di sicurezza e di riserva Alimentazione di sicurezza e di riserva Paolo Pelacchi

Definizioni Alimentazione di sicurezza: sistema elettrico destinato a garantire l’alimentazione di apparecchi utilizzatori o parti dell’impianto necessari alla sicurezza delle persone (safety). Alimentazione di riserva: sistema elettrico destinato a garantire l’alimentazione di apparecchi utilizzatori o parti dell’impianto per motivi diversi dalla sicurezza delle persone (security). Le alimentazioni di sicurezza e di riserva vengono generalmente chiamate alimentazioni di emergenza. In ambedue i casi viene richiesta una elevata continuità del servizio.

Definizioni La qualità della fornitura di energia elettrica viene generalmente associata ai seguenti requisiti: Continuità della alimentazione - Costanza della frequenza - Costanza del modulo della tensione - Mantenimento della forma d’onda sinusoidale Mantenimento della simmetria della terna trifase di tensioni Tra quelli citati il principale è senza dubbio la continuità della alimentazione.

Definizioni Per quanto attiene alla sicurezza delle persone esistono leggi e prescrizioni specifiche relative agli obblighi da rispettare ed ai requisiti che le alimentazioni necessarie a garantire tale sicurezza devono avere. Per quanto riguarda invece le alimentazioni di riserva non esistono prescrizioni specifiche. Tali alimentazioni vanno previste nei casi in cui le utenze necessitino di una elevata qualità del servizio con particolare riferimento alla continuità (ma non solo).

Definizioni L’esistenza delle alimentazioni di emergenza è in sostanza dovuta al fatto che: I sistemi elettrici non hanno una affidabilità infinita ma sono soggetti a guasti e disalimentazioni per manutenzione ordinaria. Non è economicamente conveniente garantire a tutto il carico la stessa qualità di alimentazione richiesta da alcune utenze particolarmente sensibili quali, ad esempio, banche, sistemi di telecomunicazione, ospedali, ecc..

Classificazione delle interruzioni Le apparecchiature rispondono in genere in maniera diversa alla durata dell’interruzione (tipicamente una interruzione): Motori: di solito non hanno problemi in virtù dell’inerzia meccanica Lampade a incandescenza: il comportamento è legato all’inerzia termica del filamento; generalmente si spegne dopo 50 ms, ma non è percepito dall’occhio fino a 100 ms; Lampade a scarica: si interrompe l’arco ad ogni passaggio per lo 0 della corrente; se si raffredda si spegne definitivamente ed è necessario fare un restart; Sistemi di elaborazione: perdo completamente l’informazione ed il processo controllato si blocca (sistemi di sicurezza e controllo, sistemi elettromedicali, ecc.)

Classificazione dei carichi Per quanto prima detto è necessario prima di tutto classificare i carichi. La classificazione più diffusa è la seguente: Carichi ordinari Carichi preferenziali Carichi privilegiati

Classificazione dei carichi Carichi ordinari Sono quei carichi la cui mancata alimentazione non comporta problemi particolari né al funzionamento delle utenze né alla sicurezza delle persone. Per questi carichi i tempi di interruzione dell’alimentazione sono generalmente compatibili con i tempi di ripristino del servizio. Es.: luce e f.m., illuminazioni esterne, condizionamento e riscaldamento, ecc..

Classificazione dei carichi Carichi preferenziali Sono quei carichi la cui mancata alimentazione non comporta problemi particolari per la sicurezza delle persone ma può creare disagi e addirittura danni ad alcune utenze. Questi carichi non possono aspettare il ripristino della alimentazione da parte della rete ma devono essere rialimentati tipicamente entro 20 sec. dall’interruzione del servizio. Es.: illuminazione di scale e altri locali particolari, ascensori, frigoriferi, condizionamento e riscaldamento di locali particolari, ecc..

Classificazione dei carichi Carichi privilegiati Sono quei carichi la cui mancata alimentazione provoca condizioni di pericolo per l’uomo o pregiudica il corretto funzionamento di particolari apparati. Questi carichi devono essere rialimentati tipicamente entro 15 sec. dall’interruzione del servizio. Es.: illuminazione di sicurezza, alimentazione apparecchi elettromedicali per sale operatorie, rianimazione, terapia intensiva, unità coronariche, sistemi di allarme e sorveglianza, sistemi di TLC e di elaborazione dell’informazione, sistemi industriali la cui mancata alimentazione può provocare gravi danni (comando del timone in una nave).

Classificazione delle sorgenti Le sorgenti per l’alimentazione di emergenza vengono generalmente classificate in base a: Tempo di intervento: Continuità assoluta Interruzione brevissima (< 0.15 s) Interruzione breve ( 0.15 – 0.5 s) Interruzione media ( 0.5 – 15 s) Interruzione lunga (> 15 s)

Classificazione delle sorgenti Le sorgenti per l’alimentazione di emergenza vengono generalmente classificate in base a: Autonomia di alimentazione: Riserva limitata (accumulo elettrochimico, volani, ecc.) Riserva illimitata (sorgente primaria di energia ausiliaria disponibile all’esterno del sistema: combustibile)

Classificazione delle interruzioni Le interruzioni vengono generalmente classificate in base alla loro durata (AEEG): Interruzioni brevi (< 3 min) Interruzioni lunghe (> 3 min) In effetti nelle interruzioni brevi vengono in genere comprese anche le interruzioni, che sono tipicamente inferiori a 0.5 s.

Dispositivi di alimentazione di emergenza I dispositivi per l’alimentazione di emergenza devono essere in grado di fornire al carico ad essi collegato sia potenza che energia in tempi che siano compatibili con il corretto funzionamento del carico stesso. Detti dispositivi si possono classificare prima di tutto in due categorie: Dispositivi che garantiscono la continuità assoluta (es.: UPS) Dispositivi che non garantiscono la continuità assoluta (es.: gruppi elettrogeni fermi)

Dispositivi di alimentazione di emergenza UPS (Uninterruptible Power Supply): possono intervenire in tempi che sono dell’ordine della decina di ms; sono quindi adatti a carichi particolarmente sensibili ai disturbi; la limitazione al loro uso è dovuta alla scarsa capacità dell’accumulo di energia, tipicamente costituito da batterie elettrochimiche (è in fase di studio la possibilità di utilizzare altre forme di accumulo come ad esempio i supercondensatori). Gruppi elettrogeni: intervengono in tempi più lunghi dettati dalla necessità dell’avviamento del motore termico (qualche secondo); hanno una importante limitazione dovuta alla elevata probabilità che l’avviamento fallisca (circa nel 20% dei casi). Si potrebbero utilizzare permanentemente collegati alla rete.

Dispositivi di alimentazione di emergenza: UPS Continuità assoluta. Il raddrizzatore consente flussi di potenza solamente dalla rete e quindi quando questa manca l’energia della batteria alimenta solamente il carico. Il raddrizzatore e l’inverter devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico. La batteria ha generalmente una autonomia limitata (tipicamente da 10 min a 1 h). I dispositivi elettronici hanno un rendimento non unitario (tipicamente il 90% complessivo). La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi elettronici.

Dispositivi di alimentazione di emergenza: UPS Per migliorare il rendimento e la continuità della alimentazione in presenza della rete: Continuità assoluta. Le commutazioni dalla rete all’inverter e viceversa vengono effettuate automaticamente (tipicamente entro 20 ms). Il raddrizzatore e l’inverter devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico privilegiato che alimentano. La batteria ha generalmente una autonomia limitata (tipicamente da 10 min a 1 h). La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi elettronici solo quando questi sono in funzione (tempo limitato).

Dispositivi di alimentazione di emergenza: sistemi rotanti I sistemi che prevedono UPS presentano alcuni inconvenienti: Presenza di una interruzione sia alla inserzione che al distacco Limitazione della corrente di cto dovuta alla presenza dei componenti elettronici Per risolvere almeno parzialmente questi problemi è possibile sostituire i componenti elettronici con componenti elettromeccanici, sostanzialmente motori elettrici e generatori sincroni. Le macchine rotanti, in virtù delle loro inerzie, permettono di eliminare i buchi di tensione di inserzione e disinserzione. In virtù della presenza di generatori sincroni le correnti di cto sono decisamente maggiori in confronto a quelle che si hanno in presenza di elettronica di potenza.

Dispositivi di alimentazione di emergenza: sistemi rotanti Le interruzioni brevi di alimentazione della rete vengono completamente filtrate dall’inerzia delle macchine rotanti. Il motore ed il generatore devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico (privilegiato) che alimentano. La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi elettromeccanici.

Dispositivi di alimentazione di emergenza: sistemi rotanti Continuità assoluta. Le interruzioni della alimentazione della rete vengono completamente filtrate dall’inerzia delle macchine rotanti Il motore ed il generatore devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico (privilegiato) che alimentano. La batteria ha generalmente una autonomia limitata (tipicamente da 10 min a 1 h). La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi elettromeccanici.

Dispositivi di alimentazione di emergenza: gruppi elettrogeni Non c’è continuità assoluta. Quando manca tensione l’utente si distacca prima dalla rete e successivamente viene avviato il motore termico (il carico resta disalimentato per qualche secondo Il motore ed il generatore devono essere dimensionati per la potenza nominale del carico (privilegiato) che alimentano. La continuità della alimentazione dipende dalla affidabilità dei singoli dispositivi elettromeccanici. Il problema principale riguarda l’avviamento del motore termico, che fallisce nel 20% dei casi.

Considerazioni sulla affidabilità Si definisce “tasso di guasto” il numero di guasti di un dispositivo nell’unità di tempo. Il suo inverso rappresenta il periodo di funzionamento fino al guasto. Generalmente il tasso di guasto viene indicato con λ. Quando due dispositivi sono disposti “in serie” (la grandezza in uscita dal primo rappresenta la grandezza in ingresso al secondo) il tasso di guasto dell’insieme dei due può essere valutato osservando che l’insieme è guasto se è guasto o il dispositivo 1 o il dispositivo 2. Il tasso di guasto dell’insieme dei due sarà quindi la somma dei tassi di guasto dei due dispositivi.

Considerazioni sulla affidabilità Quando due dispositivi sono disposti “in parallelo” (la grandezza in ingresso e quella in uscita sono comuni ai due dispositivi) il periodo di funzionamento dell’insieme dei due (inverso del tasso di guasto) può essere valutato osservando che l’insieme funziona se funzionano o il dispositivo 1 o il dispositivo 2. Il periodo di funzionamento dell’insieme dei due sarà quindi la somma dei periodi di funzionamento dei due dispositivi.

Considerazioni sulla affidabilità Consideriamo il caso di alimentazione di emergenza tramite inverter sempre collegato alla rete. Il diagramma relativo ai tassi di guasto evidenzia come l’inverter sia il dispositivo che rende critica l’affidabilità della alimentazione.

Considerazioni sulla affidabilità E’ sufficiente introdurre un bypass per il funzionamento in presenza di rete per rendere molto meno critica l’alimentazione di emergenza.

Esempio di autoproduttore