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Elettrotecnica

 

Gruppi generatori statici di energia in B.T. (UPS) - terza parte

  • SovraccaricoL’inverter è in grado di alimentare il carico alla tensione nominale con un sovraccarico di 1,25In per circa 10 minuti e di 1,5In per un massimo di 30s;
  • Cortocircuito – in presenza di cortocircuito a valle dell’UPS all’uscita dell’inverter la tensione si abbassa e la corrente viene limitata a 1,5 ÷ 2 volte la In.
    Dopo 10 s, se non intervengono le protezioni a valle dell’UPS, l’inverter si stacca (l’inverter è dotato di fusibili di protezione), se dotato di commutatore statico, il carico è commutato direttamente in rete. In queste condizioni la corrente di cortocircuito cambia, dipendendo ora dai parametri della linea di alimentazione, ed il suo valore influenzerà la scelta del potere di cortocircuito degli interruttori da installare a valle dell’UPS.
    Se il cortocircuito avviene tra i morsetti dell’UPS e l’interruttore immediatamente a valle, cioè prima del carico, si ha l’intervento dell’interruttore a monte dell’UPS (fig. 8.1 - Un cortocircuito immediatamente a monte dell’interruttore Q3 determina, per mezzo del commutatore statico, la commutazione del carico in rete, l’intervento dell’interruttore Q1, il funzionamento in isola con alimentazione tramite batterie e successivamente dei fusibili di protezione interni all’UPS).

  • Il carico è alimentato ancora per pochi secondi dall’energia fornita dalla batteria, fino a quando non intervengono i fusibili di protezione e l’inverter si blocca.
    Se il cortocircuito avviene nel tratto compreso tra i morsetti dell’interruttore a valle e il carico, il commutatore statico commuta in rete e determina l’intervento dell’interruttore a valle dell’UPS o, in mancanza di selettività, anche dell’interruttore a monte (fig. 8.2 -
    Un cortocircuito in un punto a valle dell’interruttore Q3 determina, per mezzo del commutatore statico, la commutazione del carico in rete (sempre che non intervenga prima l’interruttore Q3), l’intervento dell’interruttore Q3 o, se manca la selettività, anche dell’interruttore Q1).

Sezionamento per esecuzione dei lavori

Dovendo eseguire lavori di manutenzione elettrica occorre sempre sezionare il circuito.

L’apertura dell’interruttore sulla linea di alimentazione dell’UPS non è sufficiente per garantire la sicurezza dei lavori. Si possono presentare alcune situazioni pericolose che cercheremo di chiarire con le seguenti figure.

Concludendo si può quindi evidenziare come, per poter operare in sicurezza, sia indispensabile aprire tutti gli interruttori posti sull’alimentazione, Q1 e Q6 , sull’UPS, Q2 e Q3; compresi l’interruttore Q4 della batteria e l’interruttore Q5 del by-pass manuale (fig. 9.5).


Fig.9.1:In un UPS con una sola linea di alimentazione, a causa di un guasto sul raddrizzatore, si può avere tensione sull’interruttore Q1 aperto

Fig.9.2:In un UPS con una sola linea di alimentazione, a causa di un guasto sul commutatore statico, si può avere tensione sull’interruttore Q1 aperto

Fig.9.3:A causa di un guasto sul commutatore statico, in un UPS con due linee di alimentazione, si può avere tensione a valle dell’interruttore Q6 aperto

Fig.9.4:A causa di un guasto sul raddrizzatore, in un UPS con due linee di alimentazione, si può avere tensione a valle dell’interruttore Q1 aperto

Fig.9.5:Per operare in sicurezza serve aprire tutti gli interruttori sull’alimentazione, Q1 e Q6 , sull’UPS, Q2 e Q3; compresi l’interruttore Q4 della batteria e l’interruttore Q5 del by-pass manuale

Parametri di dimensionamento

La scelta dell’UPS è influenzata principalmente dalla corrente, dalla potenza assorbita dal carico e dalla caratteristica di distorsione massima ammissibile.

Oltre a questo occorre sottolineare che gli UPS, essendo caratterizzati da un’impedenza interna e da una tensione pressoché costanti solo fino alla corrente nominale (superata la corrente nominale il comportamento non è più lineare e va preso in considerazione nella scelta degli apparecchi di protezione contro le sovracorrenti e i guasti a terra), in condizione di sovraccarico non sono più adatti ad alimentare gli utilizzatori.

Alcuni UPS sono dotati di dispositivi di protezione contro le sovracorrenti che, diminuendo l’impedenza del carico, aumentano automaticamente l’impedenza interna (fig. 10.1).

Altri modelli infine sono autoprotetti contro i contatti indiretti per mezzo di un dispositivo che riduce automaticamente la tensione a 40V nel caso in cui dovesse annullarsi l’isolamento verso massa.

Tutto questo è realizzato elettronicamente con una risposta pressoché immediata creando a volte problemi quando i carichi alimentati presentano forti correnti di spunto. In questo caso, in particolare con modalità di funzionamento di tipo on-line, l’UPS deve essere opportunamente sovradimensionato (fig. 10.2).

Per quanto riguarda la corrente di guasto a terra, in genere molto limitata, per l’interruzione del guasto solitamente si impiegano interruttori differenziali.

Di seguito vengono elencati i parametri più importanti per il dimensionamento di un UPS.

  • Potenza apparente in VA o kVA - (S = UL1 x IL1 in monofase;
    S = (UL1 x IL1) + (UL2 x IL2) + (UL3 x IL3) in trifase.
  • Potenza attiva in W o kW - Dai dati rilevabili dalle targhe dei carichi o tramite misure: P = S x cosφ. La potenza dell’UPS deve essere uguale o superiore alla potenza totale calcolata (è consigliato mantenere un margine superiore di almeno il 30%).
  • Fattore di cresta - Normalmente i carichi applicati agli UPS non sono lineari e come tali assorbono correnti distorte che presentano un fattore di cresta maggiore di 1,41 che è il valore normale di un carico lineare ( FC=Ipk/Ieff: dove FC è il fattore di cresta, IpK è il valore di picco e Ieff è il valore efficace). É necessario verificare che l’UPS sia adatto all’alimentazione di carichi non lineari con un FC uguale o superiore a quello dei carichi nel loro insieme e che la distorsione di tensione in uscita sia accettabile dalle utenze alimentate. La determinazione del fattore di cresta potrebbe richiedere apposite misure. In mancanza di altri dati ci si può riferire ad un FC=3 definito dalla norma per effettuare test sugli UPS.
  • Sovraccarico - É caratterizzato da assorbimenti di corrente, da parte delle utenze, superiori a quelli che si hanno in regime permanente. É necessario quantificare questi sovraccarichi e verificare che L’UPS sia in grado di sopportarli. Se i sovraccarichi fossero superiori alle capacità dell’UPS si possono scegliere UPS di taglia superiore o impiegare gruppi di continuità che siano in grado di commutare automaticamente l’alimentazione sulla rete primaria per il tempo necessario a superare il sovraccarico. Un problema può presentarsi in un tal sistema se al momento del sovraccarico la rete primaria fosse assente o fuori tolleranza : l’utenza potrebbe risultare non alimentata. Per ovviare a questo inconveniente si potrebbe, ove possibile, effettuare gli avviamenti dei carichi in modo progressivo.
  • Servizio continuo o intermittente - Nel dimensionamento occorre indicare la gravosità del servizio cui l’UPS sarà sottoposto.
  • Temperatura di funzionamento - Potrebbe in alcuni casi di UPS di potenza medio alta essere necessario predisporre un sistema per il condizionamento dell’ambiente.
  • Rendimento - Il rapporto tra la potenza attiva in uscita e la potenza attiva in ingresso:
    η =
    PU
    Pi

    A causa dell’energia termica dispersa a volte può essere necessario condizionare l’ambiente in cui viene installato l ‘UPS per cui oltre al costo dovuto all’energia dispersa occorre aggiungere anche il costo per il condizionamento.
  • Armoniche di corrente in ingresso - Il gruppo raddrizzatore carica batterie assorbe dalla linea una corrente perturbata, contenente armoniche multiple della fondamentale a 50Hz. Le armoniche iniettate nella rete a monte dell’UPS possono causare una distorsione sulla tensione che, se di notevoli proporzioni, può pregiudicare il normale funzionamento dei carichi non privilegiati. Questo è particolarmente evidente se la potenza dell’impianto non è almeno 4 o 5 volte quella dell’UPS installato. La Norma stabilisce i limiti di armonica introdotte in rete per correnti al di sotto di 16 A (3kW). Le soluzioni più diffuse per ridurne il valore sono le seguenti:
    • raddrizzatore di tipo dodecafase alimentato da trasformatore con doppie uscite in modo che la combinazione delle correnti al primario provochi la cancellazione delle armoniche più dannose;
    • raddrizzatore con PFC (Power Factor Control) che assorbe correnti dalla rete con basso contenuto in armoniche;
    • filtri risonanti installati all’ingresso dell’UPS che forniscono un circuito locale per le armoniche che, in questo modo, non vanno più ad interessare la rete.
  • Rumorosità - La rumorosità deve essere contenuta entro i valori stabiliti dalla Norma che sono:
    52 dBA per gli uffici;
    60 dBA per le sale di elaborazione dati;
    65/75 dBA per i locali elettrici.

    Dimensioni e manutenzione - L’UPS se ben progettato deve essere contenuto nelle dimensioni senza pregiudicare la facilità di manutenzione.
  • Grado di protezione - É il codice IP (grado di protezione degli involucri) che definisce la protezione contro l’ingresso dai corpi solidi (prima cifra) e contro i liquidi (seconda cifra ed eventuale lettera supplementare).
  • Parametri di affidabilità - MTBF, (Mean Time Between Failures) è il parametro che valuta la durata di buon funzionamento dell’UPS tra un guasto e il successivo. Dipende dalle condizioni climatiche, dall’altitudine, dall’affidabilità dei componenti impiegati e dalla loro frequenza d’uso, dalle soluzioni tecnologiche adottate e dalla presenza di eventuali sistemi in parallelo (ridondanza d’uso). MTTR, (Mean To Repair) fornisce una valutazione sulla facilità di riparazione e quindi del tempo di interruzione del servizio. É influenzato dalla progettazione costruttiva, dalla diagnostica di bordo che permette una più facile identificazione del guasto e dalla facile reperibilità dei pezzi di ricambio in loco.
  • Autonomia - Per definire l’autonomia si impiega spesso la definizione di “autonomia tipica” che si riferisce ad un UPS con carico allo 80%. L’autonomia delle batteria varia a seconda del tipo che normalmente può essere : tipo VRLA (Batterie Regolate a Valvola) meglio note come batterie ermetiche, con elettrolita immobilizzato, basse perdite di gas e quindi installabili in locali pubblici e uffici senza particolari precauzioni (CEI 21-6). Possono essere alloggiate all’interno dell’armadio dell’UPS o in quadri elettrici e hanno una durata che dipende dalla temperatura ambiente di utilizzo, dalle caratteristiche costruttive e dalle qualità delle stesse. Per installazioni di notevole potenza e lunga autonomia si possono invece utilizzare Batterie Stazionarie a Vaso Aperto (CEI 21-6). Questo particolare tipo di batterie richiede l’installazione in appositi locali e manutenzione periodica con rabbocco dell’elettrolita. Per ambienti particolarmente ostili (temperature da -30° a +60° C, forti sollecitazioni elettriche e meccaniche, ecc..) si possono utilizzare batterie al Nichel Cadmio che, per una vita di circa 15-20 anni, presentano un costo diverse volte superiore a batterie equivalenti del tipo VRLA.

Fig.10.2 - Legenda

Un Tensione nominale in uscita dell’UPS
PU Potenza attiva nominale dell’UPS
SU Potenza nominale apparente dell’UPS
In Corrente nominale in uscita dell’UPS
U Tensione nominale del carico
PC Potenza attiva nominale del carico
IB Corrente nominale del carico
IS Corrente massima del carico (compresi eventuali spunti)

 

Inconvenienti riscontrabili con l'uso degli UPS. Possibili alternative

Accanto ai molti vantaggi fin qui evidenziati, nell’uso degli UPS si possono anche presentare alcuni aspetti negativi.

Il fattore di potenza del raddrizzatore presenta valori variabili tra lo 0,7 e lo 0,9 per cui in alcuni casi potrebbe rendersi necessario rifasare. La corrente in ingresso ha un elevato contenuto di armoniche che devono essere filtrare per evitare l’inquinamento della rete.

L’impedenza in uscita dal convertitore statico, normalmente non è lineare e per assorbimenti di corrente fino al valore nominale è inferiore al 10% di quella del carico mentre, per assorbimenti uguali a 1,5 volte la corrente nominale può raggiungere anche il 50% di quella del carico.

Per questo motivo la corrente di corto circuito in genere non supera due volte la corrente nominale creando problemi per quanto riguarda l’alimentazione di carichi con forti correnti di spunto (motori, ecc.), o con elevato contenuto di armoniche del terzo ordine (utilizzatori con circuiti induttivi su ferro).

Il dimensionamento dell’inverter, componente dell’UPS, deve essere perciò effettuato tenendo conto delle massime correnti di spunto e delle correnti di picco indispensabili al funzionamento dei carichi distorcenti e non, come avviene normalmente per i carichi in b.t., in funzione della corrente di impiego.

Per ovviare a questo problema si impiegano UPS autoprotetti contro le sovracorrenti che dispongono di dispositivi in grado di aumentare automaticamente l’impedenza interna al diminuire dell’impedenza del carico (esistono anche UPS muniti di autoprotezione contro i contatti indiretti che riduce la tensione ad un valore inferiore ai 40V quando viene meno l’isolamento verso massa).

Questi automatismi, realizzati elettronicamente e quindi con risposta quasi immediata, se risolvono alcuni problemi impiantistici altri però ne creano: se un UPS è destinato ad alimentare carichi con forti correnti di spunto deve essere sovradimensionato in particolare se il carico è ordinariamente alimentato attraverso l’UPS.

UPS accoppiati a gruppi elettrogeni

Per ovviare agli inconvenienti presentati dagli UPS per quanto concerne la potenza del raddrizzatore e la capacità delle batterie, si può inserire nel circuito di by pass un motore a scoppio o diesel accoppiato ad un generatore sincrono. Mancando la tensione della rete, s’inseriscono automaticamente sia il gruppo statico sia il gruppo elettrogeno.

Successivamente, non appena il gruppo elettrogeno è in funzione ed è in grado di fornire l’alimentazione agli utilizzatori, il gruppo statico può essere escluso ovvero mantenuto in attività per garantire una migliore qualità dell’alimentazione.

La continuità in questo modo è garantita con grande riserva, soprattutto se il gruppo elettrogeno è in grado di alimentare il carico in meno di 15 s (del tipo “pronto a partire” con acqua ed olio mantenuti in temperatura).