Gruppo di continuità integrato nell impianto elettrico casalingo (Stefano Purchiaroni. Novembre 2009)

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1 Gruppo di continuità integrato nell impianto elettrico casalingo (Stefano Purchiaroni. Novembre 2009) In caso di black-out, l uso di un gruppo elettrogeno a motore o a batteria, che immetta energia direttamente nell impianto casalingo, risolve contemporaneamente tutti i problemi legati alla mancanza della corrente di rete: il frigorifero continuerà ad essere alimentato, potremo continuare ad accendere le luci in casa come e dove vogliamo, si potrà utilizzare la TV, lo stereo e quanto altro si desideri, con la unica limitazione della capacità di erogazione del gruppo elettrogeno. Il dispositivo che vado a proporre in queste pagine utilizza una batteria da automobile, un inverter, un caricabatteria, ed un relè da 20 A posto nel quadro elettrico principale della abitazione. Se si vuole, si potrà considerare tutto ciò che segue solamente come uno spunto per la realizzazione di qualcosa di analogo, aggiungendo, togliendo o modificando le parti. Un giro nelle fiere dell elettronica vi potrà far notare l esistenza di due oggetti molto interessanti della Alca Power, a prezzi contenuti: Un inverter da 1000 Watt, capace di sostenere anche brevi picchi da 2000 Watt, ed un caricabatteria superautomatico per batterie al piombo. Il progetto utilizza proprio questi due componenti, ed aggiunge un circuito di controllo della rete elettrica, capace di accendere l inverter nel momento in cui viene a mancare l alimentazione esterna. Il relè da 20A sul quadro principale viene pilotato proprio dalla tensione disponibile in uscita dall inverter, e commuta automaticamente l impianto di casa su tale linea, escludendo la rete esterna, che non dovrà mai ricevere energia dall inverter, anche per evitare pericolosi conflitti al ritorno della corrente esterna. Quando la linea esterna torna in tensione, il circuito di controllo spegnerà nuovamente l inverter e ciò farà tornare a riposo il relè sul quadro di comando, che ricollegherà l impianto di casa sulla linea esterna ormai tornata attiva.

2 Un ulteriore elemento di controllo delle funzioni viene aggiunto a fianco del relè: si tratta di un piccolo commutatore manuale che useremo per disattivare l automatismo, e passare così alla modalità manuale, disponibile tramite due pulsanti On ed Off sullo stesso elemento. Il piccolo commutatore, i due pulsanti ed un led che segnala la disponibilità di corrente proveniente dall inverter, sono tutti racchiusi in un modulo ad un posto, per barra din-35 adatto alla maggior parte dei quadri di controllo casalingo. Volendo strafare, ho modificato il caricabatteria, per evitare il ritorno nella modalità stand-by nell improbabile caso in cui per qualche motivo si resetti il suo microcontrollore. Ma questa modifica non è realmente necessaria: è infatti la batteria stessa alimenta il caricabatteria, che quindi mantiene memoria del suo stato anche in assenza di alimentazione. Il caricabatterie torna operativo non appena viene ripristinata la sua alimentazione principale, senza necessità di interventi esterni. Io ho aggiunto un secondo microcontrollore che fornisce al circuito di carica gli stessi stimoli forniti manualmente col pulsante Modo, nel caso di avvio dallo stato Off. In questo caso infatti occorre premere due volte tale pulsante per portarsi nello stato normale di carica automatica, ma avendo l idea di costruire un generatore completamente automatico, ho voluto evitare persino la rara eventualità di un indesiderato reset del microcontrollore principale del caricabatteria. Questo generatore automatico non supporta la modalità Line interactive tipica degli UPS per computer: in caso di intervento, tra la dipartita della corrente esterna e l erogazione della corrente da parte dell inverter, passano due o tre secondi. Quindi, l adozione di questo generatore non vi esenta dall uso di un secondo piccolo UPS dedicato al PC. Quanta corrente viene erogata e per quanto tempo Facendo conto su una batteria d automobile da 44 Ah al 90% di efficienza, otterremo 475 Wh. In pratica, 4 ore di autonomia se non consumiamo più di 120 watt, 2 ore se ne consumiamo 240, e così via. Il frigorifero, se non viene aperto, consuma davvero poco, visto che il suo motore interviene mediamente 5 minuti l ora per mantenerlo alla temperatura prevista. Un televisore LCD da 20 pollici consuma 120 watt e quindi potrete vedere tutta la partita senza problemi. Un computer arriva a 300 w, un ferro da stiro ne consuma 1000 e riduce l autonomia a meno di mezz ora... Queste sono le considerazioni da fare per valutare cosa accendere in casa quando interviene il generatore. Potrete mettere ovviamente delle batterie più capienti. Io ne ho presa una piccola, per ragioni di spazio. Tutte le parti del generatore sono racchiuse in un contenitore plastico di 35 x 25 x 21h cm, ad eccezione dell inverter, che ho montato su una parete dello stesso, per evitare surriscaldamenti. Particolare cura è stata riposta nella progettazione del circuito di controllo della rete elettrica. Tutti i componenti sono ridondati, per avere la massima affidabilità ed evitare così una eventuale accensione errata del generatore che, pur non causando danni, visto che il relè garantisce che non vi sarà mai conflitto con la rete esterna, induce un inutile consumo di corrente di batteria ed una diminuzione della durata di vita dell inverter stesso. Ecco l elenco dei macro-componenti necessari per la costruzione dell UPS 1 Batteria da 12 V da 44 Ah 1 Inverter da 1000W 1 Caricabatteria automatico per batterie al piombo 1 Unità di controllo 1 Relè con due scambi da 16 A con bobina da 220 VAC, da quadro elettrico 1 Unità di comando 1 Unità di stimolazione del caricabatterie (opzionale)

3 Schema a blocchi Relè Impianto casa Inverter Comando Differenziale Batteria Controllo Carica Magnetotermico Rete esterna Con il relè a riposo, la tensione fornita dal gestore è portata nell impianto casalingo. La stessa alimenta il Unità di Controllo, che mantiene spento l Inverter. Inoltre, sempre la corrente proveniente dalla rete esterna, alimenta il caricabatterie, che somministra alla Batteria al piombo la corrente di carica ottimale. L assenza della tensione nella rete esterna spegne il circuito di controllo, evento che induce l accensione dell Inverter. La tensione prodotta dall inverter viene inviata, tramite il Unità di Comando, al relè, che si eccita e commuta l impianto casalingo sulla corrente prodotta dall Inverter. Il Unità di Comando può funzionare anche in modalità manuale, per consentire interventi sull impianto, escludendo quindi ogni fonte di alimentazione, ed anche per evitare inserimenti repentini in caso di interruzioni frequenti dovute a lavori da parte del gestore. Il ritorno della tensione di rete va nuovamente ad alimentare l Unità di Controllo, che spegne l inverter. La mancanza di tensione diseccita il relè, che torna nella sua posizione di riposo, collegando di nuovo la rete casalinga alla linea elettrica esterna. L interruttore differenziale salvavita si interpone tra l impianto di casa e le due possibili fonti di energia, per garantire la sicurezza dell impianto anche quando la corrente viene erogata dal generatore.

4 L unità di controllo Il suo scopo è quello di sorvegliare costantemente la presenza di tensione sulla rete esterna. Pertanto preleva l alimentazione dalla linea dedicata che dal quadro di comando collega la rete esterna al caricabatterie. Il suo schema è molto semplice e funziona in modo passivo: In serie all interruttore di accensione dell Inverter occorre collegare un cavetto che andrà portato fuori dall Inverter, per attestarsi su una coppia di morsetti dedicati al comando di accensione dell Inverter stesso. La modifica apportata all inverter è necessaria per automatizzarne l accensione ma ha l inconveniente di annullare la garanzia del produttore sull apparecchio. I morsetti si collegano a due relè posti in serie. Quando entrambi i relè non sono alimentati, per mancanza di tensione di alimentazione proveniente dalla rete esterna, essi vanno a riposo, ed accendono l Inverter. Se invece almeno uno dei due relè è alimentato, i contatti di accensione dell Inverter rimarranno aperti, mantenendolo spento. Il collegamento in serie dei due relè garantisce il funzionamento del Unità di Controllo anche in caso di guasto di uno dei due relè. Inoltre i relè sono alimentati da due trasformatori e due raddrizzatori a diodi, interconnessi tra di loro in modo che nemmeno la rottura di un trasformatore o di uno o più diodi (con limitazioni) non comprometta il funzionamento del modulo. Oltre a gestire l accensione dell Inverter, l Unità di Controllo isola l uscita dell Inverter quando non è acceso. Questo previene possibili danni derivati da un collegamento accidentale alla presa sbagliata del cavo dell inverter. Tre dei quattro contatti di ogni relè sono dedicati a questa funzione. Inoltre, una uscita non isolata dell inverter viene resa disponibile per collegarvi una lampada di emergenza (una abat-jour, un faretto ad incasso,...). Uno dei fianchi piccoli dell involucro esterno offre due prese, una isolata principale, ed una per la lampada di emergenza, ed un interruttore bipolare che, al contempo, apre i contatti di comando dell Inverter impedendone l accensione, e mantiene spento il caricabatteria. Ecco lo schema ed la traccia del circuito stampato da realizzare per costruire il modulo di controllo. Ovviamente, se vengono reperiti componenti di diverse dimensioni, si dovrà adattare il disegno.

5 I diodi sono tutti di tipo 1N4007 o equivalenti, i trasformatori 220/12+12 devono erogare una corrente 1,5 volte superiore a quella assorbita da un relè. Come si vede dallo schema ho usato una versione con due secondari da 12V collegati in parallelo. Vanno bene da 150 ma. I due condensatori sono da 2200 uf 25V. Con questo schema, il funzionamento è garantito anche in caso di rottura di uno dei due secondari di un trasformatore, di rottura completa di uno dei due trasformatori, di rottura di uno o più diodi di uno dei due ponti, di rottura di un diodo di collegamento con un relè, di rottura di un relè, di rottura di un condensatore. I terminali sono siglati come segue: ALI POW CAR CMD EME INV Alimentazione dalla rete esterna Corrente erogata dal nostro generatore Presa per il caricabatterie Collegamento in serie con l interruttore dell Inverter Presa per una lampada di emergenza Collegamento con l uscita dell Inverter

6 Segue la traccia del CS a doppia faccia. Le piste in grigio sono sul lato componenti. Frutto Presa Magic Bticino Per caricabatterie CMD POW INV EME CAR ALI Cavi Il circuito stampato di 10 x 15 cm entra in una scatola stagna Gewiss. Gli angoli sono tagliati per far passare i canali delle viti della scatola. Un grande spazio va ritagliato per il passaggio dei cavi. Le piste percorse della corrente prodotta dall inverter sono molto larghe e stagnate con stagno ad alto contenuto di argento. I morsetti per POW e INV devono avere una sezione di almeno 1 mmq. I due relè da 12V sono montati su zoccolo.

7 Il circuito verrà opportunamente allocato in una scatola stagna Gewiss 160 x 120 x 70, dove un foro praticato sul fondo permetterà il passaggio dei cavi diretti verso l esterno del contenitore, e due pressa-cavi montati sulla parete superiore serviranno per il collegamento verso l Inverter. Un foro analogo andrà ricavato nel contenitore esterno del generatore, all esterno del quale verrà fissato un modulo portafrutti a quattro posti, per porvi una presa Siemens (uscita potenza), una presa normale a passo piccolo (uscita per lampada di emergenza), ed un interruttore bipolare per lo spegnimento del generatore. Nello stesso portafrutti ricaveremo, sul lato inferiore, un foro per il passaggio del cavo di alimentazione (3x0,75mmq) munito di spina a passo piccolo. Tale cavo uscirà dal portafrutti tramite apposito pressa-cavo. Tornando alla scatola stagna, che monteremo all interno del contenitore. Sul lato opposto, all esterno del contenitore, verrà montato il portafrutti. Il foro rettangolare per il passaggio dei cavi dovrà quindi essere praticato con le stesse misure sia sul fondo della scatola stagna, che sul contenitore del generatore, che sul fondo del portafrutti. Avremmo predisposto nella parte superiore della scatola stagna due pressa-cavo, per il collegamento con l uscita di potenza dell inverter tramite un cavo 2x1,5mmq che uscirà anche dal contenitore con un altro pressa-cavo, e sarà munito di spina Siemens, connessa permanentemente all uscita dell Inverter montato sul fianco laterale del contenitore. L inverter verrà forato nel suo lato inferiore (dovremo rinunciare alla garanzia), ed un cavetto, saldato in serie al suo interruttore di accensione, passerà nel secondo pressa-cavo montato sulla scatola stagna, per raggiungere i morsetti CMD. Il lato destro della scatola stagna verrà forato ed equipaggiato di un portafrutti ad un posto di tipo Bticino Magic da montante. Sullo stesso monteremo, dopo aver alloggiato il circuito, una presa Magic a passo piccolo, per il caricabatteria. Internamente, la presa verrà collegata ai morsetti CAR.

8 I collegamenti tra il modulo di controllo ed il portafrutti esterno, e lo schema di connessione di vari cavi sono mostrati nello schema seguente: CMD Inverter INV EME ALI POW Portafrutti Emerg Batteria CAR Potenza Caricabatteria Modulo di controllo Alimentazione Il portafrutti monta un interruttore bipolare. Una coppia di contatti verrà posta in serie alla linea ALI, l altra coppia in serie alla linea CMD. Questo interruttore, se spento, disabilita tutte le funzioni del generatore, inclusa la fornitura di corrente ai due trasformatori del circuito del modulo di controllo. Spegnendo solo l interruttore dell inverter, si può mantenere in carica la batteria disabilitando solo l accensione dell Inverter. Interruttore Inverter Uscita Inverter Portafrutti INV Interruttore bipolare Carica batteria Presa CAR POW CMD Presa piccola Luce di emergenza ALI EME Presa Siemens Modulo di controllo Quadro elettico principale

9 L Unità di Comando Permette di stabilire la modalità di gestione della corrente prodotta dal generatore. In modalità manuale, la tensione in uscita dal generatore, disponibile sui contatti NA del relè da 20A, verrà immessa nella rete casalinga premendo il pulsante ON. Il relè manterrà l eccitazione da solo, prelevando successivamente la corrente per la bobina direttamente dalla sua uscita, ovvero dai contatti di scambio (attenzione al verso dei collegamenti per evitare corti). Premendo OFF, si interrompe la corrente nella bobina, diseccitando il relè che tornerà così allo stato di riposo iniziale. Nella modalità automatica, non sarà più necessario agire sui pulsanti, in quanto la bobina del relè sarà direttamente collegata alla linea proveniente dal generatore. In tal modo, quando il generatore si avvia per mancanza di tensione di rete, l impianto di casa verrà commutato automaticamente sulla uscita del generatore, per tornare invece alla rete esterna quando essa torna in servizio. I tempi di reazione sono dell ordine di 2-3 secondi in attivazione e di meno di un secondo per il ritorno in modo nominale, con l impianto connesso alla rete esterna. Ecco lo schema dell Unità: man aut Impianto on off 220v 2sc 16A Generatore Rete Per la realizzazione ho utilizzato un tappo Vimar Plana ed un portafrutti Vimar per barra din35. La spia di presenza tensione è realizzata utilizzando lo schema seguente: D1 R1 D2 1N K 1W Diac DB3 R vac C1 22uF 50v LED I due pulsanti sono Normalmente Aperto per il comando ON (nero) e Normalmente Chiuso per il comando OFF (rosso). Il circuito stampato sul quale sono montati i componenti è a doppia faccia ed è saldato ad un secondo elemento in vetronite sagomato per rimanere incassato nel retro del tappo Vimar. I dadi di fissaggio dei due pulsanti servono per bloccare il gruppo sul retro del tappo Vimar.

10 Per la realizzazione dei due circuiti stampati occorre avere la pazienza di limare e provare l incastro con il tappo. Se si adottano tecniche differenti, è comunque importante che il tutto sia ben saldo all interno del contenitore che dovrà essere montato a fianco del Relè da 20 sulla barra din del quadro elettrico principale della abitazione. Segue la traccia del circuito stampato: D B led C A 33 mm R1 D2 Switch C1 R2 D1 On led Switch C1 Off 19 mm Il circuito, una volta realizzato viene montato nel tappo, opportunamente forato per poter ospitare la leva dello switch, il led, ed il corpo dei due pulsanti. L intero modulo verrà collegato con il mondo esterno tramite due coppie di fili che nello schema seguente sono etichettati Ups e Bobina. Nella coppia di fili Bobina si dovrà distinguere la stessa fase del collegamento che in seguito andrà realizzato per l auto-sostentamento del Relè da 20A. On Off Switch R1 D2 C1 R2 D1 Ups Bobina on spia Manu/auto off

11 L unità di stimolazione del caricabatteria Il caricabatteria BX1 della Alca Power è molto efficiente. Esso mantiene lo stato di carica anche quando non è più alimentato, perché il suo microcontrollore riceve alimentazione dalla batteria stessa. Tuttavia potrebbe tornare in Stand-By per varie ragioni, alla prima accensione, al cambio di batteria, o per un inatteso reset. Per evitare di dover premere due volte il pulsante Mode al verificarsi di tali eventi, per scegliere il corretto modo di lavoro, ho realizzato un modulo particolare, che richiede l uso di un microcontrollore ad 8 piedini Microchip PIC 12F683. Il PIC dovrà essere programmato, montato su una piccola basetta millefiori assieme a due resistenze, ed il tutto saldato sul microcontrollore principale del BX1. Per aprire il BX1 occorre fabbricare un cacciavite a testa triangolare equilatera di 2mm di lato, visto che il coperchio dell apparato è montato con viti aventi tale profilo. Per la programmazione del PIC occorre possedere gli appositi strumenti hardware e software. Un programmatore standard è acquistabile presso GBC o altri rivenditori di componenti elettronici. Il compilatore assembler MPASM si scarica gratuitamente da e per caricare l HEX sul chip occorre scaricare il programma gratuito WinPic. Schema e disposizione dei componenti sulla basetta millefiori (8 x 4 fori) R2 10K Al pin 9 (gnd) PIC 12F Al pin 15 (mode) Al pin 16 (+V) R1 480 R2 10K R2 10K Al pin 2 (car) R1 480 R3 10K Microcontrollore del Caricabatteria (lato rame) 18 1 Dalle piazzole in Azzurro partono quattro reofori di 2 cm che servono per collegare la basetta all integrato che controlla le funzioni del caricabatteria.

12 Il listato del programma per lo stimolatore è il seguente: ; Generatore di impulsi per ripristinare lo stato di carica ; nel caricabatterie Alcava BX-1. Questo programma installato ; in un pic12f683 gli fornisce due impulsi che simulano l'azione ; sul pulsante Mode. list p=12f683 #include "p12f683.inc" CONFIG _INTRC_OSC_NOCLKOUT & _WDT_OFF del_lo equ 0x20 del_hi equ 0x21 del_n equ 0xD0 ;durata delay org 0x00 init click1 click2 fine clrf GPIO ;initialise all outputs banksel 0x80 ;select upper register bank movlw 0x0f movwf TRISIO ;make GP4 and GP5 outputs banksel 0x00 ;select lower register bank bsf GPIO,4 ;set output GP4 high bcf GPIO,4 ;set output GP4 low bsf GPIO,4 ;set output GP4 high bcf GPIO,4 ;set output GP4 low bsf GPIO,4 ;set output GP4 high sleep ;modo basso consumo delay movlw del_n movwf del_hi dlyloop decfsz del_lo,f goto dlyloop decfsz del_hi,f goto dlyloop return ;preset contatore delay ;decrement the low order delay register ;go back if it hasn't reached zero ;decrement the high order delay register ;go back if it hasn't reached zero ;return to where the subroutine was called end

13 Il montaggio della basetta completa dei componenti, sul microcontrollore del BX1 può essere eseguito senza difficoltà con quattro reofori di resistenza lunghi 2 cm, saldati direttamente sui pin dell integrato presente sulla scheda del caricabatteria, dal lato componenti. Di tale integrato sfrutteremo l alimentazione, presente sul pin 16. Il PIC consuma pochissimo (corrente dell ordine di alcuni microampere) pertanto non disturba il funzionamento dell apparato. La massa è presente sul pin 9, ed il pin 15 viene posto a livello logico zero (0 V) tramite R1, due volte con intervalli di un secondo circa, simulando due pressioni sul tasto Modo. Il pin 2 potrebbe anche non venir collegato al pic, trattandosi di un tentativo non portato avanti di utilizzo dei segnali di stato che l integrato utilizza per segnalare tramite un array di led il suo stato. Tuttavia per la stabilità meccanica della schedina che andiamo ad aggiungere, è consigliabile collegarlo come da schema. Il PIC può essere convenientemente montato su zoccolo per consentirne una riprogrammazione offline in caso di evoluzioni.

14 Assemblaggio Un contenitore plastico con coperchio, abbastanza capiente per contenere la batteria, il caricabatteria, e la scatola stagna Gewiss contenente il modulo di controllo, sarà l ideale per ottenere un generatore compatto. E meglio che l inverter venga montato esternamente, per evitare dannosi surriscaldamenti. La scatola che ho utilizzato io è prodotta da Tontarelli, 35 x 27 x 21 cm, ed è reperibile nei centri Leroy Merlin. Il coperchio è translucido, e consente di verificare lo stato del caricabatteria. I cavi sono fatti passare attraverso dei pressa-cavi, montati sia sul contenitore che sulla scatola stagna usata per contenere il modulo di controllo.

15 Il quadro elettrico principale ed il Relè da 20A Il collocamento dei due componenti aggiuntivi, il modulo di comando ed il Relè sulla barra din, andrà effettuato come dallo schema seguente. E molto importante che la linea Bobina del modulo di comando sia munita di un contrassegno (fascetta) sul terminale avente la stessa fase della linea di autosostentamento del Relè, per evitare un corto circuito. Impianto casalingo Dal Generatore (potenza) Al Generatore (alimentazione) Diff.30ma Restart Relè 2sc 20A Bob 220v generale A1 A Rete Il Relè da 20A BTicino Mod. FC2AC2/230

16 Sicurezza La massa, proveniente dall impianto elettrico, dovrà essere collegata col case dell Inverter. Collegare la linea di potenza proveniente dall inverter al Relè da 20A e poi i terminali comuni dello stesso al salvavita, in modo da avere sempre tale importante dispositivo di sicurezza tra voi ed il generatore, come avviene normalmente quando esso si trappone tra la linea elettrica esterna e l impianto casalingo. Attenzione: Il cavo che collega l uscita del generatore con l impianto dovrà attestarsi direttamente allo stesso senza uso di spina, poiché nel caso in cui il generatore eroghi tensione, questa si presenterebbe sui terminali della spina rendendola una pericolosa fonte di folgorazione! Si consiglia quindi di porre il generatore stesso in un luogo sicuro, e di realizzare il collegamento tra i contatti Normalmente Aperti del Relè da 20A ed il cavo di prelievo della energia prodotta dal generatore montando una spina Siemens all estremità di tale cavo (2 x 1,5 mmq). Questa spina non verrà mai sottoposta a nessuna tensione, grazie al collegamento della stessa al Relè montato sul quadro di comando, quindi può essere maneggiata senza alcun pericolo. Costi Il materiale necessario per la costruzione del generatore costa circa 270 euro. Di seguito si riporta una tabella di sintesi con i costi da me sostenuti, e l indicazione del fornitore. Componente Fornitore Prezzo indicativo Inverter 1000 Watt ALCA (acquistabile online) 70 e Caricabatteria BX-1 ALCA (acquistabile online) 40 e Batteria 12V 44Ah - Supermercato 40 e Relè bticino FC2AC2/230 Presso fornitori mat. elettrico 43 e Contenitore Tontarelli Leroy-Merlin 10 e Componenti elettronici GBC o altro fornitore di elettronica 30 e Spine, Prese, Scatole, cavi Presso fornitori mat. Elettrico 25 e Morsetti batteria Presso autoricambi 5 e Minuterie varie Ferramenta 5 e Totale 268 e