UPS RR01.2015

UPS

Anche se non strettamente necessario al compimento di un QSO, è difficile oggi immaginarsi uno shack senza almeno un computer presente. Che sia impiegato per il log, il tracking, la chat o come SDR, poco importa. Come il resto delle elettroniche e più di tante altre, il personal computer è sensibile alle instabilità della tensione di alimentazione ed in particolare ai black out veri e propri.

Vedremo quindi in questo articolo una veloce analisi dei dispositivi noti come gruppi di continuità o UPS (Uniterruptible Power Supply).

L’utilità dell’UPS

Un gruppo di continuità ha sostanzialmente due funzioni principali:

  1. Intervenire contro le cadute di tensione (blackout) permettendo la continuità delle operazioni, o la loro sospensione ordinata.
  2. Ridurre i disturbi, in particolare quelli di brevissima durata, (microinterruzioni e impulsi) che possono causare blocchi o malfunzionamenti saltuari dei sistemi, estremamente difficili da diagnosticare.

Per meglio comprenderne l’utilità, pensiamo come le centrali elettriche siano spesso situate a centinaia o migliaia di chilometri dagli utenti finali. L’energia elettrica prodotta viene distribuita per mezzo di reti che ricoprono interi continenti e in questa grande maglia, intervengono numerosi disturbi, che possiamo suddividere in due categorie principali:

  • dovuti a cause interne: ad esempio instabilità di funzionamento, archi elettrici dei commutatori di carico, guasti, etc.
  • dovuti a cause esterne: ad esempio fulmini o perfino, incredibilmente, tempeste solari

Altri disturbi esterni possono essere generati anche nelle immediate vicinanze dell’utenza, ad esempio da altre apparecchiature elettriche quali ad esempio: elettrodomestici, ascensori, trasmettitori e addirittura gruppi di continuità di qualità scadente.

Il disturbo più noto e visibile è il cosiddetto “blackout”, cioè la mancanza totale ed improvvisa di alimentazione, la cui durata può variare da frazioni di secondo a molte ore nei casi peggiori. Generalmente sono causati da sovraccarico o guasti primari sulle linee. I blackout sono lo spauracchio di chiunque impieghi un PC, dato che portano, oltre alla sospensione forzata dell’attività in corso, anche una molto probabile perdita di dati ed informazioni.

I disturbi più insidiosi sono quelli che presentano variazioni veloci e temporanee del valore di tensione in quanto la loro presenza non è facilmente riconoscibile. In alcuni casi, questi disturbi possono provocare danni all’hardware e comunque anomalie di funzionamento (perdita saltuaria di dati, risposte incoerenti del sistema, etc.).la cui diagnosi può trasformarsi veramente in un rompicapo.

Un gruppo di continuità, scelto in modo oculato può mitigare, quando non ovviare completamente, a questi eventi anomali della rete elettrica.

Le famiglie principali

Gli UPS possono essere suddivisi in tre grandi famiglie di crescente qualità, prestazione e costo.

Tipologia Descrizione Isolamento del carico Peso/ingombro Costo
“UPS on-line” o “doppia conversione” Costituiscono il top di gamma. Il carico è sempre alimentato da un convertitore statico (DC/AC inverter) alimentato dalla rete raddrizzata e filtrata oppure dalle batterie. Hanno altissime prestazioni non ultima quella di isolare completamente (anche galvanicamente) utenza e rete. La loro applicazione tipica è per server e macchine “mission critical”. Si Alto Alto
“line interactive” o “AVR” Prodotti di fascia intermedia, con cui in condizioni normali il carico è alimentato dalla rete. In caso di blackout, hanno un tempo di intervento pressoché` nullo ed intervengono perfettamente in
fase con l’alimentazione. Inoltre possono anche “correggere” il valore di tensione in uscita quando l’ingresso è presente (funzione AVR) e filtrare eventuali sovratensioni e disturbi tramite filtri EMI. Generalmente consigliati per PC desktop, periferiche, strumentazione di laboratorio.
No Medio medio
“short break” Rappresentano la fascia bassa del mercato, lasciando alimentato il carico dalla linea fino a che questa rientra dentro certi parametri, poi con un relé meccanico, commutano sull’inverter, spesso a forma d’onda rettangolare. Questi modelli presentano una interruzione sulla alimentazione in caso di blackout e tipicamente l’inverter non parte in fase con la linea. Idonei per piccole utenze domestiche No Basso Basso

Forma d’onda ed autonomia

La tensione generata dall’UPS può discostarsi più o meno sensibilmente dalla sinusoide teorica. Vediamo nella tabella seguente alcune forme d’onda tipiche:

Forma d’onda Commenti
image001 Forma d’onda sinusoidale con bassa distorsione. Tipica dei modelli di maggior pregio, minimizza le armoniche prodotte e consente l’alimentazione di qualunque tipo di carico (lineare, switching, etc.)
image003 Onda pseudo sinusoidale, con contenuto tasso armonico e comune nei dispositivi di classe intermedia. Compatibile con la maggioranza dei dispositivi
image005 Onda quadra corretta, contenuto armonico elevato, tipica delle soluzioni più economiche. Non tutti i dispositivi sono compatibili, prestare attenzione nella scelta.

La scelta è un compromesso fra costi, peso e tipo di carico. Generalmente può valer la pena considerare anche che gli UPS a minor distorsione sono anche quelli che generano meno disturbi condotti e che non tutte le utenze accettano alimentazioni con elevato tasso di distorsione. Personalmente mi permetterei di consigliare sempre UPS con uscita sinusoidale, specie se oltre al PC si alimentano altri dispositivi elettronici, magari proprio in sala radio.

Un altro parametro importante nella scelta del dispositivo più corretto è l’autonomia in caso di prolungata assenza della tensione di rete. Il primo criterio da impiegare è capire se il sistema protetto può essere spento (e in quanto tempo nel caso) durante il black out oppure no. Nel secondo caso, esistono versioni specifiche con batterie maggiorate, che permettono al sistema di “sopravvivere” in funzione per lungo tempo, lungo almeno quanto può servire ad avviare una alimentazione di emergenza (gruppo elettrogeno). Nel caso più frequente e sicuramente aderente all’esperienza domestica, il computer può essere spento. Eventualmente manualmente dall’operatore che ode l’allarme di mancanza di rete, meglio se automaticamente tramite appositi programmi di shutdown. In questo caso occorre misurare il tempo necessario all’arresto in sicurezza di tutto il sistema protetto (PC, NAS, router, etc.) nella peggiore delle configurazioni. E’ bene tenere presente come l’autonomia si riduca esponenzialmente con l’aumentare del carico, come esemplificato nell’illustrazione a fianco.

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La “potenza” degli UPS

La potenza di targa degli UPS è stata negli anni fonte di lunghe discussioni ed interpretazioni. Come in altri campi, l’aspetto commerciale ha contribuito a confondere la situazione, spesso presentando cifre ben lontane dalla realtà tecnico-operativa.

Attualmente la situazione più comune è trovare indicato un valore in VA ed uno, (30-50% inferiore al primo) in W. Da un punto di vista pratico, è la potenza in Watt da tenere in considerazione nel dimensionamento facendo cura di prendere un certo margine di sicurezza (anche il doppio), specie quando si scelgono prodotti economici.

Un discorso a parte merita la protezione di dispositivi quali stampanti e multifunzione laser. Questi infatti, difficilmente possono essere protetti da un UPS. Nonostante la loro ridotta potenza durante la stampa, all’avviamento richiedono spunti di energia fino e oltre 10 volte il valore nominale. Questo spiega perché quasi ovunque ne venga sconsigliato l’abbinamento ad un UPS.

Funzioni accessorie

Oltre a generare energia in mancanza di rete ed eventualmente filtrare e/o stabilizzare la stessa, un UPS può offrire alcune altre funzioni accessorie, alcune delle quali possono essere veramente utili.

Il software di controllo e shutdown

Per proteggere efficacemente un sistema informatico non basta solo un gruppo di continuità: se nel computer protetto non è installato il software di arresto, la funzione effettiva dell’UPS sarà limitata solo a ritardare l’inevitabile, una volta esaurite le batterie. Indipendentemente quindi dalla configurazione, dalle prassi ottimali e dal software UPS specifico utilizzato è importante non trascurare questo requisito: il piccolo sforzo richiesto per installare e configurare il sistema sarà ampiamente ripagato nel caso in cui un’interruzione prolungata dell’alimentazione superi l’autonomia dell’UPS.

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Porte di comunicazione

Come poc’anzi detto, un UPS che non comunichi lo stato di anomalia della rete al sistema che protegge, svolgerebbe un lavoro relativamente poco utile. Per interfacciarsi quindi col PC/Server gli UPS hanno una o più porte di comunicazione. La più “antica” è quella seriale, in standard RS-232 (connettore DB-9). In anni più recenti si sono diffuse la USB (specie nella fascia basso di mercato) e quella Ethernet di rete (per le macchine di fascia alta), molto comoda per remotizzare a piacere l’UPS rispetto al sistema protetto.

Filtro e protezione reti di comunicazione

Prevalentemente nei modelli destinati al mercato SOHO (single user, home user) l’UPS offre la protezione (da sovratensioni) addizionale della linea telefonica e di quella dati Ethernet. La presenza della funzione è facilmente riconoscibile dalla coppia di prese RJ-11/45, generalmente poste sul retro dell’apparecchio.

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Classificazione degli UPS secondo la norma IEC 62040-3

Per poter descrivere in modo univoco ed omogeneo i differenti dispositivi sul mercato, è stata introdotta la norma IEC 62040-3 che li differenzia per tre caratteristiche principali.

Grado di indipendenza della tensione e frequenza di uscita da quelle di ingresso

Denominazione Caratteristiche
VFI (Voltaggio e Frequenza Indipendenti) La tensione in uscita è sempre generata dall’UPS, ed è pertanto indipendente da quella di ingresso, sia per ampiezza sia per la frequenza. Commercialmente sono noti anche come “doppia conversione”
VI (Voltaggio Indipendente) La tensione d’uscita non è indipendente da quella di ingresso ma è presente una stabilizzazione che ne riduce le variazioni. Commercialmente noti come “line interactive, con funzione AVR” (Automatic Voltage Regulation, funzione che stabilizza la tensione in uscita ).
VFD (Voltaggio e Frequenza Dipendenti) La tensione d’uscita è la stessa di ingresso (quando ovviamente presente). Non c’è nessuna correzione, come stabilizzatori, filtri o limitatori di sovratensione . Commercialmente noti come “UPS off line”.

 

Forma d’onda in uscita

Denominazione Caratteristiche
S forma d’onda sinusoidale. Distorsione < 0,08 (secondo IEC 61000-2), con carico sia lineare che non lineare. Sono gli UPS più pregiati
X forma d’onda non perfettamente sinusoidale. Distorsione entro i limiti della IEC 61000-2.
Y forma d’onda non sinusoidale. Distorsione FUORI dai limiti della IEC 61000-2.

 

La forma d’onda della tensione in uscita può variare a seconda che si analizzi la modalità “normale” o “batteria” (quando cioè, in caso di blackout, l’UPS usa le batterie).

Per descrivere quindi correttamente il comportamento dell’UPS si usano una coppia di lettere, una per ogni modalità. Ad esempio SS, è tipica di un UPS a doppia conversione, mentre SX o SY sono caratteristici di UPS line interactive che in modalità normale alimentano il carico con la tensione di rete (considerata perfettamente sinusoidale), mentre in modalità batteria producono un’onda “pseudo sinusoidale”, più o meno “pulita”.

Grado di protezione dai disturbi

Denominazione Caratteristiche
1 Altissima protezione Variazione della tensione d’uscita inferiore al 30% del valore nominale per ogni disturbo di durata inferiore a 4ms, progressivamente migliore al crescere della durata del disturbo, fino al 10% in caso di disturbi inferiori a 1 secondo.
2 Media protezione Nessuna protezione per disturbi inferiori al millisecondo. Variazione inferiore al 35% del valore nominale per disturbi impulsivi di durata inferiore a 4ms, poi variazione inferiore al 100% del valore nominale della tensione d’uscita, progressivamente migliore al crescere della durata del disturbo, fino al 10% in caso di disturbi inferiori a 1 secondo.
3 Bassa protezione Nessuna protezione per disturbi inferiori a 10ms. Variazione della tensione d’uscita inferiore al 35% del valore nominale per disturbi impulsivi di durata inferiore ai 4ms, poi variazione inferiore al 100% del valore nominale della tensione d’uscita, progressivamente migliore al crescere della durata del disturbo, fino al 10% in caso di disturbi inferiori a 1 secondo.

 

Alla fine delle lettere è possibile indicare una tripletta di cifre, che specificano il grado di protezione nelle seguenti modalità operative: normale/bypass, normale/batteria con carico lineare, normale/batteria con carico non lineare.

 

Nella tabella seguente alcuni esempi tipici

Indipendenza dell’uscita Forma d’onda Protezione Descrizione
VFI SS 111 UPS a doppia conversione / onda sinusoidale in ogni modo operativo e carico.
VI SS 122 UPS di tipo line interactive con uscita ad onda sinusoidale, tempo di intervento >1ms.
VI SY 133 UPS di tipo line interactive con uscita ad “onda quadra corretta” o pseudo sinusoidale, tempo di intervento < 10ms.
VFD SY 333 UPS tipo offline, con uscita ad “onda quadra corretta” o pseudo sinusoidale, tempo di intervento < 10ms.

 

Alcuni esempi pratici

Dopo tante parole, lasciamo spazio a qualche misura che con la sua potenza visiva ci faccia meglio comprendere quanto presentato finora.

 

Intervento in caso di black out

 

Forme d’onda Commento
image013 Comportamento in caso di black out di un UPS economico, di tipo “short break”, notare:

•         la forma d’onda molto distorta

•         la mancanza di fase fra la rete e l’inverter

•         gli oltre 10ms di tempo di intervento

image015 Come sopra, ma al ritorno della rete. Anche in questo caso il tempo di intervento è lungo e manca sincronia fra rete e inverter
image017 Intervento di un UPS “line interactive”. Notare:

•         la forma d’onda perfettamente sinusoidale

•         la perfetta sincronia fra rete ed inverter

E’ quasi impossibile distinguere il momento dell’intervento

 Il sistema AVR

Cerchiamo ora di meglio spiegare il funzionamento di un UPS con funzione AVR tramite un semplice test.

  • All’inizio la tensione di rete è regolare e di fatto l’UPS è in uno stato di “passività”. La tensione viene poi lentamente fatta variare, scendendo fino a 150V, mantenuta stabile e poi aumentata fino a 260V.
  • Quando la tensione scende sotto ai 200V, interviene il primo livello di AVR che la corregge, riportandola attorno ai 230V (primo intervento)
  • Continuando la discesa, interviene un secondo livello di AVR ancora una volta teso a recuperare l’abbassamento di tensione (secondo intervento)
  • Continuando a ridurre l’ingresso, si esaurisce la capacità dell’AVR, e l’UPS passa in “black out mode”, alimentando il carico con batterie ed inverter.
  • Quando la tensione risale verso la normalità, viene escluso l’inverter e ricomincia la gestione AVR (terzo e quarto intervento).
  • Se la tensione sale oltre i 250V, l’AVR interviene riducendola (quinto intervento)

 

In tutte le situazioni, l’uscita rimane quindi controllata entro il campo 200-250V.

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La norme e le regole

Per concludere la chiacchierata, vediamo alcuni aspetti legati alla marchiatura e alle norme che regolano il settore.

Tutti i gruppi di continuità venduti nell’Unione Europea devono recare la marcatura “CE”, che certifica la conformità con tutte le direttive applicabili ed in particolare quelle di “bassa tensione” e “Compatibilità Elettromagnetica”.

La corretta applicazione degli standard assicura un prodotto sicuro e capace di “convivere” con altri dispositivi elettronici senza interferirli o essere interferito. Di seguito un elenco di norme tipicamente utilizzate per certificare la rispondenza degli UPS alle direttive europee.

Norma Descrizione
EN 50091-1-1 Requisiti di sicurezza per gli UPS facilmente accessibili.
EN 50091-1-2 Requisiti di sicurezza per gli UPS protetti da chiave (armadi, quadri elettrici…).
EN 50091-2 Requisiti e procedure di controllo per la compatibilità elettromagnetica.

L’attività degli UPS deve essere immune dai disturbi elettromagnetici e non deve compromettere il buon funzionamento degli apparati collegati, a causa di emissioni elettromagnetiche veicolate lungo i cavi di uscita. Questa norma, definisce i limiti di emissione e le prescrizioni di immunità essenziali per la compatibilità elettromagnetica, descrivendo anche i metodi di prova e misurazione delle grandezze elettromagnetiche.

ENV 50091-3 Definizione dei parametri e prestazioni degli UPS.
EN 6240-3:2001 Definisce le tipologie di UPS e le loro prestazioni.

Considerata un linguaggio comune, libero da artifici di marketing, atto a distinguere i gruppi di continuità per categorie, in base alle loro caratteristiche e prestazioni.

EN 50272-2 Batterie di accumulatori stazionari al piombo. Raccomandazioni per l’installazione e l’esercizio.

Si applica alle batterie di accumulatori al piombo e al nichel-cadmio. Descrive le misure di protezione contro i rischi elettrici, le emissioni di gas e le lesioni da elettrolito. Inoltre, fornisce prescrizioni su aspetti di sicurezza associati alla costruzione, all’uso, all’ispezione, alla manutenzione ed allo smaltimento.

IEC 6036 Impianti elettrici utilizzatori a tensione non superiore a 1000V c.a.
CEI 11-20 Impianti di produzione di energia elettrica e gruppi di continuità.

La Norma definisce i criteri di installazione per gli impianti di produzione di energia elettrica diffusi, in corrente alternata, funzionanti in isola o in parallelo con sistemi di I e II categoria. Considera anche i sistemi statici di continuità (UPS).

EN 60529 2 Grado di protezione degli involucri.

Stabilisce un sistema di classificazione dei gradi di protezione degli involucri per materiale elettrico la cui tensione nominale non superi i 72,5 kV. Stabilisce, inoltre, le relative prove di verifica.

EN 60439-1 2 Apparecchiature di protezione e manovra per quadri a bassa tensione.

La Norma si applica alle apparecchiature, fra loro connesse, di protezione e di manovra per bassa tensione, la cui tensione nominale non sia superiore a 1000V in corrente alternata, con frequenza non superiore a 1000Hz, oppure a 1500V in corrente continua.

CEI EN 60204-1 Sicurezza del macchinario Equipaggiamento elettrico delle macchine. Parte 1: regole generali.

Fornisce le prescrizioni relative all’equipaggiamento elettrico delle macchine, in modo da promuovere la sicurezza delle persone e dei beni, la congruenza delle risposte ai comandi e la facilità della manutenzione. La Norma si applica alla realizzazione di equipaggiamenti elettrici ed elettronici e di sistemi per macchine non portatili. L’equipaggiamento considerato dalla Norma inizia dal punto di connessione dell’alimentazione all’equipaggiamento elettrico della macchina. La Norma si applica agli equipaggiamenti elettrici o parti di equipaggiamenti elettrici alimentati con tensioni nominali non superiori a 1000V in corrente continua, o 1500V in corrente alternata, e con frequenze nominali non superiori a 200Hz.

EN 60950 Norma per le apparecchiature per la tecnologia dell’informazione (ITE), comprese le apparecchiature elettriche per ufficio e gli apparecchi associati, alimentate da rete o da batteria con tensione nominale non superiore a 600V.

La Norma specifica le prescrizioni di sicurezza nei riguardi dell’incendio, della scossa elettrica e di lesioni dell’operatore o di altre persone, per apparecchiature installate, fatte funzionare e assistite tecnicamente nel modo prescritto dal costruttore.

EN 61000-2-2: 2 Compatibilità elettromagnetica (EMC). Parte 2-2: Ambiente – Livelli di compatibilità per i disturbi condotti in bassa frequenza e per la trasmissione dei segnali sulle reti pubbliche di alimentazione a bassa tensione.

Definisce i livelli di compatibilità per i disturbi condotti in bassa frequenza, sulle reti pubbliche di alimentazione a bassa tensione. La gamma di frequenze interessata è da 0Hz a 9kHz , con estensione a 148,5kHz per la trasmissione dei segnali sulla rete. I livelli di compatibilità si applicano, nel punto di connessione comune alla rete, ai sistemi di distribuzione pubblica a bassa tensione in corrente alternata con tensione nominale fino a 420V monofase, o a 690V trifase, con frequenza nominale di 50Hz o di 60Hz.

Conclusioni

Chiudo qua questa veloce presentazione delle principali nozioni sui gruppi di continuità. La materia è ampia e un reale approfondimento andrebbe ben oltre lo spazio disponibile su una (Radio) Rivista. Auspico comunque che sia di giovamento ad una corretta interpretazione delle offerte commerciali e ad un’accurata scelta d’acquisto.

Bibliografia

http://www.online-ups.it/

http://www.apcmedia.com/salestools/SADE-5TNQXZ/SADE-5TNQXZ_R1_IT.pdf

http://www.datek.it/

 

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