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Alimentazione
di sicurezza e di riserva
Paolo Pelacchi
Definizioni
- Alimentazione di sicurezza: sistema elettrico destinato a garantire
l’alimentazione di apparecchi utilizzatori o parti dell’impianto
necessari alla sicurezza delle persone (safety).
- Alimentazione di riserva: sistema elettrico destinato a garantire
l’alimentazione di apparecchi utilizzatori o parti dell’impianto
per motivi diversi dalla sicurezza delle persone (security).
- Le alimentazioni di sicurezza e di riserva vengono generalmente
chiamate alimentazioni di emergenza. In ambedue i casi viene
richiesta una elevata continuità del servizio.
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Definizioni
- La qualità della fornitura di energia elettrica viene generalmente
associata ai seguenti requisiti:
- Continuità della alimentazione
- Costanza della frequenza
- Costanza del modulo della tensione
- Mantenimento della forma d’onda sinusoidale
- Mantenimento della simmetria della terna trifase di tensioni
- Tra quelli citati il principale è senza dubbio la continuità della
alimentazione.
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Definizioni
- Per quanto attiene alla sicurezza delle persone esistono leggi e
prescrizioni specifiche relative agli obblighi da rispettare ed ai
requisiti che le alimentazioni necessarie a garantire tale sicurezza
devono avere.
- Per quanto riguarda invece le alimentazioni di riserva non
esistono prescrizioni specifiche. Tali alimentazioni vanno
previste nei casi in cui le utenze necessitino di una elevata
qualità del servizio con particolare riferimento alla continuità
(ma non solo).
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Definizioni
- L’esistenza delle alimentazioni di emergenza è in sostanza
dovuta al fatto che:
- I sistemi elettrici non hanno una affidabilità infinita ma sono
soggetti a guasti e disalimentazioni per manutenzione
ordinaria.
- Non è economicamente conveniente garantire a tutto il
carico la stessa qualità di alimentazione richiesta da alcune
utenze particolarmente sensibili quali, ad esempio, banche,
sistemi di telecomunicazione, ospedali, ecc..
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Classificazione delle interruzioni
- Le apparecchiature rispondono in genere in maniera diversa alla
durata dell’interruzione (tipicamente una interruzione):
- Motori: di solito non hanno problemi in virtù dell’inerzia meccanica
- Lampade a incandescenza: il comportamento è legato all’inerzia termica
del filamento; generalmente si spegne dopo 50 ms, ma non è percepito
dall’occhio fino a 100 ms;
- Lampade a scarica: si interrompe l’arco ad ogni passaggio per lo 0 della
corrente; se si raffredda si spegne definitivamente ed è necessario fare
un restart;
- Sistemi di elaborazione: perdo completamente l’informazione ed il
processo controllato si blocca (sistemi di sicurezza e controllo, sistemi
elettromedicali, ecc.)
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Classificazione dei carichi
- Per quanto prima detto è necessario prima di tutto classificare i
carichi. La classificazione più diffusa è la seguente:
- Carichi ordinari
- Carichi preferenziali
- Carichi privilegiati
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Classificazione dei carichi
- Carichi ordinari
- Sono quei carichi la cui mancata alimentazione non comporta
problemi particolari né al funzionamento delle utenze né alla
sicurezza delle persone. Per questi carichi i tempi di interruzione
dell’alimentazione sono generalmente compatibili con i tempi di
ripristino del servizio.
- Es.: luce e f.m., illuminazioni esterne, condizionamento e
riscaldamento, ecc..
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Classificazione dei carichi
- Carichi preferenziali
- Sono quei carichi la cui mancata alimentazione non comporta
problemi particolari per la sicurezza delle persone ma può creare
disagi e addirittura danni ad alcune utenze. Questi carichi non
possono aspettare il ripristino della alimentazione da parte della
rete ma devono essere rialimentati tipicamente entro 20 sec.
dall’interruzione del servizio.
- Es.: illuminazione di scale e altri locali particolari, ascensori,
frigoriferi, condizionamento e riscaldamento di locali particolari,
ecc..
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Classificazione dei carichi
- Carichi privilegiati
- Sono quei carichi la cui mancata alimentazione provoca
condizioni di pericolo per l’uomo o pregiudica il corretto
funzionamento di particolari apparati. Questi carichi devono
essere rialimentati tipicamente entro 15 sec. dall’interruzione del
servizio.
- Es.: illuminazione di sicurezza, alimentazione apparecchi
elettromedicali per sale operatorie, rianimazione, terapia
intensiva, unità coronariche, sistemi di allarme e sorveglianza,
sistemi di TLC e di elaborazione dell’informazione, sistemi
industriali la cui mancata alimentazione può provocare gravi
danni (comando del timone in una nave).
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Classificazione delle sorgenti
- Le sorgenti per l’alimentazione di emergenza vengono
generalmente classificate in base a:
- Tempo di intervento:
-
Continuità assoluta
-
Interruzione brevissima (< 0.15 s)
-
Interruzione breve ( 0.15 – 0.5 s)
-
Interruzione media ( 0.5 – 15 s)
-
Interruzione lunga (> 15 s)
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Classificazione delle sorgenti
- Le sorgenti per l’alimentazione di emergenza vengono
generalmente classificate in base a:
- Autonomia di alimentazione:
-
Riserva limitata (accumulo elettrochimico, volani, ecc.)
-
Riserva illimitata (sorgente primaria di energia ausiliaria
disponibile all’esterno del sistema: combustibile)
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Classificazione delle interruzioni
- Le interruzioni vengono generalmente classificate in base alla
loro durata (AEEG):
- Interruzioni brevi (< 3 min)
- Interruzioni lunghe (> 3 min)
- In effetti nelle interruzioni brevi vengono in genere comprese
anche le interruzioni, che sono tipicamente inferiori a 0.5 s.
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Dispositivi di alimentazione di emergenza
- I dispositivi per l’alimentazione di emergenza devono essere in
grado di fornire al carico ad essi collegato sia potenza che
energia in tempi che siano compatibili con il corretto
funzionamento del carico stesso.
- Detti dispositivi si possono classificare prima di tutto in due
categorie:
- Dispositivi che garantiscono la continuità assoluta (es.: UPS)
- Dispositivi che non garantiscono la continuità assoluta (es.: gruppi
elettrogeni fermi)
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Dispositivi di alimentazione di emergenza
- UPS (Uninterruptible Power Supply): possono intervenire in
tempi che sono dell’ordine della decina di ms; sono quindi adatti
a carichi particolarmente sensibili ai disturbi; la limitazione al
loro uso è dovuta alla scarsa capacità dell’accumulo di energia,
tipicamente costituito da batterie elettrochimiche (è in fase di
studio la possibilità di utilizzare altre forme di accumulo come ad
esempio i supercondensatori).
- Gruppi elettrogeni: intervengono in tempi più lunghi dettati dalla
necessità dell’avviamento del motore termico (qualche secondo);
hanno una importante limitazione dovuta alla elevata probabilità
che l’avviamento fallisca (circa nel 20% dei casi). Si potrebbero
utilizzare permanentemente collegati alla rete.
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Dispositivi di alimentazione di emergenza:
UPS
Continuità assoluta. Il raddrizzatore consente flussi di potenza solamente dalla rete e quindi
quando questa manca l’energia della batteria alimenta solamente il carico.
Il raddrizzatore e l’inverter devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico.
La batteria ha generalmente una autonomia limitata (tipicamente da 10 min a 1 h).
I dispositivi elettronici hanno un rendimento non unitario (tipicamente il 90% complessivo).
La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi elettronici.
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Dispositivi di alimentazione di emergenza:
UPS
Per migliorare il rendimento e la continuità della alimentazione in presenza della rete:
Continuità assoluta. Le commutazioni dalla rete all’inverter e viceversa vengono effettuate
automaticamente (tipicamente entro 20 ms).
Il raddrizzatore e l’inverter devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico
privilegiato che alimentano.
La batteria ha generalmente una autonomia limitata (tipicamente da 10 min a 1 h).
La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi elettronici
solo quando questi sono in funzione (tempo limitato).
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Dispositivi di alimentazione di emergenza:
sistemi rotanti
- I sistemi che prevedono UPS presentano alcuni inconvenienti:
- Presenza di una interruzione sia alla inserzione che al distacco
- Limitazione della corrente di cto dovuta alla presenza dei componenti
elettronici
- Per risolvere almeno parzialmente questi problemi è possibile
sostituire i componenti elettronici con componenti elettromeccanici,
sostanzialmente motori elettrici e generatori sincroni.
- Le macchine rotanti, in virtù delle loro inerzie, permettono di
eliminare i buchi di tensione di inserzione e disinserzione.
- In virtù della presenza di generatori sincroni le correnti di cto sono
decisamente maggiori in confronto a quelle che si hanno in
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presenza di elettronica di potenza.
Dispositivi di alimentazione di emergenza:
sistemi rotanti
M
G
Le interruzioni brevi di alimentazione della rete vengono completamente filtrate dall’inerzia
delle macchine rotanti.
Il motore ed il generatore devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico
(privilegiato) che alimentano.
La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi
elettromeccanici.
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Dispositivi di alimentazione di emergenza:
sistemi rotanti
M
G
Continuità assoluta. Le interruzioni della alimentazione della rete vengono completamente
filtrate dall’inerzia delle macchine rotanti
Il motore ed il generatore devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico
(privilegiato) che alimentano.
La batteria ha generalmente una autonomia limitata (tipicamente da 10 min a 1 h).
La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi
elettromeccanici.
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Dispositivi di alimentazione di emergenza:
gruppi elettrogeni
M
G
Non c’è continuità assoluta. Quando manca tensione l’utente si distacca prima dalla rete e
successivamente viene avviato il motore termico (il carico resta disalimentato per qualche
secondo
Il motore ed il generatore devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico
(privilegiato) che alimentano.
La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi
elettromeccanici. Il problema principale riguarda l’avviamento del motore termico, che
fallisce nel 20% dei casi.
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Considerazioni sulla affidabilità
- Si definisce “tasso di guasto” il numero di guasti di un dispositivo
nell’unità di tempo. Il suo inverso rappresenta il periodo di funzionamento
fino al guasto. Generalmente il tasso di guasto viene indicato con λ.
- Quando due dispositivi sono disposti “in serie” (la grandezza in uscita dal
primo rappresenta la grandezza in ingresso al secondo) il tasso di guasto
dell’insieme dei due può essere valutato osservando che l’insieme è guasto
se è guasto o il dispositivo 1 o il dispositivo 2.
- Il tasso di guasto dell’insieme dei due sarà quindi la somma dei tassi di
guasto dei due dispositivi.
input


s  1  2
output
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Considerazioni sulla affidabilità
- Quando due dispositivi sono disposti “in parallelo” (la grandezza in
ingresso e quella in uscita sono comuni ai due dispositivi) il periodo di
funzionamento dell’insieme dei due (inverso del tasso di guasto) può
essere valutato osservando che l’insieme funziona se funzionano o il
dispositivo 1 o il dispositivo 2.
- Il periodo di funzionamento dell’insieme dei due sarà quindi la somma
dei periodi di funzionamento dei due dispositivi.

output
input

1
p

1
1

1
2
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Considerazioni sulla affidabilità
Consideriamo il caso di alimentazione di emergenza tramite
inverter sempre collegato alla rete. Il diagramma relativo ai tassi
di guasto evidenzia come l’inverter sia il dispositivo che rende
critica l’affidabilità della alimentazione.
 raddr
 rete
 inv
input
output
 batt
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Considerazioni sulla affidabilità
E’ sufficiente introdurre un
bypass per il funzionamento in
presenza di rete per rendere
molto meno critica
l’alimentazione di emergenza.
 bypass
 raddr
 rete
 inv
input
output
 batt
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Esempio di autoproduttore
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