UPS: come funziona e guida all'acquisto

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dino
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UPS: come funziona e guida all'acquisto

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Cos'è un UPS

Un UPS o Uninterruptible Power Supply è un dispositivo che ha due funzioni
complementari:
  • Condizionare la corrente in arrivo sui dispositivi elettrici per rimuovere le impurità che potrebbero danneggiarli
  • Fornire una corrente di back-up, prelevandola dalle proprie batterie, nel caso brevi mancanze di corrente dal fornitore di energia elettrica oppure nel caso di fluttuazioni evidenti

Glossario
Corrente continua (DC): si tratta di una corrente polarizzata che prevede una forma d'onda piatta. Solitamente è quella fornita dalle batterie.

Corrente alternata (AC): al contrario di quella continua, la corrente alternata non ha una polarità e la sua forma d'onda ha un andamento sinusoidale. Si tratta della corrente fornita attraverso le prese elettriche la quale ha una variazione di 50 (o 60 nei paesi anglosassoni) volte al secondo (50Hz o 60Hz).

Inverter: è un dispositivo in grado di convertire la corrente continua in corrente alternata (dalla corrente continua delle batterie può generare corrente alternata adeguata per collegare i tradizionali dispositivi elettrici).

Blackout: avviene quando c'è una completa mancanza di energia elettrica da parte del fornitore.

Power sag: avviene quando l'energia elettrica manca per un brevissimo periodo di tempo ma tale per cui, computer o altri equipaggiamenti non hanno sufficiente corrente e dunque si spengono.

Power surge: si tratta di spike di tensione che avvengono, ad esempio, in presenza di fulmini. Sono maggiormente frequenti nelle aree rurali e durante i mesi estivi. Attenzione perché questo genere di disturbi può passare anche attraverso i cavi telefonici e di rete. Generalmente un evento di power surge è seguito da un blackout e potrebbe danneggiare in maniera permanente i dispositivi connessi.

Under voltage (brownout): si tratta di un evento causato dall'eccessiva richiesta di corrente elettrica presso il fornitore il quale non riesce a soddisfarla. In tal caso la tensione erogata potrebbe essere inferiore a quella nominale producendo effetti negativi sui dispositivi connessi fino alla corruzione dei dati. Questo evento ha una durata estesa nel tempo che può variare da pochi minuti a intere giornate.

Over voltage: simile al power surge anche se le tensioni in gioco sono inferiori, questo evento potrebbe avviene quando il fornitore di energia elettrica eroga una corrente con tensione più elevata di quella nominale per periodi di tempo relativamente lunghi.

Rumore sulla linea elettrica: interferenze elettromagnetiche (EMI) o a radio frequenza (RFI) introdotte da dispositivi come stampanti laser, lampadine fluorescenti e motori elettrici possono causare dei disturbi più o meno importanti sulla linea elettrica. Nei casi peggiori essi possono provocare la corruzione dei dati o danneggiare i circuiti dei computer. La protezione da questa tipologia di problemi è necessaria per gli equipaggiamenti medicali.

Variazioni di frequenza: avvengono quando vi è una fluttuazione della frequenza nominale della rete elettrica (50 o 60Hz). Tali variazioni sono generalmente causate dai generatori di emergenza usati dai fornitori di energia elettrica e potrebbero causare corruzione di dati, blocchi o danneggiamento di componenti sensibili.

Switching transient: si tratta di transizione istantanee simili ai power surge ma più brevi. Accadono in special modo in ambienti industriali e all'interno di uffici e possono causare lo spegnimento degli apparecchi elettrici o un loro degrado.

Distorsione armonica: è il risultato della deformazione dell'onda sinusoidale della corrente elettrica alternata dovuto alle interferenze non-lineare dei carichi come quelli degli alimentatori dei computer, delle fotocopiatrici e dei macchinari industriali. Potrebbe essere causa di problemi di comunicazione per gli equipaggiamenti di rete o di surriscaldamento.

Le tecnologie utilizzate per gli UPS
Gli UPS si distinguono in tre tipologie. UPS differenti offrono livelli di protezione differenti da quelli principalmente destinati a proteggere equipaggiamenti home/small office fino a quelli pensati per sistemi molto sensibili o critici.
  • Off-Line o Standby: si utilizzano all'interno di range di potenza da 0 a 2kVA, hanno un costo per kVA ridotto, un'efficienza solitamente elevata con il modulo inverter che opera solo quando è richiesta corrente dalle batterie. L'azione svolta sulla tensione in ingresso per migliorarla è abbastanza contenuta.
  • Line Interactive: si utilizzano con potenze da 0,5 a 5kVA, hanno un costo medio-basso per kVA, un'efficienza elevata nonostante il modulo inverter sia sempre operativo ed offrono un discreto condizionamento della tensione di linea.
  • On-Line o a doppia conversione: si utilizzano con potenze elevate, da 1 a 5000 kVA, hanno un costo per kVA medio, un'efficienza più bassa dei due tipi descritti in precedenza e l'inverter è sempre attivo. In questo caso il miglioramento della tensione in ingresso è massimo.

Standby UPS
Questi sistemi sono utilizzati per le operazioni meno critiche e sono caratterizzati da una bassa potenza fornita e da un basso costo. Essi proteggono gli apparecchi collegati dai blackout e dai problemi di power sag e power surge.

Il funzionamento di questi UPS prevede che nelle normali condizioni di funzionamento (quando la corrente è fornita dalla rete elettrica), il transfer switch fa arrivare sugli equipaggiamenti la corrente di rete che passa prima per alcuni semplici circuiti di soppressione dei disturbi e protezione dai picchi (generalmente si tratta di circuiti passivi che includono bobine e condensatori di filtro ed un fusibile). Allo stesso tempo il caricatore mantiene la batteria carica e pronta all'uso.

Durante eventi di blackout, undervoltage o overvoltage, il transfer switch commuta l'alimentazione a batteria che tramite l'inverter viene convertita da corrente continua a corrente alternata con andamento sinusoidale non sempre perfetto (qui entra in gioco la qualità dell'inverter: più è elevata e più la forma d'onda assomiglia ad una sinusoide perfetta). Nel momento in cui la corrente del fornitore ritorna l'UPS si rimette a funzionare in modalità normale e le batterie vengono ricaricate. Il tempo di intervento di questi UPS è di circa 5 - 6 ms.
ups-standby-1.png

Line Interactive UPS
Negli UPS di tipo Line Interactive la corrente è sempre fornita attraverso la circuiteria di soppressione dei disturbi e del rumore utilizzando una tecnologia AVR. L'inverter che include il modulo di condizionamento AVR permette di mantenere la corrente in uscita sempre pulita livellando i picchi (sia di overvoltage che di undervoltage) e riportando i valori all'interno di un range sicuro, eliminando gli spike, le interferenze e le armoniche spurie.

Anche se gli alimentatori recenti potrebbero in teoria farne a meno, probabilmente per proteggere monitor, o hd esterni può essere utile. Senza contare che generalmente l'avr è assente solo nei prodotti di fascia ultraeconomica, per cui è lecito supporre che un ups con avr sia quantomeno decente.

Usando la tecnologia AVR, i sistemi di tipo line-interactive possono regolare le fluttuazioni della tensione entro un ampio range di possibilità senza per questo far intervenire le batterie e regalando così una maggiore vita media alle stesse rispetto agli UPS off-line.
ups-line-interactive-1.png
Il funzionamento degli UPS line-interactive prevedeche in condizioni normali l'inverter faccia da caricatore delle batterie operando in modalità contraria, ovvero convertendo la corrente alternata in corrente continua. Nel caso di blackout, l'inverter passa a funzionare in modalità diretta e converte la tensione in uscita dalle batterie in una tensione alternata AC. Ovviamente i tempi di switching sono bassi (dell'ordine dei 4 - 5 ms) e i dispositivi connessi non si accorgono del passaggio.


On-Line UPS
I sistemi UPS on-line sono quelli che forniscono la maggiore protezione. Sono detti anche a doppia conversione perché la corrente è prima trasformata in corrente DC e poi perfettamente ricostruita dall'inverter, che la preleva dalle batterie, in corrente AC. Un UPS di questo genere è dunque sempre "on-line" e non c'è nessuno switch come quelli presenti nei modelli standby e line-interactive. Il tempo di intervento è ovviamente nullo.
ups-online-1.png
Il processo di doppia conversione permette di ottenere un elevato livello di protezione e disaccoppiamento eliminando ogni rumore di linea, variazione di frequenza, distorsione armonica o transitori dovuti allo switching.


La qualità della conversione

Qualunque sia la tipologia di UPS considerata, c'è sempre una conversione di mezzo. L'inverter si occupa di far si che la tensione continua delle batterie diventi tensione alternata, alla giusta frequenza, da fornire agli apparati collegati. La tensione alternata segue un andamento sinusoidale che, almeno quando arriva dal fornitore di energia elettrica, è quasi perfetta.

Per questo motivo, anche in uscita dall'UPS dovrebbe esserci sempre una tensione alternata con andamento sinusoidale perfetto (o quasi). Invece l'andamento della sinusoide è uno dei punti cruciali nella valutazione della bontà dell'UPS. I peggiori UPS tirano fuori una forma d'onda appena approssimata ad una sinusoide (molto più vicina ad un'onda quadra), quelli di fascia media hanno una forma d'onda sinusoidale ben approssimata mentre i migliori riescono a garantire una corrente che segue una sinusoide perfetta, pura.
forma-donda.png
Gli UPS meno costosi tendono a produrre una corrente con una forma d'onda quasi quadra perché dall'inverter la corrente esce in questo modo e poi servono degli stadi di filtro per renderla più simile ad una forma d'onda sinusoidale. Più complessi e dunque più efficienti sono tali filtri e maggiore è il loro costo.

UPS che forniscono una forma d'onda quadra in uscita non sono adatti a sistemi sensibili come computer o altri dispositivi elettronici mentre vanno bene per alimentare motori elettrici o altri carichi poco sensibili. Gli UPS con uscita sinusoidale modificata prevedono stadi di filtro realizzati non solo in maniera passiva con condensatori e bobine ma utilizzando appositi stadi attivi con transistor. Questi funzionano bene con i PC che dispongono di alimentatore a PFC passivo e con sistemi non-critici. Infine, gli UPS che producono in uscita un'onda sinusoidale pura, spesso più pulita di quella del fornitore di energia elettrica stesso, sono indicati per alimentare dispositivi critici, molto sensibili e PC con alimentatore a PFC attivo.

PFC attivo e passivo
Perché abbiamo differenziato alimentatori con PFC attivo e PFC passivo affermando che per i primi è necessario un UPS con sinusoide perfetta?

Partiamo dall'inizio. Con Power factor è indicato il rapporto della potenza usata da un certo carico (potenza reale) e quella fornita dalla linea elettrica (potenza apparente). Le due entità potrebbero sembrare la stessa cosa ma lo sono solo in un caso, ovvero quando corrente e tensione sono perfettamente in fase. La potenza apparente è misurata volt-ampere (VA) mentre la potenza reale di un carico, che potrebbe essere diversa a causa della sua natura capacitiva-induttiva che modifica la relazione di fase fra corrente e tensione, è misurata in W.

I circuiti PFC (Power Factor Correction) attivi forzano la corrente di ingresso ad essere in fase con la tensione di ingresso producendo un power factor pari a 1 (o meglio pari circa a 1, generalmente 0,99). Perciò, questo tipo di circuiti si aspetta in ingresso una forma d'onda sinusoidale pura al fine di garantire la necessaria correzione: se invece quella che arriva è una forma d'onda quadra o approssimata alla sinusoide, i circuiti PFC proveranno ad approssimarla alla sinusoide ma non è detto che vi riescano. In caso negativo l'alimentatore potrebbe risultare sovraccarico oppure non funzionare affatto.

In sostanza, con alimentatori dotati di PFC attivo non si possono utilizzare UPS con uscita a onda quadra e se si opta per quelli capaci di fornire una sinusoide approssimata sarà necessario provare che il tutto funzioni.


Calcolo del tempo di backup

Oltre alla qualità ed alla pulizia della corrente in uscita, nell'acquisto di un UPS va valutato anche il tempo per cui questo sistema riesce a mantenere accesi i dispositivi connessi. In generale si procede in questo modo:
  • Si prendono in considerazione tutte le periferiche ed i dispositivi che si vogliono collegare all'UPS;
  • Si ricavano i loro assorbimenti massimi prendendoli dai dati di targa o, nel caso di computer assemblati, prendendo gli assorbimenti dei singoli componenti e sommandoli. A tal proposito si possono ricavare utili informazioni da questa pagina di APC.
  • Si sommano tutti gli assorbimenti considerando il tipico utilizzo che ne fate (utilizzate tutti i PC e gli altri dispositivi connessi all'UPS contemporaneamente? Oppure se avete acceso uno l'altro è spento?)
  • Ricordatevi che in questo conteggio non andranno inserite tutte le periferiche ed i dispositivi perché non tutte dovranno essere collegate ad un UPS. Ad esempio, è buona norma evitare mettere sotto UPS stampanti a getto di inchiostro o laser sia per questioni di opportunità che di assorbimenti mentre è consigliato collegare gli apparati di rete come router, modem e switch in modo che il blackout non interrompa la connessione alla rete.

Efficienza, dissipazione e rumorosità
L'inserimento di un UPS sulla linea di alimentazione non è un'operazione a costo zero. Nel senso che tale dispositivo avrà, non solo un proprio assorbimento energetico necessario ad alimentare i suoi circuiti di controllo, raffreddamento e ricarica ma produrrà anche alcune inefficienze dovute alle trasformazioni.

In particolare si rileva che i modelli a doppia conversione sono quelli meno efficienti per via di una loro maggiore invasività. Un UPS a doppia conversione funziona costantemente con una efficienza che varia dalll’85% al 92% in base alla bontà del prodotto. I modelli Off-Line e Line Interactive raggiungono valori anche del 98 - 99%.

Legato a filo doppio con l'efficienza è l'aspetto della dissipazione e dunque dei sistemi di raffreddamento adottati. La rumorosità di funzionamento di un UPS è dovuta principalmente alle ventole di raffreddamento, oltre che al ronzio degli inverter. I modelli Off-Line e Line Interactive agiscono solo da filtro della tensione di ingresso quando stanno lavorando in condizioni normali. Quando invece devono fornire corrente dalle proprie batterie, i circuiti dell'inverter che entrano in funzione producono un certo calore che deve essere dissipato, cosa effettuata in alcuni casi da ventole attive.

I modelli a doppia conversione invece hanno sempre i circuiti degli inverter attivi, quindi per questi la valutazione andrebbe fatta in maniera più oculata oppure andrebbe considerato un loro posizionamento in appositi spazi lontano dagli utilizzatori.


Altri parametri

Fra gli altri parametri da tenere a mente nell'acquisto di un IPS citiamo:
  • Dimensioni
  • Numero delle uscite
  • Possibilità di gestione da PC locale e/o da remoto

Letture e tool interessanti

UPS a doppia conversione vs. UPS Line Interactive

Come spegnere correttamente più computer connessi allo stesso UPS

Come spegnere correttamente più computer connessi allo stesso UPS

FAQ per l'utilizzo di un UPS sotto Windows

UPS Whitepaper by APC


Demone per controllare un UPS su sistemi operativi Unix, Linux e Windows
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danyg
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Re: UPS: come funziona e guida all'acquisto

Messaggio da danyg »

:ok:

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Fottemberg
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Re: UPS: come funziona e guida all'acquisto

Messaggio da Fottemberg »

Ottima guida. Linko, per completezza, il White Paper base di APC sugli UPS (in inglese): http://ebookbrowse.com/apc-ups-whitepaper-pdf-d39145005
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dino
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Re: UPS: come funziona e guida all'acquisto

Messaggio da dino »

Aggiunto fra i link interessanti
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Frankieh501
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Re: UPS: come funziona e guida all'acquisto

Messaggio da Frankieh501 »

Grazie! Guida utile e interessante!

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