Undici termini tecnici illustrati per capire il mondo degli Ups e avere sempre a portata di mano la spiegazione corretta.
Accumulatore
Autonomia
Corrente
Gruppo di continuità
Monitoraggio
Monofase
Onda sinusoidale
Potenza
Ridondanza
Tolleranza
Trifase
ACCUMULATORE
Chiamato impropriamente batteria, l’accumulatore è il componente più ingombrante, pesante e delicato di un Ups, al quale è demandata l’alimentazione di soccorso e, perciò, la protezione delle utenze in caso di blackout. Il caricabatterie mantiene l’accumulatore alla massima capacità di stoccaggio consentita, perciò l’accumulatore dev’essere sempre nelle migliori condizioni di funzionamento, pena il decadimento delle prestazioni dell’Ups nel caso di eventi critici.
La maggior parte degli Ups è equipaggiata con un accumulatore ricaricabile al piombo-acido (PbA), tecnologia caratterizzata da bassissimi costi di produzione, dalla capacità di fornire un’elevata potenza istantanea e dall’assenza di manutenzione.
Di contro, a causa ai processi di degradazione chimica dei componenti interni, questi accumulatori sono soggetti al progressivo decadimento delle prestazioni. Anche se il numero degli eventi critici è limitato nel tempo, per garantire la migliore funzionalità dell’accumulatore se ne consiglia la sostituzione con regolarità. Poiché contiene sostanze tossiche per l’uomo e per l’ambiente, l’accumulatore sostituito deve essere conferito nei siti di raccolta autorizzati.
Recentemente si stanno diffondendo accumulatori di nuova generazione, del tipo agli ioni di litio (Li-ion). Si tratta di una tecnologia in grado di accumulare la stessa quantità più energia rispetto al Pb-A, a fronte di pesi e ingombri decisamente più contenuti. Anche questi accumulatori sono soggetti a un degrado progressivo e sono più sensibili alle alte temperature, che possono comprometterne la capacità di accumulo e la durata nel tempo.
Per ovviare a queste problematiche un buon Ups dovrebbe disporre di sistemi per la visualizzazione dello stato e di un avviso, che si attiva automaticamente per segnalare quando l’accumulatore non è più in grado di raggiungere il livello di carica di sicurezza.
AUTONOMIA
Generalmente i gruppi di continuità per applicazioni domestiche e small business, prima di esaurire la carica dell’accumulatore possono operare per una decina di minuti – periodo di tempo ritenuto sufficiente a svolgere le operazioni di salvataggio dei dati e di spegnimento delle apparecchiature informatiche.
Si tratta di un periodo convenzionale, in quanto i gruppi di continuità dovrebbero essere dimensionati per fornire un’autonomia più o meno estesa, a seconda delle effettive necessità. È il caso, ad esempio, dell’autonomia richiesta agli impianti di illuminazione d’emergenza che, generalmente, devono restare operativi per almeno 90 minuti.
In ambito business gli impianti elettrici sono spesso provvisti di generatori ausiliari che, nell’arco di pochi secondi, sono in grado di fornire l’energia sufficiente a mantenere in funzione le applicazioni critiche e, contemporaneamente, a permettere l’avvio delle procedure di spegnimento.
Le strategie di protezione determinano perciò il dimensionamento degli Ups almeno quanto i valori di potenza delle apparecchiature e dei sistemi da proteggere. Anzi, i gruppi di continuità più evoluti possono essere programmati per dirigere l’arresto graduale e selettivo dei carichi collegati, in base a precise priorità.
Normalmente è consigliabile evitare che la somma dei carichi collegati risulti superiore al 70% della capacità massima nominale del gruppo di continuità. Considerando anche la possibilità di ampliamenti futuri, la somma dei carichi dovrebbe tendere al 50% della capacità dell’Ups, anche per offrire un ragionevole margine di sicurezza in caso di eventi critici.
CORRENTE
La corrente continua (DC) è costituita da un flusso delle cariche elettriche di intensità e polarità costanti nel tempo, prodotto artificialmente mediante dinamo. Oggi è utilizzata prevalentemente nelle apparecchiature alimentate con accumulatori (telefoni cellulari, automobili, lampade tascabili, ecc.) oppure nei dispositivi per la produzione (generatori, moduli fotovoltaici, ecc.) e il trasporto (elettrodotti, reti elettriche ferroviarie) dell’energia.
Nei gruppi di continuità, a valle dell’accumulatore, è infatti presente un alternatore (inverter) che trasforma la corrente continua in alternata, generando le relative informazioni circa la forma d’onda, la frequenza e la fase, per alimentare le utenze protette collegate all’impianto elettrico.
La corrente alternata (AC) si distingue per l’inversione continua della polarità elettrica (da positiva a negativa a positiva, ecc.) con periodicità fissa nel tempo. L’affermazione della corrente alternata è legata alle ridotte dispersioni nel trasporto sulle lunghe distanze di elevate potenze ad alta tensione, al fatto che gli alternatori sono tecnicamente più semplici ed efficienti delle dinamo e alla possibilità di sfruttare i vantaggi degli impianti trifase.
L’invenzione della corrente alternata è risultato degli studi dello scienziato serbo Nikolas Tesla, che con questa invenzione ha rivoluzionato la fisica aprendo le porte allo sviluppo su larga scala delle reti e delle apparecchiature elettriche. In Europa, Asia e Africa la corrente alternata è distribuita a diverse tensioni, con frequenza di 50 Hz, mentre nelle Americhe la frequenza è di 60 Hz.
GRUPPO DI CONTINUITÀ
Un gruppo di continuità o più comunemente Ups (Uninterruptible Power Supply), è un convertitore elettronico di corrente di tipo statico, ovvero senza parti in movimento, preposto all’alimentazione continua di uno o più utenze o carichi (apparecchiature, macchine, reti dati, ecc.).
In estrema sintesi è composto da:
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un raddrizzatore che converte la corrente alternata, in arrivo dalla sorgente, in corrente continua, con funzione di caricabatterie;
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uno o più accumulatori di tipo chimico (batterie);
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un inverter, che converte la corrente continua in uscita dall’accumulatore in corrente alternata, per l’alimentazione delle utenze.
Gli Ups svolgono due compiti principali:
- quando la sorgente principale (ad esempio, la rete elettrica) è in funzione, accumulano l’energia e proteggono le utenze dalle fluttuazioni della tensione, stabilizzandola all’interno di un determinato campo di funzionamento;
- quando la sorgente principale non è in funzione (ad esempio, in caso di blackout), utilizzano l’energia accumulata per alimentare i carichi per un periodo di tempo limitato (fino all’entrata in funzione della sorgente ausiliaria, ad esempio un gruppo elettrogeno), evitando danni alle utenze e la perdita dei dati.
Esistono diverse tipologie di gruppi di continuità.
Nella scelta dell’Ups più adatto alle proprie esigenze è sempre opportuno considerare la tipologia dell’impianto elettrico (monofase o trifase), l’entità dei carichi e la durata minima del periodo di alimentazione, in modo da individuare le caratteristiche e la configurazione ottimale del dispositivo.
MONITORAGGIO
Come per qualsiasi impianto elettrico, la possibilità di comandare e controllare il funzionamento è indispensabile per la corretta conduzione, gestione e manutenzione dell’intera applicazione. Oltre a comandi e display a bordo, un Ups è normalmente dotato di software ed è predisposto per la connessione internet anche tramite un’interfaccia web, utili per il monitoraggio e la gestione remota.
Fra le funzionalità più diffuse si segnalano:
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visualizzazione dello stato (accensione, carica e durata dell’accumulatore, ecc.) mediante led, display e schermi, per permettere il controllo diretto da parte del gestore delle condizioni di funzionamento del gruppo di continuità, anche nel caso di sistemi di gestione centralizzata;
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segnalazione delle condizioni dell’alimentazione, che si attiva con allarmi acustici e/o con l’invio di notifiche alla console e/o di SMS o email, per comunicare il verificarsi di un evento imprevisto come di una circostanza prevista;
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arresto automatico, che interviene al verificarsi di un evento specifico; il gruppo di continuità si occupa dell’arresto graduale dei dispositivi collegati, seguendo le procedure previste dalle diverse utenze per evitare danni alle apparecchiature, perdite di dati o la necessità di un lungo riavvio;
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avviso di sostituzione dell’accumulatore, per segnalare la ridotta carica a disposizione e/o la necessità di interventi di manutenzione;
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registro degli eventi, nel quale sono memorizzati i dati di funzionamento anche ai fini dello studio delle tendenze storiche.
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MONOFASE
Per la scelta del gruppo di continuità (Ups) è fondamentale conoscere le caratteristiche di base dell’impianto elettrico nel quale sarà installato.
In generale, le utenze civili e le applicazioni di tipo “small office” e “server & networking” (piccole attività professionali e aziendali) dispongono di impianti monofase.
In questo caso si utilizzano normalmente uno o più gruppi di continuità, dedicati a singoli apparecchi o a gruppi di apparecchiature, installati indipendentemente gli uni dagli altri per consentire la necessaria flessibilità d’uso e permettere l’implementazione di nuovi apparecchi senza modificare il resto del sistema.
Gli Ups per applicazioni domestiche sono generalmente semplici dal punto di vista tecnologico ed economicamente accessibili, come i modelli “stand-by” o “off-line”: sono di dimensioni contenute, entrano in funzione nell’arco di 5÷10 millisecondi dall’evento e non sempre dispongono della protezione dagli sbalzi di tensione.
Per le applicazioni small office e small business sono consigliati i gruppi di continuità “on-line” o “line interactive”: entrano in funzione senza alcun ritardo, sono equipaggiati con dispositivi di protezione e mettono generalmente a disposizione funzioni avanzate.
I principali parametri da considerare per l’acquisto di uno o più gruppi di continuità monofase sono:
- la potenza complessiva delle apparecchiature da proteggere: è sufficiente sommare la potenza di tutti i dispositivi collegati a ogni singolo UPS;
- la durata del periodo di alimentazione di soccorso, solitamente non inferiore a 10 minuti.
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ONDA SINUSOIDALE
Oltre a proteggere le utenze durante gli eventi critici come i black-out, i gruppi di continuità (Ups) svolgono un ruolo fondamentale a protezione delle apparecchiature più sensibili agli sbalzi di tensione, che caratterizzano l’erogazione dell’elettricità da parte dell’impianto elettrico.
Le apparecchiature più sensibili, ma anche le normali utenze domestiche possono essere danneggiate da repentini sbalzi della tensione, ad esempio nel caso dell’accensione contemporanea di più elettrodomestici.
Il caso tipico è quello dei Pc, specie se equipaggiati con un alimentatore di scarsa qualità. Questi apparecchi, infatti, lavorano a bassissimi voltaggi: uno sbalzo di tensione può causarne lo spegnimento improvviso e, addirittura, un cortocircuito dei componenti interni.
A valle delle cabine di trasformazione, la rete elettrica e perciò anche l’impianto elettrico domestico erogano corrente elettrica alternata (AC), ovvero corrente nella quale la polarità è continuamente invertita nel tempo. L’inversione avviene in modo progressivo e può essere rappresentata in un grafico come un’onda ciclica di tipo sinusoidale, con frequenza costante a 50 Hz.
Poiché gli Ups sono installati fra l’impianto elettrico e le utenze, per preservare gli apparecchi protetti, una delle loro principali funzioni consiste proprio nella corretta erogazione della corrente anche nel caso di sbalzi della tensione nell’impianto.
A seconda della qualità dell’Ups, la corrente può essere erogata secondo:
• lo stesso andamento sinusoidale “puro”: tipico della corrente erogata dalla rete di distribuzione, se non addirittura migliore;
• un andamento sinusoidale “approssimato”: invece dell’onda pura, in questo caso il grafico sarà composto da linee spezzate (pseudo-sinusoidali);
• un andamento “quadro”: è il caso peggiore, da evitare per tutte le apparecchiature non dotate di un buon alimentatore.
POTENZA
La determinazione della potenza apparente (AC) di un gruppo di continuità (dimensionamento) è un aspetto importantissimo ai fini della scelta dell’Ups più indicato. Prendiamo come esempio un’applicazione domestica, nella quale si vuole proteggere il laptop che contiene le informazioni di tutti i familiari.
Si tratta infatti del caso più comune: circa l’80% dei danni ai sistemi informatici è direttamente attribuibile a difetti dell’alimentazione elettrica, che sono molto più frequenti rispetto a quanto si pensi (in media circa 120 disturbi al mese di vario genere, secondo IBM).
Il primo passo consiste nell’individuare quali dispositivi collegare: oltre all’unità di calcolo bisognerà considerare le periferiche principali come lo schermo – indispensabile per salvare e spegnere – e le unità di memoria esterne – che durante il blackout potrebbero essere impegnate in un backup.
Questi apparecchi possono presentare dati di consumo espressi in watt (W) oppure in ampere (A), che devono essere trasformati in voltampere (VA) per ottenere la potenza minima dell’Ups cercato:
- nel primo caso è sufficiente dividere i watt per 0,7 (fattore di potenza tipico degli apparecchi elettronici), ad esempio: 100 W/0,7=143 VA;
- nel secondo caso il valore sarà moltiplicato per la tensione (230 V per gli impianti monofase), ad esempio: 0,5 A x 230 V=115 VA.
In teoria, nel caso di circuiti elettronici caratterizzati da carichi non lineari, il valore finale della somma potrebbe essere ridotto per effetto dello sfasamento fra tensione e corrente (fattore di potenza). Nei fatti, poiché nel tempo potrebbero aggiungersi altri dispositivi da proteggere, non è consigliato sottodimensionare il gruppo di continuità.
RIDONDANZA
Poiché lo scopo di gruppo di continuità è garantire l’erogazione dell’elettricità in caso di eventi critici, l’architettura interna del’Ups può essere configurata in relazione alle esigenze specifiche dell’applicazione da proteggere, prevedendo ad esempio la possibilità di commutare l’alimentazione a caldo, la dotazione di accumulatori aggiuntivi, l’impiego di sistemi di controllo e regolazione intelligenti, ecc..
Aumentando il numero dei componenti si riduce perciò la possibilità che il guasto a uno di essi pregiudichi l’efficacia dell’intero Ups. Allo stesso modo, alla scala dell’edificio o del complesso industriale, si possono prevedere diversi gradi di ridondanza dei sistemi preposti alla continuità dell’erogazione dell’energia, compresi gli Ups stessi, aumentando così la sicurezza del sistema.
Si parla di “ridondanza isolata “quando un Ups principale alimenta il carico, mentre un Ups secondario, detto “di isolamento”, alimenta il bypass statico dell’Ups principale. Sebbene più sicura della cosiddetta “capacità 0” (un unico Ups), questa configurazione è ritenuta poco affidabile e presenta elevati costi d’esercizio.
Si definisce “ridondanza parallela” l’impiego di più Ups della stessa taglia operanti in parallelo, che alimentano un bus di uscita comune. Se la riserva di energia è pari almeno alla capacità di un unico Ups, quest’ultimo presenta una ridondanza N+l.
Con i sistemi cosiddetti a “ridondanza distribuita” sono possibili diverse opzioni di configurazione, che prevedono l’impiego di almeno 3 Ups con linee di alimentazione di ingresso e di uscita indipendenti, diverse unità di distribuzione dell’alimentazione e commutatori di trasferimento.
Le architetture più complesse e affidabili sono definite “sistema più sistema” (ZN, 2N+1). Sono configurate per eliminare ogni singolo punto di guasto possibile e sono impiegate nelle applicazioni più sensibili. 
TOLLERANZA
Nell’ambito della medesima organizzazione aziendale coesistono attività che, rispetto all’eventualità di un’interruzione dell’alimentazione elettrica, presentano diversi livelli di tolleranza.
Ad esempio, nei reparti ad alta intensità delle cure di un ospedale (blocco operatorio, terapia intensiva, emodinamica, ecc.) devono essere mantenuti in funzione:
- le apparecchiature elettromedicali, dalle quali dipende direttamente la vita dei pazienti;
- gli apparati impiantistici indispensabili al buon esito delle attività in corso (ventilazione meccanica, che assicura l’asepsi del teatro operatorio; illuminazione artificiale; ecc.).
Sempre in ambito ospedaliero sono impiegate apparecchiature diagnostiche dal costo molto elevato ed estremamente sensibili alle interruzioni dell’alimentazione, che potrebbero essere danneggiate da un evento critico e vanno perciò protette per evitare fermi macchina e la conseguente perdita di reddito.
Lo stesso può dirsi delle reti informatiche per il trattamento dei dati clinici e amministrativi, spesso estesi a interni comprensori territoriali, la cui continuità d’esercizio va salvaguardata indipendentemente dal verificarsi di un evento critico in uno dei suoi nodi.
Le medesime considerazioni possono essere estese alle stazioni di polizia, alle torri di controllo degli aeroporti, alle sale operative della protezione civile, alle basi militari, ai centri di calcolo delle banche, ai data center e a numerose tipologie di attività civili e industriali.
Questo tipo di strutture, caratterizzate dalla necessità di non interrompere i processi e le comunicazioni, sono normalmente equipaggiate con sistemi per la produzione autonoma di energia elettrica alimentati da più fonti alternative, all’interno dei quali gli Ups hanno il compito di garantire la continuità dell’erogazione per il tempo necessario all’entrata a regime dei generatori ausiliari.
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TRIFASE
Nel caso di impianti elettrici trifase – i più utilizzati negli edifici attività produttivi, generalmente con carichi superiori a 20 kVA – i gruppi di continuità sono chiamati a fronteggiare applicazioni complesse e critiche e possono operare in sinergia con altri dispositivi come i gruppi elettrogeni.
Gli Ups trifase possono restituire corrente monofase (3/1) – idonea per alimentare gli apparecchi informatici – oppure trifase (3/3) – spesso utilizzata per le apparecchiature elettromedicali. Nel caso della corrente 3/3 è opportuno effettuare il bilanciamento dei carichi sulle singole fasi, in modo da equilibrare di conseguenza anche il funzionamento dei gruppi di continuità.
In questo modo è possibile predisporre un piano di protezione centralizzato, basato su un singolo Ups di grossa taglia – in grado di proteggere un intero edificio o una serie di circuiti industriali – e su una serie di procedure automatiche e/o gestibili in remoto che, in caso di necessità, permettono lo spegnimento progressivo delle apparecchiature collegate secondo criteri di priorità.
Per queste applicazioni si utilizzano normalmente 3 tipologie di Ups:
– stand-by ferrorisonante – un tempo molto diffusi ma oggi poco richiesti dal mercato – caratterizzati dall’elevata affidabilità e dall’eccellente correzione della tensione in uscita, ma anche da una bassa efficienza e dall’instabilità;
– on-line a doppia conversione – la tipologia più diffusa per potenze da 5 a 5.000 kWA – che offrono prestazioni quasi ideali della tensione in uscita ma, anche in questo caso, risultano poco efficienti e poco affidabili;
– on-line a conversione delta, equipaggiati con un trasformatore aggiuntivo e anch’essi idonei per potenze fino a 5 MW, risultano più efficienti rispetto a quelli a doppia conversione.
Scarica un documento sugli UPS trifase
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