Principi fondamentali di funzionamento dei generatori per IT A cura di Robert Wolfgang White Paper n. 93
Sintesi Ogni professionista IT responsabile del funzionamento di apparecchiature informatiche deve assicurarsi che il data center o la sala CED sia protetta dal rischio di interruzioni prolungate dell'alimentazione elettrica. Comprendere le funzioni e i concetti basilari dei gruppi elettrogeni di riserva significa gettare delle solide basi che consentiranno ai professionisti IT di specificare, installare e far funzionare senza problemi impianti critici. Questo documento è un'introduzione all'argomento dei gruppi elettrogeni e dei sottosistemi di riserva per l'alimentazione dei carichi elettrici critici di un impianto in caso di black-out. 2
Introduzione Un gruppo elettrogeno di riserva è costituito da due sottosistemi di base: (1) il generatore, costituito dal motore primo, dall'alternatore e dal regolatore, e (2) il sistema di distribuzione, costituito dall'automatic Transfer Switch (commutatore automatico, ATS) e dalla relativa apparecchiatura di manovra e distribuzione. La Fig. 1 rappresenta un tipico gruppo elettrogeno di riserva. In questo documento si descrivono questi sottosistemi principali e le loro funzioni base. Tuttavia esso va considerato un lavoro a carattere divulgativo (tratto da una serie di White Paper APC con una trattazione più ampia dell'argomento) contenente riferimenti bibliografici per il lettore interessato a un approfondimento della materia. Fig. 1 - Gruppo elettrogeno di riserva Quando si investe nell'acquisto di un generatore, occorre avere chiari i vantaggi tecnici offerti dagli odierni sistemi ed essere a conoscenza dei notevoli progressi in termini di affidabilità e funzionalità che sono stati realizzati negli ultimi 10-15 anni. Spesso è possibile modificare con un retrofit i generatori meno recenti in modo che soddisfino gli attuali requisiti. Il White Paper APC n. 90, Requisiti essenziali per i generatori per i data center della prossima generazione contiene un approfondimento sui requisiti essenziali dei generatori per gli odierni impianti mission-critical. 3
Il motore primo: il motore a combustione interna Che cos'è la combustione interna? I motori di quasi tutte le auto odierne sono a combustione interna. Il motore a combustione interna è stato un'insostituibile bestia da soma nella seconda metà del XX secolo e anche nel nuovo millennio assolve ancora a questo ruolo. Sostanzialmente, esso converte l'energia chimica del carburante in energia meccanica tramite le sue parti mobili interne. L'aria esterna viene mescolata con il carburante all'interno del motore e la miscela viene incendiata per creare un'esplosione controllata (combustione) all'interno di determinate cavità (i cilindri). Anche se vi sono numerose varianti del motore a combustione interna, quella più diffusa per i gruppi elettrogeni di riserva è il motore a quattro tempi. Quest ultimo viene denominato quattro tempi perché il ciclo di combustione comprende quattro fasi distinte, ossia: aspirazione dell'aria / miscelazione, compressione della miscela, combustione o esplosione, e scarico. Quando ci si riferisce ai generatori, il motore viene in genere chiamato motore primo. Segue una descrizione degli attributi fondamentali associati al motore primo. Combustibile Nei motori a combustione interna si utilizzano quattro tipi principali di carburante, ossia: diesel, gas naturale, GPL e benzina. La scelta del tipo di carburante dipende da vari fattori: stoccaggio, costo e accessibilità. Scarico, emissioni e rumorosità Gli scarichi di un generatore costituiscono un problema importante per quanto riguarda l'inquinamento dell'aria e l'inquinamento acustico. Mentre il concetto di attenuazione del rumore e dei gas di scarico è chiaro, le questioni ambientali e normative lo sono molto meno. L'EGSA (Electrical Generating Systems Association) è un'organizzazione mondiale che offre una profusione di informazioni sulle emissioni e su altri aspetti dei gruppi elettrogeni di riserva. Le norme a tutela dell'ambiente, le autorizzazioni edilizie e la durata dell'uso dei gruppi elettrogeni variano notevolmente di luogo in luogo. Negli Stati Uniti, ad esempio, l'epa (Environmental Protection Agency; Ente per la protezione dell'ambiente) ha delegato ad ogni stato della confederazione l'autorità giurisdizionale e la discrezionalità sui metodi per raggiungere gli obiettivi nazionali in tema di qualità dell'aria. In altri paesi operano enti normativi analoghi, che fissano limiti alle emissioni dei gruppi elettrogeni. La Defra (Department for Environment, Food and Rural Affairs; Dipartimento per l'ambiente, le risorse alimentari e la politica agricola), ad esempio, fissa le politiche di tutela ambientale nel Regno Unito, mentre in India questo ruolo è ricoperto dal MoEF (Ministry of Environment and Forests; Ministero dell'ambiente e delle foreste). Se l'impianto è ubicato in un'area in cui vigono norme severe, insieme alla domanda per ottenere le autorizzazioni può essere necessario presentare una dichiarazione sulle emissioni del gruppo elettrogeno. I professionisti dell'industria di solito conoscono la procedura di approvazione nell'area in cui svolgono le loro attività. 4
Un'altra questione sottoposta al vaglio degli enti proposti è quella riguardante l'inquinamento acustico. Nelle norme locali sull'inquinamento acustico viene di solito definito come il massimo rumore di fondo registrabile nel corso di un periodo di osservazione di 24 ore. Le marmitte di scarico sono generalmente suddivise in tre categorie: industriali, residenziali e per applicazioni critiche. La terza categoria è quella che offre la massima riduzione del rumore. Per risparmiare sulle spese di progettazione di retrofit, occorre considerare la rumorosità nominale del sistema prima dell'acquisto e fare in modo che le autorità urbanistiche autorizzino tali valori ancora nelle fasi di progettazione. Anche le vibrazioni meccaniche contribuiscono alla rumorosità complessiva e alla percezione del rumore da parte dei residenti nella zona. Per ridurre al minimo le vibrazioni, si possono adottare particolari tecniche di isolamento e di montaggio. C'è infine la questione dell'aspetto estetico, un altro criterio talora adottato dagli enti locali che devono concedere la licenza per i gruppi elettrogeni. In alcuni comuni le norme prevedono anche restrizioni sulla posizione del gruppo elettrogeno, ad esempio prescrivendo che debba essere racchiuso in una struttura in cemento o con pareti di isolamento il cui stile non stoni con quello dell'edificio principale. Ciò per evitare che il gruppo elettrogeno sia appariscente e per mantenere una certa neutralità estetica rispetto all'ambiente circostante. Aspirazione dell'aria Nella progettazione dell'ambiente è importante alimentare il motore con un flusso d'aria fresca e pulita. È inoltre consigliabile un'abbondante ventilazione dell'ambiente con aria fresca e pulita per assicurare il massimo comfort al personale. A tale scopo, spesso sono necessari sfiati di grandi dimensioni e, se possibile, ventole supplementari. È infine necessario prendere precauzioni per evitare la penetrazione di pioggia, neve e detriti all'interno del sistema. Raffreddamento La maggior parte dei motori primi per i generatori sono dotati di un sistema di raffreddamento a radiatore molto simile a quello delle automobili. Essi sono dotati di una ventola per convogliamento di una quantità sufficiente di aria sul radiatore, allo scopo di mantenere una temperatura moderata del motore. Il calore disperso viene estratto dal radiatore e guidato verso l'esterno, attraverso un condotto la cui area della sezione trasversale è uguale alla superficie radiante. La luce dell'aria di aspirazione (feritoie di ventilazione della sala) è normalmente del 25% - 50% più grande dell'area del condotto. Per garantire un funzionamento affidabile occorre una manutenzione scrupolosa del sistema di raffreddamento. I tubi e il livello di refrigerante, il funzionamento della pompa d'acqua e l'antigelo protettivo devono essere sottoposti ad una diligente ispezione perché forniscano prestazioni accettabili. Lubrificazione Nei moderni motori a 4 tempi si utilizzano sistemi di filtraggio a flusso totale che pompano l'olio lubrificante attraverso filtri montati esternamente per impedire che particelle e contaminanti danneggino le parti in movimento o i cuscinetti. Per mantenere il livello d'olio corretto vengono impiegati serbatoi d'olio di reintegro, mentre dei radiatori dell'olio esterni evitano i problemi di lubrificazione dovuti a temperature elevate. 5
Filtri: aria e carburante L'aria e il carburante sono elementi critici per un funzionamento affidabile del motore primo ed è essenziale che sia seguito un programma di manutenzione adeguato. Un sistema ridondante, con doppie tubazioni del carburante e doppi filtri, è di grande aiuto nelle applicazioni mission-critical, in cui devono essere supportati tempi di funzionamento prolungati. Questo perché le tubazioni del carburante e i filtri possono essere isolati e sostituiti mentre il motore resta in funzione. La mancanza di scorte per filtri e altri materiali di consumo può provocare un'interruzione delle attività. È possibile effettuare il monitoraggio preventivo di questi filtri mediante indicatori della pressione differenziale. Essi mostrano la differenza di pressione ai due capi del filtro o fra due tubi del carburante durante il funzionamento del motore. Nel caso dei filtri dell'aria, questi dispositivi di monitoraggio preventivo vengono chiamati indicatori di restrizione. Essi forniscono un'indicazione visiva della necessità di sostituire un filtro a secco dell'aria di aspirazione mentre il motore del generatore è in funzione. Motore dello starter Il sistema di avviamento è uno dei più critici per il funzionamento del generatore. Per carichi mission-critical spesso vengono usati sistemi UPS con un'autonomia della batteria di pochi minuti, quindi è molto importante che l'avviamento sia rapido. Il tempo minimo per la rilevazione del problema di alimentazione, l'avviamento del motore primo, la stabilizzazione della frequenza e della tensione in uscita e il collegamento ai carichi è di solito dell'ordine di almeno 10-15 secondi. Tuttavia molti sistemi attualmente in uso non si comportano in modo sufficientemente affidabile in questo senso, spesso a causa di batterie scariche o addirittura assenti perché rubate. Altri problemi possono derivare dalla manutenzione insufficiente o da errori umani. Una manutenzione e una progettazione coscienziose sono di importanza fondamentale per ottenere una percentuale di successo accettabile nell'avviamento dei gruppi elettrogeni. Nella maggioranza dei generatori si utilizza un motore dello starter azionato da batteria, come nelle automobili, ma talora nei motori primi più pesanti si utilizza in alternativa un sistema pneumatico o idraulico. L'elemento critico nello starter tradizionale è evidentemente il sistema a batteria. Ad esempio, l'alternatore per la carica della batteria presente in alcuni motori non impedisce che la batteria si scarichi durante i periodi di inutilizzo. La presenza di un sistema di carica automatico e separato, con possibilità di allarme remoto, viene considerata prassi ottimale. È inoltre essenziale tenere la batteria calda ed evitare di esporla ad agenti corrosivi. Il riscaldamento della batteria viene effettuato con un elemento termico che mantiene la temperatura dell'elettrolita a un livello opportuno. Nei climi freddi ciò fa aumentare notevolmente la corrente di avviamento disponibile per il motore dello starter. Le batterie sono classificate in base ai CCA (Cold Cranking Amperes) che indicano gli ampere disponibili per 30 secondi a 0 F (-17,8 C). A temperature inferiori a 0 F (-17,8 C) e superiori a 80 F (26,7 C) l'affidabilità è assolutamente insoddisfacente. 6
Anche i riscaldatori del blocco motore contribuiscono ad aumentare la percentuale di avviamenti riusciti poiché riducono l'attrito che il motore dello starter deve vincere quando questo viene avviato. Da numerosi studi risulta che i problemi di avviamento sono la causa principale dei problemi di funzionamento del generatore. L'alternatore: il componente di generazione dell'energia elettrica La funzione dell'alternatore è quella di convertire l'energia meccanica proveniente dal motore primo in corrente alternata. Questo principio è simile a quello dell'alternatore di un'automobile che però, normalmente, è condotto da una cinghia, mentre quello del generatore è condotto dall'albero motore principale del motore primo. Un alternatore molto semplice può essere composto da un anello di filo metallico e da un magnete. L'energia elettrica viene prodotta quando l'anello metallico si muove attraverso il campo magnetico prodotto dai poli positivo e negativo del magnete; altrimenti, si può muovere il campo magnetico mentre il filo metallico resta fermo. Un alternatore di questo tipo, naturalmente, produrrebbe una quantità molto ridotta di energia elettrica, ma i principi elettrici su cui si basa sono uguali a quelli dei grandi alternatori presenti nei generatori. Nel corso degli anni sono state perfezionate alcune caratteristiche dei componenti degli alternatori per migliorarne l'efficienza, la capacità e l'affidabilità. Di seguito è riportata una spiegazione di ognuna di queste caratteristiche. La Fig. 2 illustra i componenti principali dell'alternatore tipico di un generatore. Figura 2 - Vista in sezione: alternatore brushless autoeccitato, con regolatore esterno Alternatore principale del campo in rotazione Statore principale (avvolgimento dell'indotto) Armatura girevole Alternatore eccitatore Rotore eccitatore (armatura) Alloggiament o motore primo Cavi rotore principale Albero motore Assemblaggio raddrizzatore (da CA a CC) + Ingresso CC (dal regolatore di tensione) Statore eccitatore (campo) - 3 fase + Uscita CA neutra 3 fase + Uscita CA neutra 7
Brushless L'aggettivo brushless (senza spazzole) significa che in questo tipo di generatore non è necessario il contatto con le parti in rotazione per trasferire l'energia elettrica ai o dai componenti. Nei motori e nei generatori molto piccoli la presenza delle spazzole è ancora accettabile, ma esse hanno lo svantaggio di essere usurabili ed è impossibile sottoporle a un'ispezione preventiva. Un gruppo elettrogeno di grandi dimensioni con spazzole non possiede l'affidabilità necessaria per il funzionamento di unità mission-critical. Autoeccitato Nell'esempio precedente, per generare il campo magnetico viene usato un magnete; ma negli alternatori più grandi è necessario un campo magnetico molto più potente per generare grandi quantità di energia elettrica. Si tratta di una situazione analoga a quella di un'officina di autodemolizioni, in cui occorre spostare grosse masse metalliche: anche qui non si può usare un semplice magnete, ma occorre un elettromagnete appeso a una gru. Un elettromagnete è un magnete alimentato ad energia elettrica e, nel caso dei moderni alternatori, autoeccitato. Questo aggettivo significa che l'elettricità usata per creare il campo elettromagnetico viene prodotta all'interno dell'alternatore stesso, permettendo così di generare grandi quantità di energia elettrica senz'altra energia che quella fornita dal motore primo. Statore principale o avvolgimento dell'indotto Lo statore principale, o avvolgimento dell'indotto, è costituito da bobine fisse di filo metallico in cui viene indotta l'energia elettrica per i carichi critici. Le caratteristiche della corrente alternata prodotta sono correlate alla quantità e alla geometria degli avvolgimenti della bobina. Sono a disposizione diverse configurazioni per soddisfare diversi requisiti di portata e tensione. Gli avvolgimenti trifase sono tre bobine separate, disposte a 120 gradi l'una dall'altra sulla circonferenza di rotazione. Quando il campo magnetico dell'alternatore ha solo una coppia di poli nord-sud, viene creato un ciclo di corrente alternata per fase per ogni rotazione del motore primo. In altre parole, per produrre c.a. a 60 Hz il motore primo deve far girare l'alternatore a 3600 giri al minuto. Questo è un regime abbastanza elevato per i sistemi di generatori diesel che subiscono un'usura doppia rispetto a un motore funzionante a 1800 giri/min. Progettando il campo magnetico dell'alternatore con quattro poli, è sufficiente far ruotare il motore primo a 1800 giri/min per ottenere un'uscita a 60 Hz. Sono inoltre disponibili sistemi di generatori con un regime ancora più basso che integrano alternatori a 6 o a 8 poli (con velocità di rotazione rispettiva di 1200 e 900 giri/min). Messa a terra La messa a terra del generatore e la connessione del neutro rappresentano un dettaglio importantissimo. Per evitare guasti e ottenere un'alimentazione di buona qualità è indispensabile che il metodo di messa a terra sia conforme alle norme elettriche del luogo di installazione. Negli Stati Uniti, ad esempio, occorre attenersi alle norme del National Electrical Code (NEC) Article 250 Ref. 4, o altre norme locali. 8
La messa a terra è forse l'aspetto più soggetto a errori di interpretazione e applicazione negli impianti di qualsiasi dimensione. Informazioni a questo proposito si possono ricavare dallo standard IEEE 1 Standard 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book). Quando si alimentano carichi elettronici sensibili, inoltre, occorre dedicare una seria considerazione alle raccomandazioni dello standard IEEE 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book). Temperatura di funzionamento La temperatura di funzionamento degli avvolgimenti dell'alternatore è un altro parametro importante, in particolare nelle applicazioni in condizioni ambientali estreme (altitudine, temperatura ambiente o ventilazione). Talvolta, per contenere le temperature dell'avvolgimento, si utilizza un generatore sovradimensionato. In alternativa, è possibile utilizzare un isolamento speciale in grado di sopportare temperature più elevate. In particolari ambienti di installazione possono esservi problemi operativi e condizioni difficili dovute ad umidità, temperatura, funghi, insetti nocivi, ecc. Per ovviare a questi problemi sono disponibili versioni e isolamenti speciali, che aiutano a mantenere asciutti gli avvolgimenti e a impedire il deterioramento dell'isolamento. Il regolatore: frequenza di uscita c.a. e regolazione Il regolatore mantiene costante il regime del motore primo in condizioni variabili, regolando il carburante che lo alimenta. È necessaria una frequenza c.a. stabile e questa è direttamente proporzionale alla precisione e al tempo di risposta del regolatore. Questo elemento è un componente chiave per la determinazione della qualità dell'alimentazione c.a. in uscita. Le variazioni di frequenza e il loro impatto sulla qualità dell'alimentazione non rappresentano un problema che gli utenti devono affrontare quando sono collegati a una rete elettrica stabile. Tuttavia i componenti elettronici sensibili sono vulnerabili al disturbo causato da cambiamenti di frequenza improvvisi, determinati dall'alimentazione dal generatore. La capacità del generatore di fornire una frequenza costante è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione del motore primo controllato dal regolatore. Sono a disposizione diversi tipi di regolatori, dal semplice tipo a molla fino ai complessi sistemi idraulici ed elettronici che regolano dinamicamente l'apertura della valvola a farfalla per mantenere costante il regime del motore. La semplice aggiunta o rimozione di carichi, oppure il ciclo di accensione/spegnimento dei carichi stessi, può creare condizioni di instabilità che devono essere neutralizzate dal regolatore. 1 L'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) è considerato un'organizzazione tra le più autorevoli in vari settori tecnici, tra cui quello dell'alimentazione elettrica. È un associazione senza fini di lucro costituita da professionisti tecnici, con oltre 360.000 iscritti di più di 175 nazioni. www.ieee.org 9
Il regolatore isocrono mantiene costante la velocità indipendentemente dal livello di carico. Sono comunque presenti lievi variazioni di velocità del motore primo; la loro entità è una misura della capacità stabilizzante del regolatore. L'attuale tecnologia dei regolatori permette di contenere le variazioni di frequenza entro il ±0,25%, con tempi di risposta alle variazioni di carico dell'ordine di 1-3 secondi. Gli odierni dispositivi elettronici allo stato solido assicurano un'elevata affidabilità e la regolazione della frequenza necessaria per carichi sensibili. Quando due o più generatori sono collegati in parallelo per esigenze di capacità o di ridondanza, devono essere tutti regolati alla stessa velocità, utilizzando la frequenza dell'alimentazione di rete o di un altro generatore come riferimento. Ciò accade perché se le due sorgenti non sono sincronizzate, una di esse supporterà una frazione maggiore del carico e ciò, a sua volta, imporrà una correzione. Di recente sono stati sviluppati sofisticati sistemi di regolatori elettronici per installazioni in parallelo, che forniscono un miglior coordinamento e una maggiore stabilità della frequenza in diverse condizioni. Queste nuove tecnologie, grazie alla loro affidabilità, alle esigenze minime di manutenzione e alle migliori funzioni di coordinamento, soddisfano come auspicato i requisiti di disponibilità dei moderni data center. La scelta del regolatore è influenzata dal tipo di carburante del gruppo elettrogeno, nonché dall'entità delle possibili variazioni improvvise dei carichi. Poiché entrambi questi fattori contribuiscono alla precisione e alla stabilità della velocità del motore primo, è indispensabile tenerne conto in fase di progettazione. Regolazione della tensione La funzione fondamentale di un regolatore di tensione è semplicemente quella di controllare la tensione prodotta all'uscita dell'alternatore. Il funzionamento del regolatore di tensione è di importanza vitale per i carichi critici dipendenti da alimentazione classificata computer grade. L'obiettivo è quello di configurare un sistema con un tempo di risposta adeguato, per minimizzare le sottotensioni e le sovratensioni che si verificano quando varia il carico. Un altro aspetto da considerare è il comportamento del regolatore quando è soggetto a carichi non lineari, ad esempio con gli alimentatori a commutazione di vecchio tipo. I carichi non lineari prelevano corrente in modo incoerente con la forma d'onda della tensione, mentre i carichi resistivi (come quello di una lampadina) lo fanno in sincronia con la forma d'onda. I carichi non lineari possono interagire negativamente con un generatore, mettendo così a rischio la disponibilità del carico critico durante il funzionamento in standby. La norma EGSA 101E sezione 5 definisce il parametro di regolazione della tensione come la differenza tra la tensione di stato stazionario a vuoto e a pieno carico, espressa come percentuale della tensione a pieno carico. Vi sono tre aspetti dell'alternatore che determinano la tensione: l'intensità del campo magnetico, la velocità di intersezione con il campo magnetico e il numero di avvolgimenti (spire) della bobina. Gli ultimi due sono fattori costanti in questa discussione, il che significa che la regolazione della tensione è una funzione dell'alterazione del campo magnetico per raggiungere il risultato desiderato. 10
Vi sono molte tecnologie per il monitoraggio della tensione di uscita che consentono di fornire la qualità di alimentazione più adeguata all'uso nei data center. Indipendentemente dal tipo del regolatore, occorre ragionare su una situazione worst case che produca una variazione di tensione ancora inferiore al valore massimo accettabile. Le situazioni worst-case possono essere determinate, ad esempio, dalla temperatura eccessiva dell'avvolgimento (che produce un abbassamento della tensione) o da un'alta percentuale di carichi non lineari. Gli odierni data center contengono pochissimi carichi non lineari, grazie alla prevalenza di alimentatori con correzione del fattore di potenza (PFC). Tuttavia, se il generatore sarà usato come alimentazione di riserva per altri sistemi dell'edificio, occorrerà identificare i carichi non lineari per garantire la scelta del generatore più adatto. Apparecchiatura di manovra e distribuzione La distribuzione dell'uscita del generatore ai carichi critici costituisce un altro problema molto importante per la progettazione del sistema. L'IEEE Emerald Book (standard IEEE 1100-1999) è riconosciuto come la massima autorità nel campo dell'alimentazione di apparecchiature sensibili. In questo documento si suggerisce di progettare il sistema secondo l'ieee Orange Book (standard IEEE 446-1995) che fornisce direttive su sistemi automatici di monitoraggio della sorgente di alimentazione e prevede l'avviamento del motore e il trasferimento del carico al generatore non appena l'alimentazione è disponibile e stabile. Esse prevedono inoltre il ritrasferimento del carico all'alimentazione di rete non appena vengono ristabilite le condizioni normali. Di solito, tutte queste funzioni sono incorporate in un sistema automatico di commutazione chiamato ATS (Automatic Transfer Switch). Tra le altre funzioni comuni, vale la pena di citare la programmazione di un test automatico del generatore e l'importantissimo ciclo di raffreddamento per il generatore non appena viene ripristinata l'alimentazione di rete. Questo hardware è stato sinora commercializzato da diversi fornitori, compresi i produttori di generatori, i produttori di apparecchiature di distribuzione e le aziende specializzate nella progettazione di ATS. Tuttavia, oggi esistono sistemi pre-progettati esenti dagli inconvenienti delle soluzioni personalizzate, quali l'elevato TCO (Total Cost of Ownership; costo totale di possesso) e la notevole complessità. Per ulteriori informazioni sui sistemi ATS, consultare il White Paper APC n. 94, Principi fondamentali di funzionamento dei commutatori di trasferimento per generatori per applicazioni IT. La Fig. 3 illustra la posizione dell'ats nella distribuzione elettrica dell'edificio. Figura 3 Gruppo elettrogeno di riserva con ATS Normale Corrente Interruttore di circuito di trasferimento Carichi Emergency Corrente 11
Nella progettazione di questo sistema occorre tenere conto anche di un'adeguata protezione dalle sovracorrenti. I contatti del meccanismo di commutazione devono essere in grado di sopportare correnti di punta senza fondersi. È inoltre importante evitare che il commutatore si surriscaldi a pieno carico e che sia in grado di erogare un'adeguata corrente di cortocircuito (necessaria per far scattare dispositivi di protezione dalle sovracorrenti, quali gli interruttori automatici). Per il ritrasferimento all'alimentazione di rete vi sono diversi schemi di commutazione, noti come a transizione aperta e a transizione chiusa. Transizione aperta significa che il carico viene scollegato dalla rete di alimentazione prima di essere collegato al generatore. Transizione chiusa significa che il carico viene prima collegato al generatore e poi scollegato dall'alimentazione di rete. Nel secondo caso, per un breve periodo di tempo sono collegati contemporaneamente l'alimentazione di servizio e il generatore. Il tipo a transizione chiusa è più elaborato e riduce al minimo le interruzioni momentanee del trasferimento. Gruppi elettrogeni multipli o paralleli ridondanti Per decidere qual è il numero di gruppi elettrogeni necessari, occorre tenere conto della capacità e dell'affidabilità del sistema desiderate. Un sistema con diverse unità più piccole (identiche) che, sommate, forniscono il carico di punta richiesto, più un'unità supplementare, è chiamato N+1 ridondante. Se ne può vedere un esempio nella Fig. 4, in cui due gruppi elettrogeni da 800 kw sincronizzati supportano un carico di 1,6 MW, mentre il terzo generatore da 800 kw funge da riserva. Figura 4 - Sistema di gruppi elettrogeni ridondanti isocroni N+1 da 1,6 MW Controllo combustibile Controllo combustibile Controllo combustibile Motore Motore Motore Regolatore velocità Regolatore velocità Regolatore velocità Generatore da 800 kw Monitoraggio RPM Condivisione del carico Generatore da 800 kw Monitoraggio RPM Condivisione del carico Generatore da 800 kw Monitoraggio RPM Condivisione del carico Monitoraggio della tensione Monitoraggio della tensione Monitoraggio della tensione Carico 12
L'attivazione della rispettiva sequenza di avviamento fa partire tutti e tre i generatori e li sincronizza. Con una ridondanza N+1 è possibile supportare 1,6 MW. Il collegamento in parallelo dell'apparecchiatura di manovra implica un aumento dei costi, ma statisticamente fa aumentare l'affidabilità rispetto ad un singolo motore primo. In questo esempio, la probabilità che in un determinato momento sia inattivo più di un generatore sono minime rispetto a quelle di un sistema a generatore singolo. Tutto ciò, naturalmente, non esclude la possibilità che un guasto comune (ad esempio, l'esaurimento del carburante) provochi il collasso di un sistema apparentemente ridondante. Un altro importante vantaggio del concetto modulare (aggiunta di piccoli sistemi fino a raggiungere le dimensioni del carico) è la scalabilità. Per gli impianti in espansione si può progettare un sistema predisposto al potenziamento futuro della capacità, destinando già in partenza dello spazio ai componenti che saranno aggiunti successivamente e dimensionando la portata dei cavi in previsione del carico finale. I costi di capitale e la manutenzione dei componenti non ancora installati vengono differiti fino al momento in cui l'aumento del carico critico giustificherà l'investimento. È importante valutare accuratamente le esigenze e fare delle scelte giudiziose e coerenti con le definizioni precedenti. Il lettore che desideri maggiori informazioni sulla scalabilità può consultare il White Paper APC n. 37, Ottimizzare gli investimenti per la realizzazione di infrastrutture per sale CED e apparati di rete. L'intero sistema e la progettazione compatibile Il White Paper APC n. 95, Dimensionamento dei generatori a motore a combustione interna per infrastrutture mission-critical, tratta dei concetti di dimensionamento e carico dei generatori. Tuttavia è importante sottolineare le influenze del fattore di potenza, dei commutatori di trasferimento e dell'ups sulle prestazioni complessive dell'intero sistema. Quando nel progetto sono coinvolti diversi fornitori, è essenziale che tutti costoro partecipino al collaudo completo dell'installazione e alla messa in servizio. Questo tipo di approccio può evidenziare prematuramente problemi di incompatibilità non previsti, prima che essi compromettano i carichi critici. Il collaudo dovrebbe essere eseguito a carichi diversi, fino ad un utilizzo al 100%. Spesso è necessario carichi fittizi in sostituzione dei carichi veri e propri; non bisogna però dimenticare che questa simulazione può non rappresentare correttamente il fattore di potenza dei carichi veri e propri. In mancanza di speciali carichi di prova reattivi, occorre eseguire un ciclo di prova supplementare non appena sono disponibili i carichi veri e propri. C'è però un metodo per evitare la complessità e il collaudo multi-vendor di soluzioni personalizzate di gruppi elettrogeni, ATS e UPS, consistente nello specificare un sistema completo pre-progettato, prodotto e pre-collaudato in base agli standard ISO 9000 da parte di un singolo fornitore. Un altro vantaggio dei sistemi pre-progettati è il costante aumento della qualità e dell'affidabilità dovuto al ricorso a tecniche produttive standardizzate e finalizzate all'eliminazione dei difetti (cosiddette tecniche di Reliability Growth ). 13