Posted in elettronica
18/02/2016

Gruppi di continuità: quali sono le differenze e come scegliere


Quante volte vi sarà capitato di perdere il lavoro sul vostro PC a causa di un'improvvisa interruzione dell'energia elettrica oppure ancora peggio, a causa di un temporale ritrovarsi con l'alimentatore del PC e varie altre apparecchiature danneggiate?
Molti di voi forse già saranno a conoscenza dell'esistenza dei gruppi di continuità anche abbreviati UPS.

Questi dispositivi servono a fornire alimentazione alle apparecchiature collegate ad esso in caso di mancanza della tensione di rete e permettono anche di salvare il proprio lavoro in caso di interruzione prolungata.

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Prima dell'acquisto però è bene scegliere la tipologia più adatta al proprio utilizzo, in quanto le differenze sono molto importanti, e se non tenute in conto posso anche essere fonte di danni.

Forma d'onda

La forma d'onda è una delle caratteristiche più importanti del gruppo di continuità, come molti già sapranno, nelle nostre case arriva una tensione alternata di 230V efficaci con forma d'onda sinusoidale.

Ma questo non è sempre vero invece per la forma d'onda che esce da un gruppo di continuità nel caso di mancanza di tensione.

Onda quadra

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Uscita inverter ad onda quadra

In questo caso, come visibile nella figura a sinistra, la sinusoide viene approssimata da un'onda quadra di pari ampiezza, così facendo si può utilizzare un circuito elettronico molto semplice ( è possibile realizzare un inverter di questo tipo con 2 mosfet ed un NE555 e pochi altri componenti passivi ) , quindi molto economico.

Però questo metodo pur essendo molto economico ha dei seri problemi, inanzitutto bisogna scegliere se utilizzare come ampiezza il valore efficace della sinusoide che si vuole approssimare, oppure utilizzare il valore di picco ( come nella figura ).

Se si utilizza il valore efficace, si otterrà a sua volta un valore efficace equivalente a quello della sinusoide e quindi per i carichi resistivi è indifferente la cosa, ma invece per gli alimentatori switching se non compatibili con 110V ( America ) si potrebbero creare dei problemi.

Questo perché al loro ingresso è presente un ponte raddrizzatore, ed a valle di esso un banco di condensatori.

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Circuito di ingresso alimentatore switching

Se su questo circuito applicassi in ingresso un'onda quadra avente valore di picco 230V , otterrei che l'integrale del voltaggio di ingresso rispetto al tempo, il valore efficace quindi sarebbe il suo integrale di un periodo diviso la sua durata, quindi 230,  ma la tensione a cui si caricherà il condensatore non sarà come nel caso dell'onda sinusoidale circa 320V, ma sarà corrispondente al valore di picco, ovvero soli 230V.

La tensione di 320V è ottenuta data una sinusoidale di valore efficace 230V, ovvero se prendiamo un periodo sinusoidale di lunghezza 2π , abbiamo .

Risolvendo questa equazione abbiamo .

Inoltre come spiegato nel precedente articolo, molti alimentatori di media o grande potenza hanno dentro un circuito di correzione del fattore di potenza, e tale circuito non essendo progettato per lavorare con un'onda quadra, oltre a non lavorare correttamente potrebbe perfino danneggiarsi.

Altro problema non trascurabile è che con un UPS ad onda quadra c'è il rischio di surriscaldare trasformatori a lamierini ( in quanto sono presenti armoniche ), e se i cavi sono troppo lunghi si vengono a creare interferenze )

Quindi riassumendo:

Pro per l'onda quadra:

  • Costo contenuto dell'inverter
  • Efficienza di conversione DC-AC230V alta
  • Adatto ad alimentatori switching medio piccoli

Contro per l'onda quadra:

  • Possibili interferenze
  • Malfunzionamento dei circuiti PFC negli alimentatori
  • Non adatto a carichi induttivi

Onda sinusoidale modificata

onda_sinusoidale_pura_e_modificata

Questa tipologia di UPS/Inverter ha svantaggi e vantaggi molto simili all'onda quadra fatta eccezione del fatto che non esiste il problema del valore efficace ridotto.

Gli UPS di questo tipo sono i più diffusi attualmente nella fascia economica, anche il circuito dell'inverter resta pressochè uguale eccetto per la parte di pilotaggio che è leggermente più complessa.

Onda sinusoidale pura

Questa tipologia è la più costosa ma anche quella adatta di fatto ad alimentare qualsiasi tipo di carico, in quanto produce un'onda identica a quella normalmente prodotta da un alternatore. Per produrre un'onda sinusoidale però onde evitare un'eccessiva dissipazione per effetto di joule sui semiconduttori si ricorre ad uno stratagemma particolare.

Viene prima generata, di solito da un microprocessore attualmente un'onda quadra modulata in PWM ad una frequenza molto più alta di quella di uscita ( di solito oltre i 20 KHz ) il cui valore efficace ricalca quello di una sinusoide, e poi tramite un filtro passa basso con una frequenza di taglio di poche volte maggiore di quella di lavoro dell'inverter , viene eliminata tutta la componente a 20 Khz e le sue armoniche, lasciando quindi solo la componente a 50 Hz.

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Il filtro passa basso normalmente è messo dopo i semiconduttori ( MOSFET o IGBT ) , in modo che i semiconduttori lavorano sempre o con e oppure con  e e quindi per la legge di ohm i watt dissipati in calore sono sempre molto pochi.

Qui sotto è riportato lo schema di un inverter ad onda sinusoidale pura

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Topologia

Ora che sappiamo i vari tipi di inverter che possono essere presenti in un UPS , passiamo alla topologia ovvero come è collegato l'inverter e come funziona l'UPS

Standby

Questa topologia, la più economica, è quella in cui in condizioni di presenza rete le batterie vengono tenute in carica tampone, e nel caso venga a mancare la tensione di rete o scenda sotto un certo voltaggio, tramite uno o più relè viene scollegato il trasformatore dalla rete 220V e si attiva l'inverter, normalmente gli ups di questo tipo sono quasi sempre ad onda quadra o sinusoidale modificata.

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Line interactive

Questa tipologia è un po' più costosa di quella standby, la sua caratteristica principale rispetto alla tipologia standby è che di solito grazie ad un autotrasformatore non passa alle batterie se il voltaggio è entro limiti accettabili

Per ottenere ciò si ricorre ad un autotrasformatore con varie prese intermedie che vengono selezionate in base al voltaggio di ingresso per compensare le variazioni in ingresso.

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Questo meccanismo è chiamato AVR ( Automatic Voltage Regulation ).

Il trasformatore poi in realtà spesso ha anche un secondario che viene utilizzato sia per caricare le batterie e sia per essere pilotato dall'inverter in caso di necessità.

Gli UPS di questo tipo spesso sono ad onda sinusoidale pura.

Online - Doppia conversione

Quest'ultima tipologia è la più costosa ma anche la migliore, in quanto in qualsiasi caso il carico non subirà danni o variazioni di tensione.

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Ciò è ottenuto grazie al fatto che la corrente di ingresso passa sempre per un inverter, spesso anche con isolamento galvanico, quindi nel peggior dei casi subisce danni il raddrizzatore e l'inverter.

Il tempo di intervento inoltre è pari a 0 in quanto l'inverter è sempre attivo e non sono presenti relè che devono commutare prima di poter attivare l'inverter.

Resistenza ai transitori - Surge rating

Questo dato molto importante ci dice quanti Joule riesce a scaricare a terra o cortocircuitare in ingresso l'UPS senza subire danni, ed è dato principalmente dalla tipologia di varistori utilizzati in ingresso.

I varistori sono dei componenti che normalmente sono un circuito aperto, ma se si supera una certa tensione iniziano a condurre corrente in modo da evitare che la tensione superi valori pericolosi.

Chi vive in una zona molto soggetta a sovratensioni causate da caduta dei fulmini sulle linee elettriche deve fare molta attenzione a questo parametro ed andare su prodotti che garantiscano 500 joule o più.

Inoltre affinché la protezione funzioni adeguatamente è imperativo avere un impianto di terra funzionante ed efficiente, in quanto i varistori sono collegati in modo di scaricare a terra le sovratensioni.

Potenza massima del carico

Nella scelta degli ups è bene sempre scegliere una potenza almeno doppia a quella del carico che si deve alimentare, questo per garantire una maggiore durata delle batterie e minor stress ai componenti.

Inoltre una cosa importante è che la potenza è riportata quasi sempre in VA invece che W , questo perché viene tenuto conto del fatto che molti carichi potrebbero avere un fattore di potenza inferiore ad 1, e quindi consumare una potenza apparente maggiore alla loro potenza in watt.

Allo stesso modo la potenza di uscita è calcolata come potenza apparente, se si vuole conoscere la potenza attiva ( i watt di una lampada a filamento ad esempio , dove il fattore di potenza è 1.o ), si deve moltiplicare generalmente ( varia in da ups a ups ) , la potenza apparente per 60%.