Guida normativa per conoscere e usare gli Ups

I sistemi di continuità assoluta, più comunemente noti con l’acronimo Ups (Uninterruptible Power Systems), sono principalmente costituiti da un sistema di accumulo di energia in varie forme - sulla base del quale è possibile fare una prima classificazione - e da un sistema di conversione di energia elettrica.

Negli Ups statici l’energia viene accumulata in forma elettrochimica in appositi accumulatori e riconvertita nella forma elettrica con l’impiego di convertitori elettronici statici.

Le principali norme di riferimento

All’interno del CEI si occupa dei sistemi statici di continuità il Sotto Comitato 22 UPS (SC22UPS), invece il settore batterie è di pertinenza del Comitato Tecnico CT 21/35 “Accumulatori e pile”.

Il principale riferimento normativo è costituito dalle Norme della serie CEI EN 62040.

La Norma CEI EN 62040-1 si applica a gruppi statici di tipo:

  • mobile;
  • stazionario;
  • fisso;
  • da incorporare;
  • destinati ai sistemi di distribuzione a bassa tensione;
  • installabili in qualsiasi ubicazione accessibile o meno all'operatore.

Specifica le prescrizioni di sicurezza sia per l'operatore sia per i non addetti che potrebbero venire in contatto con l'apparecchiatura e, quando espressamente indicato, per il personale di servizio.

La Norma CEI EN 62040-2 si applica alle singole unità di Ups o gruppi di più Ups interconnessi in un unico sistema di alimentazione, collegati alle reti a bassa tensione industriali o pubbliche, a esclusione degli UPS rotanti e degli alimentatori elettronici in corrente continua per illuminazione.

La Norma CEI EN 62040-3, intesa a definire un sistema statico di continuità completo, si applica ai sistemi di convertitori indiretti a corrente alternata (AC), provvisti di dispositivi per l’accumulo di energia (batteria). Si applica inoltre agli Ups mobili, stazionari e/o fissi che erogano una tensione in uscita monofase o trifase a frequenza fissa, provvisti di dispositivo di accumulazione di energia in corrente continua (DC), se non diversamente specificato, con tensione assegnata non superiore a 1000 V in corrente alternata. Sono compresi gli interruttori, gli interruttori di bypass, di separazione, di trasferimento del carico e di collegamento, che interagiscono con altre unità funzionali dell’Ups, per mantenere la continuità di alimentazione del carico. La norma non tratta i quadri di distribuzione convenzionali, gli interruttori in ingresso dei raddrizzatori, quelli a corrente continua e gli Ups basati su macchine rotanti.

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Gruppo statico di continuità

Oltre alla classe di Ups, le informazioni necessarie per specificare un gruppo statico di continuità sono:

  1. Parametri d’ingresso
  • Numero delle fasi: monofase o trifase.
  • Frequenza nominale: tipicamente 50-60 Hz o altro.
  • Tensione nominale: tipicamente 230-400 V o altro.
  • Stato del neutro.
  • Stato delle masse.
  1. Caratteristiche d’uscita
  • Numero delle fasi: monofase o trifase.
  • Frequenza nominale: tipicamente 50-60 Hz o altro.
  • Tensione nominale: tipicamente 230-400 V o altro.
  • Potenza Apparente (VA) oppure fattore di potenza (FP) e Potenza Attiva (W).
  • Fattore di Picco (Fpk).
  • Sovraccarico (%).
  • Stato del neutro.
  • Stato delle masse.
  • Margine di espandibilità (%).
  • Tipo di carico: apparecchiature elettromedicali, computer, stampanti, apparecchi di illuminazione, apparecchiature per telecomunicazioni.
  1. Caratteristiche delle Batterie
  • Autonomia (min).
  • Tipo di batteria: Pb ermetica, Pb a vaso aperto, NiCd, Ioni di Litio, altro.
  • Durata (anni).
  1. Condizioni ambientali
  • Temperatura di esercizio.
  • Umidità.
  • Altitudine
  • Eventuale inquinamento ambientale (ad esempio polveri).

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Le classi degli Ups

La Norma CEI EN 62040-3 distingue tre grandi famiglie di sistemi statici di continuità in funzione degli schemi adottati:

  1. VFD (Voltage and Frequency Dependent)
  2. VI (Voltage Independent)
  3. VFI (Voltage and Frequency Independent)

VFD Voltage and Frequency Dependent

Con la configurazione VFD (spesso definita passive standby), l’utenza è normalmente alimentata dalla rete la quale contemporanea alimenta anche il caricabatterie, che mantiene gli accumulatori al massimo livello di carica.

In caso di mancata alimentazione un commutatore allo stato solido o elettromeccanico provvede a trasferire il carico all’inverter che solo in quell’istante si attiva sostenuto dalle batterie. Tale modalità di funzionamento permane sino al ripristino delle condizioni ordinarie di rete o sino all’esaurimento dell’energia accumulata.

Figura 1 – Schema a blocchi di un Ups di tipo VFD

 

I pregi di questa soluzione consistono sostanzialmente nella semplicità dello schema, che porta come conseguenza al contenimento del costo dell’apparecchiatura.

Naturalmente, a fronte di un investimento economico contenuto, si rileva una forte limitazione delle prestazioni, ovvero:

  • mancanza di disaccoppiamento tra rete e utenze;
  • tempi di commutazione dell’ordine della decina di millisecondi, non sempre compatibili con le esigenze dei carichi;
  • assenza di un sistema di regolazione della frequenza di uscita.

Gli Ups di questo tipo sono tipici delle piccole potenze.

VI Voltage Independent

Gli Ups VI Voltage Indipendent (ovvero line interactive) sono caratterizzati dalla presenza di un convertitore reversibile AC/DC in grado di espletare sia la funzione di inverter sia la funzione di caricabatterie. Il carico in condizioni ordinarie è alimentato dalla rete attraverso un interruttore allo stato solido, che consente la messa in isola del sistema all’atto dell’attivazione dell’inverter per evitare ritorni di alimentazione verso la rete. La tensione fornita al carico risulta condizionata da un autotrasformatore AVR (Automatic Voltage Regulator). In altre parole, a differenza di un Ups passive standby, il VI funziona anche in presenza di rete, garantendo - grazie alla sua posizione in parallelo alla linea di alimentazione ordinaria un certo miglioramento della qualità della tensione - anche se limitatamente ad alcuni aspetti quali quelli relativi alla presenza di buchi di tensione o fluttuazioni di ampiezza.

In concomitanza con la mancanza dell’alimentazione da rete, viene comandata automaticamente l’apertura dell’interruttore allo stato solido e il carico viene sostenuto esclusivamente dal gruppo batterie/inverter, sino al ripristino delle condizioni ordinarie o all’esaurimento della carica degli accumulatori.

Figura 2 – Schema a blocchi di un Ups di tipo VI con autotrasformatore

Questo schema si rivela piuttosto semplice quindi il prodotto non occupa la fascia più elevata dei prezzi. Rispetto al caso precedente si riscontra un migliore condizionamento della forma d’onda offerta al carico grazie alla interazione dell’inverter con la rete, ma permangono alcuni inconvenienti:

  • mancanza di disaccoppiamento tra rete e utenze;
  • assenza di un sistema di regolazione della frequenza di uscita;
  • tempi di commutazione dell’ordine di alcuni millisecondi (4 ÷ 5 ms).

I rendimenti tipici di questa tipologia di Ups sono piuttosto elevati e si aggirano intorno al 96/98% grazie al fatto che la corrente diretta al carico non subisce, durante il funzionamento in presenza della rete, alcuna conversione.

VFI Voltage and Frequency Independent

Gli Ups Voltage and Frequency Independent (chiamati anche a doppia conversione), a differenza delle altre configurazioni, forniscono l’energia elettrica - al carico - completamente rigenerata dall’inverter, senza nessuna interazione con la rete di alimentazione e senza distinzione tra le due fonti a disposizione (rete o batterie). È possibile sfruttare completamente le caratteristiche di versatilità del convertitore statico, che risulta essere in grado di manipolare sotto qualsiasi punto di vista la tensione fornita al carico. Il sistema di controllo dell’inverter, infatti, consente di creare, a partire dalla tensione continua fornita dal raddrizzatore o dalla batteria, una forma d’onda totalmente svincolata da quella imposta dal distributore di energia, pertanto dotata di una frequenza (quella nominale del carico), di una ampiezza e totalmente priva di impurità, come si noterà in figura 3.

Figura 3 – Schema a blocchi di un Ups di tipo a doppia conversione

 

I vantaggi offerti da questo tipo di Ups sono:

  • viene garantito l’isolamento delle utenze dalla rete a monte, quindi è possibile intervenire anche sulla frequenza;
  • la tolleranza sulla tensione in ingresso è molto ampia;
  • la commutazione da rete a batteria è istantanea e senza interruzioni;
  • il passaggio in modalità bypass avviene senza interruzioni.

L’efficienza, tipicamente del 90/96%, risulta essere inferiore rispetto a quella di un Ups line interactive o passive standby, dal momento che la corrente fornita dalla rete viene convertita due volte per mezzo di un raddrizzatore e un inverter, ciascuno dei quali dotato di semiconduttori (diodi, SCR, IGBT, GTO) caratterizzati da perdite in conduzione e commutazione. Tuttavia i benefici di una qualità dell’energia di massimo livello ottenibili grazie alla doppia conversione compensano un aspetto energetico comunque degno di nota.

Sono disponibili sul mercato Ups in grado di funzionare sia in modalità line interactive sia a doppia conversione, a seconda delle esigenze del cliente. Il vantaggio di tale flessibilità permette di scegliere in qualunque momento il miglior compromesso tra qualità dell’energia e rendimento del sistema.

Il costo di sistemi a doppia conversione risulta essere proporzionato alle prestazioni offerte, ciononostante, dovendo installare un Ups, oggigiorno è poco indicato optare per soluzioni di livello inferiore.

Caratteristiche di Ups appartenenti alle tre classi previste dalla norma CEI EN 62040-3 a confronto

Classificazione VFD VI VFI
Tempo di commutazione circa10 ms circa 4 ms 0 ms
Condizionamento della tensione in funzionamento ordinario Nessuno Parziale a mezzo autotrasformatore Totale a mezzo rigenerazione forma onda
Condizionamento della frequenza Non possibile Non possibile Possibile
Rendimento indicativo - 96 ÷ 98% 90 ÷ 98%
Fascia di prezzo Bassa Media Alta

 

Potenza nominale

Scegliere la potenza di un gruppo statico di continuità è un’operazione che coinvolge elementi di varia natura sia funzionali sia normativi.

Gli elementi principali che devono essere considerati possono essere riassunti in:

  • due tra i parametri seguenti dei carichi da alimentare Potenza Attiva (PRL), Potenza Apparente (SRL) o Fattore di Potenza (P.F.);
  • tipo di alimentazione del carico (Tensione, Frequenza, numero delle fasi);
  • coefficiente di contemporaneità dei carichi;
  • autonomia richiesta;
  • tipo di alimentazione della rete (Tensione, Frequenza, numero delle fasi).

Se si tratta poi di un carico particolare che richiede, ad esempio, una corrente di inserzione importante, è necessario tenerne in debito conto.

Valori tipici possono andare dal 150% della corrente nominale per un minuto fino al 200% per 100 ms in assenza rete o per sistemi di continuità non dotati di bypass.

In caso di sovraccarichi in presenza di rete il funzionamento passerà in modalità bypass con portata di corrente superiore. Altre combinazioni sono disponibili consultando il costruttore.

Nel caso di utenze distorcenti normalmente il sistema non viene declassato per carichi non lineari normalizzati secondo la Norma EN 62040-3 con fattore di cresta inferiore a tre (3:1).

Autonomia

Fattori economici e tecnici influenzano la scelta degli Ups destinati all’alimentazione di riserva, mentre norme e leggi definiscono la scelta dei sistemi statici utilizzati in un impianto di sicurezza.

Vita e capacità di una batteria

La capacità è espressa in amperora (Ah) ed è il risultato prodotto dalla corrente di scarica per il tempo che la batteria impiega ad arrivare al livello di fine scarica (tensione minima prima di compromettere la chimica dell’accumulatore). È chiaro quindi che due batterie, entrambe da 140 Ah, possono avere prestazioni dinamiche molto differenti: 7 A per 20 ore o 14 A per 10 ore. Di contro la stessa batteria da 7 A per 10 h (70 Ah) avrà una capacità di 14 A per 4 ore (56 Ah). Inoltre per la natura chimica delle batterie il comportamento alla scarica non può essere estrapolato linearmente.

I produttori forniscono dunque la capacità unitamente alla durata di scarica di riferimento.

I concetti di vita e capacità sono strettamente legati in quanto si può qualitativamente dire che la vita di una batteria è il tempo utile durante il quale essa mantiene - entro tolleranze accettabili - la propria capacità di accumulo e le prestazioni dinamiche di scarica e carica.

La vita delle batterie dipende essenzialmente dai seguenti parametri:

  • temperatura del luogo di installazione;
  • cicli di utilizzo (numero, profondità di scarica, metodologie di ricarica).

Le prestazioni delle batterie al piombo ermetico (Vent Regulated Lead Acid – VRLA), il tipo più diffuso, vengono misurate secondo le Norme BS 6290-4 e CEI EN 60896-21 e 22.

Le tipologie di batterie sono classificate, oltre che per capacità, secondo vita teorica attesa tipicamente:

  • 3-5 anni;
  • 6-9 anni;
  • 10-12 anni;
  • maggiore di 12 anni.

È tuttavia opportuno tenere in considerazione che tale vita è riferita a condizioni di laboratorio, ed è perciò la massima raggiungibile teoricamente a una temperatura di riferimento di 25 °C.

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