Gruppo di continuità

Un gruppo di continuità (anche noto come gruppo statico di continuità, mentre dalla dicitura in lingua Inglese Uninterruptible Power Supply[1] viene importato l'acronimo UPS) è un'apparecchiatura elettrica basata sull'accumulo di potenza elettrica in forma di corrente continua tramite batterie, utilizzata per impedire repentine mancanze dell'elettricità fornita in forma di corrente alternata dalla rete elettrica (mancanze ad esempio causate da blackout), o sue variazioni di voltaggio eccessive per certe apparecchiature, finanche - con certi prodotti di fascia alta - per fornire costantemente una frequenza di oscillazione priva di variazioni e perfettamente sinusoidale.

Si rivela necessario laddove vi siano apparecchiature elettriche che non possono rimanere improvvisamente senza corrente (poiché necessitano di precise procedure di spegnimento al fine di evitare danni o perdite di dati - specialmente se dati sensibili[2]), o che possono risentire negativamente di anomalie nella tensione e/o nella frequenza della fornitura, e/o che debbano continuare a funzionare per un tempo prolungato prefissato - o ad oltranza - anche in assenza della normale fornitura elettrica (eventualmente grazie all'attivazione in un secondo tempo di forniture elettriche alternative locali, come un generatore elettrico/gruppo elettrogeno, o un inverter collegato ad un ampio parco di batterie caricate in precedenza).

DescrizioneModifica

 
UPS per impieghi domestici
 
UPS per impieghi domestici (vista posteriore)
Si noti la potenza di uscita:
300 W, 500 VA

Esistono gruppi di continuità di varie potenze, a partire dai piccoli apparecchi per uso casalingo (300 Watt), tipicamente utilizzati per alimentare un personal computer non particolarmente energivoro, fino ad apparecchiature industriali da varie centinaia di kiloVoltAmpere. Sono in produzione regolare anche UPS alimentati a media tensione, in container autonomi contenenti anche le batterie, per potenze di alcune decine di megawatt, in grado di sostenere fabbriche intere fino all'avviamento di un gruppo elettrogeno alimentato a diesel.

La corrente erogata dal gruppo di continuità durante i blackout può presentare notevoli differenze (positive o negative) rispetto a quella normalmente presente, a seconda delle caratteristiche dell'UPS, variazioni che devono essere preventivamente considerate per valutare la compatibilità con le apparecchiature da collegare.
I modelli di UPS meno avanzati, in caso di blackout erogano infatti una corrente alternata priva della normale forma d'onda sinusoidale, che nel caso peggiore può essere un'onda quadra, oppure - soluzione intermedia - una forma d'onda modificata che assomiglia di più alla normale forma sinusoidale; anche la frequenza di tale forma d'onda potrebbe non essere la stessa della normale fornitura (50 Hz in caso della rete elettrica italiana), bensì variare intorno al valore nominale di più o meno determinati Hertz (esempio: +/- 1 Hz) e/o essere di altro standard (esempio: 60 Hz).

La corrente normalmente erogata dall'UPS in assenza di blackout, può essere anch'essa diversa rispetto a quella fornita dalla rete elettrica (quella con cui l'UPS è normalmente alimentato), ma in questo caso - generalmente - solo in meglio; esistono infatti alcune tipologie di UPS che quando la tensione in ingresso varia rispetto alla tensione nominale, effettuano una leggera stabilizzazione del voltaggio anche senza passare al funzionamento tramite batterie (UPS di tipologia "Line-Interactive", dotati di AVR), mentre gli UPS migliori forniscono sempre voltaggio e frequenza a livelli ottimali, sia in caso di blackout che normalmente, erogando corrente di qualità anche superiore rispetto alla fornitura elettrica della rete (UPS di tipologia "on-line", a doppia conversione).

Altra variabile è la tensione tra i vari poli attraverso cui viene erogata la corrente alternata generata dall'UPS; nel caso di un'uscita 2P+T (due poli più terra, normalmente siglati L,N,PE), il neutro - che può avere differenti schemi di collegamento con la messa a terra - spesso non ha potenziale nullo come in una normale distribuzione elettrica monofase (dove la tensione tra neutro e terra dovrebbe essere pari o prossima a zero volt), bensì potrebbe apparire come una "ulteriore fase", a voltaggio generalmente dimezzato rispetto a quello nominale di uscita (e in tal caso avrà voltaggio dimezzato anche l'altro polo, costituendo i due insieme la tensione nominale; es.: 115v + 115v = 230v);[3] tale assenza di un vero neutro e di un unico polo in tensione può impedire il funzionamento di alcune apparecchiature.

Poiché diverse apparecchiature elettriche necessitano di essere alimentate sempre con una corrente alternata avente forma sinusoidale pura "Pure Sine Wave"-PSW (tra cui le più sensibili come gli attuali diffusi alimentatori dotati di sistema PFC[4] di tipo attivo APFC,[5][6][7] e quelle il cui assorbimento è esclusivamente o consistentemente dovuto ad un motore elettrico[8]), ed inoltre alcuni apparecchi regolano il loro funzionamento sincronizzandosi con una specifica frequenza della rete elettrica, risulta chiaramente indispensabile accertare preventivamente la tipologia di corrente alternata che viene erogata dall'UPS, sia in presenza della tensione di rete (ad esempio se il campo d'azione dell'eventuale AVR riconduce il voltaggio a range idonei alle nostre necessità, o serva stabilizzazione della tensione più precisa), sia e soprattutto quando questa manca e la corrente viene totalmente generata dall'UPS, per verificare se l'UPS in questione sia perfettamente idoneo ad alimentare le nostre apparecchiature (con e in assenza della fornitura di rete), senza danneggiarle e/o danneggiarsi.

Tempo di trasferimentoModifica

Quando la rete elettrica da cui è alimentato l'UPS è soggetta a un blackout, o la tensione in arrivo non è conforme ne conformabile tramite AVR, l'UPS - in determinati millisecondi dichiarati dal costruttore - preleva corrente continua da una o più batterie, con cui genera ed eroga autonomamente corrente alternata agli apparecchi a lui collegati.

Tale tempo in millisecondi, in cui l'UPS determina la necessità di autoprodurre corrente alternata ed inizia effettivamente ad erogarla, è chiamato "tempo di trasferimento" (in Inglese transfer time).

Il tempo di trasferimento può essere 0 ms per UPS di tipologia "on-line", e generalmente inferiore ai 15 ms per le altre tipologie; il meglio è che tale valore sia 0 ms, o almeno molto sotto i 10 ms.

Gli alimentatori dei computer e prodotti affini possono continuare a funzionare senza problemi anche con un tempo di trasferimento tra i 5 e 10 ms (teoricamente fino a massimo 20 ms[9][10]), ma per altre apparecchiature - come strumenti di laboratorio altamente sensibili - un tempo di trasferimento inferiore ai 2 ms può essere indispensabile.[11][12][13][14]

Forma d'onda generataModifica

La forma d'onda presente alla presa elettrica d'uscita di un UPS può essere quella presente in ingresso (normalmente quella della fornitura elettrica della rete nazionale, quindi in Italia una sinusoide pura con la frequenza nominale di 50Hz, e THDv <8%) passata all'uscita tale e quale, oppure venire generata dall'inverter dell'UPS (ad esempio quando in modalità batteria), dando luogo a diverse opzioni a seconda del tipo di UPS; in termini di forma d'onda, in ordine qualitativo decrescente si può avere:[15][16][17][18][19]

  • Onda sinusoidale pura (Pure Sine Wave)
  • Onda sinusoidale pura con THDv <8% per carichi lineari e non lineari
  • Onda sinusoidale pura con THDv <8% solo per carichi lineari
  • Onda sinusoidale pura con THDv >8%
  • Onda quadra modificata (Modified Square Wave, Simulated Sine Wave, simulata, pseudo-sinusoidale, Step Wave, etc.) con THDv >8%
  • Onda quadra (Square Wave) con THDv >8%

La THDv della forma d'onda può aumentare a seconda del tipo di carico applicato in uscita all'UPS (lineare o non lineare), nonché del livello del carico (maggiore è il carico, maggiore può diventare la THDv).

In termini di frequenza, la forma d'onda generata può essere fissa alla frequenza nominale di 50Hz o 60Hz a seconda dei modelli di UPS, oppure poter essere selezionata con apposita configurazione.

Molte apparecchiature elettriche per funzionare correttamente necessitano dell'onda sinusoidale pura con THDv <8% (o di THDv anche più bassa), ed alcune anche una specifica frequenza, pena spegnimento/mancata accensione, surriscaldamenti, vibrazioni/ronzii anomali,[20] malfunzionamenti, guasti riparabili/irriparabili a se stesse e/o all'UPS (problemi non necessariamente sviluppati al primo istante di utilizzo, ma anche dopo un tot di tempo/volte variabile).

Tensione in uscitaModifica

La tensione della corrente alternata presente alla presa elettrica d'uscita di un UPS può essere la stessa presente all'ingresso - normalmente quella della fornitura elettrica della rete nazionale, 230V nominali in caso della rete elettrica italiana - passata all'uscita tale e quale, oppure venire leggermente attenuata nei picchi e potenziata nei cali tramite AVR, oppure (come quando in modalità batteria), essere generata dall'inverter dell'UPS.

Generalmente, la qualità della tensione generata dall'inverter dell'UPS è migliore di quella della fornitura elettrica principale, ed anche di quella prodotta dall'eventuale AVR, risultando fluttuare meno in alto o in basso rispetto al valore nominale.

Isolamento galvanicoModifica

A seconda di come vengono realizzate le trasformazioni di tensione in ingresso (prima del raddrizzatore, da bassa tensione - esempio "230 Volt AC" - a bassissima tensione - esempio: "12v AC") e in uscita (dopo l'inverter, da bassissima tensione a bassa tensione), se con autotrasformatore (unico avvolgimento), transistor bipolari (IGBT), o trasformatore (avvolgimenti separati), possiamo avere a valle dell'UPS un sistema isolato galvanicamente dalla rete in ingresso, oppure no; tale stato può anche variare - in base all'architettura dell'UPS - a seconda che la corrente in uscita arrivi dalla rete in ingresso, sia generata dall'UPS, o arrivi dalla rete tramite bypass automatico/manuale, creando sulla rete a valle dell'UPS diversi stati di neutro (o tipi di "regime del neutro"[21]).

Di tali variabili sullo stato del neutro a valle dell'UPS bisogna tener conto in relazione alle normative di sicurezza, le quali possono considerare che la generazione autonoma di tensione da parte dell'UPS - che crea spesso un "sistema IT",[22] "neutro isolato"[23] - avvenga unicamente per brevi periodi di tempo, e che solo in tale estemporaneo frangente possa essere accettabile l'assenza di specifici ulteriori dispositivi di sicurezza, altrimenti obbligatori; è infatti intrinseco al funzionamento degli UPS che quando la corrente in uscita è quella generata tramite le batterie, i normali dispositivi di protezione posti a monte dell'UPS - quali interruttore differenziale e interruttore magnetotermico - siano totalmente indifferenti e inattivi di fronte a eventuali guasti accadenti a valle dell'UPS[da controllare]).

In relazione alla presenza o meno di trasformatore (con avvolgimenti separati) in uscita, gli UPS - nella lingua inglese - vengono distinti tra "Transformer-Based" e "Transformerless"[24][25] ("basati su trasformatore" oppure "senza trasformatore").

PotenzaModifica

I gruppi di continuità possono sostenere solo carichi predeterminati, in modo da non costituire sovraccarico allo specifico UPS cui sono collegati. La potenza massima che gli UPS possono sostenere viene generalmente indicata in vari modi, i cui significati possono risultare pericolosamente fraintendibili:

  • watt (W); indica la "potenza attiva" (o potenza reale), forma maggiormente attendibile per comprendere la capacità dell'UPS
  • voltampere (VA); indica la "potenza apparente". A causa della somiglianza di sonorità tra "VA" e "watt" può portare al fraintendimento del valore di potenza che indica (1000 VA possono anche corrispondere a solo 500 watt)
  • volt-ampere Informatici (VAi)[26] e similari; forme proprietarie usate per indicare una specifica potenza massima dell'UPS solo relativamente a determinati carichi, che risulta sempre maggiore dell'effettiva potenza attiva e apparente.

Il valore più corretto per valutare la reale capacità del gruppo è il primo (W - watt).

Il secondo valore (VA) può essere utile a descrivere la capacità del gruppo, ma da solo - senza essere affiancato al valore in watt della potenza attiva o almeno dal fattore di potenza (con cui si calcola facilmente la potenza attiva) - può rendere difficoltoso comprendere quanto carico si può applicare.

Il terzo valore (VAi) ed ogni altro termine specifico si prestano fortemente a fraintendimenti. Ad esempio il VAi è tipicamente il doppio del VA che è a sua volta tipicamente il doppio della potenza effettiva in watt. Dato che la capacità di un gruppo di continuità in termini di VA e VAi può essere calcolata in diverse maniere, possiamo avere due gruppi con potenza dichiarata di 1500 VAi ma potenza reale molto differente; in linea generale, un gruppo da 400 watt dichiarati è più potente di uno da 1500 VAi.[senza fonte]

Avere esatta nozione dei valori massimi di VA e W erogabili dall'UPS, permette quindi di applicarvi dei carichi supportabili, controllando che essi richiedano sempre valori inferiori per entrambi i parametri[27] (considerando poi inoltre che determinati carichi hanno degli assorbimenti di picco - ad esempio a causa dello spunto di accensione - che possono essere 2-3 volte maggiori del valore di assorbimento nominale, e tali picchi potrebbero non essere sostenibili dall'UPS in assenza di specifiche indicazioni della potenza massima di picco erogabile, e relativi tempi).

Approfondendo, nelle specifiche degli UPS i costruttori forniscono il valore del fattore di potenza cosφ di uscita dell'UPS, che abbinato a altri dati è in grado di fornirci la reale potenza del Gruppo. Esempio: 500 VA di potenza apparente a cosφ = 0,6 (il più classico fino ad un recente passato), realmente ci possono fornire 300 W di potenza attiva, che poi a seconda di quanto il carico è sfasato rispetto alla sinusoide di uscita può ulteriormente declassarsi, quindi avremo realmente anche una corrente disponibile minore. Si ricorda che il cosφ che viene dichiarato è considerato induttivo, e normalmente la potenza erogata resta uguale fino ad un cosφ induttivo del carico di 0,5; altro discorso è un carico con cosφ capacitivo che può declassare la potenza reale di un UPS anche del 50%. La potenza supportabile dall'UPS varia a seconda del carico che andremmo a mettere.

La potenza effettiva dipende dal carico, resistivo o induttivo.[28][29][30]

Infatti per calcolare la potenza in uno stadio alternata si usa la seguente formula

 

Dove la   indica la tensione del generatore (in Volt),   in corrente (in Ampere) , cosφ è lo sfasamento (i costruttori di gruppi di continuità non possono sapere quale carico andremo ad alimentare) e la   indica la potenza (in Watt). Lo stesso valore (VA) viene dato anche per indicare la potenza dei gruppi elettrogeni, trasformatori, ecc.

Dalla metà del 2012 sono entrati in commercio UPS a cosφ = 1, ovvero un UPS da 1000 VA è in grado di erogare 1000 W; per tali nuove tipologie di UPS (e similari aventi elevati fattori di potenza, di poco inferiori ad 1), bisogna prestare particolare attenzione agli assorbimenti in VoltAmpere (potenza apparente) dei carichi che si vanno ad applicare, poiché a fronte di un determinato assorbimento in Watt (potenza attiva), quello in VoltAmpere non sarà mai minore, ma solo pari (nelle apparecchiature più efficienti) o superiore.[31]

La maggior parte degli UPS, nei manuali d'uso e di sicurezza indica quasi sempre di applicare all'uscita dell'UPS un carico mai effettivamente pari alla potenza nominale dell'UPS, bensì inferiore (generalmente al di sotto dell'80%).

Autonomia (tempo di backup)Modifica

Il tempo massimo per cui un UPS può mantenere attivi i carichi collegati in caso di blackout (o in presenza di fornitura elettrica di rete gravemente alterata, inutilizzabile) sono determinati da 4 fattori:

  • capacità totale delle batterie (un UPS con batteria da 7 Ah avrà meno autonomia di uno con più batterie o di capacità maggiore)
  • stato di carica delle batterie (i tempi di ricarica completa si aggirano sulle 6-12 ore; in caso di utilizzo, un successivo blackout a breve distanza di tempo potrebbe trovare le batterie non al 100%)
  • ciclo di vita delle batterie/livello di deterioramento (le batterie hanno un'aspettativa di utilizzabilità limitata, 3-5 anni dalla produzione, e progressivamente non sono più in grado di immagazzinare la capacità di targa, come invece appena prodotte e con pochi cicli di carica/scarica[32])
  • livello di carico collegato (un UPS con batteria da 7Ah potrà tenere il carico massimo per un tempo "X", mentre teoricamente un carico del 50% rispetto a quello massimo potrebbe essere sostenuto per un tempo pari a 2 volte "X")

Nelle specifiche degli UPS viene genericamente indicato il tempo di backup con batteria carica, ma non necessariamente riferito al carico massimo (spesso viene indicato un tempo relativo alla metà del carico massimo o meno ancora, anche in relazione al fatto che di solito viene consigliato di collegare all'UPS un carico mai effettivamente pari al carico massimo ammissibile, bensì consistentemente meno).

Spesso negli UPS entry-level/SoHo il tempo di backup a pieno carico è di pochi minuti, giusto utile a salvaguardare il funzionamento delle apparecchiature collegate in caso di blackout istantanei (qualche secondo o decina di secondi), o di avere il tempo di spegnerle correttamente (eventualmente anche in automatico) in caso di blackout più lunghi.[33]
Per avere la possibilità di far continuare a funzionare i carichi collegati all'UPS anche in caso di blackout prolungato (da almeno qualche decina di minuti fino a quasi 1 ora), una soluzione può essere quella di sovradimensionare enormemente l'UPS rispetto al carico (esempio: UPS da 800 W per carico di 50 W), oppure ricorrere ad UPS dotati di ampio parco batterie di elevata capacità (spesso esterne).

In ogni caso, prima di affidare per un tempo prolungato l'alimentazione delle proprie apparecchiature alla corrente alternata generata da un UPS, assicurarsi della sua qualità in relazione ai carichi applicati, specialmente in termini di forma d'onda e THDv; tale corrente potrebbe infatti essere di qualità inferiore rispetto a quella normalmente erogata dalla rete elettrica, e - a seconda delle apparecchiature - venire comunque tollerata solo proprio in virtù di un breve tempo di utilizzo, mentre con tempi prolungati dare luogo a malfunzionamenti o danneggiamenti.

BatterieModifica

Le batterie degli UPS sono normalmente di tipo piombo-acido a "ciclo profondo, Deep-Cycle" ermetiche (anche che dette sigillate, con valvola di regolazione,[34][35] senza manutenzione; in Inglese: "Sealed Lead-Acid Battery - S.L.A. battery",[36] "Valve Regulated Lead Acid - V.R.L.A.",[37] "Maintenance free"),[38] realizzate con Gel[39][40] (acido interamente gelatinizzato) o AGM (Absorbent glass mat),[41][42][43] che possono essere utilizzate in qualsiasi posizione orizzontale/verticale.
Per gruppi di continuità piccoli si usa una tensione di 12 volt, mentre con il crescere della potenza del gruppo di continuità il fabbricante richiede che si usino tensioni sempre maggiori, spesso multiple di 12. Si può arrivare e superare anche a serie di 20 batterie, equivalenti ad una tensione di 240 e più volt. Il numero di batterie quindi aumenta all'aumentare della potenza richiesta in uscita e al tempo per cui dovrà erogarla. Per avere autonomie più lunghe bisogna disporre di più serie di batterie in parallelo, in maniera da aumentare la capacità di immagazzinamento di energia. Le batterie cosiddette "a ciclo profondo", a differenza delle batterie al piombo comuni, sopportano molti cicli di scarica profondi.

All'installazione di un gruppo di continuità bisogna quindi corredarlo del numero di batterie adeguato per coprire la necessità di potenza e tempo. Bisogna inoltre assicurarsi che i periodi in cui le batterie si ricaricano siano sufficientemente lunghi da permettere loro di reimmagazzinare l'energia necessaria. Da considerare attentamente la temperatura di stoccaggio, in quanto le batterie, devono restare a temperature inferiori ai 25 gradi, pena il decadimento della aspettativa di vita.

Carica delle batterieModifica

I gruppi di continuità sono corredati dal circuito che carica, ricarica e mantiene in carica le batterie. Tale circuito fornisce alle batterie una tensione sui 13,6 volt per monoblocco (monoblocco = batteria) con una corrente che dev'essere limitata, in ampere, al 10-20% della capacità della batteria montata espressa in ampere-ora; per esempio, montando una serie di batterie da 150 Ah dovremmo ricaricarla con una corrente compresa tra 15 e 30 A; se invece avessimo due serie in parallelo dovremmo ricaricarle con una corrente compresa tra 30 e 60 A. I circuiti di ricarica sono progettati in modo tale da ridurre la corrente a valori di mantenimento quando rilevano che la batteria è carica.

In alcuni modelli di UPS la carica avviene in modo ancor più intelligente, regolando la tensione in base alla temperatura delle batterie, oppure sottoponendo le batterie a continui cicli di carica e di rilassamento. Tutto questo al fine di migliorare il rendimento e la durata degli accumulatori.

Si noti che utilizzare batterie con più capacità di quella prevista dallo specifico UPS, seppure possa apparire fattibile crea due potenziali gravi problemi: l'UPS faticherebbe a ricaricare completamente la batteria, eventualmente danneggiando i componenti preposti per fornire ricarica inferiore; il potenziale funzionamento maggiormente prolungato in modalità backup potrebbe surriscaldare oltre misura l'apparecchio, progettato per tempi di conversione DC/AC più limitati.

Sostituzione delle batterieModifica

Gli UPS normalmente sono dotati di led o display - o segnali acustici codificati - in grado di segnalare l'approssimarsi della necessità di cambiare la batteria, o quando è diventata inutilizzabile. Se tale avviso è generalmente valido (difficile che la batteria segnalata come esausta possa essere ancora in buono stato), può accadere tuttavia che sia tardivo, causa sovrastima della capacità residua della batteria.

Buona pratica è quella di testare ciclicamente - ogni uno o due mesi - l'effettiva tenuta dell'UPS in modalità backup,[44] collegandovi - a batterie caricate al 100% dopo i tempi previsti - dei carichi di livello noto e poco superiore a quello utilizzato normalmente (ma che possano correre il rischio di spegnersi) per dei tempi di riferimento che poi saranno quelli considerati come realmente realizzabili, onde verificare se le proprie stime/aspettative dei tempi di backup sono esatte, in relazione alla progressiva diminuzione della capacità delle batterie dovuta al deterioramento.

Negli UPS entry-level, la batteria è spesso totalmente inglobata nell'involucro dell'apparecchio, e sostituirla può essere difficoltoso, specialmente nel richiudere correttamente l'UPS senza costringere i vari cavi a pericolose compressioni tra loro, e contro gli altri componenti.

Altri UPS, sempre a batteria interna, dispongono invece di un apposito sportello laterale su una delle superfici, che una volta aperto/rimosso (svitando poche viti o anche solo azionando una linguetta d'apertura), permette di sostituire la batteria senza interagire con altro componente che con i morsetti dei due cavi (positivo e negativo) che la collegano.

UPS professionali di maggiori dimensioni dispongono invece di apposite slitte di estrazione, o alloggiamenti/contenitori esterni.

RumorositàModifica

Fattore da tenere presente specialmente nel caso di ambienti silenziosi, è che gli UPS possono essere - anche nel normale funzionamento in presenza di alimentazione di rete - più o meno silenziosi o rumorosi, a seconda della tipologia e della qualità dei componenti; negli UPS on-line, data la costante doppia conversione, potrebbero essere quasi sempre attive delle ventole di raffreddamento, il cui rumore può essere accettabile o meno a seconda dei contesti e della sensibilità uditiva delle persone; dei sibili o dei ronzii da parte dell'UPS, elevati o minimi, costanti o saltuari, possono poi essere normali a seconda della qualità e del design dell'UPS, a prescindere dalla tipologia; i livelli di rumorosità vengono generalmente espressi in decibel di pressione sonora, pesati in classe A "dB(A)".[45][46][47]
Viceversa, nel funzionamento in modalità backup - batterie - è parte integrante degli UPS emettere dei beep, appositi segnali di allarme volti ad indicare che si è persa la fruibilità della tensione di rete, e bisogna al più presto attivare una fornitura elettrica secondaria ed applicarla all'ingresso dell'UPS, oppure spegnere correttamente le apparecchiature collegate all'uscita, prima che si scarichi la batteria (è da tenere conto che gli UPS sarebbero infatti solo una parte di un sistema completo di alimentazione d'emergenza, e cioè quella che provvede - tramite bassissimi o nulli tempi di trasferimento - ad evitare alle apparecchiature collegate vuoti di corrente, mentre vengono rapidamente attivate forniture elettriche locali autonome dotate di maggior autonomia, le quali ovviamente non prevedono di generare segnali di allarme durante tale attività, che è quella per loro di normale utilizzo).
Tale beep di allarme durante il funzionamento a batteria è per altro difficilmente regolabile in volume, o disattivabile, e il suo potenziale disturbo - rapportato alla necessità di ricevere tale allarme - deve essere tenuto da conto in fase di definizione del posizionamento dell'UPS (es.: un UPS posizionato in camera da letto, potrebbe dar luogo a sveglie notturne in occasione di blackout istantanei o prolungati, come eventualmente anche solo di passaggio alla modalità AVR).

Tecnologia costruttivaModifica

Fondamentalmente è un apparecchio costituito da almeno tre parti principali: un primo convertitore alternata/continua (convertitore AC) che, grazie a un raddrizzatore e a un filtro, converte la tensione alternata della rete elettrica in tensione continua; una batteria, o più batterie, in cui viene immagazzinata l'energia fornita dal primo convertitore; un secondo convertitore continua/alternata (convertitore CA o inverter) che, prelevando energia dal raddrizzatore o dalle batterie in caso di mancanza di rete elettrica, fornisce corrente al carico collegato.

Parte integrante degli UPS può essere il "bypass", quello statico, anche detto automatico e quello manuale. Il primo, completamente gestito dalla macchina, commuta il carico tra inverter e rete senza buco di tensione, solitamente eseguito tramite SCR, e diventa importante in caso di anomalia sia dell'UPS che a valle, cioè del carico se sovraccarico e/o cortocircuito. Il bypass manuale è appunto gestito da un operatore, utile in caso di guasto con possibile spegnimento del carico e di manutenzione; in questo modo, si esclude completamente la macchina, garantendo il funzionamento del carico da rete. In modalità "bypass" il carico non è in alcun modo protetto.

Un gruppo di continuità semplice (tralasciando la parte raddrizzatore e batterie), consiste in un inverter, in cui un oscillatore a onda quadra genera il segnale che poi, amplificato da una batteria di transistor alimentati dalla tensione continua, rende la potenza necessaria attraverso un trasformatore per il necessario innalzamento in tensione. Gruppi di continuità avanzati hanno cominciato a usare componentistica più moderna, come gli IGBT, i MOSFET o altri ancora, al fine di ottenere un'efficienza superiore.

Salendo ulteriormente nella scala della complessità, vengono usati vari sistemi per ottenere una forma d'onda in uscita che sia più simile all'onda sinusoidale che viene distribuita dalle compagnie di elettricità. Ciò avviene a livello dell'oscillatore o del circuito dei transistor. Vengono usati condensatori e induttori per filtrare il flusso di corrente da e verso il transistor, in modo da renderlo più "morbido". È anche possibile produrre un'onda più sinusoidale usando un'alimentazione duale: positivo, negativo, e massa. Un circuito logico s'incarica di attivare i transistor in modo che si alternino nella commutazione nel modo giusto.

All'interno degli UPS per generare la corrente alternata vengono usati gli inverter che prelevano l'energia dalle batterie. Spesso generano un'onda sinusoidale modificata, simile a quella originale ma a gradini, in maniera simile alla Pulse-amplitude modulation, che ha la stessa area della sinusoidale pura e quindi la stessa energia. Dopo l'inverter il segnale viene passato a dei filtri che gli smussano gli angoli facendola assomigliare maggiormente a una sinusoide. In genere gli UPS hanno due tipi di prese. Un gruppo collegato alle batterie (e all'inverter) e un gruppo di prese collegate solo ai filtri, in caso di mancanza di corrente quest'ultimo gruppo smette di erogare corrente.

Gruppi di continuità ancora più sofisticati usano la tecnica detta modulazione di larghezza di impulso (in inglese Pulse Width Modulation o PWM) con una portante ad alta frequenza: ciò permette di approssimare più da vicino una funzione sinusoidale.

Negli UPS di qualità, l'onda sinusoidale in uscita può risultare addirittura migliore di quella fornita in ingresso.

Tutti i gruppi di continuità che non generano un'onda sinusoidale pura fanno sì che certi carichi, come i motori elettrici (ventilatori, per esempio), o lavorino in maniera meno efficiente/disturbata (come spesso accade nel caso di onda pseudo-sinusoidale/onda modificata), fin'anche non funzionino, si guastino e/o guastino l'UPS.

TipologiaModifica

Esistono tre principali categorie di UPS, che in ordine decrescente di qualità/costo sono:[48][49]

  • on-line o VFI (Voltage and Frequency Independent); anche detti "a doppia conversione", erogano sempre un voltaggio e una frequenza regolati
  • line-interactive o VI (Voltage Independent); erogano sempre un voltaggio regolato, mentre la frequenza è regolata solo in modalità batteria/backup, quando viene generata dall'UPS
  • off-line o VFD (Voltage and Frequency Dependent); anche detti "Standby", sia voltaggio che frequenza vengono regolati solo in modalità batteria/backup

I gruppi di continuità "on-line" presentano il vantaggio di eliminare i disturbi presenti sulla rete di alimentazione tramite la doppia conversione, generando sempre autonomamente la corrente alternata in uscita, con tensione, forma d'onda e soprattutto anche a frequenza potenzialmente sempre perfette; inoltre, solo tramite la doppia conversione presente in questi modelli è possibile arrivare ad un tempo di trasferimento pari a zero millisecondi.[senza fonte]
Questa tipologia presenta come svantaggio un consumo maggiore rispetto alle altre tipologie, proprio per la costante attività del raddrizzatore (ingresso AC/DC) e dell'inverter (uscita DC/AC); tale attività costante - al cui consumo si somma quello normale dovuto alla ricarica/mantenimento in carica delle batterie - può inoltre portare gli UPS on-line ad avere un'aspettativa di vita inferiore a quella di altre tipologie, a parità di qualità costruttiva.
Le batterie degli UPS on-line possono essere poste direttamente sulla continua oppure, questo nelle macchine di taglia media, interposti SCR di commutazione.[non chiaro]
Questo tipo di gruppi di continuità è il migliore e spesso è anche il più costoso. Gli UPS in grado di erogare potenze superiori a 2, 3 kVA sono quasi tutti di questo tipo. Esistono 2 sottoprodotti che in base alla potenza e filosofia utilizzano o meno il trasformatore in uscita.

I gruppi di continuità "line-interactive" hanno un autotrasformatore multi-tap a tensione variabile. Questo tipo speciale di trasformatore può aggiungere o sottrarre bobine di filo alimentate, aumentando o diminuendo in tal modo il campo magnetico e la tensione di uscita del trasformatore. Ciò può anche essere eseguito da un trasformatore “buck-boost” che è distinto da un autotrasformatore, poiché il primo può essere cablato per fornire isolamento galvanico. Questo tipo di UPS è in grado di tollerare continui abbassamenti di sottotensione e sovratensioni senza consumare la riserva limitata della batteria. A seconda del modello, la modifica della presa dell'autotrasformatore può causare un'interruzione della potenza di uscita molto breve, che potrebbe causare un "trillo" degli UPS dotati di un allarme di perdita di potenza. Questo è diventato popolare anche negli UPS più economici perché sfrutta i componenti già inclusi. Il trasformatore principale da 50/60 Hz utilizzato per convertire tra tensione di linea e tensione della batteria deve fornire due rapporti di rotazione leggermente diversi: uno per convertire la tensione di uscita della batteria (tipicamente un multiplo di 12 V) in tensione di linea e una seconda per convertire la tensione di linea a una tensione di carica della batteria leggermente superiore (comunemente multiplo di 14 V). La differenza tra le due tensioni è dovuta al fatto che la ricarica di una batteria richiede una tensione ‘delta’ (fino a 13-14 V per caricare una batteria da 12 V).
Gli autotrasformatori possono essere progettati per coprire un'ampia gamma di tensioni di ingresso variabili, ma ciò richiede più tocchi e aumenta la complessità e la spesa dell'UPS. È comune che l'autotrasformatore copra un intervallo solo da circa 90 V a 140 V per alimentazione a 120 V, quindi passa alla batteria se la tensione è molto più alta o più bassa di quella gamma. In condizioni di bassa tensione, l'UPS utilizzerà più corrente del normale, quindi potrebbe richiedere un circuito di corrente superiore rispetto a un dispositivo normale. Ad esempio, per alimentare un dispositivo da 1000 W a 120 V, l'UPS preleva 8,33 A. Se si verifica un calo di tensione e la tensione scende a 100 V, l'UPS preleva 10 A per compensare. Questo funziona anche in senso inverso, quindi in una condizione di sovratensione, l'UPS avrà bisogno di meno corrente.

I gruppi di continuità "off-line" iniziano a sintetizzare l'onda solo qualche millisecondo dopo il black-out, creando quindi un piccolo "buco", della durata di pochi millisecondi, di tensione in uscita durante il quale il carico non viene alimentato. Per ovviare a questo problema, vengono utilizzati dei condensatori in uscita, non sempre però sufficienti a mantenere l'alimentazione del carico. Questo tipo di UPS è più economico, più facile da costruire, spesso impiegato per alimentare singoli computer o comunque utenze non troppo delicate, come ulteriore vantaggio, tenendo l'inverter spento si ha anche un consistente risparmio energetico. Spesso gli UPS di piccola taglia sono di questo tipo.

Classificazione IEC EN 62040-3Modifica

La norma IEC EN 62040-3 stabilisce una codifica di classificazione degli UPS in base alla loro tipologia, alla qualità della forma d'onda che viene erogata (sia in presenza di alimentazione dalla rete elettrica che in modalità backup), e ai tempi/modi di reazione ai problemi delle fornitura elettrica; tale codificazione prevede un formato composto da 3 campi, di cui il primo indice rappresenta la migliore qualità:[50][51]

  • VFI / VI / VFD
  • S / X / Y, S / X / Y
  • 1 / 2 / 3 / (4), 1 / 2 / 3 / (4), 1 / 2 / 3 / (4)

Il codice può così risultare VFI-SS-111 per un UPS dalle caratteristiche migliori in relazione a quanto sopra, fino a VFD-SY-333 per un UPS inadatto per apparecchiature estremamente vulnerabili ad alimentazioni disturbate.

Nello specifico della classificazione della forma d'onda, la prima lettera indica la caratteristica in presenza di fornitura elettrica, la seconda in modalità batteria, e si hanno le seguenti corrispondenze:[52][53][54][55]

  • S: forma d'onda sinusoidale THDv < 8%[56] sia con carico lineare che non lineare
  • X: forma d'onda sinusoidale THDv < 8% solo con carico lineare; con carico non lineare[57] si potrebbe avere THDv > 8%
  • Y: forma d'onda non sinusoidale a prescindere dalla tipologia e dal livello di carico, THDv > 8%

Il valore di THDv < 8% (Total Harmonic Voltage Distorsion) non indica comunque una tensione priva di imperfezioni, esso risulta infatti semplicemente conforme alla la norma CEI EN 50160 che indica tale valore quale massimo ammissibile per la distorsione armonica totale della tensione;[58] valori più auspicabili sono quelli inferiori al 5%.[59]

Si noti che il primo indice del secondo campo, che esprime le caratteristiche della forma d'onda erogata in presenza di idonea fornitura dalla rete, può essere differente da "S" solo per i modelli VFI; un siffatto UPS a doppia conversione sarebbe quindi dedicato ad apparecchiature che sono relativamente immuni a onde sinusoidali imperfette, ma necessitano di essere fortemente salvaguardate da variazioni di tensione ed interruzioni (essere alimentate da un UPS con "tempo di trasferimento" nullo).
Al contempo, una "S" nel primo indice di questo campo non ha in realtà un significato concreto per tipologie VFD (che in condizioni normali non trattano la corrente in ingresso).
[senza fonte]

NoteModifica

  1. ^ Uninterruptible Power Supply = fornitura di energia ininterruttibile
  2. ^ www.dataweb.it/faq/Faq-Risposte.asp?id=1013
  3. ^ Nota: similare presenza di fase su ambo i poli di un sistema 2P+T si riscontra anche in alcuni sistemi di distribuzione elettrica datati, che utilizzano la distribuzione bifase derivata da un sistema trifase non aggiornato a 380V-400V
  4. ^ www.informaticapertutti.com/come-e-quale-alimentatore-per-pc-scegliere/#che-cose-il-pfc
  5. ^ www.informaticapertutti.com/come-scegliere-un-gruppo-di-continuita-ups-per-pc-computer/#il-problema-degli-alimentatori-con-pfc-attivo
  6. ^ www.stampolampo.it/la-tecnologia-pfc-degli-alimentatori-switching/
  7. ^ www.extenzilla.it/2016/10/11/pfc-attivo-e-passivo/
  8. ^ Nota: nel caso tra i carichi collegati all'UPS vi sia un apparecchio il cui assorbimento è totalmente o prioritariamente dovuto a un motore, è necessario considerare sempre le relative elevate correnti di spunto, inrush, sovradimensionando adeguatamente la potenza complessiva dell'UPS.
    Un sistema di calcolo approssimativo del sovradimensionamento necessario, è quello di considerare ridotta ad almeno 1/3 la potenza nominale in Watt dell'UPS (esempio: ad un UPS con potenza nominale di 1500 Watt collegheremo un carico nominale mai complessivamente superiore a 500 Watt)[senza fonte]

    "(...) il motore di una pompa spunta, almeno 3 volte la corrente nominale; la pompa in fase di accensione richiede una quantità di corrente molto elevata (...)"
    www.sies-srl.it/faq/1084/posso-usare-un-gruppo-di-continuita-per-alimentare-una-pompa-sommersa-
  9. ^ Le sette differenti problematiche relative all'alimentazione elettrica "White Paper 18" (Tolleranza di alimentazione) - 9 gennaio 2011
    https://download.schneider-electric.com/files?p_enDocType=White+Paper&p_File_Name=VAVR-5WKLPK_R1_IT.pdf&p_Doc_Ref=SPD_VAVR-5WKLPK_IT
  10. ^ (EN) ITI (CBEMA) CURVE APPLICATION NOTE - 14 novembre 2000
    https://web.archive.org/web/20050512063742if_/http://www.itic.org:80/technical/iticurv.pdf
  11. ^ www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-transfer-time/
  12. ^ www.01net.it/guida-normativa-ups/
  13. ^ www.vegaengineering.com/mlist/uploaded/Guida%20Europea%20sugli%20UPS.pdf
  14. ^ www.powerinspired.com/ups-transfer-time/
  15. ^ www.tecnicontrol.pt/box/waveform_output_en.php
  16. ^ www.minutemanups.com/support/pwr_un10.php
  17. ^ www.kerchner.com/electrical/sinewave.htm
  18. ^ blog.tripplite.com/pure-sine-wave-vs-modified-sine-wave-explained/
  19. ^ smartpowersystems.com/uninterruptible-power-supplies/pure-sinewave/
  20. ^ www.glowship.com/faqs/inverters-and-batteries/types-of-appliances-that-inverters-can-run/
  21. ^ www.elenet.altervista.org/Elettrotecnica/neutro-masse.html
  22. ^ www.voltimum.it/articolo/guide-e-approfondimenti/gestione-neutro-0
  23. ^ docplayer.it/11400306-Installazione-dell-ups-fattori-chiave.html
  24. ^ www.riello-ups.co.uk/questions/8-what-are-the-differences-between-transformer-based-and-transformerless-ups
  25. ^ www.ee.co.za/article/ups-design-transformer-free-vs-transformer-based.html
  26. ^ www.onlite.it/it/content/17-di-che-potenza-parliamo
  27. ^ Esempio: con un UPS che eroga massimo 500 VA / 300 W sarà impossibile alimentare un carico che richieda massimo 525 VA e 280 W, come anche un carico che richieda 450VA e 350 W
  28. ^ www.teknel.net/glossario.html
  29. ^ www.consulente-energia.com/av-qual-e-la-differenza-fra-carichi-induttivi-o-resistivi-carico-induttivo-ed-energia-reattiva-potenza-reattiva-di-motori-e-altri-carichi-induttivi.html
  30. ^ webstarsnet.com/it/59-types-of-electrical-loads.html
  31. ^ Esempio: con un UPS da 1000 VA avente fattore di potenza = 1, in grado quindi di erogare fino a 1000 W, sarà impossibile alimentare un carico che richiede 800 W di potenza attiva, ma 1200 VA di potenza apparente; per controllare la potenza apparente nominale continua di un carico (VA), fare riferimento sovradimensionato alla tensione del voltaggio in ingresso e all'assorbimento richiesto in Ampere (Es.: 230 V AC e 4,9 A = 1127 VA = circa 1200 VA)
  32. ^ Nota: si può rendere necessaria la sostituzione della batteria dopo 1-3 anni di utilizzo nell'UPS, a seconda dei cicli di lavoro svolti e delle temperature in cui opera
  33. ^ www.sies-srl.it/faq/1028/quanta-autonomia-puo-garantirmi-un-gruppo-di-continuita-ups
  34. ^ www.elcoteam.com/content/blog/batterie-e-pile/parliamo-di-batterie-al-piombo.html
  35. ^ download.schneider-electric.com/files?p_enDocType=White+Paper&p_File_Name=VAVR-A5AJXY_R0_IT.pdf&p_Doc_Ref=VAVR-A5AJXY_R0_IT
  36. ^ www.andrewwhyman.com/blog/tech/battery-technology-and-maintenance/
  37. ^ www.sealedperformance.com.au/faq/what-is-the-difference-between-sla-vrla-and-agm-batteries/
  38. ^ www.sistel.ca.it/faq/
  39. ^ www.pmbatterie.it/gel
  40. ^ www.fambatterie.it/121-batterie-gel
  41. ^ www.sies-srl.it/faq/1054/qual-e-la-differenza-tra-batterie-al-piombo-gel-e-quelle-agm
  42. ^ www.nauticareport.it/dettnews/tecnica_e_manutenzione/batterie_al_piombo_o_al_gel-21-4000/
  43. ^ www.fambatterie.it/83-batterie-agm-gel
  44. ^ www.batterieups.com/check-up-batterie-ups-gruppo-di-continuita-test-controllo/
  45. ^ www.arpa.vda.it/it/agenti-fisici/rumore-ambientale/nozioni-generali/decibel-e-leq
  46. ^ www.fonoisolamento.it/decibel-a-pesato-a.html
  47. ^ www.vialattea.net/content/2254/
  48. ^ www.ingegneria-elettronica.com/normative1/norme-cei-letterau-ups-online-doppia-conversione-line-interactive.html
  49. ^ hardwaretheory.it/scegliere-un-gruppo-di-continuita-guida-acquisto-un-ups/
  50. ^ www.elenet.altervista.org/Elettrotecnica/ups.html
  51. ^ anie.it//wp-content/uploads/2016/04/CN-050-Aprile-2016-Gruppi-statici-di-continuit%c3%a0-UPS.pdf
  52. ^ elettricomagazine.it/normative-impianti/natura-dei-gruppi-statici-continuita-ups/
  53. ^ www.ups-hoffmann.com/classificazione-ups/
  54. ^ documents.pub/document/iec-62040-3.html
  55. ^ www.energystar.gov/sites/default/files/specs/private/UPS_Final_Draft_Test_Method_Appendix_B_IEC62040_FDIS_Excerpts.pdf
  56. ^ Nota: THDv è la distorsione armonica totale della forma d'onda di tensione
    library.e.abb.com/public/166a937e3522426abca49c27db8fa30a/Harmonics_in_HVAC_applications_%203AXD50000380282_REV_A_IT.pdf
  57. ^ Quali tipi di carico provocano le armoniche
    Carichi non lineari (carichi elettronici): Apparecchiature che utilizzano alimentatori switching, Trasformatori, UPS, Sistemi di illuminazione elettronica, Sistemi di illuminazione a incadescenza controllati da TRIAC, Azionamenti a velocità variabile, Impianti galvanici, Forni a microonde, Apparecchiature medicali, Saldatrici, forni a induzione e forni ad arco
    www.voltimum.it/articolo/guide-e-approfondimenti/armoniche-cosa-sono
  58. ^ "Per la normalizzazione sulla distorsione armonica totale la norma CEI EN 50160 indica che deve essere inferiore o uguale all’8%"
    www.voltimum.it/articolo/notizie-tecnico-normative/qualita-armoniche
  59. ^ "Il THD in tensione caratterizza la deformazione della forma d’onda della tensione. Se tale indice ha valore è inferiore al 5% (...) valore da considerarsi normale"
    www2.malignani.ud.it/EltWeb/dispensedocenti/TDP/quinta/PowerQuality%20e%20Armoniche%20-%20Comuzzi%20-%202006.pdf

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