezionate.

Questo valore è costituito da una frazione della potenza nominale, in funzione del

carico percentuale.

.Su Sn e .Tc = carico percentuale (%) = Su / Sn..

Esempio: per l'UPS citato in precedenza, se l'inverter fornisce 3/4 della potenza

nominale (75% di carico), la potenza apparente è pari a 75 kVA e, in condizioni

operative standard (PF = 0,8), corrisponde a una potenza di carico apparente di

Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW.

Corrente di carico (Iu) La corrente che corrisponde alla potenza di carico, ovvero al carico percentuale in

questione. Viene calcolata a partire dal valore Pu come per la corrente nominale,

prendendo come tensione la tensione nominale Un (valore regolato dall'inverter).

Esempio: per l'UPS sopra indicato (75% del carico)

IuSu

Un

3=

75000

400 1732x ,= 108,2 A

che corrisponde a:

.Iu = In x Tc. = 144,3 x 0,75 = 108,2 A

Efficienza () Rappresenta il rapporto tra la potenza attiva Pu (kW) fornita dall'UPS al carico e la

potenza Pin (kW) assorbita all'ingresso, mediante il raddrizzatore o dalla batteria.

.= Pu / Pin.

Per molti UPS l'efficienza è ottimale a pieno carico nominale e cala drasticamente

con carichi percentuali ridotti. Grazie alla ridotta impedenza in uscita e all'assenza di

perdite di carico, l'efficienza degli UPS MGE Galaxy è virtualmente stabile per carichi

dal 25 al 100%. La gamma MGE Galaxy offre un'efficienza superiore a 90% a partire

dal 25% di carico, fino al 93% a pieno carico nominale, nonché una modalità ECO

che consente di aumentare l'efficienza di un ulteriore 4%, fino a raggiungere il 97%.

In pratica, per gli UPS MGE Galaxy, un valore di efficienza pari a 0,93 può essere

utilizzato per tutti i calcoli relativi all'alimentazione in ingresso per carichi compresi

tra il 30 e il 100%.

Esempio: per un dispositivo MGE Galaxy a 100 kVA con carico del 75%,

un'efficienza di 0,93 corrisponde a una potenza in ingresso attiva dell'UPS pari a

Pin = Pu / = 60/0,93 = 64,5 kW.

Tensione in uscita Un

Numero di fasi L'uscita può essere trifase (UPS 3f-3f) o monofase (UPS 3f-1f), a seconda della

situazione. Da notare che le modalità di messa a terra dei sistemi a monte e a valle

potrebbero essere diverse.

Tensione in uscita nominale Generalmente corrisponde a quella dell'ingresso CA. Tuttavia è anche possibile

installare un trasformatore di adattamento della tensione.

Caratteristiche statiche Rappresentano i valori di tolleranza (massima variazione consentita) per ampiezza e

frequenza della tensione in uscita in condizioni di stato stazionario. Più severi di

quelli applicati all'alimentazione di rete, questi valori sono calcolati per il

funzionamento normale con alimentazione in ingresso CA e per il funzionamento in

modalità batteria di riserva.

Variazione della tensione in uscita

La tolleranza relativa all'ampiezza viene espressa da una percentuale del valore

efficace nominale e può essere regolabile.

Esempio: per un dispositivo MGE Galaxy, la tensione di 400 V efficaci ± 1% può

essere regolata di ± 3%.

Le norme stabiliscono inoltre una tensione in uscita di picco nominale e la tolleranza

in rapporto al valore nominale.

Variazione della frequenza in uscita



La tolleranza viene espressa come percentuale della frequenza nominale.

Esempio: per un dispositivo MGE Galaxy, 50 o 60 Hz ± 0,1% durante il normale

funzionamento con alimentazione principale e ± 0,5% in modalità batteria di riserva.



Sincronizzazione della frequenza con l'alimentazione principale L'inverter fornisce una tensione in uscita che rientra nei valori di tolleranza indicati

sopra, indipendentemente dalla presenza di disturbi che colpiscono l'alimentazione a

monte.

A questo scopo, l'UPS:

controlla i parametri di tensione (ampiezza, frequenza, fase) per la fonte di

alimentazione principale, per determinare se rientrano nei valori di tolleranza

specificati;

reagisce a qualsiasi spostamento nei parametri in modo da:

- adattare l'inverter (fase e frequenza) all'alimentazione in standby, fino a quando lo

spostamento resta all'interno dei valori di tolleranza, in vista di un eventuale

trasferimento del carico,

- trasferire il carico all'alimentazione a batteria non appena lo spostamento risulta al

di fuori dei valori ammessi.

Le nuove tecnologie di chopping PWM e IGBT utilizzate negli UPS prodotti da APC

by Schneider Electric garantiscono un eccellente adattamento a tali variazioni.

Esempio: per gli UPS MGE Galaxy, la massima variazione di frequenza

corrispondente ai valori di tolleranza è 50 Hz x 0,5% = 0,25 Hz.

La sincronizzazione della frequenza con l'alimentazione CA di bypass è possibile da

0,25 a 2 Hz, in gradini di 0,25 Hz. Praticamente ciò significa che le variazioni di

frequenza possono essere monitorate con dF/dt = 0,25 Hz/s e può essere eseguita

un'ulteriore regolazione tra 0,25 e 1 secondo.

Caratteristiche dinamiche

Sono i valori di tolleranza in condizioni di carico transitorio.

Gli UPS MGE Galaxy sono in grado di sopportare le seguenti condizioni.

Squilibrio di carico

Per squilibri nella tensione di carico (fase-neutro o fase-fase) pari a:

- 30%, la variazione della tensione in uscita è inferiore a 0,1%;

- 100% (una fase con Pn e le altre a 0), la tensione in uscita non varia oltre lo 0,2%.

Variazioni del gradino di carico (transienti di tensione)

Per gradini di carico da 0 a 100% o da 100 a 0% del carico nominale, la tensione

non varia più di:

± 2% nell'alimentazione di rete;

da +2% a -4% nell'alimentazione a batteria.

Capacità di cortocircuito e sovraccarico Sovraccarichi

- 1,1 In per 2 ore

- 1,5 In per 1 minuto

senza variazioni alle tolleranze in uscita.

Cortocircuiti

Oltre 1,65 In, gli inverter MGE Galaxy operano in modalità di limitazione di corrente

fino a 2,33 In per 1 secondo, che corrisponde a:

I picco max = 2 x 1,65 In = 2,33 In.

Oltre questo valore, l'inverter trasferisce il carico all'alimentazione in standby o

esegue un arresto statico (funzione di autoprotezione).

Distorsione della tensione in uscita totale Le prestazioni degli UPS devono essere garantite per tutti i tipi di carico, compresi i

carichi non lineari.

Esempio: gli UPS MGE Galaxy limitano la distorsione armonica totale della

tensione (THDU) nell'alimentazione in uscita ai seguenti livelli per:

carichi lineari al 100%:

- THDU fase/fase < 1,5%

- THDU fase/neutro < 2%

carichi non lineari 100%:

- THDU fase/fase < 2%

- THDU fase/neutro < 3%.

Gli UPS MGE Galaxy operano nel rispetto delle caratteristiche specificate per tutti i

tipi di carico.

Nota generale: nella norma vengono specificati alcuni dei livelli prestazionali indicati

in precedenza per l'alimentazione in uscita in condizioni di normale funzionamento o



durante il funzionamento con alimentazione a batteria. Nella maggior parte dei casi

sono identici.



Schema riassuntivo per le caratteristiche principali

Fig. 5.7. Lo schema illustra le caratteristiche principali (vedere l'elenco sottostante).

Ingresso CA normale ● Tensione Un da +10% a -15%

● Frequenza f da +4% a -6%

Ingresso CA di bypass ● Tensione Un da +10% a -15%

● Frequenza f da +4% a -6%

● Corrente di cortocircuito Icc2 (capacità di tenuta del bypass statico)

Raddrizzatore/caricabatteria ● Tensione di mantenimento

● Correnti in ingresso

- nominale (carica con tensione di mantenimento)

- massima (carica della batteria)

Batteria ● Autonomia: standard 5, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 minuti (durate maggiori su

richiesta)

● Durata di servizio: 10 anni o più

● Corrente massima Ib max.

Inverter ● Potenza apparente in uscita:

- nominale: Sn (kVA)

- potenza di carico: Su (kVA) = Sn x Tc%

● Carico percentuale UPS Tc% = Su / Sn

● Potenza in uscita attiva:

- nominale: Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8

- potenza di carico: Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF

● Efficienza: Pu / Pn = 93% (97% in modalità ECO).

● Caratteristiche statiche (tolleranze tensione in uscita in condizioni di stato

stazionario)

- ampiezza: Un ± 1% regolabile fino a ± 3%

- frequenza: f ± 1% durante il normale funzionamento e f ± 0,5% in modalità batteria

di riserva

- tensione in uscita dell'inverter (frequenza e fase) sincronizzata con quella della

linea di bypass, purché quest'ultima rientri nei valori di tolleranza.

● Caratteristiche dinamiche (tolleranze in condizioni transitorie)

- tensione massima e variazioni di frequenza per variazioni del gradino di carico da

0% a 100% oppure da 100% a 0%: Un ± 2%, f ± 0,5%

● Distorsione tensione in uscita

- THDU carichi non lineari 100% < 2%

● Capacità di cortocircuito e sovraccarico:

- sovraccarichi; - 1,5 In per 1 minuto

- cortocircuiti: limitazione di corrente a 2,33 In per 1 secondo

Carico



● corrente di carico (Iu)

● fattore di potenza (PF)



Modalità normale (con alimentazione di rete, vedere la fig. 5.8, parte

sinistra)

L'UPS assorbe l'alimentazione di rete CA necessaria al funzionamento mediante il

raddrizzatore/caricabatteria che fornisce corrente CC.

Parte dell'alimentazione di rete assorbita viene utilizzata per caricare la batteria o

fornirle tensione di mantenimento:

I1 mantenimento, se la batteria è già completamente carica;

I1 carica, se la batteria non è completamente carica (ad es. viene ricaricata dopo

una scarica recente).

La corrente restante viene fornita all'inverter che genera un'onda sinusoidale di

tensione in uscita all'interno delle tolleranze di ampiezza e frequenza specificate.

Modalità batteria di riserva (con alimentazione a batteria, vedere la fig.

5.8, parte destra)

La batteria subentra in sostituzione dell'alimentazione principale e fornisce la

potenza richiesta dall'inverter per il carico, rispettando gli stessi valori di tolleranza

specificati per la modalità normale.

Ciò avviene mediante trasferimento immediato (la batteria è collegata in parallelo)

quando:

si verifica un guasto dell'ingresso CA normale (interruzione dell'alimentazione di

rete);

l'ingresso CA normale non rientra nelle tolleranze (tensione dell'alimentazione di

rete degradata).

Modalità normale


Fig. 5.8. Modalità normale e modalità batteria di riserva.

Modalità di bypass (con linea di bypass statico, vedere la fig. 5.9, parte

sinistra) Un commutatore statico (SS, static switch) assicura il trasferimento senza

interruzioni del carico all'ingresso CA di bypass per l'alimentazione diretta del carico

mediante alimentazione in standby.

Il trasferimento avviene automaticamente in caso di:

sovraccarico a valle che supera la capacità di sovraccarico dell'UPS;

guasto interno nei moduli raddrizzatore/caricabatteria e inverter.

Il trasferimento avviene sempre in caso di guasti interni, altrimenti è possibile solo se

la tensione dell'alimentazione in standby rientra nei valori di tolleranza ed è in fase

con l'inverter.

A questo scopo:

L'UPS sincronizza la tensione in uscita dell'inverter con quella della linea di

bypass, nel caso in cui quest'ultima rientri nei valori di tolleranza. Il trasferimento

avviene quindi:

- senza alcuna interruzione nell'alimentazione. Poiché le tensioni sono in fase, gli

SCR nei due canali del commutatore statico hanno tensione zero in contemporanea;

Modalità di funzionamento

dell'UPS



- senza alcun disturbo del carico, che viene trasferito a una linea di bypass che

rientra nei valori di tolleranza;

Al contrario, quando l'alimentazione in standby non rientra nei valori di tolleranza,

l'inverter non è più sincronizzato e opera autonomamente su una determinata

frequenza. Il trasferimento è quindi disattivato.

È comunque possibile eseguirlo manualmente.

Nota 1: questa funzione aumenta in modo notevole l'affidabilità, poiché sono davvero

esigue le probabilità che un sovraccarico a valle e un guasto nell'alimentazione in

standby si verifichino contemporaneamente.

Nota 2: per assicurare il corretto funzionamento della linea di bypass, è necessario

garantire la discriminazione tra il dispositivo di protezione a monte dell'ingresso CA

di bypass (in uscita dal quadro elettrico generale di bassa tensione) e quelli sui

circuiti in uscita dell'UPS (vedere le informazioni relative alla discriminazione

riportate qui sotto).



Modalità di manutenzione (con bypass di manutenzione, vedere fig.

5.9 parte destra) È possibile eseguire interventi di manutenzione senza interrompere il corretto

funzionamento del carico. Il carico è alimentato dall'alimentazione in standby

attraverso il bypass di manutenzione. Il trasferimento al bypass di manutenzione

viene eseguito mediante interruttori manuali.

Il raddrizzatore/caricabatteria, l'inverter e il commutatore statico vengono chiusi e

isolati dalle fonti di alimentazione. La batteria è isolata dall'interruttore di protezione.

Modalità bypass (bypass statico)

Modalità manutenzione (bypass di

manutenzione)

Fig. 5.9. Modalità di bypass e modalità di manutenzione.

UPS in parallelo con ridondanza

Questa seconda parte è interamente dedicata alla presentazione delle varie

configurazioni possibili. Di seguito sono riportate ulteriori informazioni a proposito del

collegamento in parallelo per un funzionamento ridondante.

In particolare, tali informazioni riguardano gli UPS MGETM

GalaxyTM

. Anche gli UPS

modulari SymmetraTM

utilizzano il collegamento in parallelo.

Configurazioni, vedere "Scelta della configurazione dell'UPS"

Tipi di configurazioni in parallelo Vi sono due tipi di configurazioni in parallelo:

Unità UPS integrate in parallelo

Questa configurazione espandibile può partire da una singola unità UPS con un

bypass statico integrato e un bypass di manutenzione manuale. Per configurazioni

con più di due unità UPS, un bypass di manutenzione comune è alloggiato in un

armadio elettrico (vedere fig. 5.10).

Unità UPS in parallelo con armadio elettrico per commutatori statici (SSC)

L'armadio elettrico per commutatori statici include un bypass automatico e uno di

manutenzione che sono comuni a un numero di unità UPS prive di bypass (vedere

fig. 5.11).

Questa configurazione, meno espandibile della precedente a causa delle prestazioni

dei bypass, offre una maggiore affidabilità (SSC e unità UPS sono indipendenti).

UPS modulari

Gli UPS della gamma SymmetraTM

sono composti da moduli dedicati e ridondanti (potenza, intelligenza, batteria e bypass). La struttura modulare con moduli di potenza a innesto migliora l'affidabilità del prodotto, in particolare la facilità di manutenzione e la disponibilità, nonché la possibilità di espandere l'installazione.

Ridondanza

Configurazioni UPS



La ridondanza nelle configurazioni in parallelo può essere pari a N+1, N+2 e così via. Ciò significa che per alimentare il carico sono necessarie N unità UPS, ma vengono installate N+1 o N+2 unità, che condividono il carico. Vedere l'esempio sottostante.



Esempio Si consideri un carico critico con un valore nominale di 100 kVA.

Ridondanza 2+1

- 2 unità UPS devono essere in grado di alimentare completamente il carico se la ridondanza non è disponibile. - Ciascuna unità UPS deve perciò avere un valore nominale di 50 kVA. - 3 unità UPS in condizioni normali condividono il carico di 100 kVA, ovvero ciascuna fornisce 33,3 kVA. - Le 3 unità UPS funzionano normalmente con un carico percentuale di 33,3 / 50 = 66,6%. - Le unità UPS integrate in parallelo sono dotate di un bypass statico ciascuna. Il trasferimento è gestito in modo da consentire alle tre unità UPS di trasferire il carico al bypass contemporaneamente, se necessario.

Fig. 5.10. Unità UPS integrate in parallelo con bypass di manutenzione in comune e ridondanza 2+1. Funzionamento corretto con tutte le unità (ridondanza disponibile).

Perdita di ridondanza

- Un UPS si arresta, le due unità restanti funzionano al 100%. - È possibile eseguire gli interventi di manutenzione necessari sull'unità UPS guasta grazie al bypass di manutenzione.



Fig. 5.11. Unità UPS integrate in parallelo con bypass di manutenzione in comune e ridondanza 2+1. Funzionamento in seguito alla perdita di ridondanza.


Tecnologia: UPS senza trasformatore

Principio

Originariamente tutti gli UPS avevano in dotazione un trasformatore di uscita utilizzato per impostare la tensione in uscita sul valore richiesto, creare un neutro e assicurare l'isolamento galvanico tra i sistemi di alimentazione a monte e a valle (Fig. 5.12). Oggi è possibile fare a meno di questo trasformatore, grazie al progresso tecnologico e alla riduzione del costo dei semiconduttori IGBT (Fig. 5.13).

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1

Manualbypass

Loads

Q3BP

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1

Manualbypass

Loads

Q3BP

Fig. 5.12. UPS con trasformatore di uscita

Fig. 5.13. UPS senza trasformatore

Vantaggi

Questa tecnologia offre gli utenti numerosi vantaggi fondamentali.

● Ingombro ridotto: lo spazio necessario è inferiore, grazie all'assenza del

trasformatore;

● Peso ridotto: eliminando il trasformatore il peso risulta inferiore;

● Maggiore efficienza: eliminazione delle perdite dovute al trasformatore;

● Regolazione della tensione mediante modulazione del segnale per una migliore

corrispondenza con il carico. I componenti elettronici agiscono direttamente sulla

tensione in uscita per una regolazione più precisa e rapida della stessa.

La tendenza

L'impiego di UPS senza trasformatore ha preso piede nei primi anni '90 per potenze

nominali che raggiungevano poche centinaia di kVA. Grazie ai vantaggi che li

caratterizzano, questi UPS sono oggi ampiamente utilizzati anche per potenze

nominali superiori, come risulta evidente dalla figura 5.14. La potenza nominale

media degli UPS che si avvalgono della tecnica senza trasformatore risulta oggi 50

volte superiore a quella di 15 anni fa.

100

400

P(kVA)

1990 1995 2000 2010

years

200

300

5

2005

500

Fig. 5.14. Potenza nominale media degli UPS senza trasformatore.

Tecnologia UPS senza

trasformatore



Isolamento galvanico

Una delle motivazioni addotte per l'impiego di trasformatori di uscita è l'esigenza di

fornire un isolamento galvanico.

Tuttavia, gli UPS trifase che superano una determinata potenza nominale sono

dotati di un bypass che garantisce la continuità dell'alimentazione. La presenza del

bypass implica che l'UPS, con o senza trasformatore di uscita, non può provvedere

all'isolamento galvanico tra la fonte e i carichi. Per questo motivo, la tecnologia UPS

senza trasformatore è diventata ben presto la soluzione più utilizzata per potenze

nominali elevate.

Questo aspetto viene discusso di seguito confrontando l'impiego delle due

tecnologie in base alla modalità di messa a terra del sistema riscontrata.

Valutazione delle modalità di messa a terra del sistema Per modalità di messa a terra si intende la messa a terra dei seguenti elementi: ● il punto neutro del sistema di distribuzione; ● le parti conduttrici esposte (ECP, exposed conductive parts) dei carichi.

Le ECP sono sempre collegate tra loro, tutte insieme o in gruppi separati. Ciascuno di questi gruppi è collegato a un morsetto di messa a terra mediante un conduttore di protezione (PE o PEN, a seconda che sia collegato anche al conduttore neutro o meno). Nella norma IEC 60364

(1) le diverse modalità di messa a terra sono indicate da due

lettere. ● La prima lettera descrive la messa a terra del punto neutro del trasformatore:

- T: messa a terra; - I: senza messa a terra. ● La seconda lettera descrive la messa a terra delle ECP dell'apparecchiatura di

carico: - T: messa a terra; - N: collegate al neutro che è a terra. In questo caso (N), una terza lettera indica la relazione tra il neutro (N) e i conduttori di protezione (PE): - C: un unico conduttore utilizzato per entrambe le funzioni; - S: conduttori separati.

(1) Sostituita da "Power Transformer Loading Guide" (Guida al caricamento dei trasformatori di potenza), IECI 60076-7, Ed. 1.

La norma definisce inoltre i sistemi seguenti: ● IT: neutro isolato ● TT: messa a terra neutro ● TN-C: conduttore neutro e messa a terra di protezione combinati (PEN)

● TN-S: conduttori neutro a terra (N) e messa a terra di protezione (PE) separati.

Modalità di messa a terra per sale computer

Utilizzo sistematico del sistema TN-S

Il sistema TN-S è la modalità di messa a terra consigliata dai produttori e dalle norme riguardanti i sistemi informatici. Infatti questo sistema garantisce una distribuzione monofase e assicura un potenziale di riferimento per le ECP con il conduttore di protezione.

Fasi: L1, L2, L3

Neutro: N

Conduttore di protezione: PE

Polo interruttore di circuito: x

N e PE separati

Fig. 5.15. Sistema TN-S per sale computer.

Sistemi IT e TT: poco adatti ai sistemi informatici

Utilizzo con carichi di

computer



● La gestione del sistema IT richiede personale altamente qualificato e un sofisticato

monitoraggio per individuare ed eliminare i guasti di isolamento prima che un ulteriore guasto con elevata corrente di sgancio crei notevoli disturbi.



● Il sistema TT è troppo sensibile alle sovratensioni causate da fulmini, per poter

essere utilizzato con dispositivi informatici delicati.

● Il sistema TN-C(1)

(conduttore PE e neutro a terra combinati) non offre un

potenziale di riferimento affidabile come quello del sistema TN-S. I carichi monofase, frequenti nei sistemi informatici, generano armoniche H3 e relativi multipli di 3 (H6, H9 e così via) nel neutro. Le armoniche passano quindi nel conduttore PEN, dove possono causare: - perdita di equipotenzialità PEN che si propaga attraverso la schermatura e può compromettere il funzionamento del sistema informatico; - elevate correnti di sbilanciamento nei cavi e nelle strutture edilizie a causa dei numerosi collegamenti dei conduttori PEN a terra. La radiazione elettromagnetica così generata nei cavi può disturbare i dispositivi sensibili. (1)

Il sistema TN-C può essere utilizzato a monte di un sistema TN-S, ma non è consentita la struttura inversa, poiché può causare un'interruzione del conduttore di protezione a monte, generando così un rischio per la sicurezza del personale a valle.

Raccomandazioni dei produttori di computer: ricreare una rete con neutro a terra all'ingresso della sala computer I produttori di computer consigliano di creare il sistema TN-S con neutro a terra il più vicino possibile ai carichi, solitamente all'ingresso della sala computer. L'utilizzo di sistemi TN-S senza questo accorgimento, ovvero con il neutro a terra posizionato lontano a monte, potrebbe creare una differenza potenziale tra la terra e il neutro causata dalla distribuzione a monte.

In conclusione, si consiglia di creare il sistema TN-S all'ingresso della sala computer con il neutro a terra nello stesso punto per garantire una distribuzione elettrica senza interferenze e adeguata ai sistemi informatici.

Questo si ottiene generalmente con l'utilizzo di unità di distribuzione dell'alimentazione (PDU, Power Distribution Units) dotate di un trasformatore di ingresso, che consente di ottenere un potenziale di riferimento neutro affidabile e garantisce l'isolamento galvanico in qualsiasi modalità operativa dell'UPS (ingresso CA normale o bypass). Inoltre, questa soluzione consente di utilizzare trasformatori standard che offrono un'elevata affidabilità, superiore a quella dei trasformatori di uscita UPS. La soluzione con trasformatori di ingresso è molto diffusa negli Stati Uniti, dove un sistema di distribuzione trifase da 480 V viene portato all'ingresso della sala computer per alimentare trasformatori 480/208 V (fig. 5.16).

UPS A

PDU A

UPS B

PDU A

Blade server

Isolating

transformers

used to recreate

a TN-S system

with neutral

x

x x

x

..

Fig. 5.16. Esempio di trasformatori utilizzati all'ingresso delle unità di distribuzione

dell'alimentazione per creare un sistema di distribuzione TN-S con neutro.



Sistema IT o TT a monte In questo caso la modalità di messa a terra del sistema deve essere modificata in TN-S a valle dell'UPS. Poiché il neutro non può avere due riferimenti a terra diversi, l'isolamento galvanico è necessario per tutte le modalità operative dell'UPS (normale o bypass).

● Per UPS con trasformatore di uscita, solitamente viene aggiunto un trasformatore

all'ingresso del bypass (vedere fig. 5.17). Questa soluzione presenta due problematiche: - è necessario utilizzare dispositivi di protezione a 4 poli per collegare e interrompere il neutro sul bypass; - la distanza D2 dall'uscita neutro dell'UPS e dai carichi può influenzare il potenziale neutro perché i trasformatori di isolamento non sono posizionati vicino ai carichi.

● Gli UPS senza trasformatore di APC by Schneider Electric possono funzionare a

tre fasi senza neutro. Ciò consente di utilizzare un sistema di distribuzione trifase a 3 fili fino alle unità di distribuzione dell'alimentazione o equivalenti e di ricreare il sistema TN-S il più vicino possibile all'applicazione (vedere la fig. 5.17, parte destra). Questa modalità garantisce un potenziale di riferimento "pulito" per il conduttore PE.

Oltre ai vantaggi in termini di efficienza, ingombro, peso e accoppiamento di tensione, la tecnologia senza trasformatore ha il pregio di essere semplice ed economica.

Soluzione con trasformatore di uscita Soluzione senza trasformatore

IT o TT a monte - TN-S a valle IT o TT a monte - TN-S a valle

Fig. 5.17. IT o TT a monte e TN-S a valle.

Confronto tra diverse modalità di messa a

terra a monte


Tecnologia: UPS senza trasformatore (cont.)

Sistema TN-C o TN-S a monte È possibile gestire queste due situazioni nello stesso modo. Con un sistema TNH-C a monte, è possibile separare il neutro e il PE a monte dell'UPS (separando i cavi) e quindi creare una configurazione TN-S sia a monte sia a valle. Negli schemi riportati di seguito il TN-C a monte semplifica la distribuzione. La fig. 5.18 illustra l'unico caso con sistema TN-C a monte. Per fornire un potenziale di riferimento, è necessario creare un sistema di distribuzione "pulito" installando un trasformatore all'ingresso della sala computer (solitamente con l'ausilio di un'unità di distribuzione dell'alimentazione o equivalente). Maggiore è la distanza D1 tra il trasformatore a monte e l'uscita dell'UPS e maggiore sarà anche la necessità di adottare questa soluzione, poiché il potenziale neutro può essere condizionato dalla distribuzione a monte.

In questo caso, le soluzioni UPS con o senza trasformatore sono identiche, tuttavia la tecnologia senza trasformatore offre altri vantaggi in termini di efficienza, ingombro, peso e regolazione della tensione.

Soluzione con trasformatore di uscita Soluzione senza trasformatore

TN-C a monte e TN-S a valle TN-C a monte e TN-S a valle

Fig. 5.18. TN a monte e a valle.


Tecnologia: UPS senza trasformatore (cont.)

Risultato del confronto

Soluzioni con trasformatore di uscita

● Il trasformatore posto all'uscita dell'UPS deve essere di un tipo specifico, più costoso e ingombrante. ● È necessario aggiungere un trasformatore all'ingresso bypass, in quanto l'installazione richiede dispositivi a quattro poli e un cavo neutro, oppure installare un trasformatore di uscita. ● Il trasformatore aggiunto non si trova nella posizione più vicina possibile ai carichi.

Soluzioni senza trasformatore

● Si evitano i vincoli imposti dal trasformatore di uscita dell'UPS. ● Un trasformatore viene installato all'ingresso della sala computer, solitamente in un'unità di distribuzione dell'alimentazione. Non sono necessari dispositivi a quattro poli per il bypass o distribuzione a monte del neutro. È comunque necessario aggiungere un trasformatore, ma ci sono notevoli vantaggi in termini di: ● costi dell'UPS: non sono richiesti trasformatori di uscita specifici, dispositivi a quattro poli e neutro sulla linea di bypass; ● ingombro e peso ridotti; ● migliore regolazione in uscita, per rapide fluttuazioni di carico.

Visti i notevoli vantaggi, la tecnologia senza trasformatore sta rapidamente diventando la soluzione d'elezione per gli UPS.


Compatibilità elettromagnetica (CEM)

Disturbi elettromagnetici Tutti i disturbi elettromagnetici coinvolgono tre elementi.

Una sorgente Una sorgente naturale (atmosfera, terra, sole e così via) o più spesso industriale

(dispositivi elettrici ed elettronici).

La sorgente genera i disturbi mediante variazioni immediate (impulsi) dei valori

elettrici (tensione o corrente), definite da:

una forma d'onda;

un'ampiezza d'onda (valore di picco);

uno spettro di frequenze;

un livello di energia.

Una modalità di accoppiamento L'accoppiamento attiva la trasmissione dei disturbi e può essere:

capacitivo (o galvanico), ad esempio attraverso gli avvolgimenti del trasformatore;

induttivo, mediante campo magnetico radiante;

condotto, mediante un'impedenza comune, attraverso un collegamento di messa a

terra.

Una vittima Qualsiasi dispositivo che può subire i disturbi e non funzionare correttamente a

causa dei disturbi stessi.

Esempi

Sorgenti In installazioni a bassa tensione, le sorgenti comprendono correnti che variano

all'improvviso a causa di:

guasti o cortocircuiti;

commutazioni elettroniche;

armoniche di ordine elevato;

fulmini o rottura del trasformatore.

Le frequenze sono basse (< 1 MHz) per frequenze di potenza e relative armoniche

oppure elevate (> 1 MHz) per i fulmini.

Accoppiamento Capacitivo: trasmissione dell'onda di un fulmine attraverso il trasformatore.

Induttivo: radiazione di un campo magnetico creato da una delle correnti

specificate sopra. La radiazione crea una forza elettromotrice indotta ovvero una

corrente di disturbo, negli anelli del conduttore composti dai cavi che alimentano i

dispositivi e i conduttori a terra dei dispositivi.

A livello indicativo, una radiazione di 0,7 A/m può rappresentare un disturbo per i

monitor.

Ciò corrisponde al campo creato in una zona di 2,2 m attorno a un conduttore con

corrente di 10 A.

Condotto (impedenza comune): aumento nel potenziale del collegamento di

messa a terra.

Disturbi

Emissione, immunità, suscettività Quando un dispositivo elettrico viene installato in un ambiente che può essere più o

meno disturbato a livello elettromagnetico, esso può esser visto sia come sorgente

sia come potenziale vittima dei disturbi elettromagnetici.

A seconda del punto di vista adottato, si può parlare di:

livello di emissione per una sorgente;

livello di compatibilità per un ambiente;

livelli di immunità e suscettività per una vittima.

Queste nozioni sono l'argomento delle prossime pagine, nella sezione relativa ai

livelli di disturbo definiti dalle norme.

Disturbi elettromagnetici

Norme e raccomandazioni

CEM


Compatibilità elettromagnetica (CEM) (cont.)

Livelli di disturbo La norma IEC 6100-2-4 definisce alcuni livelli di disturbo per CEM:

Livello 0: nessun disturbo;

Livello di emissione: livello massimo autorizzato per un utente su una rete

pubblica o per un dispositivo;

Livello di compatibilità: livello massimo di disturbo previsto in un determinato

ambiente;

Livello di immunità: livello di disturbo che un dispositivo può sopportare;

Livello di suscettività: livello a partire dal quale il dispositivo o sistema non

funziona più correttamente.

Di conseguenza, per dispositivi e attrezzature considerati:

sorgenti, i limiti (livelli di emissione) devono essere impostati per disturbi emessi

dai dispositivi per evitare di raggiungere i livelli di compatibilità,

vittime, devono anche sopportare livelli di disturbo superiori ai livelli di

compatibilità se questi vengono superati (ciò può accadere su basi transitorie). Tali

livelli superiori sono rappresentati dai livelli di immunità.

I livelli sono stati impostati sulla base delle norme che regolano la CEM.

Elenco degli standard CEM, vedere la sezione a pagina 34 relativa agli standard CEM.

Fig. 5.19 Livelli di disturbo CEM per dispositivi disturbati/che disturbano.

Valori misurati

I dispositivi vengono sottoposti a test.

Vengono misurati cinque valori principali:

Emissioni condotte (CE);

Emissioni radiate (RE);

Scariche elettrostatiche (ESD);

Suscettività condotta (CS);

Suscettività radiata (RS).

Per i test sono necessarie risorse consistenti, in particolare una gabbia di Faraday

per le emissioni condotte e la suscettività, nonché una camera anecoica per le

emissioni radiate.

APC by Schneider Electric dispone di camere anecoiche certificate per i test.


Compatibilità elettromagnetica (CEM) (cont.)

Fig. 5.20 I cinque principali valori di misurazione.


Norme relative agli UPS

Ambito delle norme

Le norme riguardano i seguenti aspetti:

struttura dell'UPS;

sicurezza delle persone;

livelli prestazionali;

ambiente elettrico (in particolare disturbi armonici e CEM);

ecologia.

Le norme relative agli UPS sono diventate sempre più precise, soprattutto in seguito

alla creazione delle normative europee EN e alla loro armonizzazione con parte delle

norme IEC preesistenti.

Osservanza delle norme e certificazione

L'osservanza delle norme garantisce l'affidabilità e la qualità di un UPS, la

compatibilità con i carichi alimentati e con l'ambiente naturale, umano e tecnico.

La dichiarazione di conformità alle norme da parte del produttore non rappresenta di

per sé un'indicazione di qualità sufficiente. Soltanto una certificazione da parte di

un'organizzazione riconosciuta costituisce una vera garanzia di conformità.

Per questo i livelli prestazionali degli UPS prodotti da APC by Schneider Electric in

relazione alle norme sono stati certificati da organizzazioni quali TÜV e Veritas.

Marchio CE

Il marchio CE è stato creato dal sistema legislativo europeo.

È obbligatorio per la libera circolazione delle merci nell'Unione europea.

Lo scopo di questa marcatura è quello di garantire, attraverso il rispetto delle

corrispondenti direttive europee:

che il prodotto non sia pericoloso (direttiva sulla bassa tensione);

che il prodotto non inquini (direttiva sull'ambiente) e che sia compatibile a livello

elettromagnetico (direttiva sulla CEM).

Prima di apporre il marchio CE su un articolo, il produttore deve eseguire verifiche e

controlli che garantiscano la conformità del prodotto ai requisiti nelle direttive

applicabili.

Questa marcatura NON è uno standard di certificazione né un marchio di conformità.

Non garantisce che il prodotto sia conforme alle normative nazionali e internazionali.

Non è una certificazione, come definita dalla legge francese (legge datata 3 giugno

1994).

Inoltre, il marchio CE viene apposto al prodotto sotto la sola responsabilità del

produttore o importatore e non prevede alcuna ispezione da parte di organizzazioni

esterne certificate.

Non tutte le etichette comportano le stesse implicazioni per i produttori.

La conformità alle norme e ai livelli prestazionali specificati deve essere certificabile

da parte di un'organizzazione esterna; questo non avviene con la marcatura CE, per

la quale è concessa l'autocertificazione.

Gli UPS realizzati da APC by Schneider Electric sono conformi con le principali norme internazionali applicabili, come certificano TÜV e Veritas.

Sicurezza

IEC 60950-1 / EN 60950-1

Apparecchiature per la tecnologia dell'informazione - Sicurezza - Parte: Requisiti

generali

IEC 62040-1/ EN 62040-1

UPS (Uninterruptible power system) - Requisiti generali e di sicurezza per gli UPS.

IEC 62040-3 / EN 1000-3

UPS (Uninterruptible power system) - Metodo per specificare i requisiti di prestazioni

e test.

IEC 60439

Gruppo interruttori a bassa tensione e dispositivi di controllo.

Direttiva BT: 2006/95/EC

Ambito e osservanza delle norme

Norme principali per la regolamentazione degli UPS


Norme relative agli UPS


Norme relative agli UPS (cont.)

Ambiente elettrico, armoniche e compatibilità elettromagnetica (CEM)

Armoniche IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2

Livelli di compatibilità per disturbi condotti a bassa frequenza e segnalazione nei

sistemi pubblici di alimentazione a bassa tensione.

(Vedere la tabella 5-A nella pagina seguente)

IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2

Limiti delle emissioni di correnti armoniche (corrente in ingresso

dell'apparecchiatura 16 ampere/fase).

IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4

Limiti delle emissioni di correnti armoniche (corrente in ingresso dell'apparecchiatura

> 16 ampere/fase).

IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5

Limitazione delle fluttuazioni di tensione e dello sfarfallio.

EN 50160

Caratteristiche della tensione nelle reti pubbliche.

(Vedere la tabella 5-B nella pagina seguente).

IEEE 519

Procedure consigliate e requisiti per il controllo delle armoniche nei sistemi di

alimentazione elettrica.

CEM EN 50091-2

UPS - CEM.

IEC 62040-2/ EN 62040-2

UPS (Uninterruptible power system) - Requisiti per la compatibilità elettromagnetica

(CEM).

Direttiva CEM 2004/108/EC

Per attrezzature che possono causare o essere condizionate da disturbi

elettromagnetici.

Qualità

Progettazione, produzione e manutenzione conformi alle norme ISO 9001 -

organizzazione di qualità.

Ecologia

Produzione in conformità alle norme ISO 14001.


Norme relative agli UPS (cont.)

Rumore acustico

ISO 3746

Livelli di potenza sonora.

ISO 7779 / EN 27779

Misurazione del rumore aerodisperso emesso dai computer e dalle attrezzature degli

uffici.

Tabelle dei livelli di compatibilità armonica Tabella 5-A. Livelli di compatibilità per le tensioni armoniche individuali in reti a bassa tensione come indicato nelle norme IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2.

Armoniche dispari non multiple di 3

Armoniche dispari multiple di 3

Armoniche pari

Ordine armonico n

Tensione armonica come % della fondamentale

Ordine armonico n


Ordine armonico n


5 6 3 5 2 2

7 5 9 1,5 4 1

11 3,5 15 0,3 6 0,5

13 3 21 0,2 8 0,5

17 19 23 25 >25

2 1,5 1,5 1,5 0,2+0,5x25/n

>21 0,2 10 12 >12

0,5 0,5 0,2 0,2

THDU risultante < 8% (per tutte le armoniche riscontrate tra quelle indicate).

Tabella 5-B. Livelli di compatibilità per le tensioni armoniche in base al tipo di attrezzatura come indicato nella norma EN 50160.

Ordine dell'armonica di tensione generata

Classe 1 (apparecchiature e sistemi sensibili) % della fondamentale

Classe 2 (1)

(reti industriali e pubbliche) % della fondamentale

Classe 3 (per il collegamento dei principali inquinanti) % della fondamentale

2 2 2 3

3 3 5 6

4 1 1 1,5

5 3 6 8

6 0,5 0,5 1

7 3 5 7

8 0,5 0,5 1

9 1,5 1,5 2,5

10 0,5 0,5 1

11 3 3,5 5

12 0,2 0,2 1

13 3 3 4,5

TDHU 5% 8% 10% (1)

La classe 2 corrisponde ai limiti riportati nella tabella A per le norme IEC 61000-2-2 / EN

61000-2-2.

92APC by Schneider Electric Edizione 01/2012 pag. 58

Immagazzinamento dell'energia

Immagazzinamento dell'energia negli UPS

I sistemi di immagazzinamento dell'energia utilizzati dagli UPS per subentrare alla fonte primaria quando necessario devono avere le seguenti caratteristiche:

disponibilità immediata di alimentazione elettrica;

potenza nominale sufficiente per alimentare il carico;

autonomia sufficiente e/o compatibilità con sistemi che offrono autonomie di lunga

durata (ad esempio, gruppi elettrogeni o pile a combustibile).

Valutazione delle tecnologie disponibili

L'analisi tecnica eseguita da APC by Schneider Electric ha condotto a un

approfondito esame delle seguenti tecnologie:

batterie;

supercondensatori (ultracondensatori);

volani;

Immagazzinamento di energia magnetica a superconduttori (SMES).

Per ulteriori informazioni, fare riferimento a WP 65 - White Paper 65: "Comparing

Data Center Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors" (Confronto tra

ultracondensatori, volani e batterie dei data center).

Le soluzioni relative a batterie e volani sono discusse di seguito.

Soluzione per batterie

Le batterie rappresentano indubbiamente la soluzione più utilizzata oggi per l'immagazzinamento di energia negli UPS. Ciò è una conseguenza del loro costo ridotto, della provata efficacia e della capacità di immagazzinamento; tuttavia questa soluzione presenta anche degli svantaggi in termini di dimensioni, manutenzione e ambiente. Con le potenze nominali prese in considerazione qui, le batterie offrono tempi di autonomia nell'ordine dei dieci minuti, sufficienti per superare lunghe interruzioni e attendere l'avvio di un gruppo elettrogeno per un tempo di funzionamento più esteso. Per la gamma Symmetra

TM PX, APC by Schneider Electric offre inoltre soluzioni con

tempi di funzionamento estesi basate sull'utilizzo di pile a combustibile, con la gamma di prodotti FCXR (Fuel Cell eXtended Run). Questa soluzione riduce drasticamente l'impatto ambientale e i requisiti di spazio rispetto alle soluzioni basate sull'utilizzo combinato di batterie e gruppo elettrogeno. L'immagazzinamento elettrochimico di energia mediante batterie, supportato se possibile dall'utilizzo di un gruppo elettrogeno con motore termico, rappresenta la soluzione più diffusa per la protezione dei carichi critici mediante UPS.

Fig. 5.21. Immagazzinamento dell'energia mediante una batteria e un gruppo elettrogeno per autonomie prolungate.

Tecnologie utilizzabili

Batterie

Fare riferimento

al WP 65


Immagazzinamento dell'energia (cont.)

Tipi di batterie industriali

Famiglie di batterie Una batteria è costituita da un insieme di celle collegate tra loro.

A seconda del tipo di cella, si possono distinguere due grandi famiglie di batterie:

Batterie piombo-acido;

Batterie nichel-cadmio.

Le celle possono inoltre essere di tipo:

a ricombinazione batterie sigillate

Il tasso di ricombinazione del gas è il 95% minimo, pertanto non è necessario

aggiungere acqua nell'arco della durata di servizio delle batterie (da cui il termine

"sigillate");

aperto batterie aperte

Queste batterie sono dotate di porte che consentono di:

- rilasciare nell'atmosfera l'ossigeno e l'idrogeno prodotti durante le reazioni

chimiche;

- mantenere il livello dell'elettrolita aggiungendo acqua distillata o demineralizzata.

Batterie utilizzate negli UPS Le tipologie principali di batterie utilizzate con gli UPS sono:

Batterie piombo-acido sigillate, utilizzate nel 95% dei casi poiché non richiedono

particolare manutenzione né una stanza appositamente adibita e possono quindi

essere installate all'interno degli uffici, in qualsiasi posizione;

Batterie piombo-acido aperte;

Batterie nichel-cadmio aperte.

Le batterie aperte pongono vincoli significativi in termini di manutenzione (verifica del

livello dell'elettrolita) e di posizionamento (solo posizioni verticali).

L'utilizzo delle batterie litio-polimero con gli UPS è attualmente in fase di studio.

Per l'impiego con le proprie gamme di UPS, APC by Schneider Electric consiglia le

batterie piombo-acido sigillate, tuttavia offre anche un'ampia selezione di altri tipi.

Le tre tipologie di batterie sono disponibili per tutte le durate di servizio previste.

È possibile adattare i livelli di capacità e l'autonomia per rispondere al meglio alle

esigenze dell'utente.

Le batterie proposte sono inoltre perfette per le applicazioni UPS in quanto sono

state studiate in collaborazione con i maggiori produttori di batterie del mondo.

Selezione della batteria, vedere "Installazione dell'UPS - Fattori chiave" p. 46.

Modalità di installazione

In base alla gamma di UPS, alla capacità e all'autonomia della batteria, quest'ultima è:

di tipo sigillato e alloggiata nell'armadio UPS;

di tipo sigillato e alloggiata in uno, due o tre armadi;

di tipo aperto o sigillato e montata su rack.

Montaggio in armadio Questo metodo di installazione è il più adatto per le batterie sigillate (vedere fig.

5.15). È facile da realizzare e garantisce la massima sicurezza.

Batterie installate su rack Su ripiani (figura 5.16)

Questo metodo di installazione è possibile per batterie sigillate o aperte ma che non

necessitano di manutenzione (ovvero nessun controllo del livello dell'elettrolita).

Montaggio a livelli (figura 5.17)

Questo metodo di installazione è adatto a tutti i tipi di batterie e in particolare alle

batterie aperte, poiché ne agevola il controllo e l'eventuale riempimento.



Fig. 5.22. Montaggio in armadio. Fig. 5.23. Montaggio su ripiani. Fig. 5.24. Montaggio a livelli.



Limitazioni relative alle batterie

Limitazioni atmosferiche Le batterie fornite con gli UPS di APC by Schneider Electric sono progettate per

funzionare nelle seguenti condizioni:

Intervallo termico ottimale: da 15 °C a 25 °C;

Intervallo umidità relativa ottimale: da 5% a 95%;

Pressione atmosferica: da 700 a 1060 hPa (0,7 - 1,06 bar).

Per le condizioni di funzionamento, contattare il servizio assistenza.

Accesso È necessario garantire libero accesso alle batterie per le operazioni di verifica.

Batterie installate nell'armadio UPS o in altri armadi: rispettare i requisiti di spazio

indicati in "Dimensioni e peso", capitolo 4.

Batterie installate su rack: selezionare un metodo di installazione adeguato al tipo

di batteria.

Operazioni preliminari: questo aspetto, molto importante poiché riguarda la

sicurezza, viene ampiamente discusso in "Installazione dell'UPS - Fattori chiave"

p. 49.

Parametri principali delle batterie

Autonomia Per una determinata batteria, l'autonomia varia in base a:

la potenza da fornire, dove a un valore ridotto corrisponde una maggiore

autonomia;

le condizioni di scarica, dove un tasso di scarica elevato implica una tensione di

arresto inferiore e aumenta la durata dell'autonomia;

la temperatura, poiché entro i limiti operativi consigliati a una maggiore

temperatura corrisponde un aumento dell'autonomia. Tuttavia, una temperatura

troppo elevata influenza negativamente la durata di servizio della batteria;

l'invecchiamento, dato che l'autonomia della batteria diminuisce nel corso del

tempo.

APC by Schneider Electric offre un'ampia gamma di autonomie (5, 6, 8, 10, 15 o 30

minuti) e durate di servizio (5 o 10 anni o più) standard; inoltre fornisce soluzioni che

soddisfano richieste specifiche.

Durata di servizio Una batteria viene considerata al termine della propria durata di servizio quando

l'autonomia effettiva scende a un valore inferiore al 50% dell'autonomia dichiarata.

È possibile prolungare la durata di servizio di una batteria nei modi seguenti:

proteggendo la batteria dal rischio di scarica profonda;

impostando i corretti parametri del caricabatteria, in particolare il fattore di

ondulazione della carica o la corrente di mantenimento;

mantenendo una temperatura di esercizio ottimale, compresa tra 15 °C e 25 °C.

Modalità di ricarica

Il ciclo di carica si divide in due passaggi:

Passaggio 1 - corrente costante limitata a 0,1 C10 (un decimo della capacità della

batteria per una scarica di dieci ore);

Passaggio 2 - tensione costante al valore massimo consentito. La corrente di

carica diminuisce gradualmente e raggiunge il valore di mantenimento.



Fig. 5.25. Ciclo di carica di una batteria.



Gestione delle batterie per le gamme MGETM GalaxyTM

DigibatTM

Per una corretta gestione dei parametri indicati sopra, tutti gli UPS MGE

TM Galaxy

TM

di APC by Schneider Electric sono dotati di serie del sistema di monitoraggio della

batteria basato su microprocessore DigibatTM

(DSP dedicato per elaborazione in

tempo reale).

DigibatTM

è un sistema intuitivo che offre funzioni avanzate e flessibili, nonché

protezione fisica e assistita da computer per la batteria. Questo sistema garantisce

inoltre un alto livello di sicurezza, misurazioni affidabili dell'autonomia e una durata di

servizio ottimizzata. Ad esempio, per un UPS MGE Galaxy 5000 le funzioni

comprendono:

Inserimento automatico dei parametri della batteria;

Misurazione dell'autonomia reale residua, considerando l'età della batteria, la

temperatura e il livello di carico;

Calcolo della durata residua della batteria (1)

;

Test della batteria per individuare eventuali difetti di funzionamento della batteria (1)

;

Regolazione della tensione della batteria in relazione alla temperatura per

ottimizzare la durata della batteria;

Test automatico della scarica della batteria a intervalli di tempo regolabili.

Le funzioni di protezione comprendono:

Protezione dal rischio di scarica profonda (in base al tasso di scarica) e isolamento

della batteria mediante un interruttore di circuito che viene aperto quando

l'autonomia, moltiplicata per due più due ore, è terminata;

Limitazione della corrente di ricarica nella batteria (da 0,05 C10 a 0,1 C10);

Segnale acustico di allarme progressivo, che indica il termine dell'autonomia;

Vari test automatici. (1) Brevetti esclusivi di APC by Schneider Electric.

Fig. 5.26. Digibat

TM

Monitoraggio della temperatura Gli UPS MGE

TM Galaxy

TM possono anche disporre di un modulo di monitoraggio

della temperatura utilizzato per:

Ottimizzare la tensione del caricabatteria in base alla temperatura presente nella

stanza per la batteria;

Avvisare l'utente quando i valori di temperatura consentiti preimpostati vengono

superati;

Fornire una stima più precisa dell'autonomia della batteria rispetto a quella

calcolata dal sistema standard.

Per evitare un aumento di temperatura della batteria, assicurare una ventilazione

naturale degli armadi che contengono le batterie.

Il sensore Environment Sensor rappresenta inoltre un semplice strumento per il

monitoraggio di temperatura e umidità. È possibile utilizzarlo per avviare l'arresto in

combinazione con il software in esecuzione nel modulo.

Monitoraggio della batteria L'offerta di APC by Schneider Electric comprende anche i sistemi di monitoraggio

della batteria B2000 e Cellwatch che operano in modo autonomo e in



comunicazione tra loro e consentono di rilevare immediatamente e localizzare tutti i

guasti relativi alla batteria. Questi sistemi monitorano ciascun blocco o cella della

batteria, consentendo di realizzare una manutenzione preventiva.



Immagazzinamento dell'energia mediante volano

Principio di funzionamento Un sistema di immagazzinamento dell'energia mediante volano è una "batteria

meccanica" che accumula energia cinetica, sotto forma di massa rotante. Quando è

necessario, durante un'interruzione di servizio, l'energia immagazzinata dalla massa

rotante viene convertita in energia elettrica grazie al generatore integrato nel volano.

La quantità di energia immagazzinata in un volano è definita come:

E = kMω2

dove k dipende dalla forma della massa rotante, M è la massa del volano e ω la

velocità angolare.

Si noti che l'energia accumulata è proporzionale al quadrato della velocità

angolare. Per questo motivo, tra gli altri, APC by Schneider Electric propone volani

che ruotano a velocità piuttosto elevate. In questo modo vengono ridotti sia il peso

sia l'ingombro del sistema di immagazzinamento dell'energia.

Applicazioni UPS Le unità a volano possono sostituire le tradizionali batterie UPS o funzionare in

combinazione con esse per garantire un'alimentazione di emergenza istantanea e

affidabile per le applicazioni da cui dipendono le aziende di oggi (data center,

ospedali, studi di trasmissione, sale giochi aeroporti e stabilimenti produttivi). Questi

dispositivi si interfacciano con il bus CC dell'UPS, esattamente come una batteria,

ricevono corrente di carica dall'UPS e forniscono alimentazione CC all'inverter

dell'UPS durante la scarica.

Rectifier

Criticalloads

AC input

Inverter

Battery

UPS

Flywheel

Fig. 5.27. Schema semplificato di un UPS con volano per l'immagazzinamento dell'energia

collegato in parallelo alla batteria.

I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano trovano due diverse

applicazioni: una installazione include un gruppo elettrogeno, l'altra no.

Rinforzo della batteria per installazioni senza gruppo elettrogeno Per installazioni prive di gruppo elettrogeno, un sistema di immagazzinamento

dell'energia mediante volano può funzionare in parallelo alle batterie. Questo tipo di

applicazione a volano viene spesso denominata "battery hardening" (rinforzo della

batteria).

In questa configurazione il volano rappresenta la prima linea di difesa contro le

anomalie di alimentazione e consente di ottenere una maggiore disponibilità e

risparmiare le batterie per interruzioni di alimentazione prolungate. Il sistema a

volano fornisce per primo l'energia necessaria a superare le anomalie

dell'alimentazione, prolungando così la durata della batteria in modo significativo

mediante l'assorbimento di oltre il 98% delle scariche, normalmente alimentate dalla

batteria. Il rinforzo della batteria mediante volano offre numerosi vantaggi.

Minor numero di cicli carica-scarica, con conseguente prolungamento della

durata utile della batteria;

Minore frequenza di sostituzione della batteria e conseguente minore

smaltimento di piombo acido;

Maggiore disponibilità del bus CC critico.

Volani



Sostituzione della batteria per installazioni con gruppi elettrogeni I gruppi elettrogeni sono solitamente in grado di sostenere il carico entro 10 secondi

dal guasto alla rete. Le batterie dell'UPS forniscono alimentazione durante questa

transizione, ma la loro affidabilità è sempre dubbia: sono completamente cariche?

Tutte le celle presenti nella stringa di batterie sono funzionanti? Quando sono state

controllate l'ultima volta? Al contrario, i sistemi basati su volano garantiscono un immediato e affidabile

immagazzinamento dell'energia per una transizione sicura al gruppo elettrogeno in

standby, il tutto con un ingombro ridotto.

Un sistema a volano che fornisce 10 o 20 secondi di energia offre numerosi vantaggi

in più rispetto alle batterie per installazioni con gruppi elettrogeni.

Immagazzinamento di energia estremamente affidabile e sicuro:

- circa 54.000 ore di MTBF (tempo medio tra guasti)

- monitoraggio continuo per prestazioni assolutamente prevedibili

Alternativa ecologica alle batterie:

- non viene utilizzato piombo né acido; emissioni di anidride carbonica ridotte

TCO (costo totale di proprietà) ridotto:

- 20 anni di vita utile del prodotto

- scarsa manutenzione necessaria

- dimensioni e peso modesti

- funzionamento garantito con temperature fino a 40 °C.

Tipi di volani

I volani per UPS si dividono in varie tipologie in base alla velocità, al materiale di cui

sono composti e alla configurazione del motogeneratore.

Velocità del volano Volani a bassa velocità

- Velocità angolare <10.000 giri/min

- L'energia necessaria per potenze elevate richiede l'impiego di pesanti volani di

acciaio (pesanti e voluminosi)

- Manutenzione periodica e sostituzione dei cuscinetti meccanici

- Elevate perdite dovute a energia parassita

- Per l'installazione è necessaria una soletta in cemento dalle specifiche particolari

Volani ad alta velocità

- Da 30.000 a 60.000 giri/min (potenzialmente fino a 100.000 giri/min)

- Molto più leggeri anche per potenze elevate (l'energia viene accumulata mediante

velocità di rotazione superiori)

- Levitazione magnetica completa

- Manutenzione periodica meno frequente

- Ingombro e peso ridotti

- Operazioni di messa in servizio, avvio e arresto semplificate

Come già specificato, i volani proposti con gli UPS di APC by Schneider Electric

operano a velocità relativamente elevate (36.000 giri/min quando la carica è

completa) e offrono tutti i vantaggi corrispondenti.

Materiali che compongono il volano Volani in fibra di carbonio

I volani in fibra di carbonio sono prodotti mediante avvolgimento di grandi estensioni

di fibra di carbonio su un fuso, tenuta insieme da una resina epossidica.

Eventuali imperfezioni nel processo e gioco tra le fibre possono portare a uno

sbilanciamento del volano nel tempo a causa delle sollecitazioni esercitate nella

rotazione da un regime di alta velocità a uno di bassa velocità e viceversa, come

avviene durante ogni normale ciclo di scarica. Quando il volano in fibra di carbonio

risulta sbilanciato, l'intero modulo deve essere sostituito, con una notevole perdita di

tempo e denaro.

Volani in acciaio

I volani forniti con gli UPS di APC by Schneider Electric sono prodotti in acciaio

aerospaziale grado 4340. Questo materiale ha proprietà ben note, è disponibile

presso numerosi fornitori e viene utilizzato in molte applicazioni con rotazioni ad alta

velocità. Un fattore molto importante è che l'integrità del materiale è misurabile

attraverso campionamenti del nucleo e ultrasuoni, per garantirne la conformità ai

requisiti dell'applicazione. Lo stesso volano è stato utilizzato non solo in applicazioni



UPS, ma anche per rigenerazioni a cicli elevati, come motori elettrici per gru e rotaie

elettriche. Queste applicazioni richiedono che il volano venga caricato e scaricato

anche 20 volte in un'ora e dimostrano la solidità dell'acciaio di qualità aerospaziale,

facendone il materiale di elezione per il volano.

Configurazione del motogeneratore

L'altra differenza tra i vari sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano

sta nella configurazione del motogeneratore.

I sistemi a volano di APC by Schneider Electric utilizzano un motogeneratore a

magneti permanenti. Il vantaggio è duplice:

- la maggiore efficienza del motogeneratore durante i processi di carica e scarica

garantisce la capacità del volano di sostenere cicli intensivi;

- il volano può generare energia autonomamente per mantenere la propria

levitazione, anche in caso di mancanza dell'alimentazione di comando o di guasto

nell'elettronica di potenza.

Altri produttori utilizzano un motore sincrono a riluttanza che non è in grado di

autogenerare energia in caso di guasto all'elettronica di potenza.

- L'unità necessita di un'alimentazione di emergenza da un piccolo UPS per fornire

energia ai cuscinetti magnetici.

Installazione

Armadi per volani I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano si trovano in armadi separati che vengono collegati al bus CC come gli armadi per le batterie. È possibile installare più armadi per volani in parallelo per ottenere maggiore potenza, tempi di funzionamento più estesi o ridondanza.

Preparazione del sito È necessaria una minima preparazione del sito per l'installazione di armadi per volani. Prima dell'installazione è necessario dedicare particolare attenzione ad alcuni aspetti:

Cablaggio verso l'UPS e altre attrezzature

Accesso per la manutenzione

Spazi di raffreddamento

Montaggio a pavimento

Limitazioni relative ai volani

Limitazioni atmosferiche I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano forniti con gli UPS di

APC by Schneider Electric sono progettati per funzionare nelle seguenti condizioni:

Temperatura di esercizio: da -20 °C a 40 °C (senza declassamento)

Temperatura minima per avvio a freddo: 0 °C

Umidità relativa: fino a 95% (senza condensa)

Per le condizioni di funzionamento, contattare il servizio assistenza.

Parametri principali dei volani

Potenza in uscita e tempo di autonomia I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano forniti con gli UPS di

APC by Schneider Electric offrono flessibilità nella scelta della migliore combinazione

tra livello di potenza e tempo di funzionamento in risposta ai requisiti di applicazione.

Sono disponibili unità singole con potenza nominale di 215 e 300 kW.

Il modello da 300 kW può fornire 160 kW per ~18,75 secondi o 220 kW per ~10

secondi, solitamente sufficienti per le applicazioni di rinforzo della batteria o l'avvio

del gruppo elettrogeno.

È possibile installare in parallelo più unità a volano per garantire capacità,

ridondanza e tempo di funzionamento maggiori.

Durata di servizio



La durata di servizio di un volano per l'immagazzinamento dell'energia è

generalmente di gran lunga superiore a quella delle batterie piombo-acido.

I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano forniti con gli UPS di

APC by Schneider Electric sono caratterizzati da una durata di 20 anni per

temperature di servizio fino a 40 °C e frequenti cicli di carica-scarica.


Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno

Lunghi tempi di autonomia

Un gruppo elettrogeno è costituito da un motore a combustione interna che muove

un generatore, il quale a sua volta alimenta il sistema di distribuzione. Il tempo di

autonomia di un gruppo elettrogeno motore varia in base alla quantità di

combustibile disponibile.

In alcune installazioni, il tempo di autonomia richiesto in caso di interruzioni del

servizio è tale che è preferibile utilizzare un gruppo elettrogeno a supporto

dell'alimentazione di rete (figura 5.28).

Questa soluzione elimina la necessità di utilizzare batterie di grandi dimensioni con

lunghi tempi di autonomia.

Nonostante non ci sia una regola stabilita in merito, di solito per tempi di autonomia

di oltre 30 minuti si preferisce utilizzare un generatore. Le installazioni critiche che

richiedono livelli di disponibilità molto elevati e con costi di inattività sostanziosi (ad

esempio, i data center) tendono a combinare sistematicamente l'utilizzo di UPS e

gruppi elettrogeni.

Il tempo di autonomia della batteria per l'UPS deve essere sufficiente per l'avvio del

generatore e il collegamento all'impianto elettrico. Il collegamento viene di solito

eseguito sul quadro elettrico generale di bassa tensione (QGBT), utilizzando un

sistema di commutazione della fonte. Il tempo necessario per la commutazione

dipende dalle specifiche caratteristiche delle installazioni, in particolare la sequenza

di avvio, il distacco del carico e così via.

Fig. 5.28. Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno

Compatibilità di UPS e gruppo elettrogeno

È necessario tenere in considerazione alcuni fattori quando si utilizza un gruppo

elettrogeno per fornire energia con tempi di autonomia prolungati a un UPS.

Variazioni del gradino di carico In condizioni di emergenza, quando è necessario un collegamento dell'installazione

al gruppo elettrogeno, carichi pesanti possono generare elevate correnti di spunto, a

loro volta causa di seri problemi operativi per il gruppo elettrogeno. Per evitare tali

fenomeni, APC by Schneider Electric ha dotato i propri UPS di un sistema che

garantisce un avvio graduale del caricabatteria; il processo dura circa dieci secondi.

Utilizzo di un generatore

Combinazione di UPS e

gruppo elettrogeno



Inoltre, quando l'alimentazione di rete è nuovamente disponibile, è possibile fermare

il caricabatteria in modo graduale mediante un interruttore ausiliario al fine di evitare

disturbi sugli altri carichi.



(cont.)

Fig. 5.29. Avvio graduale di un raddrizzatore UPS durante il funzionamento con alimentazione

dal generatore.

Correnti capacitive Il generatore può fornire solo correnti capacitive relativamente basse (dal 10 al 30%

di In). Quando viene installato un filtro LC, la difficoltà principale risiede

nell'avviamento graduale del raddrizzatore con alimentazione dal generatore,

quando la potenza attiva è uguale a zero e il generatore fornisce solo la corrente

capacitiva per il filtro. Di conseguenza, l'utilizzo di filtri LC deve essere analizzato in

modo corretto per garantire che il funzionamento sia conforme alle specifiche del

produttore.

Per risolvere questo problema è sufficiente utilizzare filtri LC compensati con un

contattore. Per gli UPS con raddrizzatore PFC la compatibilità è totale.

Filtri LC e generatori, vedere capitolo 1 pag. 26.

Rispettive potenze nominali di UPS e generatori Un UPS dotato di rettificatore PFC è caratterizzato da un elevato fattore di potenza

in ingresso (superiore a 0,9). Il gruppo elettrogeno motore può essere quindi

utilizzato in modo estremamente efficace.

Per i filtri LC, è sufficiente utilizzare filtri compensati con un contattore per risolvere il

problema delle correnti capacitive.

La compatibilità tra le potenze nominali di gruppi elettrogeni e UPS di ultima

generazione elimina qualsiasi problema di declassamento. Stabilità della frequenza del generatore Durante il funzionamento con alimentazione del gruppo elettrogeno, può verificarsi

una fluttuazione nella frequenza del generatore a causa delle variazioni nella

velocità del motore termico per il quale le funzioni di regolazione non sono

istantanee; tali variazioni derivano dai cambiamenti nel carico. Alcuni esempi di

questa problematica sono l'avvio del gruppo elettrogeno stesso (fino al

raggiungimento della velocità nominale), l'avvio di altri carichi alimentati dal gruppo

elettrogeno (ascensori, sistemi di climatizzazione), e il distacco dei carichi.

Ciò può causare problemi agli UPS line-interactive, caratterizzati da una frequenza in

uscita identica a quella in ingresso. Le variazioni di frequenza del generatore

possono generare numerosi trasferimenti all'alimentazione a batteria (quando la

frequenza non rientra nei valori di tolleranza) e ripristini dell'alimentazione di rete

(quando l'inverter ha stabilizzato la frequenza, ma il generatore non è ancora

stabilizzato), conducendo a fenomeni di "oscillazione", ovvero instabilità attorno al

valore di riferimento della frequenza.

Negli UPS a doppia conversione, la regolazione della potenza in uscita eseguita

dall'inverter elimina il problema.

Gli UPS a doppia conversione sono totalmente compatibili con le fluttuazioni di

frequenza dei gruppi elettrogeni. Questo non avviene per gli UPS line-interactive.

Armoniche La reattanza subtransitoria X"d di un generatore è solitamente superiore alla

tensione di cortocircuito Uccx di un trasformatore (dalle due alle quattro volte tanto).

Qualsiasi corrente armonica assorbita dal raddrizzatore UPS potrebbe avere un

impatto maggiore sulla distorsione armonica della tensione nelle barre collettrici a

monte. Con la tecnologia del raddrizzatore PFC, l'assenza di armoniche a monte

elimina il problema.



(cont.)

Valutazione delle correnti di spunto

All'avvio, alcuni carichi possono causare notevoli correnti di spunto (sovratensioni da

commutazione, picchi di avvio), che durano per un determinato lasso di tempo.

Per gli UPS, queste correnti rappresentano un carico apparente Sa (kVA) superiore

a Sn (kVA), che può essere alimentato in condizioni di stato stazionario.

Il valore di Sa da considerare per il corretto dimensionamento dell'alimentazione

UPS viene calcolato sulla base delle correnti di spunto.

Di seguito sono riportate alcune indicazioni su tali correnti originate da dispositivi di

carico comuni.

Motori

I motori sono solitamente di tipo asincrono trifase (95% del totale). I requisiti di

potenza aggiuntivi corrispondono alla corrente di avvio definita da (fig. 5.30):

Id (da 5 a 8 In, valore efficace nominale) per un tempo td (da 1 a 10 secondi);

Imax = da 8 a 12 In, per un tempo da 20 a 30 millisecondi.

La potenza assorbita da tenere in considerazione (trascurando l'effetto picco di

Imax) è pari a:

Sa (kVA) = Un Id 3 durante td.

Trasformatori BT/BT

La commutazione del trasformatore genera picchi di corrente con ampiezze che

vengono smorzate secondo un decadimento esponenziale con una costante

temporale (vedere fig. 5.31).

i = I1° picco exp -t/ dove rappresenta alcuni cicli (da 30 a 300 ms).

I1° picco = k In (dove k è dato, solitamente compreso tra 10 e 20).

Solitamente viene inoltre indicato per quanti cicli persiste il fenomeno e il valore dei

picchi come percentuale di I1° picco.

La corrente di spunto corrispondente viene calcolata sulla base di (vedere

l'esempio):

Sa (kVA) = Un I1° picco 3 , ovvero Sa (kVA) = k Un In 3 durante il numero di cicli.

Esempio di corrente di spunto smorzata in quattro cicli con:

1° picco (100%): k In (k da 10 a 20)

2° picco 30%: 0,3 k In

3° picco 15%: 0,15 k In

Il totale dei valori efficaci delle correnti corrispondenti ai vari picchi (Ipicco / 2 ) (1)

è

pari a:

Ink2

45,1InK

2

)15,03,01(Ink

Questo corrisponde approssimativamente al valore del primo picco soltanto. (1)

Considerando i picchi di corrente come onde sinusoidali; notare che alcuni produttori

indicano un valore efficace di Ipicco / 2.

Carichi di computer

Gli alimentatori a commutazione sono dei carichi non lineari. La corrente per un

carico monofase ha una forma d'onda simile a quella rappresentata nella figura 5.32.

Può presentarsi un picco nella prima metà dell'onda pari a circa 2 In; tuttavia

solitamente risulta molto inferiore a questo valore ed è trascurabile.



(cont.)

Fig. 5.30. Curva per avvio diretto in linea di un motore trifase asincrono.

Fig. 5.31. Corrente di commutazione del trasformatore BT/BT.

Fig. 5.32. Corrente di avvio per il carico di computer


Armoniche

Origine delle armoniche Il sempre crescente utilizzo di dispositivi di calcolo per le telecomunicazioni e

l'elettronica di potenza ha prodotto un aumento nel numero di carichi non lineari

collegati ai sistemi di alimentazione.

Per tali applicazioni sono necessari alimentatori a commutazione che trasformano la

sinusoide della tensione in segnali periodici con forme d'onda diverse. Tutti i segnali

periodici di frequenza f sono il risultato di segnali sinusoidali sovrapposti con

frequenze che sono multipli di f, note come armoniche (vedere la sezione "Valori

caratteristici delle armoniche" che tratta il teorema di Fourier, riportata di seguito, a

pagina 40). La figura 5.32 illustra questo principio e mostra la corrente iniziale (la

fondamentale) e l'armonica di ordine tre.

Viene qui illustrato ciò che accade quando un'armonica di ordine tre (150/180 Hz) si sovrappone alla frequenza fondamentale (50/60 Hz). La frequenza del segnale periodico risultante è quella della fondamentale, ma la forma d'onda è distorta.

Fig. 5.33. Esempi di armoniche.

La crescita nella presenza di armoniche è un fenomeno che riguarda tutti gli impianti

elettrici, commerciali e industriali, oltre che residenziali. Nessun ambiente elettrico

moderno è esente da tali disturbi causati da dispositivi quali PC, server, tubi

fluorescenti, condizionatori, variatori di velocità, lampade a scarica, raddrizzatori,

alimentatori statici, forni a microonde, televisori, lampade alogene e così via. Tutti

questi carichi sono definiti "non lineari".

Conseguenze delle armoniche

Le armoniche disturbano, in modo sempre più rilevante, ogni genere di attività, dalle

fabbriche di componenti elettronici e sistemi di elaborazione dati alle stazioni di

pompaggio, dai sistemi di telecomunicazione agli studi televisivi e così via, poiché

rappresentano una parte significativa della corrente assorbita.

Vi sono tre tipi di conseguenze negative per gli utenti:

Impatto sugli impianti elettrici Le armoniche causano l'aumento del valore della corrente efficace in relazione alla

corrente sinusoidale nominale. Ciò comporta un aumento di temperatura (talvolta

notevole) in trasformatori, linee, generatori, condensatori, cavi e così via. Il costo

nascosto dell'invecchiamento accelerato di alcuni dispositivi può essere molto

elevato.

Impatto sulle applicazioni Le correnti armoniche circolano nelle impedenze di sorgente e di linea, generando

così armoniche di tensione che provocano a loro volta una distorsione di tensione

sulle barre collettrici a monte dei carichi non lineari (figura 5.34).

La distorsione della tensione di alimentazione (THDU a monte, distorsione armonica

totale della tensione) può disturbare il normale funzionamento di alcuni dispositivi

sensibili collegati alle sbarre collettrici.

Inoltre, per sistemi TNC dove conduttori N e PE sono uniti a formare un conduttore

PEN, le armoniche omopolari di ordine tre si accumulano nel conduttore neutro.

Questa corrente di squilibrio nel neutro può disturbare i circuiti che collegano tra loro

dispositivi a bassa corrente e potrebbero richiedere il sovradimensionamento del

neutro.

Armoniche


Armoniche (cont.)

Fig. 5.34. Distorsione di tensione dovuta a reiniezione delle correnti armoniche per carichi non

lineari.

Impatto sull'alimentazione elettrica disponibile Le armoniche costituiscono una perdita di corrente diretta (fino al 30% in più di

corrente consumata). L'utente sarà così costretto a pagare di più per avere meno

corrente a disposizione.

Precauzioni

Generali Esistono diverse soluzioni tradizionali da applicare per limitare le armoniche:

installazione di filtri passivi sintonizzati;

installazione in parallelo di più cavi con sezioni trasversali di medie dimensioni;

separazione dei carichi non lineari e dei carichi sensibili dietro trasformatori di

isolamento.

Tuttavia, queste soluzioni presentano due svantaggi principali:

la limitazione delle armoniche è efficace solo per l'installazione esistente

(l'aggiunta o la rimozione di carichi può renderla inefficace);

l'implementazione è difficile nelle installazioni esistenti.

I compensatori attivi di armoniche AccuSine (vedere capitolo 3) ovviano a questi

problemi. Molto più efficaci di altre soluzioni, questi dispositivi possono essere

utilizzati con tutti i tipi di carico e sono in grado di eliminare in maniera selettiva

armoniche che vanno dal secondo al venticinquesimo ordine.

Eliminazione delle armoniche, vedere "Come eliminare le correnti armoniche"

UPS Gli UPS, a causa del raddrizzatore/caricabatteria, rappresentano carichi non lineari

per la sorgente di alimentazione. Gli UPS di APC by Schneider Electric garantiscono

un perfetto controllo delle armoniche a monte utilizzando raddrizzatori PFC "puliti" o

filtri (MGE Galaxy PW e 9000).

A monte dell'UPS, la distorsione di tensione totale resta entro limiti accettabili per gli

altri dispositivi collegati alle stesse sbarre collettrici.


Armoniche (cont.)

Valori di corrente Espansione armonica di una corrente periodica Il teorema di Fourier indica che qualsiasi funzione periodica con una frequenza f può

essere rappresentata come la somma dei termini (serie) composta da:

un termine sinusoidale con frequenza f, detto frequenza fondamentale;

termini sinusoidali con frequenze che sono multipli interi della frequenza

fondamentale, ovvero le armoniche;

un componente CC, se possibile.

L'applicazione del teorema di Fourier alla corrente di carichi non lineari indica che

una corrente periodica I(t), di qualsiasi forma a frequenza f (50 o 60 Hz), rappresenta

la somma delle correnti sinusoidali armoniche così definite:

I t IH t IHn n t n

n

( ) sin( ) sin( )

1

2

2 1 2

dove

IH1 è il valore efficace della corrente fondamentale alla frequenza f (50 o 60 Hz);

= 2 f è la frequenza angolare della fondamentale;

1 è lo sfasamento tra la tensione e la corrente fondamentale;

IHn è il valore efficace dell'armonica di ordine n, alla frequenza nf;

n è lo sfasamento tra la tensione e corrente armonica di ordine n.

È importante valutare le armoniche (n 2) in relazione alla fondamentale (n = 1) per

determinare di quanto la funzione differisce dalla fondamentale.

A questo scopo, è necessario prendere in considerazione i valori riportati di seguito.

Contenuto armonico singolo della corrente Questo valore esprime il rapporto in percentuale tra il valore efficace dell'armonica

data e quello della fondamentale.

1

nn

IH

IH100%Ih

Tutte le armoniche presenti in una determinata corrente con l'indicazione

dell'importanza relativa (valori Ihn) costituiscono lo spettro armonico della corrente. In

genere l'influenza degli ordini al di sopra del 25° è trascurabile.

Distorsione armonica totale della corrente Questa distorsione, detta THDI (distorsione armonica totale, dove I sta per corrente),

esprime il rapporto tra il valore efficace di tutte le armoniche (n 2) e quello della

fondamentale. Il valore THDI è espresso anche in termini di armoniche individuali.

THDI

IH

IH

IH

IHIh

n

n n

n

n

n

% %

100 100

2

2

1 1

2

2

2

2 Nota: i residui armonici possono essere espressi in rapporto al valore Iefficace del segnale

completo e non alla fondamentale (documenti IEC). In questo documento, è stata utilizzata la

definizione del CIGRE, che utilizza la fondamentale.

Per i residui armonici ridotti analizzati nelle pagine seguenti, le due definizioni producono

risultati praticamente identici.

Valore efficace di una corrente con armoniche Il valore efficace di una corrente alternata con periodo T è:

I

TI t d trm s

T

1 2

0 Eseguiti i calcoli e utilizzando la rappresentazione delle armoniche, il valore può

essere espresso come:

I IHrms n

n

2

1 dove IHn = valore efficace dell'armonica di ordine n.

Valori caratteristici delle

armoniche


Armoniche (cont.)

Il valore efficace può essere inoltre espresso come:

I IH IHrm s

n

12 2

2

n

oppure:

2n

2n

1eff

1IH

IH1IHI

da cui:

I IH Ih IH THDIrm s n

n

12

2

12

1 1

Ihn = Ihn% / 100 (livello individuale espresso come valore e non come

percentuale).

THDI = THDI% / 100 (distorsione espressa come valore e non come percentuale).

Il valore efficace della corrente è quello della fondamentale, moltiplicato per un

coefficiente dovuto alle armoniche che è una funzione della distorsione.

Un effetto delle armoniche è dunque quello di incrementare il valore efficace della

corrente, che può condurre a un aumento della temperatura e quindi alla necessità

di un sovradimensionamento dei conduttori. Minore è la distorsione, minore è la

necessità di sovradimensionamento.

Esempio Corrente in ingresso di un raddrizzatore trifase.

Livelli di distorsione armonica

Ih5 = 33%

Ih7 = 2,7%

Ih11 = 7,3%

Ih13 = 1,6%

Ih17 = 2,6%

Ih19 = 1,1%

Ih23 = 1,5%

Ih25 = 1,3% THDI = 35%

Fig. 5.35. Esempio di spettro di una corrente armonica.

THDI Ihn

n

% %

2

2 Il valore al di sotto del segno di radice quadrata:

332

+ 2,72 + 7,3

2 + 1,6

2 + 2,6

2 + 1,1

2 + 1,5

2 + 1,3

2 = 1164

di conseguenza THDI% 34% e THDI = 0,34

I IH THDIeff 12

1=

IH12

1 0 34 .= 1,056 x I1

Il valore efficace di questa corrente è quindi maggiore del 5,6% rispetto al valore

efficace della fondamentale, ossia alla corrente nominale che non contiene

armoniche, con un aumento della temperatura corrispondente.

Valori della tensione

Ai capi di un carico non lineare, attraversato da una corrente CA periodica distorta,

anche la tensione è periodica con frequenza f ed è distorta rispetto alla sinusoide

teorica. La relazione tra tensione e corrente non è più soggetta alla legge lineare di

Ohm, che risulta applicabile solo per corrente e tensione sinusoidale. È possibile,

tuttavia, utilizzare un'espansione di Fourier per la tensione e definire i seguenti

valori, come per la corrente e con gli stessi risultati:

Contenuto armonico singolo della tensione

1

nn

UH

UH100%Uh

È anche possibile calcolare lo spettro armonico per la tensione.


Armoniche (cont.)

Distorsione armonica totale della tensione

THDU

UH

UH

UH

UHUh

n

n n

n

n

n

%

100 100

2

2

1 1

2

2

2

2 THDU è la distorsione armonica totale, dove U indica la tensione.

Valore efficace di una tensione con armoniche

I IHrm s n

n

2

1 Allo stesso modo della corrente, questo valore può essere espresso come:

2

12

nrms THDUIHUh1UHU

11

2n

Il valore efficace della tensione è quello della fondamentale, moltiplicato per un

coefficiente che è dovuto alle armoniche.

Valori della potenza Fattore di potenza in presenza di armoniche Sulla base della potenza attiva ai capi di un carico non lineare P (kW) e della

potenza apparente fornita S (kVA), il fattore di potenza è definito come:

)kVA(S

)kW(P

Tale fattore di potenza non indica lo sfasamento tra la tensione e la corrente, poiché

questi non sono sinusoidali. Tuttavia è possibile definire lo sfasamento tra la

tensione fondamentale e la corrente fondamentale (entrambe sinusoidali) come:

)kVA(S

)KW(Pcos

1

11

dove P1 e S1 sono rispettivamente la potenza attiva e la potenza reattiva

corrispondenti alle fondamentali.

La norma IEC 146-1 definisce il fattore di distorsione come:

1cos

Quando non ci sono armoniche, questo fattore equivale a 1 e il fattore di potenza è

semplicemente cos.

Potenza in presenza di armoniche Ai capi di un carico lineare trifase bilanciato, alimentato con una tensione U(t) da

fase a fase e una corrente I(t), dove lo sfasamento tra U e I è , la potenza

apparente in kVA, che dipende dai valori efficace U e I, è pari a: 3UIS

La potenza attiva in kW è: P = S cos

La potenza reattiva in kvar è: Q = S sin

Dove:

22QPS

Ai capi di un carico non lineare la definizione matematica di P è molto più

complessa, poiché U e I contengono armoniche. Tuttavia può essere espressa

semplicemente come:

.P = S . ( = fattore di potenza)

Se U1 e I1 sono le fondamentali spostate di 1, è possibile calcolare la potenza

apparente, attiva e reattiva corrispondenti in questo modo:

S U I1 31 1 P1 = S1 cos1 e Q1 = S1 sin1. La potenza apparente totale è:

S P Q D 1 12 2 2

dove D è la potenza di distorsione, dovuta alle armoniche.


Carichi non lineari e tecnologia PWM

Importanza dell'impedenza in uscita dell'UPS

Schema equivalente dell'uscita di un inverter Relativamente al carico, un inverter è una perfetta fonte di tensione sinusoidale V0 in

serie con un'impedenza in uscita Zs. La figura 5.36 riporta lo schema equivalente

dell'uscita di un inverter quando il carico è presente.

L'uscita dell'inverter è una perfetta fonte di

tensione V0 in serie con un'impedenza in uscita Zs.

Vc = impedenza ai capi del carico. Vs = impedenza all'uscita dell'inverter. ZL = impedenza di linea. Zc = impedenza del carico.

Fig. 5.36. Schema equivalente dell'uscita di un inverter.

Effetti dei diversi tipi di carico Per un carico lineare, le impedenze Zs, ZL e Zc sono considerate alla frequenza

angolare = 2 f corrispondente alla frequenza di distribuzione (f = 50 o 60 Hz),

che risulta in

V0 = (Zs + ZL + Zc) I

Per carichi non lineari, le correnti armoniche assorbite dal carico passano

attraverso le impedenze. Per la fondamentale e le singole armoniche, i valori efficaci

di corrente e tensione sono collegati in modo simile e possono essere espressi

come:

- per la fondamentale: U1 = (Zs + ZL + Zc) I1

- per ciascuna armonica di ordine k: UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK

I valori di impedenza sono considerati alla frequenza kf di un dato ordine.

La distorsione di tensione diminuisce con i livelli individuali delle armoniche di

tensione UK / U1.

La relazione tra questi livelli e quelli delle correnti armoniche IK/ I1 è espressa

dall'equazione:

[Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] / (Zs + ZL + Zc).

Di conseguenza, per lo spettro della corrente di un dato carico, i livelli armonici

della tensione individuale e la distorsione totale (THDU) diminuiscono con

l'impedenza di sorgente e cavi alle frequenze stabilite.

Conseguenze di carichi non lineari Per ridurre gli effetti delle correnti armoniche (THDU nei punti B e C), è necessario

cercare quanto più possibile di:

ridurre l'impedenza di linea;

garantire una scarsa impedenza della sorgente alle varie frequenze armoniche.

Per la massima efficacia di un UPS che alimenta carichi non lineari è importante

che l'impedenza in uscita sia bassa alle varie frequenze armoniche.

Di seguito vengono presentati i vantaggi offerti dalla tecnica di chopping PWM (pulse

width modulation, modulazione della larghezza di impulso) in questo ambito.

Prestazioni dei carichi non

lineari per gli UPS con

tecnologia PWM


Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)

Principio di funzionamento UPS

Chopping della tensione CC mediante l'inverter con filtraggio Un inverter è composto da un convertitore che trasforma l'alimentazione CC fornita

dal raddrizzatore/caricabatteria o dalla batteria in alimentazione CA. Ad esempio, per

un UPS monofase è possibile convertire l'alimentazione CC in due modi: utilizzando

un convertitore a mezzo ponte (vedere fig. 5.37) o un convertitore a ponte (vedere

fig. 5.38).

La tensione a onda quadra che si ottiene tra A e B viene quindi filtrata per produrre

una tensione sinusoidale con basso livello di distorsione in uscita.

Gli interruttori qui rappresentati per illustrare il principio sono IGBT controllati.

Fig. 5.37. Convertitore CC/CA a mezzo ponte. Fig. 5.38. Convertitore CC/CA a ponte.

In pratica, gli interruttori mostrati nelle figure 5.37 e 5.38 sono IGBT per i quali è

possibile controllare i relativi tempi di spegnimento e accensione.

Controllando i tempi di spegnimento e accensione è possibile "distribuire" la tensione sulla sinusoide di riferimento. Questo principio è noto come PWM (modulazione della larghezza di impulso). Viene illustrato nella figura 5.39 in modo semplificato, con cinque impulsi di onda quadra. L'area dell'onda sinusoidale della tensione è uguale a quella degli impulsi di onda quadra utilizzati per generarla. Le aree rappresentano l'alimentazione fornita dall'inverter al carico in un dato periodo di tempo, ad esempio

VIdt

T

0

.

Maggiore è la frequenza di chopping (e il numero di impulsi di onda quadra) e

migliore sarà la regolazione in rapporto all'onda di riferimento. La tecnica di chopping

consente inoltre di ridurre le dimensioni del filtro interno per l'uscita LC (vedere fig.

5.40).



Fig. 5.39. Tensione in uscita del convertitore CC/CA con cinque impulsi di onda quadra per semionda.

Fig. 5.40. Filtro in uscita dell'inverter.



Inverter PWM

Chopping PWM La tecnica di chopping PWM (modulazione della larghezza di impulso) unisce

l'interruzione o chopping ad alta frequenza (alcuni kHz) della tensione CC da

parte dell'inverter e la regolazione della larghezza dell'impulso per l'uscita

dell'inverter, per conformarsi a una sinusoide di riferimento.

Questa tecnica si avvale di IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, transistor

bipolare a gate isolato) che offrono tutti i vantaggi del controllo di tensione e tempi di

commutazione molto ridotti. Grazie all'alta frequenza, il sistema di regolazione

reagisce in modo rapido (ad esempio, 333 nanosecondi per una frequenza di 3 kHz)

e modifica la larghezza degli impulsi entro un dato periodo di tempo.

Il confronto con la tensione di riferimento consente di mantenere la tensione in

uscita dell'inverter entro le severe tolleranze relative alla distorsione, anche per

correnti molto distorte.

Schema funzionale di un inverter PWM La figura 5.41 mostra lo schema funzionale di un inverter PWM.

La tensione in uscita viene confrontata continuamente con quella di riferimento Vref,

che è costituita da un'onda sinusoidale con un livello di distorsione molto basso (<

1%).

La differenza di tensione viene elaborata da un correttore, in base a una funzione

di trasferimento C(p), per garantire il controllo della stabilità e delle prestazioni.

La tensione proveniente dal correttore viene poi amplificata dal convertitore CC/CA e

dal relativo sistema di controllo con un guadagno A. La tensione fornita dal

convertitore Vm viene quindi filtrata dal filtro LC per ottenere la tensione in uscita Vs.

In sostanza, è necessario considerare l'impedenza dell'eventuale trasformatore di

uscita per ottenere l'induttanza totale L. Spesso l'induttanza è integrata nel

trasformatore, motivo per cui non viene inserita negli schemi.

Fig. 5.41. Schema funzionale di un inverter PWM.

Impedenza in uscita di un inverter PWM È possibile rappresentare il convertitore CC/CA e il filtro di cui sopra come

impedenza in serie Z1 e impedenza in parallelo Z2 (vedere la parte sinistra della

figura 5.42).

Lo schema può essere modificato per mostrare l'impedenza in uscita Zs.

Lo schema equivalente presenta (parte destra della figura 5.42):

V'm = tensione misurata in condizioni di assenza di carico, ovvero V'm = Vm

Z

Z Z

2

1 2 Zs = impedenza misurata all'uscita con V'm in cortocircuito, ovvero:

Zs =

Z Z

Z Z

1 2

1 2



Fig. 5.42. Schema equivalente di un inverter visto dall'uscita.



Il rapporto

Z

Z Z

2

1 2 è la funzione di trasferimento del filtro, indicata come H(p).

Per semplificare, C(p) x A viene sostituito da (p) che rappresenta la funzione di trasferimento di correzione e amplificazione.

È quindi possibile sostituire la fig. 5.41 con lo schema funzionale illustrato nella fig.

5.43.

Fig. 5.43. Schema funzionale modificato di un inverter con chopping PWM e sistema di regolazione della tensione in uscita caratterizzato da frequenza di chopping modulata.

È possibile così dimostrare che l'impedenza in uscita dell'inverter Zs in questo caso

è pari a:

Z ' s Z1

(p)

(per ulteriori informazioni, consultare il documento Cahier Technique n. 159 di

Schneider Electric).

Ciò significa che nella banda passante di regolazione l'impedenza in uscita

dell'inverter è uguale all'impedenza in serie del filtro divisa per il guadagno di

correzione e amplificazione.

Dato l'elevato guadagno nella banda passante di regolazione, l'impedenza in uscita

è significativamente ridotta in confronto all'impedenza Z1 di un inverter non dotato di

questo tipo di regolazione.

Al di fuori della banda passante di regolazione, l'impedenza in uscita dell'inverter è

uguale a quella del filtro ma resta comunque bassa, poiché corrisponde

all'impedenza di un condensatore ad alta frequenza.

Di conseguenza, l'impedenza in uscita è una funzione della frequenza (vedere fig.

5.44).

La tecnica PWM (modulazione della larghezza di impulso) a frequenza libera

limita in modo considerevole l'impedenza in uscita.

Impedenza in uscita di varie sorgenti

Le curve riportate nella figura 5.44 rappresentano le impedenze per varie sorgenti

con valori nominali di uscita uguali, in funzione della frequenza CA. Le impedenze

sono raffigurate come percentuale dell'impedenza di carico Zc.

Trasformatori e generatori: la curva è una retta che corrisponde all'effetto

dell'induttanza L (il termine che diventa rapidamente dominante nella reattanza in

rapporto alla resistenza e che cresce in modo lineare come funzione della

frequenza).

Inverter moderni che utilizzano la tecnica di chopping PWM con frequenza di

interruzione modulata: a tutte le frequenze armoniche, il rapporto Zs/Zc è

- inferiore a quello rilevato per altre sorgenti

- basso e praticamente costante.

Conclusione L'inverter PWM è la sorgente che offre l'impedenza più bassa in presenza di

armoniche e rappresenta indubbiamente la miglior sorgente disponibile sul mercato

in termini di capacità di ridurre al minimo la distorsione di tensione causata da carichi

non lineari. Questo dispositivo risulta dalle 5 alle 6 volte più efficace di un

trasformatore con potenza nominale identica.

Confronto tra sorgenti diverse



La nuova generazione di UPS che integra IGBT e tecnica di chopping PWM con

modulazione di frequenza costituisce la migliore sorgente di tensione sinusoidale,

indipendentemente dal tipo di corrente assorbita dal carico.



Fig. 5.44. Impedenza in uscita per diverse sorgenti in funzione della frequenza.

Chopping a frequenza libera

La frequenza libera è un miglioramento della tecnica PWM.

Per il chopping PWM è quindi possibile utilizzare una qualsiasi delle due tecniche

(fig. 5.45).

Chopping a frequenza fissa

Le interruzioni avvengono a intervalli fissi e regolari che corrispondono alla

frequenza di chopping sul singolo periodo.

È possibile modulare la larghezza degli impulsi (impulsi di onda quadra) per

maggiore aderenza al riferimento nell'intervallo di tempo fissato.

Le due sinusoidi riportate nello schema corrispondono alla tolleranza (< 1%) relativa

all'onda sinusoidale di riferimento.


Le interruzioni non avvengono necessariamente a intervalli fissi. Il chopping si adatta

alle necessità di regolazione, ovvero al tasso di cambiamento del riferimento.

L'ampiezza dei fronti di commutazione diminuisce (e la frequenza di chopping

aumenta) all'aumentare del tasso di cambiamento della sinusoide di riferimento. Al

contrario, l'ampiezza dei fronti di commutazione aumenta (e la frequenza di chopping

diminuisce) al diminuire del tasso di cambiamento del riferimento. Nel complesso, la

frequenza di chopping media è la stessa utilizzata nella tecnica con frequenza fissa

(circa 3 kHz). Tuttavia la regolazione è migliore perché la commutazione è più rapida

nelle zone con tasso di cambiamento elevato (vedere fig. 5.46).

È possibile raggiungere anche 8 commutazioni per millisecondo, ovvero un tempo di

regolazione che si abbassa fino a 125 nanosecondi (a fronte di 300 ns per la tecnica

a frequenza fissa).

La tecnica a frequenza libera offre una maggiore precisione della regolazione di

tensione negli inverter PWM se confrontata con la tecnica a frequenza fissa.




La frequenza di chopping è fissa.

La modulazione avviene a intervalli prestabiliti, indipendentemente dal tasso di cambiamento della sinusoide di riferimento.

La frequenza di chopping libera aumenta quando il tasso di cambiamento del riferimento è elevato. La modulazione avviene quindi a intervalli che risultano più brevi quando il tasso di cambiamento della sinusoide di riferimento aumenta.

Frequenza fissa. Frequenza libera.

Fig. 5.45. Chopping PWM con regolazione a frequenza fissa e a frequenza libera.

Free-frequency

switching

Qualityband withvariations< 1%

Output voltagecurve

Up to 8 commutationsper millisecond

Fig. 5.46. Regolazione con commutazione a frequenza libera.


Raddrizzatori PFC

Raddrizzatori PFC e standard

Gli UPS vengono alimentati dal sistema di distribuzione CA mediante un

raddrizzatore/caricabatteria. Rispetto al sistema a monte, il raddrizzatore è un carico

non lineare che assorbe armoniche. Se si considerano le armoniche, esistono due

tipi di raddrizzatori.

Raddrizzatori standard Si tratta di raddrizzatori trifase che incorporano degli SCR e utilizzano un ponte

esafase con chopping standard della corrente.

Questo tipo di ponte assorbe le correnti armoniche con ordine di n = 6 k 1 (dove k

è un numero intero), principalmente H5, H7, e, in misura minore, H11 e H13.

Le armoniche vengono controllate tramite l'utilizzo di un filtro.

Raddrizzatore PFC (Power Factor Correction, correzione del fattore di potenza) "pulito" Questo tipo di raddrizzatore è dotato di IGBT integrati e di un sistema di regolazione

che adatta la tensione e la corrente in ingresso a una sinusoide di riferimento.

Questa tecnica assicura che la tensione e la corrente in ingresso siano:

perfettamente sinusoidali, ovvero prive di armoniche;

in fase, cioè con fattore di potenza prossimo a 1.

Con questo tipo di raddrizzatore, non sono necessari filtri.

Raddrizzatori PFC

Principio di funzionamento Il principio alla base del raddrizzatore PFC prevede che la corrente assorbita resti

forzatamente sinusoidale. A questo scopo viene utilizzata la tecnica PWM presentata

qui sopra.

Il principio è quello di un convertitore "a sorgente di tensione" (vedere fig. 5.47),

mentre il compensatore attivo di armoniche AccuSine utilizza un convertitore "a

sorgente di corrente".

Il convertitore agisce come una forza controelettromotrice (un "generatore di

tensione sinusoidale") sul sistema di distribuzione e la corrente sinusoidale si ottiene

dall'inserimento di un induttore tra l'alimentazione di rete e la sorgente di tensione.

Anche se altri carichi non lineari aumentano la distorsione della tensione nel sistema

di distribuzione, con un'adeguata regolazione è possibile assorbire una corrente

sinusoidale.

La frequenza di correnti armoniche basse residue è la frequenza della modulazione

e dei relativi multipli. La frequenza dipende dalle capacità dei semiconduttori

utilizzati.

Fig. 5.47. Principio di funzionamento di un convertitore "generatore di tensione" pulito.

Implementazione Raddrizzatore monofase

La figura 5.48 illustra il funzionamento di un raddrizzatore monofase.

La modulazione di tensione è ottenuta mediante un controller che forza la corrente a

seguire una corrente sinusoidale di riferimento.

Il transistor T e il diodo D costituiscono il modulatore di tensione. La tensione U varia

quindi tra 0 e Vs a seconda dello stato di accensione o spegnimento del transistor T.

Quando il transistor T conduce, la corrente nell'induttore L può soltanto aumentare,

poiché la tensione è positiva e U = 0.

Pertanto:


Raddrizzatori PFC

di

dt

e

L

> 0


Raddrizzatori PFC (cont.)

Quando il transistor T è in stato di spegnimento, la corrente in L diminuisce, purché

Vs sia maggiore di V, in modo che:

d i

d t

e V s

L

> 0 Perché si realizzi questa condizione, la tensione Vs deve essere superiore alla tensione di picco di V, ovvero il valore efficace della tensione CA moltiplicato per

2 Se questa condizione non viene soddisfatta, la corrente in L può aumentare o

diminuire in qualsiasi momento. La variazione della corrente in L nel tempo può

essere forzata mediante il monitoraggio dei relativi tempi di spegnimento e

accensione del transistor T. La figura 5.49 mostra l'evoluzione della corrente IL in

rapporto al valore di riferimento.

Dal punto di vista della sorgente, il convertitore

deve agire come una resistenza, ovvero la

corrente I deve essere sinusoidale e in fase

con e (cos = 1).

Grazie al controllo del transistor T, il controller

forza IL a seguire la corrente sinusoidale di

riferimento con un raddrizzamento a onda

intera. La forma di I può pertanto essere solo

sinusoidale e in fase con e. Inoltre, per mantenere al valore nominale la

tensione Vs in uscita, il controller regola il

valore medio di IL.

Fig. 5.48. Schema di un raddrizzatore monofase pulito che assorbe un segnale sinusoidale.

Fig. 5.49. Evoluzione della corrente IL in rapporto al riferimento.



Raddrizzatore/caricabatteria trifase

La figura 5.50 mostra la disposizione di base del circuito, che risulta simile a quella

riportata nella figura 5.48, con l'induttore posizionato a monte dei raddrizzatori;

anche il principio di funzionamento è lo stesso. Il sistema di monitoraggio controlla

tutte le tratte dell'alimentazione e forza la corrente assorbita in ciascuna fase a

seguire il riferimento sinusoidale.

Fig. 5.50. Schema di un raddrizzatore trifase pulito che assorbe un segnale sinusoidale.

Valutazione tecnica - - APC USA · segue le definizioni contenute nelle norme EN 50160 e ANSI...

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