Un rimedio semplice e spesso efficace alle perturbazioni della rete, utilizzato laddove la qualità dell’energia riveste un ruolo importante, è costituito dall’installazione di un gruppo statico di continuità (UPS).
Interfaccia tra la rete di alimentazione e le utenze, l’UPS garantisce continuità e qualità dell’energia elettrica fornita ai carichi che alimenta, qualunque siano le condizioni delle rete di alimentazione.
Componenti di un UPS
Un gruppo statico di continuità è essenzialmente composto da: una batteria, che fornisce l’autonomia necessaria in caso di mancanza rete; un raddrizzatore carica-batteria, che permette di caricare la batteria; un inverter, che ritrasforma la corrente continua in alternata fornendo energia elettrica regolata in tensione e frequenza; un commutatore statico che permette di evitare qualsiasi interruzione dell’alimentazione, in caso di anomalia dell’inverter.
I componenti di un UPS sono rappresentati in figura 1, mentre in figura 2 viene indicata la funzione degli stessi. Le denominazioni rete 1 e rete 2 indicano due arrivi indipendenti della stessa rete: rete 1 (o normale) indica la rete che alimenta il raddrizzatore-carica batteria; rete 2 (di soccorso).
L’inverter è sincronizzato in frequenza con la rete 2 permettendo, grazie al commutatore statico, di alimentare istantaneamente le utenze senza interruzione. Il collegamento dell’UPS con la rete 2 indipendente aumenta l’affidabilità dell’installazione. E’ comunque possibile un ingresso comune.
Protezione delle persone
La protezione delle persone contro i pericoli della corrente elettrica deve essere realizzata in conformità alle norme CEI vigenti. L’applicazione di tali norme nell’ambito delle alimentazioni tramite gruppo statico di continuità, comporta alcune precauzioni per i seguenti motivi: il gruppo statico gioca il doppio ruolo di ricettore per la rete a monte e sorgente di energia per la rete a valle; l’ottenimento della selettività delle protezioni è reso più difficile dalla bassa tenuta, in sovraccarico, dei semiconduttori.
Inoltre, se la batteria non è installata in armadio, un guasto d’isolamento sulla rete in continua può provocare la circolazione di una componente differenziale in continua. Questa componente può perturbare il funzionamento di alcune protezioni, soprattutto i differenziali utilizzati nel quadro delle batterie.
La protezione delle persone contro i contatti diretti, con un qualsiasi dispositivo normalmente sotto tensione, è assicurata quando il materiale è installato in involucri con grado di protezione superiore a IP 2X.
E’ il caso di tutti gli armadi costituenti il gruppo statico di continuità: raddrizzatore carica-batteria, inverter e armadio batteria. La protezione contro i contatti indiretti viene realizzata mediante interconnessione e messa a terra di tutte le masse metalliche dell’impianto; eliminazione di un guasto pericoloso per le persone, con un dispositivo di protezione la cui scelta dipende dal sistema di distribuzione.
La figura 3 sintetizza la sequenza per la scelta del sistema di protezione a valle del gruppo statico di continuità.
Configurazione
È stata sviluppata una notevole varietà di UPS in risposta a specifici requisiti dei clienti circa la continuità e la qualità dell’alimentazione destinata a diversi tipi di carico, da pochi watt a vari megawatt. L’attuale classificazione in base alle prestazioni è stabilita dalla norma CEI EN 62040-3.
La prima parte del codice definisce la topologia dell’UPS:
VFI (Voltage and Frequency Independent): in cui l’uscita dell’UPS è indipendente dalle variazioni della tensione di alimentazione (rete) e le variazioni di frequenza sono controllate entro i limiti prescritti dalla norma IEC EN 61000-2-2. Se progettato in tale modo, questo tipo di UPS può anche funzionare come convertitore di frequenza.
VFD (Voltage and Frequency Dependent): in cui l’uscita dell’UPS dipende dalla variazione della tensione di alimentazione (rete) e dalle variazioni di frequenza.
VI (Voltage Independent): in cui le variazioni della tensione di alimentazione sono stabilizzate da dispositivi di regolazione elettronici/passivi entro i limiti di normale funzionamento.
La norma IEC EN 61000-2-2 definisce i livelli di compatibilità per i disturbi condotti in bassa frequenza sulle reti pubbliche a Bassa Tensione (prima del collegamento di un carico).
La seconda parte del codice di classificazione definisce la forma d’onda d’uscita durante il funzionamento normale e da batteria:
– S: sinusoidale (THDu < 8%)
– X: sinusoidale con carico lineare; non-sinusoidale con carico distorcente (THDu > 8%)
– Y: non sinusoidale
La terza parte del codice di classificazione definisce la prestazione dinamica della tensione d’uscita alle variazioni di carico in tre diverse condizioni:
– variazione delle modalità operative (normale e da batteria),
– inserzione del carico lineare a gradini in modalità normale e da batteria,
– inserzione del carico non-lineare a gradini in modalità normale e da batteria.
Per ciascuna di queste condizioni la prestazione dinamica può variare tra 1 (nessuna interruzione) e 3.
La norma CEI EN 62040-3 definisce le principali funzioni operative di un UPS. La funzione di base di un UPS è quella di fornire continuità di alimentazione all’utenza e può essere realizzata con diverse architetture circuitali e relative modalità operative.7
“on line”, che significa semplicemente “su rete”.
Doppia conversione
Nel modo di funzionamento normale, il carico è alimentato a ciclo continuo dalla combinazione raddrizzatore/invertitore con struttura a doppia conversione, ovvero c.a. – c.c. – c.c. – c.a.
Quando l’alimentazione c.a. d’ingresso non rientra nelle tolleranze preimpostate dell’UPS, questo entra nel modo di funzionamento da batteria, nel quale la combinazione batteria/invertitore continua a supportare il carico fino all’esaurimento dell’energia immagazzinata(autonomia) o fino al rientro della alimentazione di ingresso entro le tolleranze ammesse dall’UPS.
L’UPS a doppia conversione è talvolta definito come “On-Line”, in quanto il carico è sempre alimentato dall’invertitore, indipendentemente dalla condizione dell’alimentazione c.a. d’ingresso.
Il termine “On-Line” non è adatto, in quanto significa semplicemente “su rete”; è quindi importante adottare la denominazione “a doppia conversione”.
Doppia conversione con bypass
La continuità dell’alimentazione al carico può essere maggiormente garantita attivando il bypass attraverso un commutatore automatico in caso di:
– guasto dell’UPS;
– correnti di spunto o correnti di corto circuito;
– sovraccarico;
– manutenzione.
UPS interattivo
Nel modo di funzionamento normale, il carico è alimentato con una tensione stabilizzata dall’invertitore dell’UPS che funziona in parallelo con l’ingresso c.a. L’invertitore garantisce la stabilizzazione della tensione di uscita e provvede alla carica delle batterie. La frequenza di uscita dipende dalla frequenza di ingresso in c.a..
Quando la tensione dell’alimentazione c.a. non rientra nelle tolleranze ammesse dall’UPS, l’invertitore e la batteria garantiscono un’alimentazione ininterrotta del carico e un interruttore nell’interfaccia seziona l’alimentazione di ingresso per evitare “ritorni di energia” in rete.
Le apparecchiature funzionano da batteria fino all’esaurimento di questa o fino al ritorno dell’alimentazione di ingresso entro le tolleranze ammesse dall’UPS.
UPS passivo di riserva
Nel funzionamento normale, il carico viene alimentato dall’ingresso tramite il commutatore di bypass dell’UPS.
È possibile integrare ulteriori dispositivi per stabilizzare l’alimentazione. La frequenza di uscita dipende dalla frequenza di ingresso.
Quando la tensione di ingresso non rientra nelle tolleranze ammesse dall’UPS, questo funzionerà da batteria.
In questo caso l’invertitore entrerà in funzione alimentando direttamente il carico tramite il commutatore di bypass che può essere elettronico o elettromeccanico.
Il sistema batteria/invertitore mantiene l’alimentazione al carico fino all’esaurimento della batteria o fino al rientro della tensione di alimentazione di ingresso entro le tolleranze ammesse dall’UPS.
L’UPS passivo di riserva è talvolta definito “Off-line” che significa “fuori rete”, mentre, di fatto, il carico nel funzionamento normale è alimentato dalla rete.
Per evitare confusioni, è importante sostituire il termine “Off-line“ con quello attuale “passivo di riserva”.
Norme tecniche
CEI, CENELEC e IEC sono gli Enti di normazione riconosciuti, rispettivamente a livello nazionale, europeo ed internazionale. Le seguenti norme europee sugli UPS, riconosciute a livello nazionale, permettono la conformità alle Direttive europee.
La serie CEI EN 62040-x ha sostituito la serie EN 50091-x e la serie IEC 61000-x-y ha sostituito la serie IEC 1000-x-y.
Sicurezza
Le norme CEI EN 62040-1-1 e CEI EN 62040-1-2 costituiscono le norme di riferimento che prescrivono i requisiti di sicurezza per gli UPS impiegati nelle aree accessibili all’operatore o in quelle ad accesso limitato.
Compatibilità elettromagnetica
L’UPS deve funzionare senza subire disturbi (immunità) e senza disturbare (emissioni) altre apparecchiature a causa di interferenze elettromagnetiche condotte lungo i cavi e dall’involucro. La Norma CEI EN 62040-2 riguarda le prescrizioni in merito e le procedure di prova.
Prestazioni
Lo standard di riferimento è quello della norma CEI EN 62040-3 che ha lo scopo di migliorare la comprensione tra produttore e committente mediante una adeguata descrizione delle prestazioni e dei relativi metodi di prova.
Altre norme relative all’installazione degli UPS sono:
– HD384/IEC 60364-X-X per installazioni elettriche negli edifici
– EN 60439-1/IEC 60439-1 interruttori in bassa tensione
– EN 60529/IEC 60529 per il grado di protezione degli involucri
– EN 50272-2 requisiti di sicurezza e installazione delle batterie – Parte 2: Batterie stazionarie
Sistema di qualita’
I produttori di UPS possono fornire una certificazione di qualità relativamente alla struttura organizzativa, nonché alle procedure, ai metodi ed alle risorse finalizzate ad una efficace politica della qualità.
La conformità alle norme UNI EN ISO 9000 (V 2000) è certificata e costantemente verificata da istituti esterni accreditati ed è garantita a clienti, utenti finali, fornitori ed enti dal Sistema Qualità.
