Alimentare le utenze privilegiate: come dimensionare un UPS?

La Redazione

Nella vita quotidiana è sempre più richiesta la protezione dei nostri sistemi (elaboratori, apparati medicali, control system, etc) contro i blackout. Uno dei maggiori problemi che si riscontra nella fase di progettazione di un impianto elettrico a servizio di utenze privilegiate è il dimensionamento del gruppo statico di continuità (UPS). Intervengono in questo caso alcuni fattori legati al carico che si desidera proteggere ma anche fattori legati al tipo di impianto che si va a realizzare.

Un po' di storia

Per un certo tempo sono stati utilizzati degli UPS a Ferro risonanza i quali, sfruttando l’effetto volano, garantivano l’assenza di interruzioni in uscita. Tali sistemi mostravano però dei limiti:  tensione di uscita dipendente dall’invecchiamento dei componenti; notevoli perdite in calore; elevata rumorosità; batterie di grossa capacità; peso notevole. La tecnologia è ancora utilizzata in alcuni casi specifici o paesi dove la fornitura elettrica è di qualità molto bassa e con grandi transienti e disturbi.

Evoluzione tecnologica

Sono quindi nate nuove tecnologie che sfruttano Sintesi di frequenza e Pulse Width Modulation (PWM, modulazione di larghezza di impulso).

Le tensioni concatenate in uscita all’inverter sono costituite da una successione di impulsi (positivi e negativi) di ampiezza uguale alla tensione continua di ingresso all’inverter e di larghezza variabile. Modulando opportunamente la durata di ciascun impulso, si regola l'ampiezza della fondamentale di tensione e si spostano nel contempo le armoniche verso frequenze molto più alte, ottenendo così una corrente pressoché sinusoidale.

I segnali di commutazione sono generati confrontando un’onda triangolare, alla frequenza di commutazione con una tensione di controllo. Variando il valore della tensione di controllo si possono variare gli istanti di accensione (toff) e spegnimento (toff) degli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Vantaggi

Le nuove tecnologie presentano particolari vantaggi, essendo equipaggiate connuclei in ferrite(che offrono peso e dimensioni ridotte, combinati ad una maggiore efficienza operativa) ed unacomponentistica moderna(IGBT), che garantisce minori perdite di potenza, pilotaggio in tensione, velocità di commutazione maggiori e ulteriore semplicità dei circuiti di pilotaggio.

Un altro vantaggio è lacircuiteria più integrata(con utilizzo del microprocessore). Essendo infatti l’affidabilità inversamente proporzionale al numero di componenti impiegati, il microprocessore ne sostituisce molti, semplificando notevolmente la circuiteria e riducendo sensibilmente i consumi.

L’utilizzo di IGBT permette di interfacciare il microprocessore direttamente ai circuiti di potenza migliorando la velocità e la precisione di commutazione e riducendo le perdite.

Elementi fondamentali

Gli elementi fondamentali di un UPS sono: convertitore CA-CC (Raddrizzatore); batterie; convertitore CC-CA (inverter); commutatore statico (By-pass statico); manual by-pass.

Ilconvertitore CA-CCè costituito da un raddrizzatore (a ponte di Graetz o a SCR) il cui compito è quello di raddrizzare la tensione di uscita, rendendo una forma d’onda sinusoidale in una pulsante, livellata successivamente da un filtro LC (passa Basso) con elevata capacità.

Il compito del filtro in uscita L-C è anche quello di ridurre il ripple di tensione (residuo di tensione alternata sul Bus della continua) a un valore inferiore al 2% RMS in carica di mantenimento.

Labatteria provvede ad alimentare il convertitore c.c./c.a. in mancanza della normale rete di alimentazione. Le batterie sono generalmente batterie regolate a valvola (VRLA) comunemente conosciute come batterie ermetiche. Contengono elettrolito immobilizzato e bassissime perdite di gas a norma CEI EN 6096-1 e 2, quindi installabili anche in locali pubblici e uffici senza precauzioni particolari.

Il convertitore c.c./c.a. o inverterè controllato da un microprocessore, che genera una tensione alternata con forma d’onda sinusoidale perfettamente filtrata in tensione e frequenza per l’alimentazione dei carichi privilegiati. Nelle versioni moderne di UPS, l’inverter è equipaggiato con IGBT e la forma d’onda sinusoidale viene realizzata sfruttando la tecnica del PWM (Power width Modulation).

Il commutatore statico(generalmente a SCR), in caso di sovraccarichi o guasti all’UPS, trasferisce il carico sulla rete di riserva. Ilbypass manualeconsente l’isolamento completo del gruppo per le operazioni di manutenzione.

Occhio al sottodimensionamento

Spesso gli UPS vengono sottodimensionati perché non viene correttamente valutata la potenza attiva, ma solo i volt ampere (o potenza apparente). La differenza tra i due valori dipende dalle apparecchiature collegate che sfasano tensione e corrente e da quanto “sporcano” la tensione di rete con armoniche. Nel migliore dei casi, quando si parla di attrezzature informatiche con alimentatori switching (praticamente tutte le attrezzature elettroniche oggi montano questo tipo di alimentatori), occorre considerare almeno un 20% di potenza in più dovuta alle perdite di potenza. Con apparati economici, che spesso non integrano filtri e sono costruiti al risparmio, la distorsione armonica può raggiungere e superare il 40%. E’ quindi fondamentale dimensionare correttamente l’UPS.

Dimensionare correttamente l'UPS

Per un corretto dimensionamento dell’UPS, oltre ai consueti dati di fornitura dell’energia (numero delle fasi; frequenza nominale; tensione nominale; stato del neutro; stato delle masse) occorre conoscere alcuni dati del carico, ossia: 1) il Fattore di Potenza del carico o meglio ancora la potenza Attiva da esso assorbita; 2) il Fattore di cresta e 3) la tipologia del carico “lineare o distorcente” (problema delle armoniche).

Ricordando che, nei circuiti elettronici di potenza, le forme d’onda della corrente continua o di quella alternata sono ottenute mediante la sintesi di segmenti dell’onda di ingresso, la corrente di linea assorbita da un apparato elettronico di potenza è fortemente distorta.

Dall’analisi di Fourier è possibile scomporre questa forma distorta in una fondamentale (onda sinusoidale con frequenza/pulsazione pari alla onda di ingresso) e una serie di armoniche.

L’entità della distorsione è quantificata con un indice denominato distorsione armonica totale THD Il THD è misurabile con un oscilloscopio. Esistono appositi strumenti chiamati analizzatori di potenza o analizzatori di rete elettrica che forniscono direttamente il Fattore di Potenza, che consente di dimensionare correttamente l'UPS.

Anche il fattore di Potenza è influenzato dalla distorsione armonica. Conoscendo questo dato il rendimento dell'apparato saremo in grado di calcolare la potenza nominale dell'UPS.