Valutazione tecnica

Valutazione tecnica
Sommario
Alimentazione di carichi sensibili .................................. 2
Tipi di disturbo elettrico ........................................................................2
Disturbi principali con alimentazione elettrica a bassa tensione ...........3
UPS................................................................................... 4
La soluzione UPS .................................................................................4
Applicazioni UPS ..................................................................................5
Tipi di UPS ....................................................................... 7
UPS statico o rotante ...........................................................................7
Tipi di UPS statici .................................................................................9
Componenti e funzionamento dell'UPS ........................ 16
Componenti di un'unità UPS ................................................................16
Caratteristiche principali dei componenti UPS......................................19
Schema riassuntivo per le caratteristiche principali ..............................24
Modalità di funzionamento UPS ...........................................................25
Configurazioni UPS ..............................................................................26
Tecnologie ....................................................................... 28
UPS senza trasformatore .....................................................................28
Compatibilità elettromagnetica (CEM) .......................... 34
Disturbi elettromagnetici .......................................................................34
Norme e raccomandazioni CEM ...........................................................35
Norme relative agli UPS .................................................. 36
Ambito e osservanza delle norme ........................................................36
Norme principali per la regolamentazione degli UPS ...........................36
Immagazzinamento dell'energia .................................... 39
Tecnologie utilizzabili ...........................................................................39
Batterie .................................................................................................39
Volani ...................................................................................................43
Combinazione di UPS/gruppo elettrogeno ................... 46
Utilizzo di un generatore .......................................................................46
Combinazione di UPS/gruppo elettrogeno ...........................................46
Condizioni di carico transitorio ..................................... 48
Valutazione delle correnti di spunto......................................................48
Armoniche ....................................................................... 49
Armoniche ............................................................................................49
Valori caratteristici delle armoniche ......................................................51
Carichi non lineari e tecnologia PWM ........................... 54
Prestazioni dei carichi non lineari per gli UPS con tecnologia PWM ....54
Confronto tra sorgenti diverse ..............................................................57
Chopping a frequenza libera ................................................................58
Raddrizzatore PFC .......................................................... 60
APC by Schneider Electric
Edizione 01/2012
pag. 1
Alimentazione di carichi sensibili
Tipi di disturbo elettrico
Fare
riferimento al
WP 18
Teoricamente, i sistemi di distribuzione dell'alimentazione, pubblici e privati,
forniscono alle apparecchiature elettriche una tensione sinusoidale di ampiezza e
frequenza fisse (ad esempio, 400 volt efficaci a 50 Hz in sistemi a bassa tensione).
Tuttavia, in condizioni reali i fornitori indicano il grado di fluttuazione rispetto ai valori
nominali. Lo standard EN 50160 definisce le fluttuazioni normali nella tensione di
alimentazione BT per i sistemi di distribuzione europei come segue:
 Tensione da +10% a -15% (valori efficaci medi su intervalli di 10 minuti),
il 95% della quale deve rientrare, ogni settimana, nella fascia di +10%.
 Frequenza da +4% a +6% nell'arco di un anno con 1% per il 99,5% del tempo
(collegamenti sincroni in un sistema interconnesso).
In pratica, però, oltre alle fluttuazioni indicate, l'onda sinusoidale della tensione
presenta sempre una distorsione di un certo grado dovuta ai vari disturbi che
possono verificarsi nel sistema.
 Fare riferimento al White Paper WP 18 "The Seven Types of Power Problems"
(Le sette differenti problematiche relative all'alimentazione elettrica)
Fonti dei disturbi
Alimentazione di rete
L'alimentazione di rete può essere disturbata o addirittura interrotta dai seguenti
fenomeni:
 Fenomeni atmosferici che colpiscono le linee aeree o i cavi interrati:
- fulmini che producono un improvviso sovraccarico di tensione nel sistema;
- brina che può accumularsi sulle linee aeree e causarne la rottura;
 Incidenti:
- caduta di un ramo su una linea, che può causare un cortocircuito o un'interruzione;
- taglio di un cavo, ad esempio durante opere di scavo o altri lavori di costruzione;
- guasti nel sistema di alimentazione di rete;
 Squilibri di fase;
 Attivazione di dispositivi di controllo o protezione nel sistema di alimentazione di
rete per il distacco del carico o a fini di manutenzione.
Apparecchiature in uso
Alcune apparecchiature possono generare disturbi nel sistema di alimentazione di
rete, ad esempio:
 Attrezzature industriali:
- motori, che possono causare cali di tensione dovuti a correnti di spunto all'avvio;
- attrezzature quali forni ad arco e saldatrici, che possono causare cali di tensione e
interferenze ad alta frequenza;
 Apparecchiature elettroniche di potenza (alimentatori a commutazione, variatori di
velocità, ballast elettronici e così via), che spesso originano armoniche;
 Infrastrutture degli edifici, quali ascensori che possono provocare correnti di
spunto o lampade fluorescenti che causano la formazione di armoniche.
Tipi di disturbo
I disturbi dovuti alle cause sopra indicate sono raccolti nella seguente tabella, che
segue le definizioni contenute nelle norme EN 50160 e ANSI 1100-1992.
APC by Schneider Electric
Edizione 01/2012
pag. 2
Alimentazione di carichi sensibili (cont.)
Disturbi
Interruzioni di alimentazione
Microinterruzioni
Caratteristiche
Cause principali
Conseguenze principali
Totale assenza di tensione  10
ms.
Agenti atmosferici, commutazioni,
guasti, lavori sulla rete.
Funzionamento difettoso e perdita
di dati (sistemi informatici) o
interruzione della produzione
(processi continui).
Interruzioni
Totale assenza di tensione per più
di un periodo:
- interruzione breve:  3 minuti
(il 70% delle interruzioni dura
meno di 1 s)
- interruzione lunga: > 3 minuti
Agenti atmosferici, commutazioni,
guasti, incidenti, interruzioni di
linea, lavori sulla rete.
A seconda della durata,
spegnimento dei macchinari e
rischi per la sicurezza delle
persone (ad esempio, per gli
ascensori), perdita di dati (sistemi
informatici) o interruzione della
produzione (processi continui).
Il valore efficace della tensione
risulta ridotto a meno del 90% del
valore nominale (ma superiore allo
0%), con ritorno a un valore
maggiore del 90% in un lasso di
tempo compreso tra 10 ms e 1
minuto.
Aumento temporaneo fino al 10%
oltre la tensione nominale, per una
durata variabile da 10 ms ad
alcuni secondi.
Fenomeni atmosferici, fluttuazioni
di carico, cortocircuito su un
circuito vicino.
Spegnimento dei macchinari,
malfunzionamenti, danni
all'attrezzatura e perdita di dati.
- Qualità dei generatori di servizio
e dei sistemi di trasmissione.
- Interazione tra generatori e
fluttuazioni di carico nel sistema di
alimentazione di rete.
- Commutazione nel sistema di
alimentazione di rete.
- Arresto di carichi a elevata
potenza (ad esempio, motori o
banchi di condensatori).
Picchi di consumo, quando la rete
non può soddisfare la richiesta ed
è costretta a ridurre la tensione
per limitare l'alimentazione fornita.
- Per i sistemi informatici:
corruzione dei dati, errori di
elaborazione, spegnimento del
sistema, eccessive sollecitazioni
dei componenti.
- Aumento della temperatura e
invecchiamento precoce delle
apparecchiature.
Variazioni di tensione
Cadute di tensione
Sovratensione
Sottotensione
Calo di tensione che può durare
da alcuni minuti fino a giorni interi.
Spike di tensione
Salto considerevole e repentino
della tensione (ad esempio, 6 kV).
Fulmini vicini, scariche statiche.
Squilibrio di tensione
(in sistemi trifase)
Condizione nella quale il valore
efficace delle tensioni di fase o gli
squilibri tra fasi non sono uguali.
- Forni a induzione.
- Carichi monofase non bilanciati.
- Aumento della temperatura.
- Interruzione di una fase.
Instabilità nella frequenza.
Solitamente +5%, -6% (valore
medio per intervalli di tempo di 10
secondi).
- Regolazione dei generatori.
- Funzionamento anomalo dei
generatori.
- Fonte di frequenza instabile.
Sfarfallio dei sistemi di
illuminazione dovuto a un calo di
tensione o frequenza
(< 35 Hz).
Saldatrici, motori, forni ad arco,
apparecchi a raggi X, dispositivi
laser, banchi di condensatori.
Tali variazioni superano la
tolleranza di determinati strumenti
e hardware dei computer (spesso
pari a ± 1%), pertanto possono
causare la perdita o la corruzione
dei dati.
Disturbi fisiologici.
Salto considerevole, repentino e
rapido della tensione.
Simile a uno spike di tensione.
Fenomeni atmosferici (fulmini) e
commutazioni.
< 1 s
Ampiezza da < 1 a 2 kV con
frequenze di alcune decine di
MHz.
> 1 s e  100 s
Valore di picco da 8 a 10 volte
superiore al valore nominale fino
ad alcuni MHz.
> 100 s
Valore di picco da 5 a 6 volte
superiore al valore nominale fino
ad alcune centinaia di MHz.
Avvio di piccoli carichi induttivi,
aperture e chiusure ripetute di
contattori e relè a bassa tensione.
Variazioni di frequenza
Fluttuazioni di frequenza
Sfarfallio
Altri disturbi
Transienti ad alta frequenza
Breve durata
Durata media
Lunga durata
APC by Schneider Electric
Spegnimento dei sistemi
informatici.
Corruzione o perdita dei dati.
Aumento della temperatura.
Invecchiamento precoce delle
apparecchiature.
Errori di elaborazione, corruzione
dei dati, spegnimento del sistema.
Danni a computer e schede
elettroniche.
Distruzione delle apparecchiature,
invecchiamento precoce, guasto di
componenti o materiali isolanti.
Guasti (fulmini) o commutazioni ad
alta tensione trasmesse alla bassa
tensione mediante accoppiamento
elettromagnetico.
Arresto di carichi induttivi o guasti
ad alta tensione trasmessi al
sistema di bassa tensione
mediante accoppiamento
elettromagnetico.
Edizione 01/2012
pag. 3
Alimentazione di carichi sensibili (cont.)
Distorsione armonica
Compatibilità elettromagnetica
(CEM)
APC by Schneider Electric
Distorsione delle sinusoidi di
corrente e tensione dovuta alle
correnti armoniche assorbite da
carichi non lineari. L'effetto delle
armoniche di ordine superiore al
25 è trascurabile.
Disturbi condotti o radiati di tipo
elettromagnetico o elettrostatico.
L'obiettivo è quello di garantire
emissioni ridotte e livelli di
immunità elevati.
Macchinari elettrici con nucleo
magnetico (motori, trasformatori a
vuoto e così via), alimentatori a
commutazione, forni ad arco,
variatori di velocità.
Attivazione di componenti
elettronici (transistor, tiristori,
diodi), scariche elettrostatiche.
Edizione 01/2012
Sovradimensionamento
dell'attrezzatura, aumento di
temperatura, fenomeni di
risonanza con i condensatori,
distruzione dell'apparecchiatura
(trasformatori).
Malfunzionamento di dispositivi
elettronici sensibili.
pag. 4
UPS
La soluzione UPS
Le attività economiche moderne dipendono sempre più dalle tecnologie digitali,
molto sensibili ai disturbi elettrici.
Di conseguenza, molte applicazioni necessitano di un'alimentazione di emergenza
che le protegga da eventuali disturbi nell'alimentazione di rete:
 Processi industriali e relativi sistemi di controllo/monitoraggio - rischio di perdite di
produzione;
 Aeroporti e ospedali - rischi per la sicurezza delle persone;
 Tecnologie di informazione e comunicazione - rischio di arresto dei processi di
elaborazione con costi orari di inattività molto elevati dovuti all'interruzione nello
scambio di dati di vitale importanza, fondamentale per le aziende globali.
UPS
Un gruppo di continuità o UPS (uninterruptible power system) ha la funzione di
assicurare l'alimentazione alle applicazioni più sensibili.
L'UPS è un dispositivo elettrico posizionato tra la rete e i carichi sensibili, che
fornisce tensione e garantisce:
 Alta qualità: la sinusoide in uscita è libera da qualsiasi tipo di disturbo presente
nell'alimentazione di rete e rientra nei rigidi valori di tolleranza per ampiezza e
frequenza;
 Alta disponibilità: la fornitura costante di tensione, entro le tolleranze specificate,
è assicurata da una fonte di alimentazione di emergenza. L'alimentazione di
emergenza solitamente proviene da una batteria, che fornisce energia quando
necessario, senza alcuna discontinuità, sostituendo l'alimentazione di rete e
garantendo all'applicazione l'autonomia di cui ha bisogno.
Tali caratteristiche fanno dell'UPS la tipologia di alimentazione ideale per tutte le
applicazioni sensibili, grazie a qualità e disponibilità di alimentazione garantite,
indipendentemente dalle condizioni della rete.
Componenti di un UPS
Un UPS solitamente è costituito dai componenti principali indicati di seguito.
Raddrizzatore/caricabatteria
Questo componente assorbe l'alimentazione di rete e produce una corrente
continua, che alimenta l'inverter e carica o ricarica la batteria.
Inverter
Questo componente rigenera totalmente una sinusoide di alta qualità per la tensione
in uscita:
 priva di qualsiasi tipo di disturbo presente nell'alimentazione di rete, in particolare
esente da microinterruzioni;
 entro i valori di tolleranza richiesti dai dispositivi elettronici sensibili (ad esempio,
tolleranze relative ad ampiezza ± 0,5% e frequenza ± 1%, in confronto a ± 10% e ±
5% per i sistemi di alimentazione di rete, ovvero un fattore di miglioramento pari
rispettivamente a 20 e 5).
Nota: il termine "inverter" viene utilizzato a volte per indicare l'intero UPS, mentre in
realtà ne costituisce solo una parte.
Batteria
La batteria garantisce un'autonomia operativa sufficiente (da 6 minuti ad alcune ore)
subentrando al posto dell'alimentazione di rete quando necessario.
Bypass statico
Il bypass statico garantisce il trasferimento senza interruzione del carico dall'inverter
all'alimentazione di rete diretta e viceversa. Il trasferimento senza interruzione viene
eseguito da un dispositivo che implementa gli SCR (a volte denominato
commutatore statico).
Grazie al bypass statico è possibile mantenere costante l'alimentazione del carico,
persino in caso di guasto interno o durante gli interventi di manutenzione dei moduli
raddrizzatore/caricabatteria e inverter. Questo componente può inoltre essere
utilizzato per i trasferimenti volti a richiamare a monte tutta l'alimentazione
disponibile nel caso di sovraccarichi (ad esempio, cortocircuiti) che superano la
capacità dell'UPS.
Durante il funzionamento in modalità bypass statico, il carico è fornito direttamente
dall'alimentazione di rete e non è più protetto (funzionamento in modalità ridotta).
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pag. 5
UPS
Bypass di manutenzione
È possibile utilizzare questo bypass per alimentare il carico correttamente con
l'alimentazione di rete, senza dover richiamare l'inverter o il commutatore statico. Il
trasferimento al bypass di manutenzione viene attivato dall'utente mediante gli
interruttori. Attivando gli interruttori necessari, il bypass statico e l'inverter vengono
isolati per eseguire la manutenzione, ma continuano ad alimentare il carico in
modalità ridotta.
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Edizione 01/2012
pag. 6
UPS (cont.)
H V syste m
H V /LV
tra n sfo rm e r
N o rm a l u tility p o w e r
(d istu rb a n ce s a n d
syste m to le ra n ce s)
UPS
N o n -se n sitive lo a d s
R e ctifie r/
ch a rg e r
B a tte ry
In ve rte r
M a in te n a n ce
b ypa ss
Sta tic
b ypa ss
R e lia b le p o w e r
(n o d istu rb a n ce s, w ith in
strict to le ra n ce s
a n d a va ila b le d u e to
b a tte ry b a cku p p o w e r)
S e n sitive lo a d s
Fig. 5.1. La soluzione UPS.
Applicazioni UPS
APC by Schneider Electric
Gli UPS vengono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni che richiedono
energia elettrica sempre disponibile e esente dai disturbi tipici dell'alimentazione di
rete. La tabella seguente presenta alcune delle possibili applicazioni.
Per ciascuna di esse viene indicato il grado di sensibilità ai disturbi e il tipo di UPS
più adatto alla protezione dell'applicazione.
Le applicazioni che richiedono questo tipo di installazione sono:
 sistemi informatici;
 telecomunicazioni;
 sistemi produttivi e strumentazione;
 altre applicazioni.
Le tipologie di UPS più adatte sono descritte a pagina 9, nella sezione "Tipi di UPS
statici".
Sono presenti UPS statici con le seguenti caratteristiche:
 standby passivo;
 interazione con il sistema di distribuzione;
 doppia conversione.
Edizione 01/2012
pag. 7
UPS (cont.)
Applicazioni UPS
Applicazione
Sistemi informatici
Data center
Reti aziendali
Piccole reti e server
Computer autonomi
Telecomunicazioni
Telecomunicazioni
Dispositivi protetti
Protezione necessaria contro
Microinterr Interruzioni Variazioni Variazioni Altro
uzioni
di tensione di
frequenza
- Ampi alloggiamenti per server montati *****
su rack
- Data center su Internet
- Insiemi di computer con terminali e
*****
periferiche (unità di archiviazione su
nastro, unità disco e così via)
- Reti costituite da PC o workstation, reti ****
di server (WAN, LAN)
*****
*****
*****
*****
Doppia
conversione
*****
*****
*****
*****
Doppia
conversione
****
***
***
**
- PC, workstation
- Periferiche: stampanti, plotter,
segreteria telefonica
**
**
*
*
**
Interazione con il
sistema di
distribuzione
Standby passivo
- PABX digitali
*****
*****
*****
*****
*****
Doppia
conversione
***
*****
***
***
****
Doppia
conversione
****
*****
****
****
***
***
****
***
***
***
Doppia
conversione
Doppia
conversione
**
****
***
***
**
Doppia
conversione
Interazione con il
sistema di
distribuzione
****
****
****
*****
***
Doppia
conversione
Sistemi produttivi e strumentazione
Processi industriali
- Controllo di processo
- PLC
- Sistemi a controllo numerico
- Sistemi di controllo
- Sistemi di monitoraggio/controllo robot
- Macchine automatiche
Settore medico e
- Strumentazione
laboratori
- Scanner (60 Hz)
Attrezzature industriali - Macchine utensili
- Robot per saldatura
- Presse a iniezione plastica
- Dispositivi di regolazione di precisione
(tessuto, carta e così via)
- Impianti di riscaldamento per la
produzione di semiconduttori, vetro,
materiali puri
Impianti di illuminazione - Edifici pubblici (ascensori, dispositivi di
sicurezza)
- Gallerie
- Impianti di illuminazione delle piste
negli aeroporti
Altre applicazioni
Frequenze speciali
- Conversione di frequenza
- Alimentatori per aeromobili (400 Hz)
*
bassa sensibilità ai disturbi.
*****
alta sensibilità ai disturbi.
APC by Schneider Electric
Tipo di UPS
(vedere pag. 8)
Edizione 01/2012
pag. 8
Tipi di UPS
UPS statico o rotante
Fare riferimento
al WP 92 
Soluzioni con UPS statico o rotante
Esistono due tipologie principali di UPS (figura 5.2 e maggiori dettagli in  White
Paper WP 92 - "Comparison of Static and Rotary UPS", Confronto tra UPS statico e
rotante) che differiscono fondamentalmente nel modo in cui è implementata la
funzione inverter dell'UPS.
Soluzione statica
Questi UPS utilizzano solo componenti elettronici per eseguire la funzione inverter.
Si ottiene così una funzione inverter statico.
Soluzione rotante
Questi UPS utilizzano macchine rotative per eseguire la funzione inverter.
Si ottiene così una funzione inverter rotante.
In pratica, in questi UPS vengono uniti un motore, un generatore e un inverter statico
molto semplificato.
L'inverter filtra i disturbi provenienti dall'alimentazione di rete e regola solamente la
frequenza della tensione in uscita (solitamente in forma di "onda quadra"), che
alimenta un gruppo motore/generatore regolato, a volte collegato a un volano.
Il gruppo motore/generatore genera una sinusoide di tensione in uscita, utilizzando
la frequenza in uscita dell'inverter come riferimento.
Fig. 5.2. UPS statico e rotante.
Confronto
Soluzione rotante
Alcune delle argomentazioni a sostegno di questa soluzione sono le seguenti:
 Elevata corrente di cortocircuito del generatore dell'ordine di 10 In (dieci volte la
corrente nominale) che facilita la protezione dei dispositivi;
 Capacità di sovraccarico pari al 150% (della corrente nominale) su un periodo più
lungo (due minuti anziché uno);
 Installazione a valle isolata galvanicamente dalla sorgente di corrente alternata a
monte grazie al gruppo motore/generatore;
 Impedenza interna che assicura elevate tolleranze ai carichi non lineari, spesso
presenti con gli alimentatori a commutazione tipici dei sistemi informatici.
APC by Schneider Electric
Edizione 05/2012
pag. 9
Tipi di UPS (cont.)
Soluzione statica
Confronto con i vantaggi delle soluzioni rotanti
Gli UPS statici di APC by Schneider Electric offrono tutti i vantaggi elencati di
seguito.
 Funzionamento in modalità di limitazione di corrente (ad esempio, fino a 2,33 per
MGE Galaxy 5000) con discriminazione garantita per circuiti con valori fino a In/2.
Queste caratteristiche, più che sufficienti a livello operativo, escludono gli svantaggi
dei sistemi rotanti:
- surriscaldamento dei cavi;
- le conseguenze di una corrente di cortocircuito eccessiva e il calo di tensione
corrispondente per i dispositivi sensibili, durante il tempo necessario ai dispositivi di
protezione per eliminare il guasto.
 Capacità di sovraccarico pari al 150% (della corrente nominale) per un minuto.
La capacità di sovraccarico di due minuti non ha alcuna reale utilità, dato che la
maggior parte dei sovraccarichi è di brevissima durata (inferiore a un secondo, come
per le correnti di spunto di motori, trasformatori ed elettronica di potenza).
 Isolamento galvanico, se necessario, ottenuto mediante un trasformatore di
isolamento.
 Funzionamento a doppia conversione che isola completamente il carico
dall'alimentazione di rete e rigenera la tensione in uscita con una regolazione di
precisione di ampiezza e frequenza della tensione.
 Impedenza interna molto bassa per prestazioni migliori con carichi non lineari
grazie all'impiego di tecnologie a transistor di potenza.
Altri vantaggi
 Le soluzioni statiche offrono molti altri vantaggi, grazie all'utilizzo della tecnologia
con transistor di potenza unita alla tecnica di chopping (interruzione) PWM.
 Design complessivo semplificato, che presenta una riduzione del numero di
componenti e connessioni, nonché delle possibili cause di guasto.
 Capacità di reazione immediata alle fluttuazioni di frequenza e ampiezza
dell'alimentazione di rete mediante regolazione a commutazione comandata da
microprocessore, basata sulle tecniche di campionamento digitale. L'ampiezza di
tensione torna alle condizioni impostate (± 0,5% o ± 1% a seconda del modello) in
meno di 10 millisecondi per variazioni del gradino di carico fino al 100%.
Nell'intervallo di tempo indicato, il cambiamento del gradino di carico produce una
variazione della tensione di carico inferiore a ± 2% per MGE Galaxy PW e Galaxy
5000, ad esempio.
 Efficienza elevata e costante con qualsiasi carico percentuale: un vantaggio
fondamentale per unità UPS ridondanti con bassi carichi percentuali. Un'unità UPS
statica con carico al 50% mantiene un'elevata efficienza (94%), mentre l'efficienza
dell'UPS rotante cala fino a un intervallo di 88-90% (valore tipico), con un effetto
diretto sui costi di esercizio.
 Configurazioni ridondanti che garantiscono elevata disponibilità nella struttura di
sistemi di alimentazione particolarmente affidabili (ad esempio, per data center).
 Possibile integrazione in architetture ridondanti con funzioni separate che
semplificano gli interventi di manutenzione, mediante l'isolamento di alcuni
componenti dell'installazione.
I sistemi rotanti consentono di integrare l'UPS, l'alimentazione di emergenza e il
generatore in un unico componente, rendendo così possibile la separazione delle
funzioni.
 Nessun punto singolo di vulnerabilità. I sistemi rotanti dotati di volani si basano
sulla capacità del motore di avviarsi rapidamente (solitamente in meno di 12
secondi). Ciò significa che il motore deve sempre essere in condizioni perfette e
sottoposto a una manutenzione costante. Se non si avvia, non c'è tempo per
eliminare i carichi critici in maniera ordinata.
 È inoltre importante evidenziare i seguenti vantaggi non trascurabili:
 dimensioni e peso ridotti;
 nessuna usura dei componenti rotativi, con la conseguente facilità e rapidità di
manutenzione. Ad esempio, con i sistemi rotanti è necessario verificare
l'allineamento delle parti rotative e, dopo un periodo compreso tra 2 e 6 anni, la
sostituzione dei cuscinetti è un intervento importante (sollevamento dell'attrezzatura,
riscaldamento e raffreddamento dei cuscinetti durante la sostituzione).
Conclusione
Grazie ai vantaggi sopra indicati, gli UPS statici vengono utilizzati nella maggior
parte dei casi, in particolare per applicazioni ad elevata potenza.
APC by Schneider Electric
Edizione 05/2012
pag. 10
Tipi di UPS (cont.)
 Nelle pagine seguenti, il termine UPS (uninterruptible power supply) sta a indicare
la soluzione statica.
APC by Schneider Electric
Edizione 05/2012
pag. 11
Tipi di UPS (cont.)
Tipi di UPS statici
Norme
UPS
A causa del notevole aumento dei carichi sensibili, con il termine "UPS" si intende
oggi un gran numero di dispositivi che spaziano dalle poche centinaia di VA per PC
fino a molti MVA per data center e centri di telecomunicazioni.
Allo stesso tempo, sono state sviluppate diverse tipologie di prodotti, con nomi
commerciali non sempre chiari (a volte persino fuorvianti) per gli utenti finali.
Per questo motivo la IEC (International Electrotechnical Commission, Commissione
elettrotecnica internazionale) ha stabilito nuovi standard che regolamentano le
tipologie di UPS e le tecniche utilizzate per misurare il livello delle prestazioni. Tali
criteri sono stati inoltre adottati dal CENELEC, ovvero il Comitato europeo di
normazione elettrotecnica.
La norma IEC 62040-3 e la sua equivalente europea EN 62040-3 definiscono tre tipi
(topologie) standard di UPS e i relativi livelli di prestazioni.
Le tecnologie UPS includono:
● Standby passivo
● Line-interactive
● Doppia conversione
Alimentazione CA in ingresso
Le seguenti definizioni riguardano il funzionamento dell'UPS in rapporto alla fonte di
alimentazione, compreso il sistema di distribuzione a monte dell'UPS.
Le norme definiscono i seguenti termini:
 Alimentazione principale: energia normalmente disponibile in modo continuo, di
solito offerta da un'azienda di fornitura elettrica, ma a volte generata dall'utente
stesso;
 Alimentazione in standby: energia destinata a sostituire l'alimentazione
principale in caso di guasto alla stessa.
In sostanza un UPS può avere uno o due ingressi:
 Ingresso CA normale (o Rete 1), alimentato dall'alimentazione principale;
 Ingresso CA di bypass (o Rete 2), alimentato dall'alimentazione in standby,
solitamente mediante un cavo separato proveniente dallo stesso quadro elettrico
generale di bassa tensione (QGBT).
UPS in funzione in modalità di standby passivo
 L'UPS viene installato in parallelo alla rete e la sostituisce in caso di
emergenza. La batteria viene caricata mediante un caricabatteria che costituisce un
elemento separato dall'inverter.
Principio di funzionamento
 Modalità normale
- L'inverter funziona in modalità di standby passivo.
- Il carico è alimentato dalla rete attraverso un filtro che elimina alcuni disturbi e
fornisce una regolazione parziale della tensione.
- Le norme non definiscono ulteriormente il filtro, si parla semplicemente di un
"interruttore UPS". Viene inoltre indicato che "è possibile incorporare ulteriori
dispositivi per fornire una compensazione dell'alimentazione, ad esempio un
trasformatore ferrorisonante o un trasformatore a commutazione automatica di
prese".
 Modalità batteria di riserva
- Quando la tensione CA in ingresso non rispetta le tolleranze specificate per l'UPS o
l'alimentazione di rete non è disponibile, l'inverter e la batteria subentrano per
garantire l'alimentazione continua del carico, in seguito a un brevissimo periodo di
trasferimento (solitamente meno di 10 ms). Le normative non stabiliscono un periodo
di tempo, ma specificano che "il carico viene trasferito all'inverter direttamente o
mediante l'interruttore UPS (che può essere di tipo elettronico o elettromeccanico)".
- L'UPS continua a funzionare con l'alimentazione della batteria fino al termine
dell'autonomia della stessa o fino al ripristino della normale alimentazione di rete,
che comporta il trasferimento del carico all'ingresso CA precedentemente utilizzato
(modalità normale).
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Edizione 05/2012
pag. 12
Tipi di UPS (cont.)
Fig. 5.3. UPS in funzione in modalità di standby passivo.
Vantaggi
 Schema semplificato;
 Costi ridotti.
Svantaggi
 Nessun reale isolamento del carico rispetto al sistema di distribuzione a monte;
 Tempo di trasferimento. Il sistema opera senza un vero commutatore statico,
quindi è necessario un determinato lasso di tempo per il trasferimento del carico
all'inverter. Questo periodo di tempo risulta accettabile per alcune applicazioni
individuali, ma è incompatibile con le prestazioni richieste da sistemi più sensibili e
sofisticati (centri informatici di grandi dimensioni, centrali telefoniche e così via);
 Nessuna regolazione della frequenza in uscita, che resta quella dell'alimentazione
di rete.
Utilizzo
Questa configurazione rappresenta un compromesso tra il costo e un livello
accettabile di protezione dai disturbi.
A causa degli svantaggi sopra indicati, questo tipo di UPS, in pratica, viene utilizzato
solo per potenze nominali basse (< 2 kVA) e non può essere impiegato come
convertitore di frequenza.
UPS in funzione in modalità line-interactive
Nella configurazione di standby l'inverter è collegato in parallelo all'ingresso
CA e ha anche la funzione di caricabatteria, pertanto interagisce (funzionamento
inverso) con la sorgente CA in ingresso.
Principio di funzionamento
 Modalità normale
Il carico è alimentato con alimentazione condizionata mediante un collegamento in
parallelo tra ingresso CA e inverter. Se l'alimentazione di rete rientra nei valori di
tolleranza, l'inverter regola le fluttuazioni nella tensione in ingresso. In caso contrario
(funzionamento inverso), l'inverter carica la batteria. La frequenza in uscita varia in
base alla frequenza in ingresso CA.
 Modalità batteria di riserva
- Quando la tensione CA in ingresso non rispetta le tolleranze specificate per l'UPS o
l'alimentazione di rete non è disponibile, l'inverter e la batteria subentrano per
garantire l'alimentazione continua del carico. L'interruttore di rete (ad esempio, un
commutatore statico) scollega inoltre la corrente alternata in ingresso per impedire il
passaggio dell'alimentazione dall'inverter a monte.
- L'UPS continua a funzionare con l'alimentazione della batteria fino al termine
dell'autonomia della stessa o fino al ripristino della normale alimentazione di rete,
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pag. 13
Tipi di UPS (cont.)
che comporta il trasferimento del carico all'ingresso CA precedentemente utilizzato
(modalità normale).
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pag. 14
Tipi di UPS (cont.)
 Modalità bypass
Questo tipo di UPS può essere dotato di bypass. In caso di mancato funzionamento
di una delle funzioni dell'UPS, è possibile trasferire il carico all'ingresso CA di bypass
attraverso il bypass di manutenzione.
Fig. 5.4. UPS in funzione in modalità line-interactive.
Vantaggi
 I costi possono essere ridotti rispetto agli UPS a doppia conversione con una
potenza nominale equivalente, poiché l'inverter non funziona in modo continuo.
Svantaggi
 Nessun reale isolamento del carico rispetto al sistema di distribuzione a monte, il
che comporta:
- sensibilità alle variazioni nella tensione di rete e frequenti richieste a carico
dell'inverter;
- influenza dei carichi non lineari a valle sulla tensione in ingresso a monte.
 Nessuna regolazione della frequenza in uscita, che resta quella dell'alimentazione
di rete.
 Mediocre compensazione della tensione in uscita, in quanto l'inverter non è
installato in serie con l'ingresso CA. La norma parla di "alimentazione compensata" a
causa del collegamento in parallelo tra ingresso CA e inverter. Tuttavia la
compensazione è limitata dalla sensibilità alle fluttuazioni di tensione a monte e a
valle, nonché dalla modalità operativa reversibile dell'inverter.
 L'efficienza dipende da vari fattori:
- il tipo di carico. Con carichi non lineari, la corrente assorbita è costituita da
armoniche che alterano la corrente fondamentale. Le correnti armoniche sono
alimentate dall'inverter reversibile che regola la tensione, riducendo drasticamente
l'efficienza.
- il carico percentuale. Al decrescere del carico percentuale, la potenza richiesta per
caricare la batteria aumenta in modo significativo.
 Si rileva un punto singolo di vulnerabilità dovuto all'assenza di un bypass statico;
in pratica, in caso di malfunzionamento, l'UPS si spegne.
Utilizzo
Questa configurazione non si adatta alla regolazione di carichi sensibili nella gamma
di potenza medio-alta, in quanto non consente di eseguire la regolazione della
frequenza. Per questa ragione, viene utilizzata quasi esclusivamente per potenze
nominali basse.
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pag. 15
Tipi di UPS (cont.)
UPS a doppia conversione
L'inverter è collegato in serie con l'ingresso CA e l'applicazione. L'alimentazione
del carico attraversa costantemente l'inverter.
Principio di funzionamento
 Modalità normale
Durante il normale funzionamento, l'alimentazione fornita al carico passa attraverso il
raddrizzatore/caricabatteria e l'inverter che in combinazione eseguono una doppia
conversione (CA-CC-CA), da cui il nome. La tensione è continuamente rigenerata e
regolata.
 Modalità batteria di riserva
- Quando la tensione CA in ingresso non rispetta le tolleranze specificate per l'UPS o
l'alimentazione di rete non è disponibile, l'inverter e la batteria subentrano per
garantire l'alimentazione continua del carico.
- L'UPS continua a funzionare con l'alimentazione della batteria fino al termine
dell'autonomia della stessa o fino al ripristino della normale alimentazione di rete,
che comporta il trasferimento del carico all'ingresso CA precedentemente utilizzato
(modalità normale).
 Modalità bypass
Questo tipo di UPS è dotato di un bypass statico (a volte denominato commutatore
statico) che garantisce il trasferimento senza interruzione del carico dall'inverter
all'alimentazione di rete diretta e viceversa.
Il carico viene trasferito al bypass statico nei seguenti casi:
- guasto dell'UPS;
- transienti della corrente di carico (correnti di spunto o di guasto);
- sovraccarichi;
- fine dell'autonomia della batteria.
La presenza di un bypass statico presuppone che le frequenze in ingresso e uscita
siano identiche; in questo caso l'UPS non può essere utilizzato come convertitore di
frequenza. Se i livelli di tensione non corrispondono è necessario utilizzare un
trasformatore bypass.
L'UPS è sincronizzato con l'ingresso CA di bypass per garantire trasferimenti privi di
interruzioni dall'inverter alla linea di bypass.
Nota: è disponibile una seconda linea di bypass, spesso denominata bypass di
manutenzione, da utilizzare per gli interventi di manutenzione. Questa linea è chiusa
da un interruttore manuale.
Fig. 5.5.UPS a doppia conversione.
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Tipi di UPS (cont.)
Vantaggi
 Rigenerazione completa dell'alimentazione in uscita, proveniente sia dalla rete sia
dalla batteria;
 Totale isolamento del carico dal sistema di distribuzione e dai suoi disturbi;
 Ampio intervallo di tensione in ingresso e allo stesso tempo precisa regolazione
della tensione in uscita;
 Indipendenza delle frequenze in ingresso e in uscita, che consente di rientrare
sempre nelle rigide tolleranze relative alla frequenza in uscita. Possibilità di utilizzo
come convertitore di frequenza (se previsto), semplicemente disattivando il
commutatore statico;
 Prestazioni di livello molto superiore in condizioni di stato stazionario e transitorie;
 Passaggio immediato alla modalità batteria di riserva in caso di guasto
all'alimentazione di rete;
 Trasferimento senza interruzione a una linea di bypass (modalità bypass);
 Possibilità di bypass manuale (di solito standard) per facilitare gli interventi di
manutenzione.
Svantaggi
 Prezzo di mercato elevato, ma compensato dai numerosi vantaggi.
Utilizzo
Questa configurazione è la più completa in termini di protezione del carico,
possibilità di regolazione e livelli di prestazione. Viene così garantita la massima
indipendenza della tensione e frequenza in uscita rispetto a tensione e frequenza in
ingresso.
I suoi numerosi vantaggi rendono questa configurazione virtualmente l'unica
utilizzabile per potenze nominali medie e alte (a partire da 10 kVA).
Conclusione
Gli UPS a doppia conversione rappresentano la maggioranza dei sistemi di
potenza medio-alta venduti (95% con potenza di pochi kVA e 98% per potenze di
10 kVA e superiori).
Ciò è dovuto ai numerosi punti di forza degli UPS di questo tipo, che rispondono
alle esigenze di carichi sensibili con potenze nominali come quelle indicate, in
particolare grazie al posizionamento in serie dell'inverter e dell'ingresso CA.
Inoltre, questa soluzione è caratterizzata da pochissimi svantaggi, a parte
ovviamente il costo elevato, che è però giustificato dall'offerta di prestazioni
superiori, indispensabili per la protezione di carichi di natura critica. Un altro punto
debole è rappresentato dalle perdite leggermente più elevate (una piccola
percentuale).
Nelle gamme di potenza prese in considerazione, le altre tecnologie risultano
marginali, nonostante i costi notevolmente inferiori.
Tali tecnologie presentano gli svantaggi qui elencati:
 Nessuna regolazione della tensione per UPS in modalità di standby passivo;
 Nessuna regolazione della frequenza per UPS in modalità di standby passivo e
UPS line-interactive;
 Isolamento mediocre (spesso un limitatore di tensione) dall'ingresso CA a causa
della configurazione in parallelo dell'inverter.
Conclusione
Per potenze nominali basse (<2 kVA), le tre tecnologie standard coesistono.
È il rapporto tra costi ed efficacia delle funzioni di protezione, in relazione ai requisiti
dei carichi e ai possibili rischi (per persone, produzione e così via), a determinare la
scelta di una delle tre tipologie.
 Gli UPS a doppia conversione sono utilizzati quasi esclusivamente per
potenze nominali superiori.
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Tipi di UPS (cont.)
UPS in linea a conversione delta
La struttura di questo UPS, illustrata nella figura 5.6, è costituita da una tecnologia
più recente, introdotta dieci anni fa per eliminare gli inconvenienti tipici della struttura
in linea a doppia conversione. È disponibile in dimensioni che vanno da 5 kVA a 1,6
MW. Negli UPS in linea a conversione delta, molto simili per struttura a quelli in
linea a doppia conversione, l'inverter alimenta sempre la tensione di carico.
Tuttavia, il convertitore delta fornisce anche potenza all'uscita dell'inverter. In caso
di disturbi o guasti CA, questa struttura si comporta esattamente come quella in linea
a doppia conversione.
STATIC BYPASS
SWITCH
DELTA
TRANSFORMER
AC
AC
DC
DC
MAIN
INVERTER
DELTA
CONVERTER
BATTERY
Figura 5.6: UPS in linea a conversione delta
Un metodo semplice per capire l'efficienza energetica della topologia a conversione
delta consiste nel considerare l'energia necessaria per consegnare un pacco dal
quarto piano al quinto piano di un edificio come illustrato nella Figura 5.7. La
tecnologia di conversione delta consente di risparmiare energia poiché il pacco viene
trasportato solo per la differenza (delta) tra i due punti di inizio e fine del percorso.
L'UPS in linea a doppia conversione trasferisce l'alimentazione alla batteria e
viceversa, mentre il convertitore delta sposta solo dei componenti dell'alimentazione
dall'ingresso all'uscita.
DOUBLE CONVERSION
DELTA CONVERSION
X
4th
Floor
X
5th
Floor
5th
Floor
4th
Floor
Figura 5.7: Confronto tra doppia conversione e conversione delta
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pag. 18
Tipi di UPS (cont.)
Nella struttura della conversione delta in linea, il convertitore delta viene utilizzato
per una doppia finalità. La prima è il controllo delle caratteristiche della potenza in
ingresso. Questo front end attivo assorbe la potenza in modo sinusoidale, riducendo
al minimo le armoniche riflesse sulla rete. In questo modo la compatibilità tra sistema
del generatore e rete è ottimizzata, con una conseguente riduzione del riscaldamento e
dell'usura del sistema di distribuzione dell'alimentazione. La seconda funzione del
convertitore delta è il controllo della corrente in ingresso, al fine di caricare il sistema
della batteria.
Gli UPS in linea a conversione delta garantiscono le stesse caratteristiche di uscita
rispetto a quelli in linea a conversione doppia. Tuttavia, le caratteristiche in ingresso
sono spesso differenti. Un design in linea a conversione delta fornisce un ingresso per
il fattore di potenza rettificato e controllato dinamicamente, ovviando all'utilizzo poco
efficiente di banchi di filtri, tipico delle soluzioni tradizionali. Il vantaggio principale
è una riduzione significativa delle perdite di energia. Inoltre il controllo della potenza
in ingresso rende l'UPS compatibile con tutti i gruppi di generatori e riduce la
necessità di sovradimensionare i cavi e il generatore. La tecnologia in linea a
conversione delta è oggi l'unica tecnologia specifica per UPS protetta da brevetti,
pertanto è improbabile che sia disponibile presso un gran numero di fornitori UPS.
In condizioni di stato stazionario il convertitore delta consente all'UPS di fornire
potenza al carico con un'efficienza molto maggiore rispetto alla struttura a doppia
conversione.
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Componenti e funzionamento dell'UPS
Componenti di un UPS
Le informazioni riportate di seguito riguardano gli UPS a doppia conversione,
ovvero la tecnologia più frequentemente utilizzata da APC by Schneider Electric per
potenze nominali superiori a 10 kVA.
Schema generale di un UPS
Ai vari elementi riportati nel seguente schema sono stati assegnati dei numeri che
corrispondono alle sezioni presenti nelle pagine successive.
Fig. 5.6. Componenti di un'unità UPS.
Fonti di alimentazione e ingressi UPS
In sostanza un UPS può avere uno o due ingressi:
 Ingresso CA normale (o Rete 1), alimentato dall'alimentazione principale;
 Ingresso CA di bypass (o Rete 2), alimentato dall'alimentazione in standby,
solitamente mediante un cavo separato proveniente dallo stesso quadro elettrico
generale di bassa tensione (QGBT).
 Fonti CA, vedere pag. 9.
Per una maggiore affidabilità generale del sistema, si consiglia di collegare l'UPS sia
alla fonte di alimentazione principale sia a quella in standby (ingressi UPS alimentati
mediante due circuiti separati provenienti dal QGBT). Tuttavia, se non sono
disponibili due circuiti separati dal QGBT, entrambi gli ingressi CA (normale e
bypass) possono essere alimentati mediante l'alimentazione principale (secondo
cavo).
La gestione dei trasferimenti tra le tue linee in ingresso è la seguente.
 L'UPS sincronizza la tensione in uscita dell'inverter con quella della linea di
bypass, nel caso in cui quest'ultima rientri nei valori di tolleranza. Se è necessario, il
commutatore statico può trasferire il carico all'ingresso CA di bypass, senza
interruzioni (dato che le due tensioni sono sincronizzate e in fase) né disturbi (dato
che l'alimentazione in standby rientra nella tolleranza) per il carico stesso.
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pag. 20
Componenti e funzionamento dell'UPS
 Al contrario, quando l'alimentazione in standby non rientra nei valori di tolleranza,
l'inverter non è più sincronizzato e il trasferimento risulta impossibile. È comunque
possibile eseguirlo manualmente.
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pag. 21
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Componenti di un UPS
Raddrizzatore/caricabatteria (1)
Trasforma l'alimentazione CA dalla fonte di alimentazione principale in corrente e
tensione CC utilizzata per:
 alimentare l'inverter;
 caricare la batteria e fornirle tensione di mantenimento.
Inverter (2)
Utilizzando la corrente continua fornita da:
 raddrizzatore durante il normale funzionamento;
 batteria durante il funzionamento autonomo;
l'inverter rigenera completamente un segnale sinusoidale in uscita, che rientra nei
valori di tolleranza di ampiezza e frequenza.
Batteria (3)
Garantisce l'autonomia dell'UPS rispetto all'alimentazione di rete in caso di:
 interruzione di servizio;
 caratteristiche dell'alimentazione di rete che non rispettano la tolleranza specificata
per l'UPS.
L'autonomia della batteria è normalmente compresa tra 6 e 30 minuti e può essere
estesa su richiesta. In base alla durata dell'autonomia, la batteria è alloggiata
nell'armadio dell'UPS o in un armadio separato.
Bypass statico (4)
Viene utilizzato un commutatore statico per il trasferimento del carico dall'inverter al
bypass senza alcuna interruzione* nell'alimentazione del carico (l'assenza di
interruzioni dipende dal fatto che il trasferimento viene eseguito da componenti
elettronici e non meccanici). Il passaggio è possibile quando le frequenze a monte e
a valle dell'UPS sono identiche.
Il trasferimento avviene automaticamente per una delle seguenti ragioni:
 Arresto volontario dell'UPS;
 Sovraccarico che supera la capacità limitata dell'inverter (è possibile disattivare
questo trasferimento);
 Guasto interno.
È anche possibile eseguirlo manualmente.
* Il trasferimento senza interruzioni è possibile quando la tensione in uscita dell'inverter e quella
in ingresso CA del bypass sono sincronizzate. La sincronizzazione viene mantenuta fino a
quando l'alimentazione in standby rientra nei valori di tolleranza.
Bypass manuale (5)
Per il trasferimento del carico al bypass a fini di manutenzione viene utilizzato un
interruttore manuale. Il passaggio è possibile quando le frequenze a monte e a valle
dell'UPS sono identiche.
Per passare alla modalità di bypass manuale vengono utilizzati interruttori manuali.
Interruttori manuali (6, 7, 8)
Questi dispositivi isolano i moduli raddrizzatore/caricabatteria e inverter e/o la linea
di bypass per interventi di manutenzione.
Interruttore di circuito delle batterie (9)
L'interruttore di circuito delle batterie protegge queste ultime da uno scaricamento
eccessivo, nonché il raddrizzatore/caricabatteria e l'inverter da un eventuale
cortocircuito della batteria.
Trasformatore di isolamento a monte (10)
(attrezzatura opzionale)
Garantisce l'isolamento dell'ingresso/uscita UPS quando l'installazione a valle è
alimentata attraverso il bypass.
Risulta particolarmente utile quando le modalità di messa a terra dei sistemi a monte
e a valle sono diverse. Può essere installato nell'armadio UPS per la gamma MGE
Galaxy PW.
Trasformatore di adattamento della tensione (11)
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pag. 22
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
(attrezzatura opzionale)
Consente di adattare la tensione al valore desiderato.
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pag. 23
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Filtri (12)
(attrezzatura opzionale)
 Quando il raddrizzatore/caricabatteria è di tipo a ponte di Graetz basato su tiristori
(come negli UPS MGE Galaxy PW e 9000), un filtro armonico a monte riduce le
armoniche di corrente prodotte dall'attivazione dei tiristori del raddrizzatore (vedere
"Installazione dell'UPS - Fattori chiave" a p. 24). In questo modo viene inoltre
ridotta la distorsione di tensione sulle barre collettrici a monte derivante dal
passaggio delle correnti armoniche (il livello necessario è solitamente <5%). Inoltre
questi UPS prodotti da APC by Schneider Electric sono dotati di un conduttore
neutro sovradimensionato, installato di serie, che consente di far fronte alle
conseguenze di armoniche di terzo ordine e relativi multipli che attraversano il
conduttore neutro.
 Tutti gli altri UPS delle gamme MGE Galaxy e Symmetra sono dotati di un
raddrizzatore tipo PFC che elimina la necessità di utilizzare un filtro (vedere
"Installazione dell'UPS - Fattori chiave" a p. 24).
 A valle, gli UPS che impiegano le nuove tecniche di chopping PWM possono
essere collegati direttamente a carichi non lineari. Questa tecnica consente agli UPS
prodotti da APC by Schneider Electric di mantenere i livelli di THDU (distorsione
armonica totale) al di sotto del 3%.
Comunicazioni integrate (13) (14)
Accanto all'esigenza di un'interfaccia uomo/macchina di facile utilizzo per monitorare
l'attività dell'UPS, risulta oggi sempre più importante la comunicazione tra gli UPS e
l'ambiente elettrico e di calcolo (sistemi di supervisione, sistemi di gestione degli
edifici o BMS, sistemi di gestione informatica e così via).
Gli UPS di APC by Schneider Electric sono progettati con una capacità integrata di
comunicazione totale e includono:
 Un'interfaccia uomo/macchina (HMI) di facile utilizzo con display grafico avanzato
e quadro sinottico. L'interfaccia si basa su sistemi di automonitoraggio e
autodiagnostica che indicano continuamente lo stato dei vari componenti UPS, in
particolare delle batterie.
Ad esempio, per le gamme MGE Galaxy:
- il sistema Digibat monitora continuamente lo stato della batteria con funzioni
complete di gestione della batteria;
- il sistema di monitoraggio della batteria B2000 o Cellwatch rileva immediatamente
e localizza eventuali guasti alla batteria, per un monitoraggio predittivo.
Per le gamme Symmetra:
- il sistema di gestione della batteria APC installabile su rack (1U), accessibile
mediante browser Web, unisce il monitoraggio e la verifica della batteria alla carica
rapida singola per il massimo rendimento della batteria.
 Un'ampia selezione di schede di comunicazione compatibili con gli standard del
mercato:
- Scheda di gestione della rete (Ethernet)
- Scheda Modbus - Jbus (RS232 e RS485)
- Scheda relè (contatti a secco) per indicazioni
- Scheda modem con teleassistenza
È possibile utilizzare tali schede per implementare funzioni di teleassistenza, arresto
controllato, notifiche e supervisione.
 Interfaccia uomo-macchina e trasmissione di informazioni: vedere "Installazione
dell'UPS - Fattori chiave" p. 49.
Dispositivi di protezione e distribuzione a monte e/o a valle (15) (16)
(attrezzatura opzionale)
È possibile dotare l'UPS della seguente attrezzatura:
 Interruttori di circuito BT a monte per ingressi CA (normale e bypass);
 Quadro elettrico BT a monte con protezione degli interruttori di circuito per ingressi
CA (normale e bypass);
 Quadro elettrico BT a valle con protezione degli interruttori di circuito per diversi
circuiti di uscita.
APC by Schneider Electric offre una selezione di UPS e dispositivi di protezione
perfettamente coordinati in termini di valori nominali e prestazioni.
Soluzioni complete
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pag. 24
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
APC by Schneider Electric è in grado di fornire soluzioni complete, dotate di tutti i
componenti elencati qui sopra, comprese soluzioni con aria condizionata per data
center, in combinazione con Schneider Electric. Per gli utenti, ciò significa avere un
unico partner commerciale e un'installazione che offre prestazioni e affidabilità
eccezionali.
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Edizione 01/2012
pag. 25
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Caratteristiche principali dei
componenti UPS
Le caratteristiche qui descritte sono basate sulle principali specifiche tecniche
descritte nelle norme IEC 62040-3 / EN 62040-3 riguardanti i requisiti prestazionali
per gli UPS.
Alcuni termini qui utilizzati differiscono dal linguaggio comune e certe nuove funzioni
non sono state ancora assimilate dai produttori del settore. Pertanto, caratteristiche e
termini nuovi impiegati nelle norme vengono qui indicati tra parentesi e preceduti da
un asterisco.
Ad esempio, il titolo della sezione "Corrente in ingresso durante la carica con
tensione di mantenimento della batteria", scritto con linguaggio di uso comune, è
seguito da "(* corrente in ingresso nominale)", locuzione utilizzata nella norma.
Inoltre, alcuni valori numerici vengono utilizzati come esempi.
Tali valori, per la maggior parte, provengono dalle caratteristiche tecniche degli UPS
corrispondenti, indicate nel Capitolo 4 o utilizzate semplicemente a scopo
esemplificativo.
Alimentazione CA in ingresso
Numero di fasi e modalità di messa a terra del sistema
L'alimentazione con ingresso CA (alimentazione principale) è trifase + neutro. Gli
ingressi monofase non vengono utilizzati per i livelli di potenza trattati qui.
La modalità di messa a terra del sistema è solitamente imposta dalle norme (IT, TT,
TNS o TNC).
Ingresso CA normale
L'ingresso CA normale è alimentato dall'alimentazione di rete per il
raddrizzatore/caricabatteria, entro determinati valori di tolleranza.
 Esempio: 400 V efficaci ± 15% a una frequenza di 50 o 60 Hz ± 5%, trifase.
Ingresso CA di bypass
L'ingresso CA di bypass è alimentato dall'alimentazione in standby. In pratica,
questo cavo è collegato a un alimentatore di rete nel quadro elettrico generale di
bassa tensione (QGBT), diverso da quello che alimenta l'ingresso CA normale.
Generalmente, la tensione così fornita ha le stesse caratteristiche di quella
dell'alimentazione di rete.
 Esempio: 400 V efficaci ± 15% a una frequenza di 50 o 60 Hz ± 5%, con una
corrente di cortocircuito Icc2 = 12,5 kA. La corrente di cortocircuito rappresenta
un'informazione importante per i dispositivi di protezione a valle in caso di
funzionamento mediante bypass statico o di manutenzione.
L'utilizzo di alimentazione principale e alimentazione in standby separate è
consigliato, poiché aumenta l'affidabilità generale del sistema, ma non è obbligatorio.
Tuttavia, se non sono disponibili due circuiti separati dal QGBT, entrambi gli ingressi
CA (normale e bypass) possono essere alimentati mediante l'alimentazione
principale (secondo cavo).
Raddrizzatore/caricabatteria
Tensione di mantenimento
Rappresenta la tensione fornita dal raddrizzatore/caricabatteria che mantiene la
batteria completamente carica.
Varia in base alle batterie utilizzate e alle indicazioni del produttore.
Corrente in ingresso durante la carica con tensione di mantenimento
della batteria (* corrente in ingresso nominale)
Rappresenta la corrente richiesta, in normali condizioni operative, per l'alimentazione
dell'inverter alla potenza nominale durante la carica con tensione di mantenimento
della batteria.
 Esempio: per un MGE Galaxy PW a 100 kVA con autonomia della batteria di 10
minuti, la corrente è I mantenimento ingresso = 166 A durante la carica con tensione
di mantenimento della batteria.
Corrente in ingresso durante la carica della batteria
Corrisponde alla corrente richiesta per l'alimentazione dell'inverter alla potenza
nominale durante la carica della batteria. Di conseguenza, ha un valore superiore
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pag. 26
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
rispetto alla corrente precedente e viene utilizzata per dimensionare i cavi di
ingresso del caricabatteria.
 Esempio: per lo stesso UPS di prima, la corrente in ingresso è I mantenimento
ingresso = 182 A, ovvero superiore a quella indicata sopra poiché è necessaria per
caricare la batteria.
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pag. 27
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Massima corrente in ingresso
Corrente in ingresso quando l'UPS funziona nelle peggiori condizioni di sovraccarico
consentite con la batteria scarica. È superiore alla corrente in ingresso durante la
carica della batteria indicata sopra (a causa della corrente di sovraccarico), ma è
limitata nel tempo (come il sovraccarico).
 Esempio: per lo stesso UPS indicato sopra, MGE Galaxy PW può sopportare un
sovraccarico del 25% per 10 minuti e un sovraccarico del 50% per un minuto. Nello
scenario peggiore con la carica della batteria in corso, la corrente in ingresso può
raggiungere:
I ingresso max = 182 A x 1,25 = 227,5 A per dieci minuti;
I ingresso max = 182 A x 1,5 = 273 A per un minuto
Oltre i limiti qui indicati, l'UPS avvia il trasferimento del carico senza interruzioni alla
linea di bypass e inverte il trasferimento automaticamente quando il sovraccarico è
terminato o è stato eliminato dai dispositivi di protezione preposti.
Batteria (* mezzo di immagazzinamento dell'energia)
Tipo
Una batteria è caratterizzata dalla tipologia (piombo-acido aperta o sigillata, nichelcadmio) e dal tipo di installazione. APC by Schneider Electric propone batterie
piombo-acido sigillate, installate in armadi.
Durata di servizio
Definita come il periodo operativo, in normali condizioni di utilizzo, durante il quale la
batteria è in grado di fornire almeno il 50% dell'autonomia iniziale.
 Ad esempio, l'UPS MGE Galaxy PW è alimentato di serie da batterie piomboacido sigillate con una durata di servizio di oltre dieci anni. Questo tipo di batteria,
con un'autonomia nominale di 30 minuti, alla fine della durata di servizio specificata
garantisce da contratto solo 15 minuti di autonomia.
Può avere un'autonomia maggiore se è stata utilizzata in condizioni ottimali (in
particolare per quanto riguarda la temperatura); tuttavia, è garantito a livello
contrattuale che l'autonomia non possa essere inferiore a questa durata, se non in
caso di uso improprio.
Modalità di funzionamento
La batteria può essere:
 In carica: assorbe una corrente di carica (carica I1) alimentata dal
raddrizzatore/caricabatteria.
 In carica con tensione di mantenimento: la batteria assorbe una corrente bassa,
detta "di mantenimento" (I1 mantenimento), alimentata dal
raddrizzatore/caricabatteria, che mantiene la propria carica mediante
compensazione delle perdite a circuito aperto.
 In scaricamento: la batteria alimenta l'inverter fino al raggiungimento della
tensione di arresto.
Quando viene raggiunta questa tensione, impostata dal produttore, la batteria viene
scollegata automaticamente (UPS di APC by Schneider Electric) per evitare danni
causati da scarica profonda.
Tensione nominale
La tensione CC in uscita fornita dalla batteria all'inverter.
 Esempio: 450 V CC per le gamme MGE Galaxy PW.
Capacità
La capacità della batteria è espressa in ampere/ora.
 Esempio: per un MGE Galaxy PW a 100 kVA dotato di una batteria con dieci
minuti di autonomia e durata di servizio di cinque anni, la capacità è pari a 85 Ah.
Numero di celle
Numero di celle singole della batteria che costituiscono l'intera stringa di batterie.
 Esempio: la batteria di MGE Galaxy PW 100 kVA è composta, per un determinato
tipo di batteria, da 33 celle che forniscono 13,6 V ciascuna, per un'autonomia di dieci
minuti.
Tensione di mantenimento
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pag. 28
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Rappresenta la tensione CC fornita dal raddrizzatore/caricabatteria e utilizzata per
mantenere la batteria completamente carica.
 Esempio: per un MGE Galaxy PW, la tensione di mantenimento è compresa tra
423 e 463 V CC.
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pag. 29
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Autonomia (* durata energia accumulata)
Il periodo di tempo, specificato all'inizio della durata di servizio della batteria, durante
il quale la batteria alimenta l'inverter a pieno carico nominale, in assenza
dell'alimentazione con ingresso CA.
 Esempio: MGE Galaxy PW offre tempi di autonomia standard di 8, 10, 15, 20, 30
e 60 minuti.
La durata varia in base al carico percentuale dell'UPS.
 Per un UPS funzionante a pieno carico nominale (100% della potenza nominale),
l'autonomia della batteria termina quando la tensione della batteria scende alla
tensione di arresto specificata dal produttore. Ciò comporta l'arresto automatico degli
UPS di APC by Schneider Electric.
 Per un UPS che opera a una percentuale di carico inferiore (ad esempio, 75%), il
tempo di autonomia effettivo potrebbe essere maggiore. In ogni caso, l'autonomia
termina sempre quando viene raggiunta la tensione di arresto della batteria.
Tempo di ricarica (* durata nominale energia ripristinata)
Tempo necessario alla batteria per recuperare l'80% di autonomia (90% di capacità),
a partire dalla tensione di arresto della batteria. L'alimentazione proviene dal
raddrizzatore/caricabatteria.
 Esempio: per un UPS MGE Galaxy 5500, il tempo di ricarica va da otto a dieci
ore, a seconda della batteria e della relativa autonomia. Da notare che è molto
improbabile che venga richiesto alla batteria di fornire alimentazione due volte in un
così breve periodo di tempo. Ciò significa che il tempo di ricarica indicato
rappresenta effettivamente un buon livello di prestazioni.
Corrente massima della batteria (Ib)
Nella fase di scarica, la batteria alimenta l'inverter con una corrente Ib che raggiunge
il valore massimo al termine dello scaricamento. Questo valore determina la
protezione della batteria e le dimensioni dei cavi.
 Esempio: per un MGE Galaxy 5500 a 100 kVA, questa corrente corrisponde a Ib
max = 257 A.
Inverter
Potenza nominale (Sn)
(* potenza apparente nominale in uscita)
La potenza massima apparente Sn (kVA) che l'inverter può fornire a un carico
lineare con un fattore di potenza di 0,8 durante il normale funzionamento in
condizioni di stato stazionario.
Le norme applicano inoltre questo parametro al funzionamento con alimentazione a
batteria. Teoricamente il valore corrisponde se la batteria è dimensionata in modo
corretto.
 Esempio: un dispositivo MGE Galaxy 5500 con potenza nominale (Sn) pari a 100
kVA.
Potenza in uscita attiva (Pa)
(* potenza nominale attiva in uscita per carichi lineari o non lineari di
riferimento)
La potenza attiva Pa (kW) che corrisponde alla potenza in uscita apparente Sn
(kVA), nelle condizioni di misurazione sopra indicate. Lo stesso valore può essere
indicato per un carico non lineare di riferimento standard.
 Esempio: l'UPS indicato in precedenza, MGE Galaxy 5500, con potenza nominale
di 100 kVA alimenta una potenza attiva pari a Pa = Sn x 0,8 = 80 kW.
Corrente nominale (In)
La corrente che corrisponde alla potenza nominale.
 Esempio: per un UPS MGE Galaxy 5500 a 100 kVA e una tensione in uscita pari
a 400 V, questa corrente corrisponde a:
In 
Sn
Un
APC by Schneider Electric
100000
3
=
400 x 1,732
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= 144,3 A
pag. 30
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Potenza di carico apparente (Su) e carico percentuale
Rappresenta la potenza apparente Sn (kVA) effettivamente fornita dall'inverter al
carico, nelle condizioni operative selezionate.
Questo valore è costituito da una frazione della potenza nominale, in funzione del
carico percentuale.
.Su  Sn e .Tc = carico percentuale (%) = Su / Sn..
 Esempio: per l'UPS citato in precedenza, se l'inverter fornisce 3/4 della potenza
nominale (75% di carico), la potenza apparente è pari a 75 kVA e, in condizioni
operative standard (PF = 0,8), corrisponde a una potenza di carico apparente di
Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW.
Corrente di carico (Iu)
La corrente che corrisponde alla potenza di carico, ovvero al carico percentuale in
questione. Viene calcolata a partire dal valore Pu come per la corrente nominale,
prendendo come tensione la tensione nominale Un (valore regolato dall'inverter).
 Esempio: per l'UPS sopra indicato (75% del carico)
Iu 
Su
75000
400 x 1,732
Un 3
=
= 108,2 A
che corrisponde a:
.Iu = In x Tc. = 144,3 x 0,75 = 108,2 A
Efficienza ()
Rappresenta il rapporto tra la potenza attiva Pu (kW) fornita dall'UPS al carico e la
potenza Pin (kW) assorbita all'ingresso, mediante il raddrizzatore o dalla batteria.
.= Pu / Pin.
Per molti UPS l'efficienza è ottimale a pieno carico nominale e cala drasticamente
con carichi percentuali ridotti. Grazie alla ridotta impedenza in uscita e all'assenza di
perdite di carico, l'efficienza degli UPS MGE Galaxy è virtualmente stabile per carichi
dal 25 al 100%. La gamma MGE Galaxy offre un'efficienza superiore a 90% a partire
dal 25% di carico, fino al 93% a pieno carico nominale, nonché una modalità ECO
che consente di aumentare l'efficienza di un ulteriore 4%, fino a raggiungere il 97%.
In pratica, per gli UPS MGE Galaxy, un valore di efficienza pari a 0,93 può essere
utilizzato per tutti i calcoli relativi all'alimentazione in ingresso per carichi compresi
tra il 30 e il 100%.
 Esempio: per un dispositivo MGE Galaxy a 100 kVA con carico del 75%,
un'efficienza di 0,93 corrisponde a una potenza in ingresso attiva dell'UPS pari a
Pin = Pu /  = 60/0,93 = 64,5 kW.
Tensione in uscita Un
Numero di fasi
L'uscita può essere trifase (UPS 3f-3f) o monofase (UPS 3f-1f), a seconda della
situazione. Da notare che le modalità di messa a terra dei sistemi a monte e a valle
potrebbero essere diverse.
Tensione in uscita nominale
Generalmente corrisponde a quella dell'ingresso CA. Tuttavia è anche possibile
installare un trasformatore di adattamento della tensione.
Caratteristiche statiche
Rappresentano i valori di tolleranza (massima variazione consentita) per ampiezza e
frequenza della tensione in uscita in condizioni di stato stazionario. Più severi di
quelli applicati all'alimentazione di rete, questi valori sono calcolati per il
funzionamento normale con alimentazione in ingresso CA e per il funzionamento in
modalità batteria di riserva.
 Variazione della tensione in uscita
La tolleranza relativa all'ampiezza viene espressa da una percentuale del valore
efficace nominale e può essere regolabile.
 Esempio: per un dispositivo MGE Galaxy, la tensione di 400 V efficaci ± 1% può
essere regolata di ± 3%.
Le norme stabiliscono inoltre una tensione in uscita di picco nominale e la tolleranza
in rapporto al valore nominale.
 Variazione della frequenza in uscita
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Edizione 01/2012
pag. 31
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
La tolleranza viene espressa come percentuale della frequenza nominale.
 Esempio: per un dispositivo MGE Galaxy, 50 o 60 Hz ± 0,1% durante il normale
funzionamento con alimentazione principale e ± 0,5% in modalità batteria di riserva.
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pag. 32
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Sincronizzazione della frequenza con l'alimentazione principale
L'inverter fornisce una tensione in uscita che rientra nei valori di tolleranza indicati
sopra, indipendentemente dalla presenza di disturbi che colpiscono l'alimentazione a
monte.
A questo scopo, l'UPS:
 controlla i parametri di tensione (ampiezza, frequenza, fase) per la fonte di
alimentazione principale, per determinare se rientrano nei valori di tolleranza
specificati;
 reagisce a qualsiasi spostamento nei parametri in modo da:
- adattare l'inverter (fase e frequenza) all'alimentazione in standby, fino a quando lo
spostamento resta all'interno dei valori di tolleranza, in vista di un eventuale
trasferimento del carico,
- trasferire il carico all'alimentazione a batteria non appena lo spostamento risulta al
di fuori dei valori ammessi.
Le nuove tecnologie di chopping PWM e IGBT utilizzate negli UPS prodotti da APC
by Schneider Electric garantiscono un eccellente adattamento a tali variazioni.
 Esempio: per gli UPS MGE Galaxy, la massima variazione di frequenza
corrispondente ai valori di tolleranza è 50 Hz x 0,5% = 0,25 Hz.
La sincronizzazione della frequenza con l'alimentazione CA di bypass è possibile da
0,25 a 2 Hz, in gradini di 0,25 Hz. Praticamente ciò significa che le variazioni di
frequenza possono essere monitorate con dF/dt = 0,25 Hz/s e può essere eseguita
un'ulteriore regolazione tra 0,25 e 1 secondo.
Caratteristiche dinamiche
Sono i valori di tolleranza in condizioni di carico transitorio.
Gli UPS MGE Galaxy sono in grado di sopportare le seguenti condizioni.
 Squilibrio di carico
Per squilibri nella tensione di carico (fase-neutro o fase-fase) pari a:
- 30%, la variazione della tensione in uscita è inferiore a 0,1%;
- 100% (una fase con Pn e le altre a 0), la tensione in uscita non varia oltre lo 0,2%.
 Variazioni del gradino di carico (transienti di tensione)
Per gradini di carico da 0 a 100% o da 100 a 0% del carico nominale, la tensione
non varia più di:
± 2% nell'alimentazione di rete;
da +2% a -4% nell'alimentazione a batteria.
Capacità di cortocircuito e sovraccarico
 Sovraccarichi
- 1,1 In per 2 ore
- 1,5 In per 1 minuto
senza variazioni alle tolleranze in uscita.
 Cortocircuiti
Oltre 1,65 In, gli inverter MGE Galaxy operano in modalità di limitazione di corrente
fino a 2,33 In per 1 secondo, che corrisponde a:
I picco max = 2 x 1,65 In = 2,33 In.
Oltre questo valore, l'inverter trasferisce il carico all'alimentazione in standby o
esegue un arresto statico (funzione di autoprotezione).
Distorsione della tensione in uscita totale
Le prestazioni degli UPS devono essere garantite per tutti i tipi di carico, compresi i
carichi non lineari.
 Esempio: gli UPS MGE Galaxy limitano la distorsione armonica totale della
tensione (THDU) nell'alimentazione in uscita ai seguenti livelli per:
 carichi lineari al 100%:
- THDU fase/fase < 1,5%
- THDU fase/neutro < 2%
 carichi non lineari 100%:
- THDU fase/fase < 2%
- THDU fase/neutro < 3%.
Gli UPS MGE Galaxy operano nel rispetto delle caratteristiche specificate per tutti i
tipi di carico.
Nota generale: nella norma vengono specificati alcuni dei livelli prestazionali indicati
in precedenza per l'alimentazione in uscita in condizioni di normale funzionamento o
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pag. 33
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
durante il funzionamento con alimentazione a batteria. Nella maggior parte dei casi
sono identici.
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pag. 34
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Schema riassuntivo per le
caratteristiche principali
Fig. 5.7. Lo schema illustra le caratteristiche principali (vedere l'elenco sottostante).
Ingresso CA normale
● Tensione Un da +10% a -15%
● Frequenza f da +4% a -6%
Ingresso CA di bypass
● Tensione Un da +10% a -15%
● Frequenza f da +4% a -6%
● Corrente di cortocircuito Icc2 (capacità di tenuta del bypass statico)
Raddrizzatore/caricabatteria
● Tensione di mantenimento
● Correnti in ingresso
- nominale (carica con tensione di mantenimento)
- massima (carica della batteria)
Batteria
● Autonomia: standard 5, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 minuti (durate maggiori su
richiesta)
● Durata di servizio: 10 anni o più
● Corrente massima Ib max.
Inverter
● Potenza apparente in uscita:
- nominale: Sn (kVA)
- potenza di carico: Su (kVA) = Sn x Tc%
● Carico percentuale UPS Tc% = Su / Sn
● Potenza in uscita attiva:
- nominale: Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8
- potenza di carico: Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF
● Efficienza:  Pu / Pn = 93% (97% in modalità ECO).
● Caratteristiche statiche (tolleranze tensione in uscita in condizioni di stato
stazionario)
- ampiezza: Un ± 1% regolabile fino a ± 3%
- frequenza: f ± 1% durante il normale funzionamento e f ± 0,5% in modalità batteria
di riserva
- tensione in uscita dell'inverter (frequenza e fase) sincronizzata con quella della
linea di bypass, purché quest'ultima rientri nei valori di tolleranza.
● Caratteristiche dinamiche (tolleranze in condizioni transitorie)
- tensione massima e variazioni di frequenza per variazioni del gradino di carico da
0% a 100% oppure da 100% a 0%: Un ± 2%, f ± 0,5%
● Distorsione tensione in uscita
- THDU carichi non lineari 100% < 2%
● Capacità di cortocircuito e sovraccarico:
- sovraccarichi; - 1,5 In per 1 minuto
- cortocircuiti: limitazione di corrente a 2,33 In per 1 secondo
Carico
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Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
● corrente di carico (Iu)
● fattore di potenza (PF)
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Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Modalità di funzionamento
dell'UPS
Modalità normale (con alimentazione di rete, vedere la fig. 5.8, parte
sinistra)
L'UPS assorbe l'alimentazione di rete CA necessaria al funzionamento mediante il
raddrizzatore/caricabatteria che fornisce corrente CC.
Parte dell'alimentazione di rete assorbita viene utilizzata per caricare la batteria o
fornirle tensione di mantenimento:
 I1 mantenimento, se la batteria è già completamente carica;
 I1 carica, se la batteria non è completamente carica (ad es. viene ricaricata dopo
una scarica recente).
La corrente restante viene fornita all'inverter che genera un'onda sinusoidale di
tensione in uscita all'interno delle tolleranze di ampiezza e frequenza specificate.
Modalità batteria di riserva (con alimentazione a batteria, vedere la fig.
5.8, parte destra)
La batteria subentra in sostituzione dell'alimentazione principale e fornisce la
potenza richiesta dall'inverter per il carico, rispettando gli stessi valori di tolleranza
specificati per la modalità normale.
Ciò avviene mediante trasferimento immediato (la batteria è collegata in parallelo)
quando:
 si verifica un guasto dell'ingresso CA normale (interruzione dell'alimentazione di
rete);
 l'ingresso CA normale non rientra nelle tolleranze (tensione dell'alimentazione di
rete degradata).
Modalità normale
Fig. 5.8. Modalità normale e modalità batteria di riserva.
Modalità batteria di riserva
Modalità di bypass (con linea di bypass statico, vedere la fig. 5.9, parte
sinistra)
Un commutatore statico (SS, static switch) assicura il trasferimento senza
interruzioni del carico all'ingresso CA di bypass per l'alimentazione diretta del carico
mediante alimentazione in standby.
Il trasferimento avviene automaticamente in caso di:
 sovraccarico a valle che supera la capacità di sovraccarico dell'UPS;
 guasto interno nei moduli raddrizzatore/caricabatteria e inverter.
Il trasferimento avviene sempre in caso di guasti interni, altrimenti è possibile solo se
la tensione dell'alimentazione in standby rientra nei valori di tolleranza ed è in fase
con l'inverter.
A questo scopo:
 L'UPS sincronizza la tensione in uscita dell'inverter con quella della linea di
bypass, nel caso in cui quest'ultima rientri nei valori di tolleranza. Il trasferimento
avviene quindi:
- senza alcuna interruzione nell'alimentazione. Poiché le tensioni sono in fase, gli
SCR nei due canali del commutatore statico hanno tensione zero in contemporanea;
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Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
- senza alcun disturbo del carico, che viene trasferito a una linea di bypass che
rientra nei valori di tolleranza;
 Al contrario, quando l'alimentazione in standby non rientra nei valori di tolleranza,
l'inverter non è più sincronizzato e opera autonomamente su una determinata
frequenza. Il trasferimento è quindi disattivato.
È comunque possibile eseguirlo manualmente.
Nota 1: questa funzione aumenta in modo notevole l'affidabilità, poiché sono davvero
esigue le probabilità che un sovraccarico a valle e un guasto nell'alimentazione in
standby si verifichino contemporaneamente.
Nota 2: per assicurare il corretto funzionamento della linea di bypass, è necessario
garantire la discriminazione tra il dispositivo di protezione a monte dell'ingresso CA
di bypass (in uscita dal quadro elettrico generale di bassa tensione) e quelli sui
circuiti in uscita dell'UPS (vedere le informazioni relative alla discriminazione
riportate qui sotto).
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Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Modalità di manutenzione
(con bypass di manutenzione, vedere fig.
5.9 parte destra)
È possibile eseguire interventi di manutenzione senza interrompere il corretto
funzionamento del carico. Il carico è alimentato dall'alimentazione in standby
attraverso il bypass di manutenzione. Il trasferimento al bypass di manutenzione
viene eseguito mediante interruttori manuali.
Il raddrizzatore/caricabatteria, l'inverter e il commutatore statico vengono chiusi e
isolati dalle fonti di alimentazione. La batteria è isolata dall'interruttore di protezione.
Modalità bypass (bypass statico)
Modalità manutenzione (bypass di
manutenzione)
Fig. 5.9. Modalità di bypass e modalità di manutenzione.
Configurazioni UPS
UPS in parallelo con ridondanza
Questa seconda parte è interamente dedicata alla presentazione delle varie
configurazioni possibili. Di seguito sono riportate ulteriori informazioni a proposito del
collegamento in parallelo per un funzionamento ridondante.
TM
TM
In particolare, tali informazioni riguardano gli UPS MGE Galaxy . Anche gli UPS
TM
modulari Symmetra utilizzano il collegamento in parallelo.
 Configurazioni, vedere "Scelta della configurazione dell'UPS"
Tipi di configurazioni in parallelo
Vi sono due tipi di configurazioni in parallelo:
 Unità UPS integrate in parallelo
Questa configurazione espandibile può partire da una singola unità UPS con un
bypass statico integrato e un bypass di manutenzione manuale. Per configurazioni
con più di due unità UPS, un bypass di manutenzione comune è alloggiato in un
armadio elettrico (vedere fig. 5.10).
 Unità UPS in parallelo con armadio elettrico per commutatori statici (SSC)
L'armadio elettrico per commutatori statici include un bypass automatico e uno di
manutenzione che sono comuni a un numero di unità UPS prive di bypass (vedere
fig. 5.11).
Questa configurazione, meno espandibile della precedente a causa delle prestazioni
dei bypass, offre una maggiore affidabilità (SSC e unità UPS sono indipendenti).
 UPS modulari
TM
Gli UPS della gamma Symmetra sono composti da moduli dedicati e ridondanti
(potenza, intelligenza, batteria e bypass).
La struttura modulare con moduli di potenza a innesto migliora l'affidabilità del
prodotto, in particolare la facilità di manutenzione e la disponibilità, nonché la
possibilità di espandere l'installazione.
Ridondanza
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pag. 39
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
La ridondanza nelle configurazioni in parallelo può essere pari a N+1, N+2 e così
via.
Ciò significa che per alimentare il carico sono necessarie N unità UPS, ma vengono
installate N+1 o N+2 unità, che condividono il carico.
Vedere l'esempio sottostante.
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pag. 40
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Esempio
 Si consideri un carico critico con un valore nominale di 100 kVA.
 Ridondanza 2+1
- 2 unità UPS devono essere in grado di alimentare completamente il carico se la
ridondanza non è disponibile.
- Ciascuna unità UPS deve perciò avere un valore nominale di 50 kVA.
- 3 unità UPS in condizioni normali condividono il carico di 100 kVA, ovvero ciascuna
fornisce 33,3 kVA.
- Le 3 unità UPS funzionano normalmente con un carico percentuale di 33,3 / 50 =
66,6%.
- Le unità UPS integrate in parallelo sono dotate di un bypass statico ciascuna. Il
trasferimento è gestito in modo da consentire alle tre unità UPS di trasferire il carico
al bypass contemporaneamente, se necessario.
Fig. 5.10. Unità UPS integrate in parallelo con bypass di manutenzione in comune e
ridondanza 2+1. Funzionamento corretto con tutte le unità (ridondanza disponibile).
 Perdita di ridondanza
- Un UPS si arresta, le due unità restanti funzionano al 100%.
- È possibile eseguire gli interventi di manutenzione necessari sull'unità UPS guasta
grazie al bypass di manutenzione.
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pag. 41
Componenti e funzionamento dell'UPS (cont.)
Fig. 5.11. Unità UPS integrate in parallelo con bypass di manutenzione in comune e
ridondanza 2+1. Funzionamento in seguito alla perdita di ridondanza.
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pag. 42
Tecnologia: UPS senza trasformatore
Tecnologia UPS senza
trasformatore
Principio
Originariamente tutti gli UPS avevano in dotazione un trasformatore di uscita
utilizzato per impostare la tensione in uscita sul valore richiesto, creare un neutro e
assicurare l'isolamento galvanico tra i sistemi di alimentazione a monte e a valle
(Fig. 5.12).
Oggi è possibile fare a meno di questo trasformatore, grazie al progresso
tecnologico e alla riduzione del costo dei semiconduttori IGBT (Fig. 5.13).
Bypass
AC input
Normal
AC input
Q1
Q1
Q4S
Q4S
Rectifier
charger
Rectifier
charger
Battery
Bypass
AC input
Normal
AC input
UPS
UPS
Battery
QF1
Static
bypass
QF1
Static
bypass
Manual
bypass Q3BP
Manual
bypass Q3BP
Inverter
Inverter
K3N
K3N
Q5N
Q5N
Loads
Loads
Fig. 5.12. UPS con trasformatore di uscita
Fig. 5.13. UPS senza trasformatore
Vantaggi
Questa tecnologia offre gli utenti numerosi vantaggi fondamentali.
● Ingombro ridotto: lo spazio necessario è inferiore, grazie all'assenza del
trasformatore;
● Peso ridotto: eliminando il trasformatore il peso risulta inferiore;
● Maggiore efficienza: eliminazione delle perdite dovute al trasformatore;
● Regolazione della tensione mediante modulazione del segnale per una migliore
corrispondenza con il carico. I componenti elettronici agiscono direttamente sulla
tensione in uscita per una regolazione più precisa e rapida della stessa.
La tendenza
L'impiego di UPS senza trasformatore ha preso piede nei primi anni '90 per potenze
nominali che raggiungevano poche centinaia di kVA. Grazie ai vantaggi che li
caratterizzano, questi UPS sono oggi ampiamente utilizzati anche per potenze
nominali superiori, come risulta evidente dalla figura 5.14. La potenza nominale
media degli UPS che si avvalgono della tecnica senza trasformatore risulta oggi 50
volte superiore a quella di 15 anni fa.
P(kVA)
500
400
300
200
100
5
1990
years
1995
2000
2005
2010
Fig. 5.14. Potenza nominale media degli UPS senza trasformatore.
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pag. 43
Tecnologia: UPS senza trasformatore
Isolamento galvanico
Una delle motivazioni addotte per l'impiego di trasformatori di uscita è l'esigenza di
fornire un isolamento galvanico.
Tuttavia, gli UPS trifase che superano una determinata potenza nominale sono
dotati di un bypass che garantisce la continuità dell'alimentazione. La presenza del
bypass implica che l'UPS, con o senza trasformatore di uscita, non può provvedere
all'isolamento galvanico tra la fonte e i carichi. Per questo motivo, la tecnologia UPS
senza trasformatore è diventata ben presto la soluzione più utilizzata per potenze
nominali elevate.
Questo aspetto viene discusso di seguito confrontando l'impiego delle due
tecnologie in base alla modalità di messa a terra del sistema riscontrata.
Utilizzo con carichi di
computer
Valutazione delle modalità di messa a terra del sistema
Per modalità di messa a terra si intende la messa a terra dei seguenti elementi:
● il punto neutro del sistema di distribuzione;
● le parti conduttrici esposte (ECP, exposed conductive parts) dei carichi.
Le ECP sono sempre collegate tra loro, tutte insieme o in gruppi separati. Ciascuno
di questi gruppi è collegato a un morsetto di messa a terra mediante un conduttore di
protezione (PE o PEN, a seconda che sia collegato anche al conduttore neutro o
meno).
(1)
Nella norma IEC 60364 le diverse modalità di messa a terra sono indicate da due
lettere.
● La prima lettera descrive la messa a terra del punto neutro del trasformatore:
- T: messa a terra;
- I: senza messa a terra.
● La seconda lettera descrive la messa a terra delle ECP dell'apparecchiatura di
carico:
- T: messa a terra;
- N: collegate al neutro che è a terra.
In questo caso (N), una terza lettera indica la relazione tra il neutro (N) e i conduttori
di protezione (PE):
- C: un unico conduttore utilizzato per entrambe le funzioni;
- S: conduttori separati.
(1) Sostituita da "Power Transformer Loading Guide" (Guida al caricamento dei trasformatori di
potenza), IECI 60076-7, Ed. 1.
La norma definisce inoltre i sistemi seguenti:
● IT: neutro isolato
● TT: messa a terra neutro
● TN-C: conduttore neutro e messa a terra di protezione combinati (PEN)
● TN-S: conduttori neutro a terra (N) e messa a terra di protezione (PE) separati.
Modalità di messa a terra per sale computer
Utilizzo sistematico del sistema TN-S
Il sistema TN-S è la modalità di messa a terra consigliata dai produttori e dalle
norme riguardanti i sistemi informatici. Infatti questo sistema garantisce una
distribuzione monofase e assicura un potenziale di riferimento per le ECP con il
conduttore di protezione.
Fasi: L1, L2, L3
Neutro: N
Conduttore di protezione: PE
Polo interruttore di circuito: x
N e PE separati
Fig. 5.15. Sistema TN-S per sale computer.
Sistemi IT e TT: poco adatti ai sistemi informatici
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pag. 44
Tecnologia: UPS senza trasformatore
● La gestione del sistema IT richiede personale altamente qualificato e un sofisticato
monitoraggio per individuare ed eliminare i guasti di isolamento prima che un
ulteriore guasto con elevata corrente di sgancio crei notevoli disturbi.
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pag. 45
Tecnologia: UPS senza trasformatore
● Il sistema TT è troppo sensibile alle sovratensioni causate da fulmini, per poter
essere utilizzato con dispositivi informatici delicati.
● Il sistema TN-C(1) (conduttore PE e neutro a terra combinati) non offre un
potenziale di riferimento affidabile come quello del sistema TN-S.
I carichi monofase, frequenti nei sistemi informatici, generano armoniche H3 e
relativi multipli di 3 (H6, H9 e così via) nel neutro. Le armoniche passano quindi nel
conduttore PEN, dove possono causare:
- perdita di equipotenzialità PEN che si propaga attraverso la schermatura e può
compromettere il funzionamento del sistema informatico;
- elevate correnti di sbilanciamento nei cavi e nelle strutture edilizie a causa dei
numerosi collegamenti dei conduttori PEN a terra. La radiazione elettromagnetica
così generata nei cavi può disturbare i dispositivi sensibili.
(1)
Il sistema TN-C può essere utilizzato a monte di un sistema TN-S, ma non è consentita la
struttura inversa, poiché può causare un'interruzione del conduttore di protezione a monte,
generando così un rischio per la sicurezza del personale a valle.
Raccomandazioni dei produttori di computer: ricreare una rete con
neutro a terra all'ingresso della sala computer
I produttori di computer consigliano di creare il sistema TN-S con neutro a terra il più
vicino possibile ai carichi, solitamente all'ingresso della sala computer.
L'utilizzo di sistemi TN-S senza questo accorgimento, ovvero con il neutro a terra
posizionato lontano a monte, potrebbe creare una differenza potenziale tra la terra e
il neutro causata dalla distribuzione a monte.
 In conclusione, si consiglia di creare il sistema TN-S all'ingresso della sala
computer con il neutro a terra nello stesso punto per garantire una distribuzione
elettrica senza interferenze e adeguata ai sistemi informatici.
Questo si ottiene generalmente con l'utilizzo di unità di distribuzione
dell'alimentazione (PDU, Power Distribution Units) dotate di un trasformatore di
ingresso, che consente di ottenere un potenziale di riferimento neutro affidabile e
garantisce l'isolamento galvanico in qualsiasi modalità operativa dell'UPS (ingresso
CA normale o bypass).
Inoltre, questa soluzione consente di utilizzare trasformatori standard che offrono
un'elevata affidabilità, superiore a quella dei trasformatori di uscita UPS. La
soluzione con trasformatori di ingresso è molto diffusa negli Stati Uniti, dove un
sistema di distribuzione trifase da 480 V viene portato all'ingresso della sala
computer per alimentare trasformatori 480/208 V (fig. 5.16).
UPS A
UPS B
.
.
PDU A
x
PDU A
Isolating
transformers
used to recreate
a TN-S system
with neutral
x
x
x
Blade server
Fig. 5.16. Esempio di trasformatori utilizzati all'ingresso delle unità di distribuzione
dell'alimentazione per creare un sistema di distribuzione TN-S con neutro.
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Edizione 01/2012
pag. 46
Tecnologia: UPS senza trasformatore
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Edizione 01/2012
pag. 47
Tecnologia: UPS senza trasformatore
Confronto tra diverse
modalità di messa a
terra a monte
Sistema IT o TT a monte
In questo caso la modalità di messa a terra del sistema deve essere modificata in
TN-S a valle dell'UPS. Poiché il neutro non può avere due riferimenti a terra diversi,
l'isolamento galvanico è necessario per tutte le modalità operative dell'UPS (normale
o bypass).
● Per UPS con trasformatore di uscita, solitamente viene aggiunto un trasformatore
all'ingresso del bypass (vedere fig. 5.17).
Questa soluzione presenta due problematiche:
- è necessario utilizzare dispositivi di protezione a 4 poli per collegare e interrompere
il neutro sul bypass;
- la distanza D2 dall'uscita neutro dell'UPS e dai carichi può influenzare il potenziale
neutro perché i trasformatori di isolamento non sono posizionati vicino ai carichi.
● Gli UPS senza trasformatore di APC by Schneider Electric possono funzionare a
tre fasi senza neutro. Ciò consente di utilizzare un sistema di distribuzione trifase a 3
fili fino alle unità di distribuzione dell'alimentazione o equivalenti e di ricreare il
sistema TN-S il più vicino possibile all'applicazione (vedere la fig. 5.17, parte destra).
Questa modalità garantisce un potenziale di riferimento "pulito" per il conduttore PE.
 Oltre ai vantaggi in termini di efficienza, ingombro, peso e accoppiamento di
tensione, la tecnologia senza trasformatore ha il pregio di essere semplice ed
economica.
Soluzione con trasformatore di uscita
IT o TT a monte - TN-S a valle
Soluzione senza trasformatore
IT o TT a monte - TN-S a valle
Fig. 5.17. IT o TT a monte e TN-S a valle.
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pag. 48
Tecnologia: UPS senza trasformatore (cont.)
Sistema TN-C o TN-S a monte
È possibile gestire queste due situazioni nello stesso modo. Con un sistema TNH-C
a monte, è possibile separare il neutro e il PE a monte dell'UPS (separando i cavi) e
quindi creare una configurazione TN-S sia a monte sia a valle. Negli schemi riportati
di seguito il TN-C a monte semplifica la distribuzione. La fig. 5.18 illustra l'unico caso
con sistema TN-C a monte.
Per fornire un potenziale di riferimento, è necessario creare un sistema di
distribuzione "pulito" installando un trasformatore all'ingresso della sala computer
(solitamente con l'ausilio di un'unità di distribuzione dell'alimentazione o
equivalente). Maggiore è la distanza D1 tra il trasformatore a monte e l'uscita
dell'UPS e maggiore sarà anche la necessità di adottare questa soluzione, poiché il
potenziale neutro può essere condizionato dalla distribuzione a monte.
 In questo caso, le soluzioni UPS con o senza trasformatore sono identiche,
tuttavia la tecnologia senza trasformatore offre altri vantaggi in termini di efficienza,
ingombro, peso e regolazione della tensione.
Soluzione con trasformatore di uscita
TN-C a monte e TN-S a valle
Soluzione senza trasformatore
TN-C a monte e TN-S a valle
Fig. 5.18. TN a monte e a valle.
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pag. 49
Tecnologia: UPS senza trasformatore (cont.)
Risultato del confronto
Soluzioni con trasformatore di uscita
● Il trasformatore posto all'uscita dell'UPS deve essere di un tipo specifico, più
costoso e ingombrante.
● È necessario aggiungere un trasformatore all'ingresso bypass, in quanto
l'installazione richiede dispositivi a quattro poli e un cavo neutro, oppure installare un
trasformatore di uscita.
● Il trasformatore aggiunto non si trova nella posizione più vicina possibile ai carichi.
Soluzioni senza trasformatore
● Si evitano i vincoli imposti dal trasformatore di uscita dell'UPS.
● Un trasformatore viene installato all'ingresso della sala computer, solitamente in
un'unità di distribuzione dell'alimentazione. Non sono necessari dispositivi a quattro
poli per il bypass o distribuzione a monte del neutro.
È comunque necessario aggiungere un trasformatore, ma ci sono notevoli vantaggi
in termini di:
● costi dell'UPS: non sono richiesti trasformatori di uscita specifici, dispositivi a
quattro poli e neutro sulla linea di bypass;
● ingombro e peso ridotti;
● migliore regolazione in uscita, per rapide fluttuazioni di carico.
 Visti i notevoli vantaggi, la tecnologia senza trasformatore sta rapidamente
diventando la soluzione d'elezione per gli UPS.
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pag. 50
Compatibilità elettromagnetica (CEM)
Disturbi elettromagnetici
Disturbi elettromagnetici
Tutti i disturbi elettromagnetici coinvolgono tre elementi.
Una sorgente
Una sorgente naturale (atmosfera, terra, sole e così via) o più spesso industriale
(dispositivi elettrici ed elettronici).
La sorgente genera i disturbi mediante variazioni immediate (impulsi) dei valori
elettrici (tensione o corrente), definite da:
 una forma d'onda;
 un'ampiezza d'onda (valore di picco);
 uno spettro di frequenze;
 un livello di energia.
Una modalità di accoppiamento
L'accoppiamento attiva la trasmissione dei disturbi e può essere:
 capacitivo (o galvanico), ad esempio attraverso gli avvolgimenti del trasformatore;
 induttivo, mediante campo magnetico radiante;
 condotto, mediante un'impedenza comune, attraverso un collegamento di messa a
terra.
Una vittima
Qualsiasi dispositivo che può subire i disturbi e non funzionare correttamente a
causa dei disturbi stessi.
Esempi
Sorgenti
In installazioni a bassa tensione, le sorgenti comprendono correnti che variano
all'improvviso a causa di:
 guasti o cortocircuiti;
 commutazioni elettroniche;
 armoniche di ordine elevato;
 fulmini o rottura del trasformatore.
Le frequenze sono basse (< 1 MHz) per frequenze di potenza e relative armoniche
oppure elevate (> 1 MHz) per i fulmini.
Accoppiamento
 Capacitivo: trasmissione dell'onda di un fulmine attraverso il trasformatore.
 Induttivo: radiazione di un campo magnetico creato da una delle correnti
specificate sopra. La radiazione crea una forza elettromotrice indotta ovvero una
corrente di disturbo, negli anelli del conduttore composti dai cavi che alimentano i
dispositivi e i conduttori a terra dei dispositivi.
A livello indicativo, una radiazione di 0,7 A/m può rappresentare un disturbo per i
monitor.
Ciò corrisponde al campo creato in una zona di 2,2 m attorno a un conduttore con
corrente di 10 A.
 Condotto (impedenza comune): aumento nel potenziale del collegamento di
messa a terra.
Norme e raccomandazioni
CEM
Disturbi
Emissione, immunità, suscettività
Quando un dispositivo elettrico viene installato in un ambiente che può essere più o
meno disturbato a livello elettromagnetico, esso può esser visto sia come sorgente
sia come potenziale vittima dei disturbi elettromagnetici.
A seconda del punto di vista adottato, si può parlare di:
 livello di emissione per una sorgente;
 livello di compatibilità per un ambiente;
 livelli di immunità e suscettività per una vittima.
Queste nozioni sono l'argomento delle prossime pagine, nella sezione relativa ai
livelli di disturbo definiti dalle norme.
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pag. 51
Compatibilità elettromagnetica (CEM) (cont.)
Livelli di disturbo
La norma IEC 6100-2-4 definisce alcuni livelli di disturbo per CEM:
 Livello 0: nessun disturbo;
 Livello di emissione: livello massimo autorizzato per un utente su una rete
pubblica o per un dispositivo;
 Livello di compatibilità: livello massimo di disturbo previsto in un determinato
ambiente;
 Livello di immunità: livello di disturbo che un dispositivo può sopportare;
 Livello di suscettività: livello a partire dal quale il dispositivo o sistema non
funziona più correttamente.
Di conseguenza, per dispositivi e attrezzature considerati:
 sorgenti, i limiti (livelli di emissione) devono essere impostati per disturbi emessi
dai dispositivi per evitare di raggiungere i livelli di compatibilità,
 vittime, devono anche sopportare livelli di disturbo superiori ai livelli di
compatibilità se questi vengono superati (ciò può accadere su basi transitorie). Tali
livelli superiori sono rappresentati dai livelli di immunità.
I livelli sono stati impostati sulla base delle norme che regolano la CEM.
 Elenco degli standard CEM, vedere la sezione a pagina 34 relativa agli standard
CEM.
Fig. 5.19 Livelli di disturbo CEM per dispositivi disturbati/che disturbano.
Valori misurati
I dispositivi vengono sottoposti a test.
Vengono misurati cinque valori principali:
 Emissioni condotte (CE);
 Emissioni radiate (RE);
 Scariche elettrostatiche (ESD);
 Suscettività condotta (CS);
 Suscettività radiata (RS).
Per i test sono necessarie risorse consistenti, in particolare una gabbia di Faraday
per le emissioni condotte e la suscettività, nonché una camera anecoica per le
emissioni radiate.
APC by Schneider Electric dispone di camere anecoiche certificate per i test.
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pag. 52
Compatibilità elettromagnetica (CEM) (cont.)
Fig. 5.20 I cinque principali valori di misurazione.
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pag. 53
Norme relative agli UPS
Ambito e osservanza delle
norme
Ambito delle norme
Le norme riguardano i seguenti aspetti:
 struttura dell'UPS;
 sicurezza delle persone;
 livelli prestazionali;
 ambiente elettrico (in particolare disturbi armonici e CEM);
 ecologia.
Le norme relative agli UPS sono diventate sempre più precise, soprattutto in seguito
alla creazione delle normative europee EN e alla loro armonizzazione con parte delle
norme IEC preesistenti.
Osservanza delle norme e certificazione
L'osservanza delle norme garantisce l'affidabilità e la qualità di un UPS, la
compatibilità con i carichi alimentati e con l'ambiente naturale, umano e tecnico.
La dichiarazione di conformità alle norme da parte del produttore non rappresenta di
per sé un'indicazione di qualità sufficiente. Soltanto una certificazione da parte di
un'organizzazione riconosciuta costituisce una vera garanzia di conformità.
Per questo i livelli prestazionali degli UPS prodotti da APC by Schneider Electric in
relazione alle norme sono stati certificati da organizzazioni quali TÜV e Veritas.
Marchio CE
Il marchio CE è stato creato dal sistema legislativo europeo.
È obbligatorio per la libera circolazione delle merci nell'Unione europea.
Lo scopo di questa marcatura è quello di garantire, attraverso il rispetto delle
corrispondenti direttive europee:
 che il prodotto non sia pericoloso (direttiva sulla bassa tensione);
 che il prodotto non inquini (direttiva sull'ambiente) e che sia compatibile a livello
elettromagnetico (direttiva sulla CEM).
Prima di apporre il marchio CE su un articolo, il produttore deve eseguire verifiche e
controlli che garantiscano la conformità del prodotto ai requisiti nelle direttive
applicabili.
Questa marcatura NON è uno standard di certificazione né un marchio di conformità.
Non garantisce che il prodotto sia conforme alle normative nazionali e internazionali.
Non è una certificazione, come definita dalla legge francese (legge datata 3 giugno
1994).
Inoltre, il marchio CE viene apposto al prodotto sotto la sola responsabilità del
produttore o importatore e non prevede alcuna ispezione da parte di organizzazioni
esterne certificate.
 Non tutte le etichette comportano le stesse implicazioni per i produttori.
La conformità alle norme e ai livelli prestazionali specificati deve essere certificabile
da parte di un'organizzazione esterna; questo non avviene con la marcatura CE, per
la quale è concessa l'autocertificazione.
Norme principali per la
regolamentazione degli
UPS
Gli UPS realizzati da APC by Schneider Electric sono conformi con le principali
norme internazionali applicabili, come certificano TÜV e Veritas.
Sicurezza
 IEC 60950-1 / EN 60950-1
Apparecchiature per la tecnologia dell'informazione - Sicurezza - Parte: Requisiti
generali
 IEC 62040-1/ EN 62040-1
UPS (Uninterruptible power system) - Requisiti generali e di sicurezza per gli UPS.
 IEC 62040-3 / EN 1000-3
UPS (Uninterruptible power system) - Metodo per specificare i requisiti di prestazioni
e test.
 IEC 60439
Gruppo interruttori a bassa tensione e dispositivi di controllo.
 Direttiva BT: 2006/95/EC
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pag. 54
Norme relative agli UPS
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pag. 55
Norme relative agli UPS (cont.)
Ambiente elettrico, armoniche e compatibilità
elettromagnetica (CEM)
Armoniche
 IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2
Livelli di compatibilità per disturbi condotti a bassa frequenza e segnalazione nei
sistemi pubblici di alimentazione a bassa tensione.
(Vedere la tabella 5-A nella pagina seguente)
 IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2
Limiti delle emissioni di correnti armoniche (corrente in ingresso
dell'apparecchiatura 16 ampere/fase).
 IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4
Limiti delle emissioni di correnti armoniche (corrente in ingresso dell'apparecchiatura
> 16 ampere/fase).
 IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5
Limitazione delle fluttuazioni di tensione e dello sfarfallio.
 EN 50160
Caratteristiche della tensione nelle reti pubbliche.
(Vedere la tabella 5-B nella pagina seguente).
 IEEE 519
Procedure consigliate e requisiti per il controllo delle armoniche nei sistemi di
alimentazione elettrica.
CEM
 EN 50091-2
UPS - CEM.
 IEC 62040-2/ EN 62040-2
UPS (Uninterruptible power system) - Requisiti per la compatibilità elettromagnetica
(CEM).
 Direttiva CEM 2004/108/EC
Per attrezzature che possono causare o essere condizionate da disturbi
elettromagnetici.
Qualità
 Progettazione, produzione e manutenzione conformi alle norme ISO 9001 organizzazione di qualità.
Ecologia
 Produzione in conformità alle norme ISO 14001.
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pag. 56
Norme relative agli UPS (cont.)
Rumore acustico
 ISO 3746
Livelli di potenza sonora.
 ISO 7779 / EN 27779
Misurazione del rumore aerodisperso emesso dai computer e dalle attrezzature degli
uffici.
Tabelle dei livelli di compatibilità armonica
Tabella 5-A. Livelli di compatibilità per le tensioni armoniche individuali in reti a bassa tensione
come indicato nelle norme IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2.
Armoniche dispari non
Armoniche dispari multiple Armoniche pari
multiple di 3
di 3
Ordine
Ordine
Ordine
Tensione
Tensione
Tensione
armonico n
armonica
armonico n
armonica
armonico n
armonica
come % della
come % della
come % della
fondamentale
fondamentale
fondamentale
5
3
2
6
5
2
7
9
4
5
1,5
1
11
15
6
3,5
0,3
0,5
13
21
8
3
0,2
0,5
17
>21
10
2
0,2
0,5
19
12
1,5
0,5
23
>12
1,5
0,2
25
1,5
0,2
>25
0,2+0,5x25/n
THDU risultante < 8% (per tutte le armoniche riscontrate tra quelle indicate).
Tabella 5-B. Livelli di compatibilità per le tensioni armoniche in base al tipo di attrezzatura
come indicato nella norma EN 50160.
Classe 2 (1)
Classe 3
Ordine dell'armonica di Classe 1
tensione generata
(apparecchiature e
(reti industriali e
(per il collegamento
sistemi sensibili) %
pubbliche) % della
dei principali
della fondamentale
fondamentale
inquinanti) % della
fondamentale
2
2
2
3
3
3
5
6
4
1
1
1,5
5
3
6
8
6
0,5
0,5
1
7
3
5
7
8
0,5
0,5
1
9
1,5
1,5
2,5
10
0,5
0,5
1
11
3
3,5
5
12
0,2
0,2
1
13
3
3
4,5
TDHU
5%
8%
10%
(1)
La classe 2 corrisponde ai limiti riportati nella tabella A per le norme IEC 61000-2-2 / EN
61000-2-2.
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pag. 57
Immagazzinamento dell'energia
Tecnologie utilizzabili
Immagazzinamento dell'energia negli UPS
I sistemi di immagazzinamento dell'energia utilizzati dagli UPS per subentrare alla
fonte primaria quando necessario devono avere le seguenti caratteristiche:
 disponibilità immediata di alimentazione elettrica;
 potenza nominale sufficiente per alimentare il carico;
 autonomia sufficiente e/o compatibilità con sistemi che offrono autonomie di lunga
durata (ad esempio, gruppi elettrogeni o pile a combustibile).
Valutazione delle tecnologie disponibili
Fare riferimento
al WP 65 
L'analisi tecnica eseguita da APC by Schneider Electric ha condotto a un
approfondito esame delle seguenti tecnologie:
 batterie;
 supercondensatori (ultracondensatori);
 volani;
 Immagazzinamento di energia magnetica a superconduttori (SMES).
 Per ulteriori informazioni, fare riferimento a WP 65 - White Paper 65: "Comparing
Data Center Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors" (Confronto tra
ultracondensatori, volani e batterie dei data center).
Le soluzioni relative a batterie e volani sono discusse di seguito.
Batterie
Soluzione per batterie
Le batterie rappresentano indubbiamente la soluzione più utilizzata oggi per
l'immagazzinamento di energia negli UPS. Ciò è una conseguenza del loro costo
ridotto, della provata efficacia e della capacità di immagazzinamento; tuttavia questa
soluzione presenta anche degli svantaggi in termini di dimensioni, manutenzione e
ambiente. Con le potenze nominali prese in considerazione qui, le batterie offrono
tempi di autonomia nell'ordine dei dieci minuti, sufficienti per superare lunghe
interruzioni e attendere l'avvio di un gruppo elettrogeno per un tempo di
funzionamento più esteso.
TM
Per la gamma Symmetra PX, APC by Schneider Electric offre inoltre soluzioni con
tempi di funzionamento estesi basate sull'utilizzo di pile a combustibile, con la
gamma di prodotti FCXR (Fuel Cell eXtended Run). Questa soluzione riduce
drasticamente l'impatto ambientale e i requisiti di spazio rispetto alle soluzioni basate
sull'utilizzo combinato di batterie e gruppo elettrogeno.
 L'immagazzinamento elettrochimico di energia mediante batterie, supportato se
possibile dall'utilizzo di un gruppo elettrogeno con motore termico, rappresenta la
soluzione più diffusa per la protezione dei carichi critici mediante UPS.
Fig. 5.21. Immagazzinamento dell'energia mediante una batteria e un gruppo elettrogeno per
autonomie prolungate.
92APC by Schneider Electric
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pag. 58
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
Tipi di batterie industriali
Famiglie di batterie
Una batteria è costituita da un insieme di celle collegate tra loro.
A seconda del tipo di cella, si possono distinguere due grandi famiglie di batterie:
 Batterie piombo-acido;
 Batterie nichel-cadmio.
Le celle possono inoltre essere di tipo:
 a ricombinazione  batterie sigillate
Il tasso di ricombinazione del gas è il 95% minimo, pertanto non è necessario
aggiungere acqua nell'arco della durata di servizio delle batterie (da cui il termine
"sigillate");
 aperto  batterie aperte
Queste batterie sono dotate di porte che consentono di:
- rilasciare nell'atmosfera l'ossigeno e l'idrogeno prodotti durante le reazioni
chimiche;
- mantenere il livello dell'elettrolita aggiungendo acqua distillata o demineralizzata.
Batterie utilizzate negli UPS
Le tipologie principali di batterie utilizzate con gli UPS sono:
 Batterie piombo-acido sigillate, utilizzate nel 95% dei casi poiché non richiedono
particolare manutenzione né una stanza appositamente adibita e possono quindi
essere installate all'interno degli uffici, in qualsiasi posizione;
 Batterie piombo-acido aperte;
 Batterie nichel-cadmio aperte.
Le batterie aperte pongono vincoli significativi in termini di manutenzione (verifica del
livello dell'elettrolita) e di posizionamento (solo posizioni verticali).
L'utilizzo delle batterie litio-polimero con gli UPS è attualmente in fase di studio.
Per l'impiego con le proprie gamme di UPS, APC by Schneider Electric consiglia le
batterie piombo-acido sigillate, tuttavia offre anche un'ampia selezione di altri tipi.
Le tre tipologie di batterie sono disponibili per tutte le durate di servizio previste.
È possibile adattare i livelli di capacità e l'autonomia per rispondere al meglio alle
esigenze dell'utente.
Le batterie proposte sono inoltre perfette per le applicazioni UPS in quanto sono
state studiate in collaborazione con i maggiori produttori di batterie del mondo.
 Selezione della batteria, vedere "Installazione dell'UPS - Fattori chiave" p. 46.
Modalità di installazione
In base alla gamma di UPS, alla capacità e all'autonomia della batteria, quest'ultima
è:
 di tipo sigillato e alloggiata nell'armadio UPS;
 di tipo sigillato e alloggiata in uno, due o tre armadi;
 di tipo aperto o sigillato e montata su rack.
Montaggio in armadio
Questo metodo di installazione è il più adatto per le batterie sigillate (vedere fig.
5.15). È facile da realizzare e garantisce la massima sicurezza.
Batterie installate su rack
 Su ripiani (figura 5.16)
Questo metodo di installazione è possibile per batterie sigillate o aperte ma che non
necessitano di manutenzione (ovvero nessun controllo del livello dell'elettrolita).
 Montaggio a livelli (figura 5.17)
Questo metodo di installazione è adatto a tutti i tipi di batterie e in particolare alle
batterie aperte, poiché ne agevola il controllo e l'eventuale riempimento.
92APC by Schneider Electric
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pag. 59
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
Fig. 5.22. Montaggio in armadio.
Fig. 5.24. Montaggio a livelli.
92APC by Schneider Electric
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Fig. 5.23. Montaggio su ripiani.
pag. 60
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
Limitazioni relative alle batterie
Limitazioni atmosferiche
Le batterie fornite con gli UPS di APC by Schneider Electric sono progettate per
funzionare nelle seguenti condizioni:
 Intervallo termico ottimale: da 15 °C a 25 °C;
 Intervallo umidità relativa ottimale: da 5% a 95%;
 Pressione atmosferica: da 700 a 1060 hPa (0,7 - 1,06 bar).
Per le condizioni di funzionamento, contattare il servizio assistenza.
Accesso
È necessario garantire libero accesso alle batterie per le operazioni di verifica.
 Batterie installate nell'armadio UPS o in altri armadi: rispettare i requisiti di spazio
indicati in "Dimensioni e peso", capitolo 4.
 Batterie installate su rack: selezionare un metodo di installazione adeguato al tipo
di batteria.
 Operazioni preliminari: questo aspetto, molto importante poiché riguarda la
sicurezza, viene ampiamente discusso in "Installazione dell'UPS - Fattori chiave"
p. 49.
Parametri principali delle batterie
Autonomia
Per una determinata batteria, l'autonomia varia in base a:
 la potenza da fornire, dove a un valore ridotto corrisponde una maggiore
autonomia;
 le condizioni di scarica, dove un tasso di scarica elevato implica una tensione di
arresto inferiore e aumenta la durata dell'autonomia;
 la temperatura, poiché entro i limiti operativi consigliati a una maggiore
temperatura corrisponde un aumento dell'autonomia. Tuttavia, una temperatura
troppo elevata influenza negativamente la durata di servizio della batteria;
 l'invecchiamento, dato che l'autonomia della batteria diminuisce nel corso del
tempo.
APC by Schneider Electric offre un'ampia gamma di autonomie (5, 6, 8, 10, 15 o 30
minuti) e durate di servizio (5 o 10 anni o più) standard; inoltre fornisce soluzioni che
soddisfano richieste specifiche.
Durata di servizio
Una batteria viene considerata al termine della propria durata di servizio quando
l'autonomia effettiva scende a un valore inferiore al 50% dell'autonomia dichiarata.
È possibile prolungare la durata di servizio di una batteria nei modi seguenti:
 proteggendo la batteria dal rischio di scarica profonda;
 impostando i corretti parametri del caricabatteria, in particolare il fattore di
ondulazione della carica o la corrente di mantenimento;
 mantenendo una temperatura di esercizio ottimale, compresa tra 15 °C e 25 °C.
Modalità di ricarica
Il ciclo di carica si divide in due passaggi:
 Passaggio 1 - corrente costante limitata a 0,1 C10 (un decimo della capacità della
batteria per una scarica di dieci ore);
 Passaggio 2 - tensione costante al valore massimo consentito. La corrente di
carica diminuisce gradualmente e raggiunge il valore di mantenimento.
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pag. 61
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
Fig. 5.25. Ciclo di carica di una batteria.
92APC by Schneider Electric
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pag. 62
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
Gestione delle batterie per le gamme MGETM GalaxyTM
Digibat
TM
TM
TM
Per una corretta gestione dei parametri indicati sopra, tutti gli UPS MGE Galaxy
di APC by Schneider Electric sono dotati di serie del sistema di monitoraggio della
TM
batteria basato su microprocessore Digibat (DSP dedicato per elaborazione in
tempo reale).
TM
Digibat è un sistema intuitivo che offre funzioni avanzate e flessibili, nonché
protezione fisica e assistita da computer per la batteria. Questo sistema garantisce
inoltre un alto livello di sicurezza, misurazioni affidabili dell'autonomia e una durata di
servizio ottimizzata. Ad esempio, per un UPS MGE Galaxy 5000 le funzioni
comprendono:
 Inserimento automatico dei parametri della batteria;
 Misurazione dell'autonomia reale residua, considerando l'età della batteria, la
temperatura e il livello di carico;
(1)
 Calcolo della durata residua della batteria ;
 Test della batteria per individuare eventuali difetti di funzionamento della batteria
(1)
;
 Regolazione della tensione della batteria in relazione alla temperatura per
ottimizzare la durata della batteria;
 Test automatico della scarica della batteria a intervalli di tempo regolabili.
Le funzioni di protezione comprendono:
 Protezione dal rischio di scarica profonda (in base al tasso di scarica) e isolamento
della batteria mediante un interruttore di circuito che viene aperto quando
l'autonomia, moltiplicata per due più due ore, è terminata;
 Limitazione della corrente di ricarica nella batteria (da 0,05 C10 a 0,1 C10);
 Segnale acustico di allarme progressivo, che indica il termine dell'autonomia;
 Vari test automatici.
(1) Brevetti esclusivi di APC by Schneider Electric.
Fig. 5.26. DigibatTM
Monitoraggio della temperatura
TM
TM
Gli UPS MGE Galaxy possono anche disporre di un modulo di monitoraggio
della temperatura utilizzato per:
 Ottimizzare la tensione del caricabatteria in base alla temperatura presente nella
stanza per la batteria;
 Avvisare l'utente quando i valori di temperatura consentiti preimpostati vengono
superati;
 Fornire una stima più precisa dell'autonomia della batteria rispetto a quella
calcolata dal sistema standard.
Per evitare un aumento di temperatura della batteria, assicurare una ventilazione
naturale degli armadi che contengono le batterie.
Il sensore Environment Sensor rappresenta inoltre un semplice strumento per il
monitoraggio di temperatura e umidità. È possibile utilizzarlo per avviare l'arresto in
combinazione con il software in esecuzione nel modulo.
Monitoraggio della batteria
L'offerta di APC by Schneider Electric comprende anche i sistemi di monitoraggio
della batteria B2000 e Cellwatch che operano in modo autonomo e in
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pag. 63
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
comunicazione tra loro e consentono di rilevare immediatamente e localizzare tutti i
guasti relativi alla batteria. Questi sistemi monitorano ciascun blocco o cella della
batteria, consentendo di realizzare una manutenzione preventiva.
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Immagazzinamento dell'energia (cont.)
Volani
Immagazzinamento dell'energia mediante volano
Principio di funzionamento
Un sistema di immagazzinamento dell'energia mediante volano è una "batteria
meccanica" che accumula energia cinetica, sotto forma di massa rotante. Quando è
necessario, durante un'interruzione di servizio, l'energia immagazzinata dalla massa
rotante viene convertita in energia elettrica grazie al generatore integrato nel volano.
La quantità di energia immagazzinata in un volano è definita come:
2
E = kMω
dove k dipende dalla forma della massa rotante, M è la massa del volano e ω la
velocità angolare.
 Si noti che l'energia accumulata è proporzionale al quadrato della velocità
angolare. Per questo motivo, tra gli altri, APC by Schneider Electric propone volani
che ruotano a velocità piuttosto elevate. In questo modo vengono ridotti sia il peso
sia l'ingombro del sistema di immagazzinamento dell'energia.
Applicazioni UPS
Le unità a volano possono sostituire le tradizionali batterie UPS o funzionare in
combinazione con esse per garantire un'alimentazione di emergenza istantanea e
affidabile per le applicazioni da cui dipendono le aziende di oggi (data center,
ospedali, studi di trasmissione, sale giochi aeroporti e stabilimenti produttivi). Questi
dispositivi si interfacciano con il bus CC dell'UPS, esattamente come una batteria,
ricevono corrente di carica dall'UPS e forniscono alimentazione CC all'inverter
dell'UPS durante la scarica.
UPS
Critical
loads
AC input
Rectifier
Flywheel
Inverter
Battery
Fig. 5.27. Schema semplificato di un UPS con volano per l'immagazzinamento dell'energia
collegato in parallelo alla batteria.
I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano trovano due diverse
applicazioni: una installazione include un gruppo elettrogeno, l'altra no.
Rinforzo della batteria per installazioni senza gruppo elettrogeno
Per installazioni prive di gruppo elettrogeno, un sistema di immagazzinamento
dell'energia mediante volano può funzionare in parallelo alle batterie. Questo tipo di
applicazione a volano viene spesso denominata "battery hardening" (rinforzo della
batteria).
In questa configurazione il volano rappresenta la prima linea di difesa contro le
anomalie di alimentazione e consente di ottenere una maggiore disponibilità e
risparmiare le batterie per interruzioni di alimentazione prolungate. Il sistema a
volano fornisce per primo l'energia necessaria a superare le anomalie
dell'alimentazione, prolungando così la durata della batteria in modo significativo
mediante l'assorbimento di oltre il 98% delle scariche, normalmente alimentate dalla
batteria. Il rinforzo della batteria mediante volano offre numerosi vantaggi.
 Minor numero di cicli carica-scarica, con conseguente prolungamento della
durata utile della batteria;
 Minore frequenza di sostituzione della batteria e conseguente minore
smaltimento di piombo acido;
 Maggiore disponibilità del bus CC critico.
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Immagazzinamento dell'energia (cont.)
Sostituzione della batteria per installazioni con gruppi elettrogeni
I gruppi elettrogeni sono solitamente in grado di sostenere il carico entro 10 secondi
dal guasto alla rete. Le batterie dell'UPS forniscono alimentazione durante questa
transizione, ma la loro affidabilità è sempre dubbia: sono completamente cariche?
Tutte le celle presenti nella stringa di batterie sono funzionanti? Quando sono state
controllate l'ultima volta?
Al contrario, i sistemi basati su volano garantiscono un immediato e affidabile
immagazzinamento dell'energia per una transizione sicura al gruppo elettrogeno in
standby, il tutto con un ingombro ridotto.
Un sistema a volano che fornisce 10 o 20 secondi di energia offre numerosi vantaggi
in più rispetto alle batterie per installazioni con gruppi elettrogeni.
 Immagazzinamento di energia estremamente affidabile e sicuro:
- circa 54.000 ore di MTBF (tempo medio tra guasti)
- monitoraggio continuo per prestazioni assolutamente prevedibili
 Alternativa ecologica alle batterie:
- non viene utilizzato piombo né acido; emissioni di anidride carbonica ridotte
 TCO (costo totale di proprietà) ridotto:
- 20 anni di vita utile del prodotto
- scarsa manutenzione necessaria
- dimensioni e peso modesti
- funzionamento garantito con temperature fino a 40 °C.
Tipi di volani
I volani per UPS si dividono in varie tipologie in base alla velocità, al materiale di cui
sono composti e alla configurazione del motogeneratore.
Velocità del volano
 Volani a bassa velocità
- Velocità angolare <10.000 giri/min
- L'energia necessaria per potenze elevate richiede l'impiego di pesanti volani di
acciaio (pesanti e voluminosi)
- Manutenzione periodica e sostituzione dei cuscinetti meccanici
- Elevate perdite dovute a energia parassita
- Per l'installazione è necessaria una soletta in cemento dalle specifiche particolari
 Volani ad alta velocità
- Da 30.000 a 60.000 giri/min (potenzialmente fino a 100.000 giri/min)
- Molto più leggeri anche per potenze elevate (l'energia viene accumulata mediante
velocità di rotazione superiori)
- Levitazione magnetica completa
- Manutenzione periodica meno frequente
- Ingombro e peso ridotti
- Operazioni di messa in servizio, avvio e arresto semplificate
Come già specificato, i volani proposti con gli UPS di APC by Schneider Electric
operano a velocità relativamente elevate (36.000 giri/min quando la carica è
completa) e offrono tutti i vantaggi corrispondenti.
Materiali che compongono il volano
 Volani in fibra di carbonio
I volani in fibra di carbonio sono prodotti mediante avvolgimento di grandi estensioni
di fibra di carbonio su un fuso, tenuta insieme da una resina epossidica.
Eventuali imperfezioni nel processo e gioco tra le fibre possono portare a uno
sbilanciamento del volano nel tempo a causa delle sollecitazioni esercitate nella
rotazione da un regime di alta velocità a uno di bassa velocità e viceversa, come
avviene durante ogni normale ciclo di scarica. Quando il volano in fibra di carbonio
risulta sbilanciato, l'intero modulo deve essere sostituito, con una notevole perdita di
tempo e denaro.
 Volani in acciaio
I volani forniti con gli UPS di APC by Schneider Electric sono prodotti in acciaio
aerospaziale grado 4340. Questo materiale ha proprietà ben note, è disponibile
presso numerosi fornitori e viene utilizzato in molte applicazioni con rotazioni ad alta
velocità. Un fattore molto importante è che l'integrità del materiale è misurabile
attraverso campionamenti del nucleo e ultrasuoni, per garantirne la conformità ai
requisiti dell'applicazione. Lo stesso volano è stato utilizzato non solo in applicazioni
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pag. 66
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
UPS, ma anche per rigenerazioni a cicli elevati, come motori elettrici per gru e rotaie
elettriche. Queste applicazioni richiedono che il volano venga caricato e scaricato
anche 20 volte in un'ora e dimostrano la solidità dell'acciaio di qualità aerospaziale,
facendone il materiale di elezione per il volano.
Configurazione del motogeneratore
L'altra differenza tra i vari sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano
sta nella configurazione del motogeneratore.
 I sistemi a volano di APC by Schneider Electric utilizzano un motogeneratore a
magneti permanenti. Il vantaggio è duplice:
- la maggiore efficienza del motogeneratore durante i processi di carica e scarica
garantisce la capacità del volano di sostenere cicli intensivi;
- il volano può generare energia autonomamente per mantenere la propria
levitazione, anche in caso di mancanza dell'alimentazione di comando o di guasto
nell'elettronica di potenza.
 Altri produttori utilizzano un motore sincrono a riluttanza che non è in grado di
autogenerare energia in caso di guasto all'elettronica di potenza.
- L'unità necessita di un'alimentazione di emergenza da un piccolo UPS per fornire
energia ai cuscinetti magnetici.
Installazione
Armadi per volani
I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano si trovano in armadi
separati che vengono collegati al bus CC come gli armadi per le batterie. È possibile
installare più armadi per volani in parallelo per ottenere maggiore potenza, tempi di
funzionamento più estesi o ridondanza.
Preparazione del sito
È necessaria una minima preparazione del sito per l'installazione di armadi per
volani. Prima dell'installazione è necessario dedicare particolare attenzione ad alcuni
aspetti:
 Cablaggio verso l'UPS e altre attrezzature
 Accesso per la manutenzione
 Spazi di raffreddamento
 Montaggio a pavimento
Limitazioni relative ai volani
Limitazioni atmosferiche
I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano forniti con gli UPS di
APC by Schneider Electric sono progettati per funzionare nelle seguenti condizioni:
 Temperatura di esercizio: da -20 °C a 40 °C (senza declassamento)
 Temperatura minima per avvio a freddo: 0 °C
 Umidità relativa: fino a 95% (senza condensa)
Per le condizioni di funzionamento, contattare il servizio assistenza.
Parametri principali dei volani
Potenza in uscita e tempo di autonomia
I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano forniti con gli UPS di
APC by Schneider Electric offrono flessibilità nella scelta della migliore combinazione
tra livello di potenza e tempo di funzionamento in risposta ai requisiti di applicazione.
 Sono disponibili unità singole con potenza nominale di 215 e 300 kW.
 Il modello da 300 kW può fornire 160 kW per ~18,75 secondi o 220 kW per ~10
secondi, solitamente sufficienti per le applicazioni di rinforzo della batteria o l'avvio
del gruppo elettrogeno.
 È possibile installare in parallelo più unità a volano per garantire capacità,
ridondanza e tempo di funzionamento maggiori.
Durata di servizio
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pag. 67
Immagazzinamento dell'energia (cont.)
 La durata di servizio di un volano per l'immagazzinamento dell'energia è
generalmente di gran lunga superiore a quella delle batterie piombo-acido.
 I sistemi di immagazzinamento dell'energia mediante volano forniti con gli UPS di
APC by Schneider Electric sono caratterizzati da una durata di 20 anni per
temperature di servizio fino a 40 °C e frequenti cicli di carica-scarica.
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Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno
Utilizzo di un generatore
Lunghi tempi di autonomia
Un gruppo elettrogeno è costituito da un motore a combustione interna che muove
un generatore, il quale a sua volta alimenta il sistema di distribuzione. Il tempo di
autonomia di un gruppo elettrogeno motore varia in base alla quantità di
combustibile disponibile.
In alcune installazioni, il tempo di autonomia richiesto in caso di interruzioni del
servizio è tale che è preferibile utilizzare un gruppo elettrogeno a supporto
dell'alimentazione di rete (figura 5.28).
Questa soluzione elimina la necessità di utilizzare batterie di grandi dimensioni con
lunghi tempi di autonomia.
Nonostante non ci sia una regola stabilita in merito, di solito per tempi di autonomia
di oltre 30 minuti si preferisce utilizzare un generatore. Le installazioni critiche che
richiedono livelli di disponibilità molto elevati e con costi di inattività sostanziosi (ad
esempio, i data center) tendono a combinare sistematicamente l'utilizzo di UPS e
gruppi elettrogeni.
Il tempo di autonomia della batteria per l'UPS deve essere sufficiente per l'avvio del
generatore e il collegamento all'impianto elettrico. Il collegamento viene di solito
eseguito sul quadro elettrico generale di bassa tensione (QGBT), utilizzando un
sistema di commutazione della fonte. Il tempo necessario per la commutazione
dipende dalle specifiche caratteristiche delle installazioni, in particolare la sequenza
di avvio, il distacco del carico e così via.
Fig. 5.28. Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno
Combinazione di UPS e
gruppo elettrogeno
Compatibilità di UPS e gruppo elettrogeno
È necessario tenere in considerazione alcuni fattori quando si utilizza un gruppo
elettrogeno per fornire energia con tempi di autonomia prolungati a un UPS.
Variazioni del gradino di carico
In condizioni di emergenza, quando è necessario un collegamento dell'installazione
al gruppo elettrogeno, carichi pesanti possono generare elevate correnti di spunto, a
loro volta causa di seri problemi operativi per il gruppo elettrogeno. Per evitare tali
fenomeni, APC by Schneider Electric ha dotato i propri UPS di un sistema che
garantisce un avvio graduale del caricabatteria; il processo dura circa dieci secondi.
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pag. 69
Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno
Inoltre, quando l'alimentazione di rete è nuovamente disponibile, è possibile fermare
il caricabatteria in modo graduale mediante un interruttore ausiliario al fine di evitare
disturbi sugli altri carichi.
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pag. 70
Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno
(cont.)
Fig. 5.29. Avvio graduale di un raddrizzatore UPS durante il funzionamento con alimentazione
dal generatore.
Correnti capacitive
Il generatore può fornire solo correnti capacitive relativamente basse (dal 10 al 30%
di In). Quando viene installato un filtro LC, la difficoltà principale risiede
nell'avviamento graduale del raddrizzatore con alimentazione dal generatore,
quando la potenza attiva è uguale a zero e il generatore fornisce solo la corrente
capacitiva per il filtro. Di conseguenza, l'utilizzo di filtri LC deve essere analizzato in
modo corretto per garantire che il funzionamento sia conforme alle specifiche del
produttore.
Per risolvere questo problema è sufficiente utilizzare filtri LC compensati con un
contattore. Per gli UPS con raddrizzatore PFC la compatibilità è totale.
 Filtri LC e generatori, vedere capitolo 1 pag. 26.
Rispettive potenze nominali di UPS e generatori
Un UPS dotato di rettificatore PFC è caratterizzato da un elevato fattore di potenza
in ingresso (superiore a 0,9). Il gruppo elettrogeno motore può essere quindi
utilizzato in modo estremamente efficace.
Per i filtri LC, è sufficiente utilizzare filtri compensati con un contattore per risolvere il
problema delle correnti capacitive.
 La compatibilità tra le potenze nominali di gruppi elettrogeni e UPS di ultima
generazione elimina qualsiasi problema di declassamento.
Stabilità della frequenza del generatore
Durante il funzionamento con alimentazione del gruppo elettrogeno, può verificarsi
una fluttuazione nella frequenza del generatore a causa delle variazioni nella
velocità del motore termico per il quale le funzioni di regolazione non sono
istantanee; tali variazioni derivano dai cambiamenti nel carico. Alcuni esempi di
questa problematica sono l'avvio del gruppo elettrogeno stesso (fino al
raggiungimento della velocità nominale), l'avvio di altri carichi alimentati dal gruppo
elettrogeno (ascensori, sistemi di climatizzazione), e il distacco dei carichi.
Ciò può causare problemi agli UPS line-interactive, caratterizzati da una frequenza in
uscita identica a quella in ingresso. Le variazioni di frequenza del generatore
possono generare numerosi trasferimenti all'alimentazione a batteria (quando la
frequenza non rientra nei valori di tolleranza) e ripristini dell'alimentazione di rete
(quando l'inverter ha stabilizzato la frequenza, ma il generatore non è ancora
stabilizzato), conducendo a fenomeni di "oscillazione", ovvero instabilità attorno al
valore di riferimento della frequenza.
Negli UPS a doppia conversione, la regolazione della potenza in uscita eseguita
dall'inverter elimina il problema.
 Gli UPS a doppia conversione sono totalmente compatibili con le fluttuazioni di
frequenza dei gruppi elettrogeni. Questo non avviene per gli UPS line-interactive.
Armoniche
La reattanza subtransitoria X"d di un generatore è solitamente superiore alla
tensione di cortocircuito Uccx di un trasformatore (dalle due alle quattro volte tanto).
Qualsiasi corrente armonica assorbita dal raddrizzatore UPS potrebbe avere un
impatto maggiore sulla distorsione armonica della tensione nelle barre collettrici a
monte. Con la tecnologia del raddrizzatore PFC, l'assenza di armoniche a monte
elimina il problema.
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pag. 71
Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno
(cont.)
Valutazione delle correnti di spunto
All'avvio, alcuni carichi possono causare notevoli correnti di spunto (sovratensioni da
commutazione, picchi di avvio), che durano per un determinato lasso di tempo.
Per gli UPS, queste correnti rappresentano un carico apparente Sa (kVA) superiore
a Sn (kVA), che può essere alimentato in condizioni di stato stazionario.
Il valore di Sa da considerare per il corretto dimensionamento dell'alimentazione
UPS viene calcolato sulla base delle correnti di spunto.
Di seguito sono riportate alcune indicazioni su tali correnti originate da dispositivi di
carico comuni.
Motori
I motori sono solitamente di tipo asincrono trifase (95% del totale). I requisiti di
potenza aggiuntivi corrispondono alla corrente di avvio definita da (fig. 5.30):
 Id (da 5 a 8 In, valore efficace nominale) per un tempo td (da 1 a 10 secondi);
 Imax = da 8 a 12 In, per un tempo da 20 a 30 millisecondi.
La potenza assorbita da tenere in considerazione (trascurando l'effetto picco di
Imax) è pari a:
Sa (kVA) = Un Id
3
durante td.
Trasformatori BT/BT
La commutazione del trasformatore genera picchi di corrente con ampiezze che
vengono smorzate secondo un decadimento esponenziale con una costante
temporale (vedere fig. 5.31).
 i = I1° picco exp -t/ dove  rappresenta alcuni cicli (da 30 a 300 ms).
 I1° picco = k In (dove k è dato, solitamente compreso tra 10 e 20).
Solitamente viene inoltre indicato per quanti cicli persiste il fenomeno e il valore dei
picchi come percentuale di I1° picco.
La corrente di spunto corrispondente viene calcolata sulla base di (vedere
l'esempio):
 Sa (kVA) = Un I1° picco 3 , ovvero Sa (kVA) = k Un In 3 durante il numero di cicli.
 Esempio di corrente di spunto smorzata in quattro cicli con:
1° picco (100%): k In (k da 10 a 20)
2° picco 30%: 0,3 k In
3° picco 15%: 0,15 k In
(1)
Il totale dei valori efficaci delle correnti corrispondenti ai vari picchi (I picco / 2 ) è
pari a:
k In (1  0 ,3  0 ,15 )
2

K In 1,45
 k In
2
Questo corrisponde approssimativamente al valore del primo picco soltanto.
(1)
Considerando i picchi di corrente come onde sinusoidali; notare che alcuni produttori
indicano un valore efficace di Ipicco / 2.
Carichi di computer
Gli alimentatori a commutazione sono dei carichi non lineari. La corrente per un
carico monofase ha una forma d'onda simile a quella rappresentata nella figura 5.32.
Può presentarsi un picco nella prima metà dell'onda pari a circa 2 In; tuttavia
solitamente risulta molto inferiore a questo valore ed è trascurabile.
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pag. 72
Combinazione di UPS e gruppo elettrogeno
(cont.)
Fig. 5.30. Curva per avvio
diretto in linea di un motore
trifase asincrono.
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Fig. 5.31. Corrente di
commutazione del
trasformatore BT/BT.
Fig. 5.32. Corrente di avvio per
il carico di computer
pag. 73
Armoniche
Armoniche
Origine delle armoniche
Il sempre crescente utilizzo di dispositivi di calcolo per le telecomunicazioni e
l'elettronica di potenza ha prodotto un aumento nel numero di carichi non lineari
collegati ai sistemi di alimentazione.
Per tali applicazioni sono necessari alimentatori a commutazione che trasformano la
sinusoide della tensione in segnali periodici con forme d'onda diverse. Tutti i segnali
periodici di frequenza f sono il risultato di segnali sinusoidali sovrapposti con
frequenze che sono multipli di f, note come armoniche (vedere la sezione "Valori
caratteristici delle armoniche" che tratta il teorema di Fourier, riportata di seguito, a
pagina 40). La figura 5.32 illustra questo principio e mostra la corrente iniziale (la
fondamentale) e l'armonica di ordine tre.
Viene qui illustrato ciò che accade quando
un'armonica di ordine tre (150/180 Hz) si
sovrappone alla frequenza fondamentale
(50/60 Hz). La frequenza del segnale
periodico risultante è quella della
fondamentale, ma la forma d'onda è distorta.
Fig. 5.33. Esempi di armoniche.
La crescita nella presenza di armoniche è un fenomeno che riguarda tutti gli impianti
elettrici, commerciali e industriali, oltre che residenziali. Nessun ambiente elettrico
moderno è esente da tali disturbi causati da dispositivi quali PC, server, tubi
fluorescenti, condizionatori, variatori di velocità, lampade a scarica, raddrizzatori,
alimentatori statici, forni a microonde, televisori, lampade alogene e così via. Tutti
questi carichi sono definiti "non lineari".
Conseguenze delle armoniche
Le armoniche disturbano, in modo sempre più rilevante, ogni genere di attività, dalle
fabbriche di componenti elettronici e sistemi di elaborazione dati alle stazioni di
pompaggio, dai sistemi di telecomunicazione agli studi televisivi e così via, poiché
rappresentano una parte significativa della corrente assorbita.
Vi sono tre tipi di conseguenze negative per gli utenti:
Impatto sugli impianti elettrici
Le armoniche causano l'aumento del valore della corrente efficace in relazione alla
corrente sinusoidale nominale. Ciò comporta un aumento di temperatura (talvolta
notevole) in trasformatori, linee, generatori, condensatori, cavi e così via. Il costo
nascosto dell'invecchiamento accelerato di alcuni dispositivi può essere molto
elevato.
Impatto sulle applicazioni
Le correnti armoniche circolano nelle impedenze di sorgente e di linea, generando
così armoniche di tensione che provocano a loro volta una distorsione di tensione
sulle barre collettrici a monte dei carichi non lineari (figura 5.34).
La distorsione della tensione di alimentazione (THDU a monte, distorsione armonica
totale della tensione) può disturbare il normale funzionamento di alcuni dispositivi
sensibili collegati alle sbarre collettrici.
Inoltre, per sistemi TNC dove conduttori N e PE sono uniti a formare un conduttore
PEN, le armoniche omopolari di ordine tre si accumulano nel conduttore neutro.
Questa corrente di squilibrio nel neutro può disturbare i circuiti che collegano tra loro
dispositivi a bassa corrente e potrebbero richiedere il sovradimensionamento del
neutro.
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pag. 74
Armoniche (cont.)
Fig. 5.34. Distorsione di tensione dovuta a reiniezione delle correnti armoniche per carichi non
lineari.
Impatto sull'alimentazione elettrica disponibile
Le armoniche costituiscono una perdita di corrente diretta (fino al 30% in più di
corrente consumata). L'utente sarà così costretto a pagare di più per avere meno
corrente a disposizione.
Precauzioni
Generali
Esistono diverse soluzioni tradizionali da applicare per limitare le armoniche:
 installazione di filtri passivi sintonizzati;
 installazione in parallelo di più cavi con sezioni trasversali di medie dimensioni;
 separazione dei carichi non lineari e dei carichi sensibili dietro trasformatori di
isolamento.
Tuttavia, queste soluzioni presentano due svantaggi principali:
 la limitazione delle armoniche è efficace solo per l'installazione esistente
(l'aggiunta o la rimozione di carichi può renderla inefficace);
 l'implementazione è difficile nelle installazioni esistenti.
I compensatori attivi di armoniche AccuSine (vedere capitolo 3) ovviano a questi
problemi. Molto più efficaci di altre soluzioni, questi dispositivi possono essere
utilizzati con tutti i tipi di carico e sono in grado di eliminare in maniera selettiva
armoniche che vanno dal secondo al venticinquesimo ordine.
Eliminazione delle armoniche, vedere "Come eliminare le correnti armoniche"
UPS
 Gli UPS, a causa del raddrizzatore/caricabatteria, rappresentano carichi non lineari
per la sorgente di alimentazione. Gli UPS di APC by Schneider Electric garantiscono
un perfetto controllo delle armoniche a monte utilizzando raddrizzatori PFC "puliti" o
filtri (MGE Galaxy PW e 9000).
A monte dell'UPS, la distorsione di tensione totale resta entro limiti accettabili per gli
altri dispositivi collegati alle stesse sbarre collettrici.
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pag. 75
Armoniche (cont.)
Valori caratteristici delle
armoniche
Valori di corrente
Espansione armonica di una corrente periodica
Il teorema di Fourier indica che qualsiasi funzione periodica con una frequenza f può
essere rappresentata come la somma dei termini (serie) composta da:
 un termine sinusoidale con frequenza f, detto frequenza fondamentale;
 termini sinusoidali con frequenze che sono multipli interi della frequenza
fondamentale, ovvero le armoniche;
 un componente CC, se possibile.
L'applicazione del teorema di Fourier alla corrente di carichi non lineari indica che
una corrente periodica I(t), di qualsiasi forma a frequenza f (50 o 60 Hz), rappresenta
la somma delle correnti sinusoidali armoniche così definite:

I( t )  IH 1 2 sin(  t   1) 

IH n 2 sin( n  t   n )
n2
dove
 IH1 è il valore efficace della corrente fondamentale alla frequenza f (50 o 60 Hz);
  = 2  f è la frequenza angolare della fondamentale;
 1 è lo sfasamento tra la tensione e la corrente fondamentale;
 IHn è il valore efficace dell'armonica di ordine n, alla frequenza nf;
 n è lo sfasamento tra la tensione e corrente armonica di ordine n.
È importante valutare le armoniche (n  2) in relazione alla fondamentale (n = 1) per
determinare di quanto la funzione differisce dalla fondamentale.
A questo scopo, è necessario prendere in considerazione i valori riportati di seguito.
Contenuto armonico singolo della corrente
Questo valore esprime il rapporto in percentuale tra il valore efficace dell'armonica
data e quello della fondamentale.
IH n
Ih n %  100
IH 1
Tutte le armoniche presenti in una determinata corrente con l'indicazione
dell'importanza relativa (valori Ihn) costituiscono lo spettro armonico della corrente. In
genere l'influenza degli ordini al di sopra del 25° è trascurabile.
Distorsione armonica totale della corrente
Questa distorsione, detta THDI (distorsione armonica totale, dove I sta per corrente),
esprime il rapporto tra il valore efficace di tutte le armoniche (n  2) e quello della
fondamentale. Il valore THDI è espresso anche in termini di armoniche individuali.

 IH
n2
T H D I%  100
IH1
2
n

 100

n2
 IH n 


 IH1 

2

  Ih
n%

2
n2
Nota: i residui armonici possono essere espressi in rapporto al valore Iefficace del segnale
completo e non alla fondamentale (documenti IEC). In questo documento, è stata utilizzata la
definizione del CIGRE, che utilizza la fondamentale.
Per i residui armonici ridotti analizzati nelle pagine seguenti, le due definizioni producono
risultati praticamente identici.
Valore efficace di una corrente con armoniche
Il valore efficace di una corrente alternata con periodo T è:
Irm s 
1
T

T
I t  d t
2
0
Eseguiti i calcoli e utilizzando la rappresentazione delle armoniche, il valore può
essere espresso come:

Irm s 
 IH
2
n
n 1
dove IHn = valore efficace dell'armonica di ordine n.
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pag. 76
Armoniche (cont.)
Il valore efficace può essere inoltre espresso come:

Irm s 
 IH
2
IH1 
2
n
n2

I eff  IH 1

1
n2
oppure:
 IH n 


 IH 1 
2
da cui:

Irm s  IH1
1
 Ih
2
n
 IH1
1  THDI
2
n2
 Ihn = Ihn% / 100 (livello individuale espresso come valore e non come
percentuale).
 THDI = THDI% / 100 (distorsione espressa come valore e non come percentuale).
Il valore efficace della corrente è quello della fondamentale, moltiplicato per un
coefficiente dovuto alle armoniche che è una funzione della distorsione.
 Un effetto delle armoniche è dunque quello di incrementare il valore efficace della
corrente, che può condurre a un aumento della temperatura e quindi alla necessità
di un sovradimensionamento dei conduttori. Minore è la distorsione, minore è la
necessità di sovradimensionamento.
Esempio
Corrente in ingresso di un raddrizzatore trifase.
Livelli di distorsione armonica
Ih5 = 33%
Ih7 = 2,7%
Ih11 = 7,3%
Ih13 = 1,6%
Ih17 = 2,6%
Ih19 = 1,1%
Ih23 = 1,5%
Ih25 = 1,3%
THDI = 35%
Fig. 5.35. Esempio di spettro di una corrente armonica.

TH D I% 
 Ih
n%

2
n2
Il valore al di sotto del segno di radice quadrata:
2
2
2
2
2
2
2
2
33 + 2,7 + 7,3 + 1,6 + 2,6 + 1,1 + 1,5 + 1,3 = 1164
di conseguenza THDI%  34% e THDI = 0,34
Ie ff  IH 1 1  T H D I
2
IH
1  0 .3 4
2
1
=
= 1,056 x I1
Il valore efficace di questa corrente è quindi maggiore del 5,6% rispetto al valore
efficace della fondamentale, ossia alla corrente nominale che non contiene
armoniche, con un aumento della temperatura corrispondente.
Valori della tensione
Ai capi di un carico non lineare, attraversato da una corrente CA periodica distorta,
anche la tensione è periodica con frequenza f ed è distorta rispetto alla sinusoide
teorica. La relazione tra tensione e corrente non è più soggetta alla legge lineare di
Ohm, che risulta applicabile solo per corrente e tensione sinusoidale. È possibile,
tuttavia, utilizzare un'espansione di Fourier per la tensione e definire i seguenti
valori, come per la corrente e con gli stessi risultati:
Contenuto armonico singolo della tensione
Uh n %  100
UH
n
UH 1
È anche possibile calcolare lo spettro armonico per la tensione.
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pag. 77
Armoniche (cont.)
Distorsione armonica totale della tensione

 UH
2
n
n2
T H D U %  100

 100
U H1

n2
 U Hn 


 U H1 

2

 U h
n

2
n2
THDU è la distorsione armonica totale, dove U indica la tensione.
Valore efficace di una tensione con armoniche

 IH
Irm s 
2
n
n 1
Allo stesso modo della corrente, questo valore può essere espresso come:

U rms  UH 1 1
 Uh
2
n
 IH 1 1 THDU
2
n2
 Il valore efficace della tensione è quello della fondamentale, moltiplicato per un
coefficiente che è dovuto alle armoniche.
Valori della potenza
Fattore di potenza in presenza di armoniche
Sulla base della potenza attiva ai capi di un carico non lineare P (kW) e della
potenza apparente fornita S (kVA), il fattore di potenza è definito come:
 
P ( kW )
S ( kVA )
Tale fattore di potenza non indica lo sfasamento tra la tensione e la corrente, poiché
questi non sono sinusoidali. Tuttavia è possibile definire lo sfasamento tra la
tensione fondamentale e la corrente fondamentale (entrambe sinusoidali) come:
P 1 ( KW )
cos 1 
S 1 ( kVA )
dove P1 e S1 sono rispettivamente la potenza attiva e la potenza reattiva
corrispondenti alle fondamentali.
La norma IEC 146-1 definisce il fattore di distorsione come:


cos 1
Quando non ci sono armoniche, questo fattore equivale a 1 e il fattore di potenza è
semplicemente cos.
Potenza in presenza di armoniche
 Ai capi di un carico lineare trifase bilanciato, alimentato con una tensione U(t) da
fase a fase e una corrente I(t), dove lo sfasamento tra U e I è , la potenza
apparente in kVA, che dipende dai valori efficace U e I, è pari a:
S  UI 3
La potenza attiva in kW è: P = S cos
La potenza reattiva in kvar è: Q = S sin
Dove:
S 
2
P Q
2
 Ai capi di un carico non lineare la definizione matematica di P è molto più
complessa, poiché U e I contengono armoniche. Tuttavia può essere espressa
semplicemente come:
.P = S . ( = fattore di potenza)
Se U1 e I1 sono le fondamentali spostate di 1, è possibile calcolare la potenza
apparente, attiva e reattiva corrispondenti in questo modo:
S1  U1 I1
S 
3
2
P1 = S1 cos1 e Q1 = S1 sin1. La potenza apparente totale è:
2
P1  Q 1  D
2
dove D è la potenza di distorsione, dovuta alle armoniche.
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pag. 78
Carichi non lineari e tecnologia PWM
Prestazioni dei carichi non
lineari per gli UPS con
tecnologia PWM
Importanza dell'impedenza in uscita dell'UPS
Schema equivalente dell'uscita di un inverter
Relativamente al carico, un inverter è una perfetta fonte di tensione sinusoidale V0 in
serie con un'impedenza in uscita Zs. La figura 5.36 riporta lo schema equivalente
dell'uscita di un inverter quando il carico è presente.
L'uscita dell'inverter è una perfetta fonte di
tensione V0 in serie con un'impedenza in
uscita Zs.
Vc = impedenza ai capi del carico.
Vs = impedenza all'uscita dell'inverter.
ZL = impedenza di linea.
Zc = impedenza del carico.
Fig. 5.36. Schema equivalente dell'uscita di un inverter.
Effetti dei diversi tipi di carico
 Per un carico lineare, le impedenze Zs, ZL e Zc sono considerate alla frequenza
angolare  = 2  f corrispondente alla frequenza di distribuzione (f = 50 o 60 Hz),
che risulta in
V0 = (Zs + ZL + Zc) I
 Per carichi non lineari, le correnti armoniche assorbite dal carico passano
attraverso le impedenze. Per la fondamentale e le singole armoniche, i valori efficaci
di corrente e tensione sono collegati in modo simile e possono essere espressi
come:
- per la fondamentale: U1 = (Zs + ZL + Zc) I1
- per ciascuna armonica di ordine k: UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK
I valori di impedenza sono considerati alla frequenza kf di un dato ordine.
La distorsione di tensione diminuisce con i livelli individuali delle armoniche di
tensione UK / U1.
La relazione tra questi livelli e quelli delle correnti armoniche I K/ I1 è espressa
dall'equazione:
[Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] / (Zs + ZL + Zc).
 Di conseguenza, per lo spettro della corrente di un dato carico, i livelli armonici
della tensione individuale e la distorsione totale (THDU) diminuiscono con
l'impedenza di sorgente e cavi alle frequenze stabilite.
Conseguenze di carichi non lineari
Per ridurre gli effetti delle correnti armoniche (THDU nei punti B e C), è necessario
cercare quanto più possibile di:
 ridurre l'impedenza di linea;
 garantire una scarsa impedenza della sorgente alle varie frequenze armoniche.
 Per la massima efficacia di un UPS che alimenta carichi non lineari è importante
che l'impedenza in uscita sia bassa alle varie frequenze armoniche.
Di seguito vengono presentati i vantaggi offerti dalla tecnica di chopping PWM (pulse
width modulation, modulazione della larghezza di impulso) in questo ambito.
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pag. 79
Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
Principio di funzionamento UPS
Chopping della tensione CC mediante l'inverter con filtraggio
Un inverter è composto da un convertitore che trasforma l'alimentazione CC fornita
dal raddrizzatore/caricabatteria o dalla batteria in alimentazione CA. Ad esempio, per
un UPS monofase è possibile convertire l'alimentazione CC in due modi: utilizzando
un convertitore a mezzo ponte (vedere fig. 5.37) o un convertitore a ponte (vedere
fig. 5.38).
La tensione a onda quadra che si ottiene tra A e B viene quindi filtrata per produrre
una tensione sinusoidale con basso livello di distorsione in uscita.
Gli interruttori qui rappresentati per illustrare il principio sono IGBT controllati.
Fig. 5.37. Convertitore CC/CA a mezzo ponte. Fig. 5.38. Convertitore CC/CA a ponte.
In pratica, gli interruttori mostrati nelle figure 5.37 e 5.38 sono IGBT per i quali è
possibile controllare i relativi tempi di spegnimento e accensione.
Controllando i tempi di spegnimento e accensione è possibile "distribuire" la tensione
sulla sinusoide di riferimento. Questo principio è noto come PWM (modulazione della
larghezza di impulso). Viene illustrato nella figura 5.39 in modo semplificato, con
cinque impulsi di onda quadra. L'area dell'onda sinusoidale della tensione è uguale a
quella degli impulsi di onda quadra utilizzati per generarla. Le aree rappresentano
l'alimentazione fornita dall'inverter al carico in un dato periodo di tempo, ad esempio
T
 V Id t .
0
Maggiore è la frequenza di chopping (e il numero di impulsi di onda quadra) e
migliore sarà la regolazione in rapporto all'onda di riferimento. La tecnica di chopping
consente inoltre di ridurre le dimensioni del filtro interno per l'uscita LC (vedere fig.
5.40).
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pag. 80
Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
Fig. 5.39. Tensione in uscita del convertitore
CC/CA
con cinque impulsi di onda quadra per
semionda.
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Fig. 5.40. Filtro in uscita dell'inverter.
pag. 81
Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
Inverter PWM
Chopping PWM
La tecnica di chopping PWM (modulazione della larghezza di impulso) unisce
l'interruzione o chopping ad alta frequenza (alcuni kHz) della tensione CC da
parte dell'inverter e la regolazione della larghezza dell'impulso per l'uscita
dell'inverter, per conformarsi a una sinusoide di riferimento.
Questa tecnica si avvale di IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, transistor
bipolare a gate isolato) che offrono tutti i vantaggi del controllo di tensione e tempi di
commutazione molto ridotti. Grazie all'alta frequenza, il sistema di regolazione
reagisce in modo rapido (ad esempio, 333 nanosecondi per una frequenza di 3 kHz)
e modifica la larghezza degli impulsi entro un dato periodo di tempo.
 Il confronto con la tensione di riferimento consente di mantenere la tensione in
uscita dell'inverter entro le severe tolleranze relative alla distorsione, anche per
correnti molto distorte.
Schema funzionale di un inverter PWM
La figura 5.41 mostra lo schema funzionale di un inverter PWM.
La tensione in uscita viene confrontata continuamente con quella di riferimento Vref,
che è costituita da un'onda sinusoidale con un livello di distorsione molto basso (<
1%).
La differenza di tensione  viene elaborata da un correttore, in base a una funzione
di trasferimento C(p), per garantire il controllo della stabilità e delle prestazioni.
La tensione proveniente dal correttore viene poi amplificata dal convertitore CC/CA e
dal relativo sistema di controllo con un guadagno A. La tensione fornita dal
convertitore Vm viene quindi filtrata dal filtro LC per ottenere la tensione in uscita Vs.
In sostanza, è necessario considerare l'impedenza dell'eventuale trasformatore di
uscita per ottenere l'induttanza totale L. Spesso l'induttanza è integrata nel
trasformatore, motivo per cui non viene inserita negli schemi.
Fig. 5.41. Schema funzionale di un inverter PWM.
Impedenza in uscita di un inverter PWM
È possibile rappresentare il convertitore CC/CA e il filtro di cui sopra come
impedenza in serie Z1 e impedenza in parallelo Z2 (vedere la parte sinistra della
figura 5.42).
Lo schema può essere modificato per mostrare l'impedenza in uscita Zs.
Lo schema equivalente presenta (parte destra della figura 5.42):
 V'm = tensione misurata in condizioni di assenza di carico, ovvero V'm = Vm
Z2
Z1  Z 2
 Zs = impedenza misurata all'uscita con V'm in cortocircuito, ovvero:
Z1 Z 2
Zs =
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Z1  Z 2
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Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
Fig. 5.42. Schema equivalente di un inverter visto dall'uscita.
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pag. 83
Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
Z2
Il rapporto Z 1  Z 2 è la funzione di trasferimento del filtro, indicata come H(p).
Per semplificare, C(p) x A viene sostituito da (p) che rappresenta la funzione di
trasferimento di correzione e amplificazione.
È quindi possibile sostituire la fig. 5.41 con lo schema funzionale illustrato nella fig.
5.43.
Fig. 5.43. Schema funzionale modificato di un inverter con chopping PWM e sistema di
regolazione della tensione in uscita caratterizzato da frequenza di chopping modulata.
È possibile così dimostrare che l'impedenza in uscita dell'inverter Zs in questo caso
è pari a:
Z's 
Z1
 (p )
(per ulteriori informazioni, consultare il documento Cahier Technique n. 159 di
Schneider Electric).
Ciò significa che nella banda passante di regolazione l'impedenza in uscita
dell'inverter è uguale all'impedenza in serie del filtro divisa per il guadagno di
correzione e amplificazione.
Dato l'elevato guadagno nella banda passante di regolazione, l'impedenza in uscita
è significativamente ridotta in confronto all'impedenza Z1 di un inverter non dotato di
questo tipo di regolazione.
Al di fuori della banda passante di regolazione, l'impedenza in uscita dell'inverter è
uguale a quella del filtro ma resta comunque bassa, poiché corrisponde
all'impedenza di un condensatore ad alta frequenza.
Di conseguenza, l'impedenza in uscita è una funzione della frequenza (vedere fig.
5.44).
 La tecnica PWM (modulazione della larghezza di impulso) a frequenza libera
limita in modo considerevole l'impedenza in uscita.
Confronto tra sorgenti diverse
Impedenza in uscita di varie sorgenti
Le curve riportate nella figura 5.44 rappresentano le impedenze per varie sorgenti
con valori nominali di uscita uguali, in funzione della frequenza CA. Le impedenze
sono raffigurate come percentuale dell'impedenza di carico Zc.
 Trasformatori e generatori: la curva è una retta che corrisponde all'effetto
dell'induttanza L (il termine che diventa rapidamente dominante nella reattanza in
rapporto alla resistenza e che cresce in modo lineare come funzione della
frequenza).
 Inverter moderni che utilizzano la tecnica di chopping PWM con frequenza di
interruzione modulata: a tutte le frequenze armoniche, il rapporto Zs/Zc è
- inferiore a quello rilevato per altre sorgenti
- basso e praticamente costante.
Conclusione
L'inverter PWM è la sorgente che offre l'impedenza più bassa in presenza di
armoniche e rappresenta indubbiamente la miglior sorgente disponibile sul mercato
in termini di capacità di ridurre al minimo la distorsione di tensione causata da carichi
non lineari. Questo dispositivo risulta dalle 5 alle 6 volte più efficace di un
trasformatore con potenza nominale identica.
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pag. 84
Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
 La nuova generazione di UPS che integra IGBT e tecnica di chopping PWM con
modulazione di frequenza costituisce la migliore sorgente di tensione sinusoidale,
indipendentemente dal tipo di corrente assorbita dal carico.
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Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
Fig. 5.44. Impedenza in uscita per diverse sorgenti in funzione della frequenza.
Chopping a frequenza libera
Chopping a frequenza libera
La frequenza libera è un miglioramento della tecnica PWM.
Per il chopping PWM è quindi possibile utilizzare una qualsiasi delle due tecniche
(fig. 5.45).
Chopping a frequenza fissa
Le interruzioni avvengono a intervalli fissi e regolari che corrispondono alla
frequenza di chopping sul singolo periodo.
È possibile modulare la larghezza degli impulsi (impulsi di onda quadra) per
maggiore aderenza al riferimento nell'intervallo di tempo fissato.
Le due sinusoidi riportate nello schema corrispondono alla tolleranza (< 1%) relativa
all'onda sinusoidale di riferimento.
Chopping a frequenza libera
Le interruzioni non avvengono necessariamente a intervalli fissi. Il chopping si adatta
alle necessità di regolazione, ovvero al tasso di cambiamento del riferimento.
L'ampiezza dei fronti di commutazione diminuisce (e la frequenza di chopping
aumenta) all'aumentare del tasso di cambiamento della sinusoide di riferimento. Al
contrario, l'ampiezza dei fronti di commutazione aumenta (e la frequenza di chopping
diminuisce) al diminuire del tasso di cambiamento del riferimento. Nel complesso, la
frequenza di chopping media è la stessa utilizzata nella tecnica con frequenza fissa
(circa 3 kHz). Tuttavia la regolazione è migliore perché la commutazione è più rapida
nelle zone con tasso di cambiamento elevato (vedere fig. 5.46).
È possibile raggiungere anche 8 commutazioni per millisecondo, ovvero un tempo di
regolazione che si abbassa fino a 125 nanosecondi (a fronte di 300 ns per la tecnica
a frequenza fissa).
 La tecnica a frequenza libera offre una maggiore precisione della regolazione di
tensione negli inverter PWM se confrontata con la tecnica a frequenza fissa.
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pag. 86
Carichi non lineari e tecnologia PWM (cont.)
La frequenza di chopping è fissa.
La modulazione avviene a intervalli prestabiliti,
indipendentemente dal tasso di cambiamento
della sinusoide di riferimento.
Frequenza fissa.
La frequenza di chopping libera aumenta
quando il tasso di cambiamento del riferimento
è elevato.
La modulazione avviene quindi a intervalli che
risultano più brevi quando il tasso di
cambiamento della sinusoide di riferimento
aumenta.
Frequenza libera.
Fig. 5.45. Chopping PWM con regolazione a frequenza fissa e a frequenza libera.
Free-frequency
switching
Quality
band with
variations
< 1%
Output voltage
curve
Up to 8 commutations
per millisecond
Fig. 5.46. Regolazione con commutazione a frequenza libera.
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pag. 87
Raddrizzatori PFC
Raddrizzatori PFC e standard
Gli UPS vengono alimentati dal sistema di distribuzione CA mediante un
raddrizzatore/caricabatteria. Rispetto al sistema a monte, il raddrizzatore è un carico
non lineare che assorbe armoniche. Se si considerano le armoniche, esistono due
tipi di raddrizzatori.
Raddrizzatori standard
Si tratta di raddrizzatori trifase che incorporano degli SCR e utilizzano un ponte
esafase con chopping standard della corrente.
Questo tipo di ponte assorbe le correnti armoniche con ordine di n = 6 k  1 (dove k
è un numero intero), principalmente H5, H7, e, in misura minore, H11 e H13.
Le armoniche vengono controllate tramite l'utilizzo di un filtro.
Raddrizzatore PFC (Power Factor Correction, correzione del fattore di
potenza) "pulito"
Questo tipo di raddrizzatore è dotato di IGBT integrati e di un sistema di regolazione
che adatta la tensione e la corrente in ingresso a una sinusoide di riferimento.
Questa tecnica assicura che la tensione e la corrente in ingresso siano:
 perfettamente sinusoidali, ovvero prive di armoniche;
 in fase, cioè con fattore di potenza prossimo a 1.
Con questo tipo di raddrizzatore, non sono necessari filtri.
Raddrizzatori PFC
Principio di funzionamento
Il principio alla base del raddrizzatore PFC prevede che la corrente assorbita resti
forzatamente sinusoidale. A questo scopo viene utilizzata la tecnica PWM presentata
qui sopra.
Il principio è quello di un convertitore "a sorgente di tensione" (vedere fig. 5.47),
mentre il compensatore attivo di armoniche AccuSine utilizza un convertitore "a
sorgente di corrente".
Il convertitore agisce come una forza controelettromotrice (un "generatore di
tensione sinusoidale") sul sistema di distribuzione e la corrente sinusoidale si ottiene
dall'inserimento di un induttore tra l'alimentazione di rete e la sorgente di tensione.
Anche se altri carichi non lineari aumentano la distorsione della tensione nel sistema
di distribuzione, con un'adeguata regolazione è possibile assorbire una corrente
sinusoidale.
La frequenza di correnti armoniche basse residue è la frequenza della modulazione
e dei relativi multipli. La frequenza dipende dalle capacità dei semiconduttori
utilizzati.
Fig. 5.47. Principio di funzionamento di un convertitore "generatore di tensione" pulito.
Implementazione
Raddrizzatore monofase
La figura 5.48 illustra il funzionamento di un raddrizzatore monofase.
La modulazione di tensione è ottenuta mediante un controller che forza la corrente a
seguire una corrente sinusoidale di riferimento.
Il transistor T e il diodo D costituiscono il modulatore di tensione. La tensione U varia
quindi tra 0 e Vs a seconda dello stato di accensione o spegnimento del transistor T.
Quando il transistor T conduce, la corrente nell'induttore L può soltanto aumentare,
poiché la tensione è positiva e U = 0.
Pertanto:
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pag. 88
Raddrizzatori PFC
di
dt
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
e
L >0
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pag. 89
Raddrizzatori PFC (cont.)
Quando il transistor T è in stato di spegnimento, la corrente in L diminuisce, purché
Vs sia maggiore di V, in modo che:
di
dt

e  Vs
L
>0
Perché si realizzi questa condizione, la tensione Vs deve essere superiore alla
tensione di picco di V, ovvero il valore efficace della tensione CA moltiplicato per
2
Se questa condizione non viene soddisfatta, la corrente in L può aumentare o
diminuire in qualsiasi momento. La variazione della corrente in L nel tempo può
essere forzata mediante il monitoraggio dei relativi tempi di spegnimento e
accensione del transistor T. La figura 5.49 mostra l'evoluzione della corrente I L in
rapporto al valore di riferimento.
Dal punto di vista della sorgente, il convertitore
deve agire come una resistenza, ovvero la
corrente I deve essere sinusoidale e in fase
con e (cos = 1).
Grazie al controllo del transistor T, il controller
forza IL a seguire la corrente sinusoidale di
riferimento con un raddrizzamento a onda
intera. La forma di I può pertanto essere solo
sinusoidale e in fase con e.
Inoltre, per mantenere al valore nominale la
tensione Vs in uscita, il controller regola il
valore medio di IL.
Fig. 5.48. Schema di un raddrizzatore monofase pulito che assorbe un segnale sinusoidale.
Fig. 5.49. Evoluzione della corrente IL in rapporto al riferimento.
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pag. 90
Raddrizzatori PFC (cont.)
Raddrizzatore/caricabatteria trifase
La figura 5.50 mostra la disposizione di base del circuito, che risulta simile a quella
riportata nella figura 5.48, con l'induttore posizionato a monte dei raddrizzatori;
anche il principio di funzionamento è lo stesso. Il sistema di monitoraggio controlla
tutte le tratte dell'alimentazione e forza la corrente assorbita in ciascuna fase a
seguire il riferimento sinusoidale.
Fig. 5.50. Schema di un raddrizzatore trifase pulito che assorbe un segnale sinusoidale.
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pag. 91
Raddrizzatori PFC (cont.)
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