UPS e generatori: una vita insieme

UPS e generatori diesel dovrebbero essere amici per la pelle, cooperando insieme per aumentare la resilienza delle applicazioni dove sono utilizzati. Spesso però questo non accade, a causa di reciproche incomprensioni e mancanza di informazioni. Questo articolo vuole essere una guida e un compendio di conoscenze sulle caratteristiche di ingresso degli UPS e il loro impatto sull’operatività dei generatori.

Usare UPS e generatori

Il punto di vista dell’UPS…

Nelle installazioni critiche, ogni volta che si verifica una mancanza rete, l’alimentazione viene commutata dalla sorgente primaria ad un sistema di generazione diesel. Il trasferimento è del tipo con interruzione, ovvero “break-before-make” ed è normalmente completato in pochi secondi. Durante questo transitorio, l’UPS che si trova a valle passa in funzionamento da batteria e il suo stadio di conversione in ingresso, il raddrizzatore, è spento in quanto non alimentato. Quando il generatore ha ristabilito l’alimentazione, il raddrizzatore esegue una procedura di accensione. Al termine di questa operazione, l’UPS ritorna a funzionare nel modo normale, generalmente la doppia conversione. In queste fasi cruciali è determinante che UPS e generatore operino perfettamente in sintonia, per evitare che il trasferimento sia messo a repentaglio da problemi di interazione fra le due apparecchiature.

…il punto di vista del generatore

Dal punto di vista del generatore, l’UPS è un carico e come tale assorbe energia attiva e reattiva, in modo differente a seconda del punto di lavoro. I moderni UPS che lavorano in doppia conversione assorbono il 99% di energia attiva. In altre parole, l’UPS è visto come un carico lineare puramente resistivo dalla sorgente che lo alimenta e ciò semplifica molto il progetto e le prestazioni dell’impianto.

Eccezioni al precedente sono il funzionamento a bassi carichi e quello in bypass.

• Durante il funzionamento in bypass l’uscita dell’UPS è collegata direttamente alla sorgente di alimentazione e non viene esercitata nessuna azione di filtraggio. In queste condizioni il generatore deve poter alimentare gli utilizzatori al loro fattore di potenza e distorsione armonica, nonché garantire stabilità durante prese o rilasci di carico.
• A basse percentuali di carico, tipicamente sotto il 10% della Potenza nominale, o a vuoto, un UPS esibisce un fattore di potenza prevalentemente capacitivo e una maggiore distorsione armonica di corrente. Inoltre, il transitorio di avviamento del raddrizzatore è una presa di carico per la sorgente a monte.

Mentre le condizioni operative descritte sopra non influenzano le prestazioni della rete, che è una risorsa a potenza “infinita”, quando la sorgente è un generatore ognuno dei due casi deve essere attentamente valutato.

Come far andare d’accordo UPS e generatori

Come regola generale, la potenza nominale del generatore in regime continuo non dovrebbe essere inferiore a 1,5 volte la potenza nominale dell’UPS. Il fattore di sovradimensionamento tiene conto dell’efficienza dell’UPS, tipicamente il 96%, del fattore di Potenza in ingresso, tipicamente 0,99, della distorsione armonica di ingresso, tipicamente il 3%. Considera, inoltre, un margine di potenza per prevenire l’insorgenza di instabilità della tensione di uscita del generatore a seguito di prese di carico. Come precisato più sopra, ci sono altri parametri da considerare per assicurare il corretto funzionamento durante i transitori e il funzionamento a vuoto.

I pro e contro del soft-start

Gli UPS di ultima generazione non hanno sovracorrenti di avviamento, ma aumentano gradualmente la potenza assorbita in ingresso, in un tempo impostabile, detto di “walk-in”. Si tratta del cosiddetto “soft-start”, che generalmente comprende anche una partenza dilazionabile, secondo un parametro impostabile detto “hold-off”. Quest’ultimo è molto utile quando si dispone di più UPS in parallelo, che potendo appunto partire in sequenza, consentono di meglio modulare il carico visto dalla sorgente a monte.

Il “walk-in” è invece relativo alla pendenza della rampa di avvio del raddrizzatore: più breve è il tempo di “walk-in”, maggiore sarà la pendenza. E’ importante notare che, per tutto il tempo di avviamento, cioè la somma di “walk-in” e “hold-off”, il raddrizzatore non assorbirà tutta la potenza necessaria per alimentare il carico. Le batterie, dunque, continueranno a scaricarsi, almeno parzialmente.

“Hold-off” e tempo di “walk-in”. Dopo un ritardo iniziale, o “hold-off”, la corrente di ingresso UPS aumenta gradualmente, secondo una rampa di durata programmabile, detta tempo “walk-in”.

Infine, è possibile attivare l’inibizione della ricarica delle batterie per agevolare una presa di carico graduale da parte del generatore. Al netto degli altri fattori descritti nel seguito, dunque, la corretta transizione tra rete e generatore si risolve nell’opportuna gestione dell’autonomia delle batterie e dei parametri di soft start dell’UPS. Quest’ultimo aspetto è strettamente correlato alla capacità del generatore di sostenere la presa di carico derivante dall’avvio dell’UPS.

La capacità “nascosta” dell’UPS

I condensatori di ingresso, usati per il filtraggio delle armoniche prodotte dal raddrizzatore, generano un flusso di potenza reattiva puramente capacitiva tra la sorgente e l’UPS. I generatori possono gestire una quantità limitata di potenza di questo tipo, perché interferisce con il circuito di eccitazione del rotore, innescando oscillazioni di tensione, fino al distacco dal carico. I diagrammi di SOA (Safe Operating Area) dei generatori mostrano la relazione tra stabilità di funzionamento e fattore di potenza dei carichi collegati. Si può verificare come il limite della potenza puramente capacitiva fornibile in uscita da un generatore sia tipicamente il 20% della potenza nominale.

Safe Operating Area di un generatore. L’area verde è quella di operatività normale. Nella regione gialla il funzionamento è ancora possibile per un tempo limitato. Il funzionamento nella regione rossa non è consentito. Durante l’avvio di un UPS il generatore deve fornire Potenza puramente capacitive e il punto di lavoro si colloca sul semiasse orizzontale sinistro. Il limite di Potenza puramente capacitivo fornibile dal generatore è tipicamente lo 0,2 della sua potenza nominale.

Come già ricordato, un UPS che si stia riavviando dopo una mancanza rete esibisce un comportamento puramente capacitivo al suo ingresso.

Come prevenire l’instabilità del generatore

Sebbene la potenza reattiva capacitiva sia molto piccola rispetto alla potenza nominale del gruppo di continuità, in queste condizioni non è compensata da nessun contributo in potenza attiva. Questa problematica è amplificata negli schemi multi-generatore, multi-UPS. A causa della partenza sequenziale dei generatori, infatti, il primo della sequenza si trova ad alimentare tutta la potenza capacitiva del sistema di UPS in parallelo. Il totale della Potenza capacitive necessaria potrebbe dunque eccedere il limite di stabilità del generatore, precludendo il successo della sequenza di avvio.

Diverse tecniche possono essere implementate per mitigare il problema, come ad esempio l’installazione di banchi di resistori per la compensazione del fattore di potenza a vuoto. Molti UPS di ultima generazione hanno diminuito il contributo di energia puramente capacitiva, migliorando le tecniche di filtraggio elettronico delle armoniche di ingresso. Alcuni costruttori offrono anche opzioni di gestione adattativa della potenza reattiva in ingresso, in modo da semplificare la progettazione di infrastrutture ad alta resilienza.

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