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Elettrotecnica

 

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

La qualità dell’alimentazione elettrica può essere fonte di disturbi e perturbazioni per gli utilizzatori ed in particolare per i componenti elettronici che sono molto sensibili alle variazioni di tensione e frequenza e alla qualità della forma d’onda. Nelle installazioni informatiche ad esempio, si potrebbe avere la perdita parziale o totale dei dati a causa di un black-out o di una semplice micro-interruzione mentre nel settore medico si potrebbero creare situazioni molto pericolose se non fossero sempre pronte all’intervento le strumentazioni e le stesse sale operatorie.

Le anomalie dell’alimentazione elettrica possono quindi provocare l’arresto delle apparecchiature in ogni tipo di attività con conseguenze imprevedibili su tutta l’organizzazione del lavoro. La tensione alternata, in genere perfetta come forma d’onda alla partenza dalla centrale elettrica, all’utenza è generalmente alterata da fenomeni che si manifestano lungo il trasporto ma anche da come gli utilizzatori stessi fruiscono dell’energia ricevuta.

La rete può essere, infatti, perturbata lungo il tragitto da fenomeni atmosferici o da guasti accidentali di brevissima durata ma anche da certe apparecchiature come forni ad arco, saldatrici e motori elettrici di potenza elevata (anche una semplice lampada a scarica può determinare una distorsione). Per questi motivi si parla sempre più spesso di microinterruzioni e macrointerruzioni, di variazioni di tensione, di variazioni di frequenza e di presenza di correnti parassite che si sovrappongono alla corrente di base.

Nelle installazioni industriali e nel terziario non informatizzato ci si limita a proteggersi solo dalle macrointerruzioni, utilizzando batterie di accumulatori, gruppi elettrogeni o con la possibilità di commutare su linee diverse, mentre nelle installazioni elettroniche ed in particolare negli ambienti informatizzati questi inconvenienti sono inaccettabili e quindi bisogna porvi rimedio. Sostanzialmente si possono ottenere tre diversi livelli di protezione: gli stabilizzatori di rete, i soccorritori di rete e i gruppi di continuità statici o rotanti.

Le principali Norme che si occupano direttamente o indirettamente di UPS sono:

  • Norma CEI 64-8Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua
  • CEI EN 62040-1-1 (CEI 22-26) Prescrizioni generali e di sicurezza per UPS utilizzati in aree accessibili all’operatore
    CEI EN 62040-1-2 (CEI 22-27) Sistemi statici di continuità (UPS) Parte 1-2: “Prescrizioni generali e di sicurezza per UPS utilizzati in ambienti ad accesso limitato
  • CEI EN 50091-2 (CEI 22-9) Sistemi statici di continuità (UPS) - Prescrizioni di compatibilità elettromagnetica (EMC)
    CEI EN 62040-3 (CEI 22-24)Sistemi statici di continuità (UPS) -Prescrizioni di prestazione e metodi di prova
    CEI 11-20 Impianti di produzione di energia elettrica e gruppi di continuità collegati a reti di I e II categoria
    CEI 74-2 Apparecchiature per la tecnologia dell’informazione comprese le apparecchiature elettriche per ufficio. Sicurezza

Alimentazione di riserva e di sicurezza

I gruppi di continuità sono apparecchiature la cui funzione primaria è quella di fornire energia elettrica con un grado di stabilità ed affidabilità compatibile con le esigenze dell’utenza.

Vengono impiegati nelle alimentazioni di sicurezza (sistemi elettrici che garantiscono l’alimentazione di utilizzatori o di parti dell’impianto indispensabili per la sicurezza delle persone) e di riserva di quelle attività in cui viene richiesta, oltre all’alimentazione fornita dall’ente distributore, anche un'alimentazione integrativa (sistemi elettrici che garantiscono l’alimentazione di apparecchi utilizzatori o di parti dell’impianto per motivi diversi dalla sicurezza delle persone).

Fondamentalmente l’impiego di questi gruppi può essere richiesto da: prescrizioni di sicurezza (ospedali, teatri e luoghi accessibili al pubblico in generale); esigenze operative e di funzionamento dell’impianto (impianti industriali, impianti di telecomunicazioni ecc..).

L’alimentazione dei servizi di sicurezza può avvenire manualmente o automaticamente. Nel primo caso per la messa in servizio dell’alimentazione alternativa sarà necessario l’intervento di un operatore mentre nel secondo caso ogni operazione di commutazione dell’alimentazione avverrà in modo automatico nei modi che verranno di seguito descritti.

In relazione ai tempi in cui l’alimentazione automatica dei servizi di sicurezza si rende disponibile le norme CEI 64-8/3 così la classificano :

  • di continuità - quando l’alimentazione si rende disponibile entro 0,15s ;
  • ad interruzione breve - quando l’alimentazione si rende disponibile in un tempo compreso tra 0,15s e 0,5s ;
  • ad interruzione media - quando l’alimentazione si rende disponibile in un tempo compreso tra 0,5s e 15s ;
  • ad interruzione lunga - quando l’alimentazione si rende disponibile in un tempo superiore a 15s.

Nei casi in cui la continuità dell’alimentazione sia indispensabile oppure siano accettabili interruzioni brevissime, si ricorre normalmente ai gruppi statici, ai convertitori rotanti o ai generatori a volano. Se, invece, sono accettabili tempi di interruzione medio lunghi, si possono impiegare sia per l’alimentazione di sicurezza che di riserva i gruppi elettrogeni.

Elementi costitutivi di un UPS

Un UPS è sostanzialmente costituito dai seguenti componenti (fig.3.1):

  • Convertitore ca/cc - É un raddrizzatore che converte la tensione alternata monofase o trifase fornita dalla rete, in una tensione continua per l’alimentazione dell’inverter, della batteria di accumulatori per il servizio di emergenza e dell’eventuale convertitore cc/cc per l’alimentazione degli utilizzatori a corrente continua alla tensione richiesta.
    É costituito essenzialmente da un trasformatore d’ingresso per garantire l’isolamento galvanico fra entrata ed uscita, un ponte di Graetz a diodi controllati stabilizzato in tensione, un filtro in uscita costituito da un’induttanza e da una capacità e per finire un gruppo di schede elettroniche di controllo. Un dispositivo elettronico in particolare permette la ricarica, ad intervalli regolari (ad esempio ogni 30 gg), delle batterie.
    Questo accorgimento si rivela particolarmente importante per le batterie al Ni-Cd che tendono a perdere progressivamente la capacità di carica se vengono mantenute collegate in tampone per lunghi periodi.
  • Batteria - Costituisce la fonte di energia per l’alimentazione dell’inverter al mancare dell’alimentazione principale in modo che sia garantita la continuità di erogazione dell’energia agli utilizzatori. Le batterie maggiormente impiegate per questi scopi sono quelle al piombo e quelle al nichel-cadmio. Alle batterie utilizzate nei gruppi di continuità statica sono richieste intense erogazioni di corrente ma di breve durata (inferiore ad un’ora).
    L’attitudine a sopportare scariche rapide è da considerare quindi una caratteristica fondamentale nella scelta e nel dimensionamento delle stesse. Un criterio da seguire è quello di scegliere elementi dotati di resistenza interna la minore possibile essendo la prestazione di un accumulatore legata strettamente alla sua resistenza interna; quanto più è basso il valore della resistenza interna tanto più è elevato il valore della tensione di scarica, specialmente nei casi di scarica rapida.
  • Convertitore cc/cc - É costituito da un oscillatore che trasforma la corrente continua, ricevuta dal ponte raddrizzatore, in una corrente variabile e da un raddrizzatore che la riconverte in corrente continua con la tensione adatta per l’alimentazione dei carichi.
  • Inverter - Converte la tensione continua al suo ingresso, fornita dal raddrizzatore o dalle batterie, in una tensione alternata sinusoidale stabilizzata in ampiezza e frequenza.

    Commutatore statico - Provvede a trasferire l’alimentazione del carico senza soluzione di continuità dall’inverter alla rete di emergenza in un tempo inferiore ai 3ms quando l’inverter si guasta o quando le caratteristiche elettriche di uscita dall’inverter non corrispondono più a quelle accettate dal carico (normalmente quando si ha uno scostamento della tensione superiore al 10% o al limite di tolleranza opportunamente tarato o quando la frequenza supera i limiti di più o meno il 5%). Per la commutazione si impiegano comunemente SCR o nei gruppi di potenza elevata una combinazione di SCR e teleruttori.

Criteri di scelta di un UPS

I criteri da seguire nella scelta di un UPS sono molteplici; innanzitutto occorre considerare il tipo e la potenza del carico, il suo fattore di potenza, le caratteristiche di distorsione massima ammesse (si ricordi che i sistemi di elaborazione dati richiedono forme d’onda sinusoidali con distorsioni trascurabili, tempi massimi di funzionamento fuori dai parametri non superiori ai 10 ms e sovratensioni inferiori al 10%), l’autonomia minima richiesta e il tempo di ricarica. L’utenza può essere, infatti, costituita da servizi di sicurezza, che hanno lo scopo di garantire l’alimentazione di utilizzatori necessari alla sicurezza delle persone, oppure da servizi di riserva, che garantiscono l’alimentazione di carichi utilizzati per scopi diversi.

A tal proposito le Norme CEI 64-8 specifica, a seconda che si tratti di sicurezza o di riserva, che le alimentazioni devono avere adeguata potenza, affidabilità, caratteristiche nominali e un tempo entro cui essere disponibili adatto al funzionamento specificato. Sempre la stessa Norma poi fornisce alcune prescrizioni sull’alimentazione relative ai circuiti di sicurezza:

  • la sorgente deve mantenere l’alimentazione per una durata adeguata;
  • i componenti del sistema devono essere facilmente raggiungibili per le verifiche e le manutenzioni;
  • le sorgenti di alimentazione devono essere raggiungibili solo dal personale addestrato;
  • i luoghi dove sono ubicate le sorgenti di alimentazione devono essere adeguatamente ventilati, per impedire che eventuali fumi e gas prodotti si propaghino in luoghi occupati da persone;
  • le sorgenti destinate all’alimentazione dei servizi di sicurezza non devono essere destinati ad altri scopi (però quando sono presenti più sorgenti in parallelo queste possono essere utilizzate come alimentazioni di riserva, purché, in caso di guasto ad un UPS, la potenza disponibile residua sia sufficiente, ovviamente dopo il distacco di tutti gli utilizzatori che non svolgono un servizio di sicurezza, per assicurare il funzionamento di tutti i servizi di sicurezza);
  • per la protezione dai contatti diretti sono da preferire quelle soluzioni che non comportano l’interruzione automatica del circuito al primo guasto a terra.

Per quanto riguarda la potenza viene normalmente dimensionato con una potenza dal 10 al 20% maggiore rispetto a quella del carico stesso e tale da permettere un’autonomia superiore a quella di targa sfruttando in tal modo tempi di durata e margini di sicurezza superiori (normalmente il tempo di autonomia richiesto dalla maggior parte delle utenze è di circa 10/30 minuti). Per ottenere un’autonomia superiore alla norma spesso si aggiunge allo UPS un gruppo di continuità rotante o gruppo elettrogeno (illuminazione d’emergenza di locali pubblici o industriali, attività commerciali, ecc.).

In base al modo di alimentazione del carico i gruppi di continuità statici si distinguono in tre tipi:

  • VFI (Voltage and Frequency Independent) – Questo tipo di UPS, il più diffuso, è comunemente chiamato On Line (fig. 4.1) con l’uscita indipendente dalle variazioni della tensione di alimentazione della rete. L’alimentazione del carico, totalmente depurata da tutte le perturbazioni presenti in linea, viene effettuata direttamente tramite l’UPS. Possono essere considerati gli apparecchi più affidabili, più sicuri e che garantiscono la migliore protezione. Gli UPS di piccola potenza (da 1 a 5 kVA) sono in genere monofasi sia in ingresso che in uscita e sono normalmente privi di commutatore statico. Quelli di media potenza sono invece dotati di commutatore statico e di By-Pass manuale per manutenzione. Possono avere ingresso trifase ed uscita monofase e sia ingresso che uscita trifase.
  • VFD (Voltage and Frequency Dependent) - Questo tipo di UPS è comunemente chiamato Off Line (fig. 4.2) con l’uscita che dipendente dalle variazioni della tensione di alimentazione della rete. Il carico viene normalmente alimentato dalla rete e solo in caso di interruzione l’UPS commuta l’alimentazione. I tempi necessari ad effettuare la commutazione variano generalmente dai 5 ai 15 millisecondi anche se esistono in commercio apparecchi in grado di commutare in tempi inferiori quasi paragonabili al tipo On Line. Questo tipo di UPS è impiegato per lo più per alimentare singole stazioni di lavoro. Essendo una tecnologia piuttosto economica non sono molto affidabili e duraturi nel tempo.
  • VI (Voltage Independent) - Questo tipo di UPS è comunemente chiamato Line Interactive (fig. 4.3). Le variazioni della tensione di alimentazione sono stabilizzate da dispositivi di regolazione elettronici/passivi.

Gli UPS sono classificati in funzione delle prestazioni che sono in grado di fornire per avere una base comune di valutazione delle caratteristiche e facilitare quindi l’utente finale. I dati costruttivi richiesti sono basati su prove eseguite su carichi normalizzati di tipo industriale che simulano carichi tipici previsti e quindi le prestazioni effettive, in condizioni transitorie, possono essere soggette a variazioni. Per questi motivi le prestazioni effettive di una data apparecchiatura dovrebbero essere fornite dal costruttore/fornitore. La Norma CEI EN 62040-3 classifica gli UPS secondo la seguente codifica (tab.4.1)

I primi tre caratteri indicano la qualità dell’alimentazione del carico che per oltre il 90% del servizio si presume funzioni in condizioni di normale funzionamento. La scelta è condizionata dal tipo di carico e dai margini di variazione di tensione e frequenza ammissibili.

Codice di classificazione
 
V
 
F
 
I
 
S
 
S
   
1
 
2
 
3
 
Caratteristiche dell'uscita Forma d'onda in uscita Prestazione dinamica in uscita
Solo in modo di funzionamento normale
Primo carattere - modo normale o da bypass
Secondo carattere - modo da batteria
Primo carattere - prestazioni in condizioni di cambiamento del modo di funzionamento
Secondo carattere - prestazioni in condizioni di variazione del carico lineare, in modo di funzionamento normale/da batteria (caso più sfavorevole)
Terzo carattere - prestazioni in condizioni di variazione del carico
non lineare di riferimento, in modo di funzionamento normale/
da batteria (caso più sfavorevole)
Opzioni di classificazione Opzioni di classificazione Opzioni di classificazione
VFI - Quando l’uscita dell’UPS é indipendente dalle variazioni della tensione e dalla frequenza di alimentazione (rete). La tensione di alimentazione é supposta essere compresa nei limiti forniti dalla IEC 61000-2-2. Questo avviene in quanto la tensione di alimentazione non é controllata e, secondo la Nota al fondo della tabella, la IEC 61000-2-2 definisce solo i livelli normali di armoniche e di distorsione e non fornisce informazioni sulle variazioni di frequenza S - La forma d’onda generata é sinusoidale, con tasso di distorsione armonica totale D < 0,08 e armoniche nei limiti indicati nella IEC 61000-2-2 in tutte le condizioni di carico lineare/non lineare di riferimento. 1 - nessuna interruzione o tensione zero

2 - zero in uscita per una durata di 1 ms

VFD - Quando l’uscita dell’UPS dipende dalle variazioni della tensione di alimentazione (di rete) e della frequenza X - La forma d’onda generata é sinusoidale, in condizioni di carico lineare come per la classe “S”. Con carico non lineare di riferimento, il fattore di distorsione totale “D” supererà il valore 0,08 se applicato oltre i limiti indicati dal costruttore 3 - zero in uscita per una durata di 10 ms)

4 - fare riferimento al costruttore

VI Quando l’uscita dell’UPS dipende dalle variazioni della frequenza dell’alimentazione (rete), ma le variazioni della tensione sono condizionate da dispositivi attivi/passivi di regolazione della tensione nei limiti di funzionamento normale Y La forma d’onda generata é non-sinusoidale e supera i limiti indicati nella IEC 61000-2-2. Fare riferimento al costruttore per il tipo di forma d’onda)
 
Nota: La IEC 61000-2-2 definisce i livelli normali di armoniche e di distorsione previsti per la rete di alimentazione pubblica a bassa tensione sui morsetti dell’utilizzatore prima del collegamento di una data installazione.

I secondi due caratteri individuano le caratteristiche della forma d’onda in tutti i modi di funzionamento (funzionamento normale, compreso qualsiasi funzionamento temporaneo del bypass statico, e funzionamento da batteria). L’UPS sarà classificato con la lettera “X” quando su carichi non lineari crescenti si possono avere effetti di distorsione della forma d’onda mentre sarà classificato con la lettera “Y” quando l’UPS genera intenzionalmente una forma d’onda non sinusoidale in uscita, ad esempio quadra, semiquadra, etc.

Gli ultimi tre caratteri identificano le caratteristiche della tensione transitoria dell’UPS in diverse condizioni di funzionamento e definiscono le misure più sfavorevoli.

Dati nominali

Il costruttore deve fornire almeno i seguenti dati:

Circuito in ingresso

  • tensione nominale (o le tensioni nominali);
  • frequenza nominale (o gamma di frequenze);
  • corrente nominale;
  • numero delle fasi.

Circuito in uscita (i dati nominali in uscita si riferiscono al carico lineare massimo)

  • tensione nominale;
  • frequenza nominale;
  • corrente nominale;
  • numero delle fasi;
  • potenza attiva nominale in uscita (in W o in kW);
  • potenza apparente nominale in uscita (in VA o in kVA);
  • autonomia (in minuti o in ore);
  • valore efficace della corrente di guasto ai morsetti di uscita nelle condizioni più sfavorevoli tra i conduttori attivi (Ia) e verso terra IF (per consentire il corretto dimensionamento dei dispositivi di protezione);
  • corrente nominale condizionata di corto circuito se il circuito di ingresso comprende dispositivi di protezione contro le sovracorrenti incorporato nell’UPS oppure, per permettere il corretto dimensionamento dei dispositivi di protezione, la coppia di valori Icw (corrente nominale di breve durata) e Ipk (corrente nominale di picco);
  • il minimo fattore di potenza ammissibile ;
  • la massima distorsione in corrente e in tensione ammessa ;
  • il massimo tempo di funzionamento fuori parametri ammissibile (è possibile, intervenendo mediante circuiti di controllo che agiscono sull’inverter, ottenere diversi tipi di risposta sia ai guasti che ai sovraccarichi).

Dati di identificazione

  • nome del costruttore ;
  • numero del modello o riferimento di tipo.

Condizioni di funzionamento

Inserito nell’impianto un UPS con funzionamento “on-line” può presentare diverse modalità di funzionamento:
  1. Funzionamento normale (fig. 6.1) - Con la rete di alimentazione primaria presente il raddrizzatore provvede al mantenimento in carica delle batterie, all’alimentazione di eventuali carichi in corrente continua e a quella dell’inverter che a sua volta fornisce l’energia elettrica agli utilizzatori.

  1. Funzionamento in emergenza (fig. 6.2) - Nel caso in cui venga a mancare l’alimentazione primaria o le tolleranze ammissibili dagli utilizzatori siano state superate, il raddrizzatore smette di lavorare e l’energia è fornita all’inverter dalle batterie. Da questo momento le batterie iniziano a scaricarsi e l’utente viene avvisato della relativa autonomia disponibile. Per aumentare l’autonomia è bene alimentare con il gruppo di continuità solo le utenze effettivamente indispensabili (circuiti privilegiati). Il funzionamento in emergenza può avvenire per i seguenti motivi:
    • per mancanza di alimentazione sul primario del trasformatore di proprietà dell’ente distributore, ma con neutro ininterrotto sul secondario dello stesso;
    • per intervento delle protezioni poste a monte o per apertura manuale dell’interruttore generale con interruzione dei conduttori di fase ma non del neutro;
    • per intervento delle protezioni poste a monte o per apertura manuale dell’interruttore generale con interruzione dei conduttori di fase e del neutro (funzionamento in isola).
    • perché sono state superate le tolleranze ammissibili dagli utilizzatori (sovraccarico o cortocircuito). Il carico è alimentato per pochi secondi dall’energia fornita dalle batterie all’inverter fino a quando non intervengono le protezioni a monte e/o a valle dell’UPS oppure i fusibili di protezione interni.

  1. Alimentazione da rete di riserva (fig. 6.3) - Se a causa di un sovraccarico, sovratemperatura, guasto all’inverter o quando le tolleranze accettabili superano quelle ammissibili dal carico, l’alimentazione delle utenze è trasferita sulla linea di riserva dal commutatore statico senza soluzione di continuità in un tempo inferiore ai 3ms. Anche nella fase di accensione, a causa delle forti correnti di spunto (ad esempio nei centri di calcolo), per evitare un eccessivo sovradimenionamento dell’inverter il commutatore statico può commutare sulla linea di riserva. Pochi secondi dopo l’avviamento, con la corrente che è ritornata normale, il carico è nuovamente ricommutato sull’inverter. Per limitare tali correnti di spunto si potrebbero inserire i carichi gradualmente soprattutto i motori e i trasformatori che hanno elevate correnti di spunto.
  2. Alimentazione da by pass manuale per manutenzione (fig. 6.4) - Nel caso di interventi di manutenzione o di prove di funzionamento un interruttore manuale di by pass permette di isolare completamente il gruppo statico di continuità alimentando i carichi direttamente dalla rete primaria (ovviamente, in questi casi, i carichi ricevono energia non stabilizzata) senza creare interruzioni nel servizio.
  3. Funzionamento senza linea di alimentazione per estrazione della spina di collegamento dalla rete - In alcuni modelli l’alimentazione avviene tramite presa a spina e in caso di estrazione della spina si ha l’interruzione di tutti i conduttori attivi, fase e neutro, e conduttore di protezione. Per motivi di sicurezza che verranno descritti in seguito, è sconsigliabile l’utilizzo di questo tipo di UPS.