Una breve spiegazione, pratica, delle tipologie di UPS (Uninterruptible Power Supply) o gruppo di continuità, che si possono scegliere nel proprio ambito applicativo e che si trovano facilmente in commercio.
Perchè la protezione dell'alimentazione è importante?
Al giorno d'oggi nessuna società può permettersi di lasciare le proprie risorse IT non protette da problemi di alimentazione, soprattutto quando annessi ci sono reparti produttivi, per i seguenti motivi:
brevi interruzioni possono creare problemi: buchi o cali di alimentazione anche per 1/4 di secondo (interruzioni transitorie) possono innescare perdite di dati nel reparto IT tali da compromettere il flusso di informazioni da minuti a ore. Il fermo negli uffici aziendali, con personale impiegato, causa costi in perdita anche notevoli. Peggio ancora quando alcuni dati passano dagli uffici al reparto produttivo per i programmi da eseguire nelle macchine o linee automatizzate in real time.
la rete non fornisce tensioni "pulite": le variazioni di tensione possono causare guasti o portare apparecchiature in stato di standby, con conseguenti danni. Ciò non è dovuto esclusivamente al fornitore di energia, dipende anche dalla topologia della rete e dalla distribuzione nella propria zona e nel proprio impianto, anche se fosse presente una propria cabina elettrica.
la fornitura di rete non è mai garantita al 100%: le interruzioni di alimentazione dall'ente fornitore ci sono sempre state e ci saranno sempre, anche se meno frequenti. E ciò è anche scritto nei contratti di fornitura che si firmano.
Intensificazione del rischio di guasti: le apparecchiature IT ed elettroniche di oggi sono equipaggiate con componenti sempre più miniaturizzati, la gestione della qualità di alimentazione è quasi sempre scaricata sull'utente utilizzatore o sull'installatore, basta leggere almeno una volta un manuale di installazione, dal quale si intuiscono quali precauzioni sull'alimentazione sono richieste per il corretto funzionamento.
Generatori e soppressori di sovracorrente non sono sufficienti: i generatori di energia non si avviano istantaneamente ma generalmente dopo 10 secondi, non fornendo nessun tipo di protezione dai picchi di potenza a da qualsiasi altro disturbo elettrico. I soppressori aiutano contro spike di tensione, ma non con i cali temporanei o di media durata, tantomeno con disturbi condotti in rete.
L'affidabilità è tutto: una volta la parte IT era di supporto all'impresa, oggi ne è parte integrante, complice la nuova digitalizzazione delle industrie, e la disponibilità è necessaria per il funzionamento di tutti i reparti.
Quindi che cos'è un UPS? A cosa serve?
È un dispositivo che fornisce alimentazione anche in mancanza dalla rete, allo scopo di poter spegnere apparati elettrici, elettronici o IT in modo coordinato e senza perdita di dati. Se associato ad un generatore, permette di sopperire alla mancanza dell'alimentazione di rete finché non sarà disponibile quella del generatore ausiliario, che si sostituirà alla rete come ingresso al gruppo di continuità.
Infine, permette di filtrare e ridurre fino ad eliminare, disturbi di rete, variazioni di tensione, caratteristiche molto utili alle apparecchiature IT sensibili a ciò.
Gli UPS vengono usati anche nelle cabine MT/BT delle aziende, dove è necessario garantire l'energia sufficiente ad alimentare le apparecchiature, per il riarmo in caso di guasto o mancanza prolungata di alimentazione. In questo caso devono in più rispondere ad una normativa specifica, per garantire un carico residuo per il riarmo a distanza di tempo dallo sgancio delle apparecchiature.
Tipologie di UPS in commercio
Le tipologie di UPS in commercio attualmente (Q2 2017) e facilmente acquistabili, si possono dividere in tre categorie. La categoria dice come il dispositivo interagisce con l'alimentazione ed alla funziona svolta:
UPS Offline, o standby UPS, o passivo di riserva (VFD)
UPS Line Interactive, o interattivo (VI)
UPS Online a doppia conversione (VFI)
Le sigle servono ad indicare come l'uscita dell'UPS si relaziona all'ingresso.
VFD: sta ad indicare che la tensione (V) e la frequenza (F) in uscita dall'UPS sono dipendenti (D) dalla tensione e frequenza di ingresso. In pratica questa tipologia di UPS serve soltanto per sopperire alle interruzioni di alimentazione.
VI: la tensione (V) in uscita è indipendente (I) dalle variazioni della tensione in ingresso, mentre la frequenza di uscita dipende dalle variazioni di quella d'ingresso.
VFI: tensione (V) e frequenza (F) sono indipendenti (I) da quelle in ingresso, quindi vengono generate dall'UPS per l'uscita.
Ovviamente non esistono solamente queste categorie, ma sono sicuramente le più diffuse nelle imprese. Varianti per datacenter, tipologie installative ridondanti fanno sempre riferimento al un principio di funzionamento di una delle categorie sopra menzionate.
Si escludono gli stabilizzatori di tensione, non essendo degli UPS veri e propri pur aumentando la Power Quality, e le tecnologie Flywheel basate su super condensatori e volani, utilizzate per applicazioni particolari (grande sovraccarico istantaneo) e dal costo non trascurabile.
UPS OFFLINE (VFD)
È il più semplice ed economico in commercio. Viene spesso utilizzato nelle abitazioni private dove è presente una postazione PC, modem, router, elettronica dedicata, per ridurre i buchi di tensione, principalmente dove sono presenti hard disk meccanici o apparecchiature dove la perdita di dati non provoca danni particolari ma all'hardware. Questi UPS generalmente non stabilizzano costantemente la tensione ed hanno una protezione dai disturbi base.
Possono avere forma di una "ciabatta" o "tower" a seconda delle necessità di spazio.
Sono equipaggiati con un certo numero di prese universali o IEC, dove alcune sono solamente filtrate, altre hanno la possibilità di fornire energia in assenza di tensione per breve tempo, appunto il tempo necessario a spegnere gli apparati via software.
Al loro interno montano tipicamente una batteria ricaricabile al piombo 7Ah 12VDC, che può essere sostituita.
Questi dispositivi non sono parallellabili ne si può aumentare la durata di alimentazione in assenza di tensione. Solitamente diponibili in taglie da 300W a 980W, tutti in monofase 230V.
Un esempio di UPS offline sono i seguenti. A forma di ciabatta,
versione tower.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
In presenza di rete elettrica svolgono la funzione di filtrare parzialmente la tensione in ingresso, oltre a caricare la batteria integrata, come schematizzato in figura seguente.
Al ridursi della tensione in ingresso, anche l'uscita avrà una riduzione di tensione, questi UPS non stabilizzano la tensione che dipende da quella di ingresso,
ma ad una certa soglia di riduzione, interverrà lo scambio verso la batteria,
che può essere temporaneo, per poi tornare in rete se ristabilizzata la normalità, oppure rimanere in batteria finchè non si scaricherà (figura seguente). Normalmente l'UPS non permette la scarica completa delle batterie che, essendo al piombo, non possono mai scaricarsi completamente. Raggiunta una certa soglia di tensione di scarica della batteria, l'UPS si spegne automaticamente, per riaccendersi al ripristino della rete.
La durata con una sola batteria dipende da quanto si sta consumando ma, in generale, è di qualche minuto, mediamente dai 3 ai 7 minuti di autonomia.
Questo modo di lavorare dell'UPS influirà sensibilmente sulla durata della batteria, perchè deve appoggiarsi ad essa per sopperire ad eventuali cali di tensione, non ha un circuito di stabilizzazione della tensione integrato.
UPS LINE INTERACTIVE (VI)
Sono gli UPS più diffusi in ambito uffici, attività commerciali, piccoli rack e datacenter. Sono usati anche in ambienti SOHO dove sono presenti più workstation o server, anche per l'elettronica di macchine a controllo numerico. Solitamente sono in forma tower, o installabili a rack, o convertibili da tower a rack.
La differenza principale fra questi apparati rispetto agli standby UPS è che hanno un circuito di stabilizzazione della tensione quando quest'ultima scende sotto il livello di rete di oltre il 20%: questo sistema viene chiamato AVR (Automatic Voltage Regulator) che ha lo scopo di stabilizzare variazioni di tensione entro un range di +/- 3%.
Sono equipaggiati con un certo numero di prese universali o IEC, filtrate e con backup da batteria ricaricabile. Al loro interno montano un certo numero di batterie ricaricabili al piombo di solito da 7Ah 12VDC, che possono essere sostituite anche durante il funzionamento (hot swap).
Questo tipo di UPS hanno taglie che vanno da 360W a 2400W, in monofase 230VAC.
Generalmente hanno delle funzionalità in più, come la possibilità di essere collegati in rete e provvedere allo spegnimento automatico in ambienti IOS o Windows Server quando l'autonomia si sta riducendo verso la scarica del gruppo batterie. Altra caratteristica di questi UPS è la possibilità di aggiungere gruppi batteria esterni per raddoppiare, triplicare facilmente la durata di backup del sistema in assenza di rete, a seconda delle necessità, e quindi coordinarlo con un generatore.
Un esempio di UPS line interactive sono i seguenti.
In versione tower
oppure in versione da quadro rack
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
In presenza di rete elettrica l'UPS Line Interactive svolge le funzioni di filtraggio della tensione di rete, stabilizzazione e carica del gruppo batterie, come nello schema seguente.
Nel caso in cui la tensione scenda dal valore di rete (230VAC) anche di fino a -25%, il sistema AVR garantisce una stabilizzazione entro il +/-3%, pur se a "gradini" e non in maniera "fluida" e proporzionale: ovvero in uscita la tensione avrà delle variazioni temporali, a scatti, ma entro dei valori accettabili per le apparecchiature da alimentare. Ciò è raffigurato nello schema seguente.
Quando la tensione di rete supera il livello di soglia minima gestibile dall'AVR, avviene lo scambio verso il gruppo batterie, come nella figura seguente. In questo caso ci possono essere varie funzionalità installate, ovvero maggiorazione della capacità di autonomia (ad es. in attesa di un generatore), o spegnimento automatico dei server.
La durata in autonomia, anche senza gruppi batterie supplementari, è mediamente maggiore rispetto agli UPS offline, 7/15 minuti.
Grazie all'utilizzo dell'AVR, le batterie in questi apparati vengono stressate meno, il che significa una maggior durata nel tempo.
UPS ONLINE A DOPPIA CONVERSIONE (VFI)
Sono gli UPS utilizzati maggiormente nelle applicazioni critiche, dove la totale affidabilità dei carichi collegati deve essere garantita in qualunque momento, dove inoltre la separazione fra l'alimentazione d'ingresso e dell'uscita permette di evitare disturbi di rete nella stragrande maggioranza dei casi applicativi, soprattutto in ambito industriale e medicale. Ricordiamo che in questi UPS l'uscita è indipendente dall'ingresso, quindi la tensione e la frequenza vengono generate.
Questi apparati hanno tutte le funzionalità aggiuntive dei Line Interactive, oltre al fatto di avere versioni totalmente modulari: possono essere installati in catena, in modo tale di avere totale ridondanza in caso di guasto, sfruttare il parallelo di più UPS per sopperire agli spunti iniziali di alimentazione, aumentare la potenza erogata in futuro o l'autonomia.
Dimensionalmente non si differenziano dai Line Interactive, tranne che per il peso e l'ingombro maggiorati, possono anch'essi trovarsi in forma tower, rack, o convertibili da tower a rack. Naturalmente condividono maggiori connessioni per la gestione modulare di gruppi di UPS. Inoltre hanno diverse interfacce, sempre modulari, per la connessione in rete LAN, WAN, MODBUS, gateway sms e mail, per poter interagire ed essere pilotati da molteplici apparecchiature esterne e custom.
Questi UPS possono essere in monofase 230V o trifase 400V, a seconda delle potenze in gioco.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Come si nota dallo schema seguente, il funzionamento standard prevede il carico del gruppo batterie, con un circuito raddrizzatore e di carica appropriati. L'energia in uscita non proviene dalla rete esterna filtrata come negli altri UPS, ma sempre dal gruppo batteria in corrente continua, ecco perchè abbiamo una doppia conversione: prima dalla rete al gruppo batteria, poi dal gruppo batteria all'uscita. Da qui si capisce che la qualità della tensione di uscita dipende solamente dalla qualità dei circuiti inverter e stabilizzazione dell'UPS, nettamente superiore a tutti gli altri.
Nel caso si abbiano disturbi, fluttuazioni della tensione di rete, non si ripercuoteranno mai in uscita, in quanto l'energia non proviene direttamente dall'ingresso ma dal gruppo batteria.
Per questo motivo, disturbi condotti e cali di tensione anche molto brevi o anche spike non influiranno sull'uscita dell'UPS e quindi a tutto ciò che da esso viene alimentato, che sarà sempre protetto con una qualità di alimentazione ottima.
Naturalmente, quando viene a mancare la tensione di rete, il gruppo di continuità online proseguirà a fornire energia stabile e costante in base alla capacità del gruppo batterie.
Anche qui l'autonomia base dipende dal modello scelto, ma solitamente si attesta intorno ai 7/15min. Aggiundendo moduli batteria si può incrementare notevolmente. Così come aggiungendo moduli UPS online si incrementa la potenza erogata, potendo usufruire dello stesso gruppo batterie. Il Bypass statico serve in caso di manutenzione o guasto dell'UPS, che non potendo erogare potenza bypassa la fornitura di energia direttamente alla rete. Il tipo di bypass è selezionabile: esterno, automatico, manuale, con segnalazione di guasto remota.
Altra caratteristica a favore degli UPS online è la qualità della tensione erogata: infatti a differenza delle altre tipologie, gli online forniscono una vera forma d'onda sinusoidale, senza addentrarci troppo nei particolari in questo articolo.
NOTE SULL'AUTONOMIA DEGLI UPS
Mediamente sui dati di targa o sui manuali degli UPS, viene fornito un valore di autonomia, espresso in minuti. Questo valore però non si riferisce ai minuti che si avranno senza rete sfruttando la potenza erogata del gruppo di continuità al 100%.
Se non diversamente specificato, l'autonomia si riferisce al 75% della potenza totale in uscita che l'UPS può garantire. Questo è un valore da tenere in considerazione, anche se non si dimensiona mai un UPS per lavorare al 100% ma appunto al massimo al 75/80% del carico totale applicabile.
NOTE SUL DIMENSIONAMENTO
Si trovano online dei calcolatori per dimensionare la potenza dell'UPS che servirà, in base alle apparecchiature da salvaguardare.
Diversamente basta fare un calcolo sommando la potenza in watt necessaria ed acquistare un UPS, o gruppo modulare che abbia almeno il 25% di potenza utile in più. Da considerare poi gli sviluppi futuri o possibili aggiunte al carico. Si valuta attentamente caso per caso di quanto sovradimensionare.
Qualora non siano diponibili i valori in watt della potenza ma in VA (Volt-Ampere)
basta fare una conversione semplice.
(potenza in VA x 0,6) = potenza in watt
Es. ho un carico totale da 960VA = 576W da proteggere sotto gruppo di continuità, per cui scelgo un UPS da almeno 720W ovvero da 1200VA, se si trattasse di una postazione PC posso scegliere un semplice UPS standby della taglia che più si avvicina a quanto calcolato. Nulla vieta di scegliere un line interactive, ma per queste potenze andrebbe valutata la convenienza economica, nonchè l'autonomia che mi interessa.
Per scegliere l'UPS questa formula vale solamente per piccole potenze, entro i 3000VA, diversamente riferirsi sempre ai dati di targa forniti o disponibili online, in quanto il fattore di potenza varia in funzione della tipologia e potenza in gioco, nonchè dall'efficienza dell'elettronica a bordo.
NOTE SULLE BATTERIE
Se possibile, scegliere UPS che montino batterie standard e sostituibili, in quanto a volte negli standby e line interactive economici si trovano batterie ricaricabili proprietarie o non facilmente reperibili in commercio, il cui costo come parti di ricambio è superiore al costo di un UPS nuovo. Attualmente le batterie più diffuse e meno costose che si trovano in alcuni marchi di UPS sono le 7Ah 12VDC.
La forma è come in figura seguente.
Una nota sull'installazione degli UPS con batterie ricaricabili: non devono mai essere chiusi dentro armadietti non areati, ma sempre con un adeguato ricambio o a pavimento, con uno spazio libero attorno. Questo perchè le batterie, seppur in valori modesti, possono emettere gas idrogeno che, miscelandosi all'aria, diventa una miscela esplosiva. Ciò è maggiormente vero quando si utilizzano UPS con gruppi batterie supplementari. Ai fini assicurativi potrebbe venire richiesto lo spostamento in luogo sicuro.
QUANDO SOSTITUIRE LE BATTERIE
I fattori principali che influenzano la durata sono i cicli di carica/scarica parziale delle batterie, la temperatura dell'ambiente circostante, la qualità dell'elettronica di carica. Le batterie all'acido che vengono installate negli UPS, hanno un ciclo di vita medio di 5 anni (standby use), poi vanno sostituite. In particolare la temperatura ambiente dove è installato un UPS può influire negativamente sulla vita delle batterie: sopra i 30°C si ha un declassamento e non è raro trovare batterie rigonfie con inizio di perdita dell'acido dopo tre anni di funzionamento.
Altro fattore non trascurabile è dato dalla qualità delle batterie, ad esempio quella in figura precedente è di buona qualità. Si trovano batterie a costi inferiori, avendo però un ciclo di vita inferiore ai 5 anni.
In generale un buon consiglio empirico è una sostituzione delle batterie ogni 3 anni, perchè è proprio dal terzo anno che si evidenzia un calo significativo della durata. Se invece l'UPS è stato sovradimensionato oltre il 40% del carico necessario, allora si può raggiungere la soglia dei 5 anni.
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