ITAR20120029A1 - Sistema di conversione elettrica e gestione della continuita' ad alta efficienza per gruppi statici di continuita' (ups) e apparati derivati. - Google Patents

Description

"SISTEMA DI CONVERSIONE ELETTRICA E GESTIONE DELLA CONTINUITÀ AD ALTA EFFICIENZA PER GRUPPI STATICI DI CONTINUITÀ (UPS) E APPARATI DERIVATI"

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un dispositivo ed una tecnica di controllo particolarmente per gruppi statici di continuità o UPS (Uninterruptible Power Supply) . In particolare, il trovato verte su una nuova architettura hardware e software di un gruppo di continuità statico per la conversione dell'energia.

Un gruppo statico di continuità, qui di seguito indicato anche come "UPS", à ̈ una macchina elettrica con un ingresso in tensione alternata, (trifase o monofase) che produce un'uscita alternata (trifase o monofase) di stessa o diversa frequenza/ampiezza e atta ad assicurare un flusso di potenza continuo ad un carico d'uscita anche nel caso di mancanza temporanea della sorgente di tensione alternata in ingresso.

Parte integrante dell'architettura à ̈ un sistema di accumulo interno/esterno (solitamente parchi di batterie di tecnologia costruttiva disparata) che garantisce la continuità di fornitura della potenza sul carico per un tempo prestabilito nel caso di assenza della rete di ingresso. Un sistema di emergenza che bypassa completamente l'UPS (noto in letteratura come "Bypass Switch") connette il carico direttamente su una rete elettrica di ingresso ausiliaria nel caso di guasto o termine autonomia dell'UPS stesso.

In Figura 1 e Figura 2 vengono rappresentati i blocchi costituenti due esempi di UPS di tipo noto e che sfruttano principi operativi diversi per ottenere lo stesso risultato.

In Figura 1 à ̈ rappresentato un UPS 1000 comprendente un sistema di rettificazione AC/DC 1001 collegato in ingresso ad una sorgente AC 1002, ad esempio alla rete elettrica principale, con un numero di conduttori di potenza che può essere compreso tra due (sistemi monofase) e quattro (sistemi trifase con neutro) conduttori. Il sistema di rettificazione AC/DC 1001 à ̈ collegato in uscita ad un bus DC 1003 sul quale à ̈ posizionato un parco batterie ad alta tensione 1004 (i cui valori operativi sono solitamente compresi tra 500-900 Vdc) e capacità interne 1006.

Nell'esempio di figura 1, il sistema di rettificazione AC/DC 1001 effettua la doppia funzione di caricabatterie e di stabilizzatore della tensione del bus DC 1003 sulle capacità interne 1006.

Il bus DC 1003 à ̈ collegato all'ingresso di un sistema di inversione DC/AC 1005 che alimenta il carico di uscita 1007 posizionato dall'utente prelevando energia dalla batteria 1004 e/o dal sistema di capacità interne 1006 secondo la logica di funzionamento dell'UPS. Tale sistema di inversione DC/AC 1005 può essere isolato dal carico mediante un interruttore di potenza 1008 noto come "interruttore statico".

Nel caso di guasto di uno dei componenti interni dell 'UPS o di uscita dall'intervallo ammissibile della tensione della rete di ingresso 1002, per garantire la continuità di potenza sul carico viene chiuso un altro interruttore di potenza 1009 noto come "interruttore di bypass" per connettere il carico 1007 direttamente su una rete elettrica di emergenza 1010 che in alcune conf igurazioni di macchina può coincidere con la rete principale 1002.

In Figura 2 à ̈ rappresentato un altro UPS 1100 con parco batterie a media/bassa tensione 1104 (i cui valori operativi sono solitamente compresi tra 100-500 Vdc per la versione a media tensione e tra 12V-100V per la versione a bassa tensione) posizionate esternamente al bus DC 1103 interposto tra il sistema di rettificazione AC/DC 1101 e il sistema di inversione DC/AC 1105. In questa versione dell 'UPS 1100 sono presenti tutti gli elementi della realizzazione di Figura 1, in particolare il sistema di capacità interne 1006, il carico 1007, l'interruttore statico 1008, l'interruttore di bypass 1009, la rete di emergenza 1010. A questi componenti si aggiunge un caricabatterie reversibile (1107) che consente di interfacciare la batteria 1104 con il bus DC 1103. La funzione di tale sottosis tema à ̈ quella di ricaricare la batteria 1104 in presenza della rete principale 1002 e di rifornire il bus DC 1103 in caso di guasto di uno dei componenti interni dell' UPS 1100 o di uscita dall'intervallo ammissibile della tensione della rete di ingresso 1002 .

I modi operativi che sono solitamente presenti in un UPS (implementati con logiche più o meno complesse) sono i seguenti:

- Modalità On-Line: in questa modalità, il parco batteria non fornisce energia al carico ma la assorbe perché à ̈ messa in fase di ricarica/mantenimento. Il carico 1007 viene sostenuto dal sistema a doppia conversione AC/DC DC/AC, l'interruttore di bypass 1009 à ̈ aperto e l'interruttore statico 1008 à ̈ chiuso;

- Modalità Off-Line: in questa modalità, il sistema viene alimentato dalla rete di bypass 1010 in modo diretto ed il parco batterie à ̈ posizionato in condizione di ricarica/mantenimento. Nel momento in cui la rete di bypass 1010 sparisce o esce da condizioni di tolleranza operativa, il sistema a doppia conversione AC/DC DC/AC si avvia ed alimenta il carico 1007 mentre l'interruttore di bypass 1009 viene aperto

Modalità Alta-Efficienza (Eco-Mode) : si tratta di serie di varianti delle modalità precedenti, nelle quali l'elemento da privilegiare à ̈ l'efficienza di trasferimento della potenza dalla rete di ingresso 1002 verso il carico di uscita 1007 .

Da un punto di vista di soluzioni topologiche, le strategie adottate per realizzare i blocchi di potenza sono le più disparate. In particolare, si possono distinguere le seguenti categorie :

- Switch Elettronici: i dispositivi di bypass della potenza sul carico sono realizzati con dispositivi attivi di potenza per minimizzare i ritardi di intervento nel passaggio tra i vari stati delle modalità operative;

- Switch Meccanici: i dispositivi di bypass della potenza sul carico sono realizzati con dispositivi passivi di tipo elettro-meccanico per minimizzare le perdite elettriche;

- Sistemi Uni/Bidirezionali: il flusso della potenza nei dispositivi 1001, 1101, 1005, e 1105 può essere monodirezionale (da ingresso verso uscita ma non viceversa) o bidirezionale (da ingresso verso uscita e viceversa). Il flusso della potenza nei dispositivi 1107, 1008 e 1009 à ̈ invece bidirezionale. Tra i vantaggi principali della bidirezionali tà figurano l'alta reazione dinamica del sistema e la versatilità; tra gli svantaggi principali figurano il costo, la minore affidabilità e un generalizzato abbassamento dell'efficienza di conversione;

- Sistemi Singolo/Multi -livello : la struttura topologica dei dispositivi 1001, 1101, 1005, 1105, 1107 può presentare sistemi a due livelli di tensione o complessi sistemi a più livelli di tensione. Tra i vantaggi principali del multilivello figurano il basso contenuto armonico di uscita della tensione e della corrente negli induttori e l'aumento dell'efficienza di conversione; tra gli svantaggi figurano la grossa complessità circuitale, il costo maggiore in termini di componenti e una maggiore probabilità di guasto .

Un inconveniente legato agli UPS che costituiscono lo stato dell'arte à ̈ l'efficienza elettrica di conversione che à ̈ difficilmente migliorabile se non con un incremento della complessità e dei costi.

Un altro inconveniente riguarda il degrado del parco batterie, dovuto a varie cause tra le quali le strategie di connessione/disconnessione dello stesso e i ripple di tensione sul bus 1003 e 1103 .

Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota, escogitando un dispositivo e un procedimento particolarmente per gruppi statici di continuità che presenti un'elevata efficienza elettrica di conversione ma con una complessità topologica contenuta .

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato à ̈ la prevenzione di fenomeni degradativi sul parco batterie.

Un altro scopo del trovato à ̈ migliorare il contenuto armonico della corrente e della tensione di uscita sul carico.

Inoltre, uno scopo del trovato à ̈ consentire una gestione intelligente della connessione e disconnessione della batteria sul bus DC.

Non ultimo scopo del trovato à ̈ quello di realizzare un dispositivo ed un metodo particolarmente per gruppi statici di continuità che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione e a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un dispositivo, da un UPS, da un inverter e da un procedimento secondo le rivendicazioni indipendenti .

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, del dispositivo e del procedimento secondo il trovato , illustrate, a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:

la Figura 1 Ã ̈ lo schema di un UPS di tipo noto con caricabatterie integrato;

la Figura 2 Ã ̈ lo schema di un altro UPS di tipo noto con caricabatterie separato;

la Figura 3 Ã ̈ lo schema di un UPS con caricabatterie integrato e con un dispositivo di connessione/disconnessione secondo il trovato;

la Figura 4 Ã ̈ lo schema del dispositivo di connessione/disconnessione utilizzato in figura 3;

la Figura 5 à ̈ l'andamento del ripple medio di tensione sulla capacità di bus a seguito di differenti strategie di pilotaggio dell'interruttore 2 di Figura 4;

la Figura 6 riporta una tabella di costanti operative esemplificative dell'algoritmo di controllo del presente trovato;

la Figura 7 riporta la macchina a stati del sistema di controllo dell 'UPS di Figura 3 e del relativo dispositivo di Figura 4;

la Figura 8 riporta esempi di condizioni elettriche che devono verificarsi all'interno del sistema UPS di Figura 3 per poter dichiarare settato un certo insieme di flag utilizzati nel diagramma a stati di Figura 7 assieme alle costanti esemplificative riportate in Figura 6;

la Figura 9 riporta l'efficienza elettrica di conversione totale (intesa come il rapporto filtrato tra le potenza elettriche dì tipo attivo fornite al carico 1007 e prelevate dalla rete elettrica primaria 1002) nella modalità On-Line doppia conversione al variare di alcuni parametri operativi dell 'UPS;

la Figura 10 esemplifica in alcuni punti operativi la Figura 9 al fine di illustrare il beneficio in termini di efficienza elettrica scopo del presente trovato;

la Figura 11 Ã ̈ lo schema di un UPS con caricabatterie separato e con un dispositivo di connessione/disconnessione secondo il trovato.

Con riferimento alle figure citate, un dispositivo secondo una prima forma di realizzazione del trovato, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, à ̈ applicato m parallelo sul bus DC 103 di un UPS 100 del tipo di Figura 1, ovvero comprendente un sistema dì rettificazione AC/DC 101 collegato in ingresso ad una sorgente AC 1002 , ad esempio alla rete elettrica principale, con un numero di conduttori di potenza che può essere compreso tra due conduttori (sistema monofase) e quattro conduttori (sistema trifase con neutro).

Il sistema di rettificazione AC/DC 101 effettua la funzione di caricabatterie e dì stabilizzatore della tensione del bus DC 103 sulle capacità interne del dispositivo 1.

Il bus DC 103 à ̈ collegato all'ingresso di un sistema di inversione DC/AC 105 che alimenta il carico di uscita 1007 prelevando energia dalle batterie e/o capacità interne del dispositivo 1. Il sistema di inversione DC/AC 105 può essere isolato dal carico mediante un interruttore statico 1008.

È inoltre presente un interruttore di bypass 1009 per connettere, nel caso di guasto di uno dei componenti interni dell'UPS 100 o di uscita dall'intervallo ammissibile della tensione della rete di ingresso 1002, il carico 1007 direttamente su una rete elettrica di emergenza 1010, che può eventualmente coincidere con la rete principale 1002 .

Il dispositivo 1 secondo il trovato presenta due semi-banchi di batterie di stessi dati di targa, 4a e 4b, preferibilmente ad alta tensione (500-900 Vdc), la cui serie costituisce la batteria dell' UPS 100. Ciascuna batteria 4a e 4b può essere eventualmente costituita da un gruppo di batterie, disposte in serie oppure in parallelo tra loro. Nella forma di realizzazione qui descritta si considererà il caso in cui i due semi-banchi di batteria siano composti ciascuno da una sola batteria, 4a e 4b.

Entrambe le batterie 4a e 4b possono essere eventualmente riferite ad un nodo comune P equipotenziale al conduttore di neutro N della rete di ingresso 1002, mediante un interruttore bidirezionale 2 che collega il nodo P al nodo F di connessione reciproca delle due batterìe 4a e 4b .

Il bus DC 103 Ã ̈ tamponato da un opportuno banco di condensatori aventi stessi dati di targa 6a, 6b, ciascuno disposto in parallelo alla serie tra la rispettiva batteria 4a/4b ed un rispettivo gruppo di connessione/disconnessione 3a/3b, descritto in seguito. Questi condensatori 6a, 6b possono essere eventualmente separati rispetto al dispositivo 1 e previsti sul bus DC 103 in uscita al sistema di rettificazione 101, a condizione che il loro punto di collegamento reciproco F sia collegato al punto di collegamento reciproco delle batterie 4a e 4b come mostrato in Figura 4.

Ciascuna batteria 4a e 4b à ̈ collegata ad un rispettivo ramo del bus 103 mediante il rispettivo gruppo di connessione/disconnessione 3a, 3b comprendente ciascuno due interruttori monodirezionali 31a, 32a, 31b, 32b, che sono collegati tra loro in parallelo e disposti in modo da condurre corrente in direzioni reciprocamente opposte .

In particolare, con riferimento alla prima batteria 4a, qui chiamata anche semi-banco positivo, il primo gruppo di connessione/disconnessione 3a comprende un primo interruttore 31a di tipo attivo o dotato di un terminale di gate per il relativo controllo ed un secondo interruttore 32a, ad esempio un dispositivo monodirezionale non controllato. In particolare, il primo interruttore 31a può essere un interruttore elettronico controllabile in tensione, ad esempio un tiristore, mentre il secondo interruttore 32a può essere un diodo passivo.

Nella forma di realizzazione preferita dell'invenzione illustrata nelle figure, il primo interruttore 31a à ̈ un SCR ( "semiconductorcontrolled rectifier") con l'anodo sul polo positivo della batteria 4a, con il catodo sul polo positivo del bus DC 103 e con il gate collegato ad un sistema di controllo adatto ad azionare il dispositivo 1 e l'UPS 100 con il procedimento secondo il trovato.

Il diodo 32a à ̈ collegato in parallelo all'SCR 31a ma con l'anodo sul polo positivo del bus DC e il catodo sul polo positivo della batteria 4a, in modo da condurre corrente nella direzione opposta rispetto a quella dell'SCR 31a.

Per quanto riguarda il semi-banco negativo, il secondo gruppo di connessione/disconnessione 3b à ̈ connesso tra il polo negativo della batteria 4b e il polo negativo del bus DC 103 e presenta interruttori 31b, 32b uguali a quelli del primo gruppo di connessione/disconnessione 3a.

Ad esempio, come illustrato nelle figure, Ã ̈ presente un SCR 31b con anodo sul polo negativo del bus DC 103 e catodo sul polo negativo della batteria 4b e un diodo passivo 32b con catodo sul polo negativo del bus DC 103 e anodo sul polo negativo della batteria 4b.

La funzione del primo interruttore 31a, 31b à ̈ quella di connettere/disconnettere in potenza i semi -banchi della batteria in modo dinamico durante la fase di scarica. Essendo un interruttore monodirezionale, non influenza la fase di carica della batteria ma solo la fase di scarica. Il fatto di poter essere controllato in tensione mediante un apposito sistema di controllo esterno consente di implementare procedure di connessione e disconnessione dinamica adatte ad allungare la vita delle batterie 4a e 4b, ad isolarle in caso di guasto e ad aumentare l'efficienza di conversione del sistema.

La funzione del secondo interruttore o dispositivo monodirezionale non controllato 32a, 32b à ̈ quella di connettere staticamente il bus DC 103 al semi -banco per permetterne la fase di ricarica. Essendo un dispositivo monodirezionale, non influenza la fase di scarica ma soltanto la fase di carica. La presenza di questo componente permette ad un caricabatterie, implementato dal sistema di rettificazione AC/DC 101 o da un circuito dedicato, di variare la tensione del bus DC 103 in modo dinamico a beneficio della gestione delle batterie e dell'efficienza elettrica.

L'interruttore bidirezionale 2 connesso tra il nodo F di collegamento reciproco delle due batterie 4a e 4b e il punto di riferimento comune P può essere, ad esempio, ad SCR oppure può essere un interruttore elettro-meccanico passivo bidirezionale .

La funzione dell'interruttore 2 Ã ̈ quella di isolare il punto di riferimento P rispetto ai semibanchi . Questo consente di gestire il ripple di tensione sui semi -banchi 4a e 4b in modo intelligente e di aumentare notevolmente la vita delle batterie.

La giustificazione teorica e pratica dell'inserimento dell'interruttore bidirezionale 2 Ã ̈ la variazione del ripple di tensione sui capi dei singoli semi -banchi 4a e 4b.

Quando l'interruttore 2 à ̈ chiuso, ogni singolo semi -banco à ̈ riferito al punto P che à ̈ il punto di riferimento rispetto al quale il caricabatterie (il sistema di rettificazione AC/DC 101 oppure un caricabatterie esterno come quello indicato con 1107 in Figura 11) effettua il processo di ricarica e al neutro del carico 1007 in uscita. Il fatto di essere riferito, comporta la presenza di un ripple di tensione sulla batteria che ha un andamento 201 rappresentato in Figura 5.

Quando l'interruttore 2 à ̈ aperto, il punto comune F di ogni semi-banco à ̈ isolato dal punto di neutro P ma, da un punto di vista dinamico, la tensione che presenta à ̈ in media ancora coincidente con quella del punto P. Quest 'ultima proprietà consente ancora il funzionamento delle leggi di controllo della regolazione di potenza di ingresso effettuata dal caricabatterie . La dimostrazione di questa proprietà deriva dalla teoria di base dei sistemi elettrici: ad esempio, se si considera un sistema di ingresso trifase bilanciato si dimostra che la tensione tra la sorgente di ingresso 1002 e il nodo F presenta una componente media nulla ed una componente ad una frequenza tripla di quella della rete 1002 (componente di terza armonica) che non interviene nel flusso di potenza attiva. Di converso, il ripple di tensione che ciascun semibanco 4a e 4b sente à ̈ notevolmente inferiore al caso in cui il punto P sia in cortocircuito con il nodo F, ad esempio con l'andamento 202 illustrato in Figura 5. Un minor ripple di tensione (e quindi di corrente) si traduce in una minore sollecitazione elettro-chimica degli elementi della batteria e quindi in un allungamento della sua vita e nella diminuzione della probabilità di guasto. L'interruttore 2 può essere pilotato secondo varie strategie.

Secondo una prima strategia, l'interruttore 2 può essere pilotato seguendo la logica del carico di uscita 1007 del sistema di inversione DC/AC 105.

In particolare, se la potenza richiesta dal carico 1007 ed erogata dal sistema di inversione DC/AC 105 à ̈ inferiore ad una certa soglia del carico percentuale (ad esempio, il 30% della potenza nominale), l'interruttore 2 viene mantenuto chiuso. In tale condizione il ripple di corrente che si sviluppa sulle capacità 6a e 6b e, quindi, sulle batterie 4a e 4b à ̈ contenuto.

Se, invece, la potenza richiesta dal carico 1007 ed erogata dal sistema di inversione DC/AC 105 à ̈ superiore ad una certa soglia del carico percentuale (ad esempio, il 30% della potenza nominale), l'interruttore 2 viene mantenuto aperto. In tale condizione il ripple di corrente che si sviluppa sulle capacità 6a e 6b e, quindi, sulle batterie 4a e 4b sarebbe elevato se l'interruttore fosse chiuso per cui si beneficiano dei vantaggi spiegati in precedenza.

Secondo un'altra strategia, l'interruttore 2 può essere pilotato seguendo la logica della ricarica di batteria nella modalità Off-Line, ovvero nella modalità in cui il carico 1007 viene mantenuto dalla rete di emergenza 1010 e il sistema di conversione DC/AC 105 à ̈ mantenuto spento oppure acceso a carico nullo. L'eventuale caricabatterie 1107 o il sistema di rettificazione AC/DC 101 sono invece mantenuti accesi per ricaricare o tenere in una condizione di tampone il parco batterie.

In questa seconda strategia di pilotaggio dell'interruttore 2, la logica che si segue à ̈ la seguente .

Se la potenza erogata dal sistema di raddrizzamento AC/DC 101 o dall'eventuale caricabatterie 1107 à ̈ elevata perché la batteria à ̈ in fase di ricarica, l'interruttore 2 viene mantenuto aperto. In tale condizione il ripple di corrente che si sviluppa sulle capacità 6a e 6b e, quindi, sulle batterie 4a e 4b sarebbe elevato perché la corrente di ricarica à ̈ elevata. Mantenere l'interruttore 2 aperto, invece, mitiga il problema senza compromettere il processo di ricarica.

Se, invece, la potenza erogata dal sistema di rettificazione AC/DC 101 o dall'eventuale caricabatterie 1107 à ̈ bassa perché la batteria à ̈ in fase di mantenimento, l'interruttore 2 viene mantenuto chiuso. In tale condizione il ripple di corrente che si sviluppa sulle capacità 6a e 6b e, quindi, sulle batterie 4a e 4b à ̈ basso perché la corrente di ricarica/mantenimento à ̈ bassa.

In una seconda forma di realizzazione del trovato, illustrata in Figura 11, la funzione di caricabatterie à ̈ demandata ad un caricabatterie esterno 1107 di tipo reversibile, come quello di Figura 2. In questo caso, l'UPS comprende un sistema di rettificazione AC/DC 1101 senza funzioni dì caricabatteria, un sistema di inversione DC/AC 1105 e un bus DC 1103 che collega i due sistemi AC/ DC e DC/AC e che à ̈ tamponato da un opportuno banco dì condensatori 1006a e 1006b aventi gli stessi dati di targa. In ingresso e in uscita all'UPS di Figura 11 vi sono i medesimi elementi della prima forma di realizzazione di Figura 3.

Un dispositivo 11 secondo la seconda forma di realizzazione del trovato comprende un gruppo di connes /disconnessione per ciascuno di due semi-banchi di batterie 1104a e 1104b aventi stessi dati di targa, preferibilmente ad alta tensione (500-900 Vdc), la serie delle quali costituisce la batteria dell'UPS di Figura 11. Ciascuna batteria 1104a e 1104b può essere eventualmente costituita da un gruppo di batterie, disposte in serie oppure in parallelo tra loro. Nella seconda forma di realizzazione qui descritta si considererà il caso in cui i due semi-banchi di batterie siano composti ciascuno da una sola batteria, 1104a e 1104b.

Entrambe le batterie 1104a e 1104b possono essere eventualmente riferite ad un nodo comune equipotenziale al conduttore di neutro N della rete di ingresso 1002, mediante un interruttore bidirezionale (non mostrato in figura) che collega il nodo comune al nodo F di connessione reciproca delle due batterie 1104a e 1104b.

I condensatori 1006a, 1006b possono essere inclusi nel dispositivo 11, oppure possono essere separati rispetto al dispositivo 11 e previsti sul bus DC 1103 in uscita al sistema di rettificazione 1101. In entrambi i casi, il punto di collegamento reciproco dei condensatori 1006a, 1006b à ̈ reso equipotenziale al punto di collegamento reciproco delle batterie 1104a e 1104b, come mostrato in Figura 11.

Ciascuna batteria 1104a e 1104b à ̈ collegata ad un rispettivo ramo del bus 103 mediante il rispettivo gruppo di connessione/disconnessione, con l'interposizione del caricabatterie reversibile 1107, anch'esso riferito allo stesso potenziale del punto di collegamento reciproco delle batterie 1104a e 1104b. Ciascun gruppo di connessione/disconnessione à ̈ strutturalmente identico a quello della prima forma di realizzazione, ovvero comprende due interruttori monodirezionali 31a, 32a, 31b, 32b, che sono collegati tra loro in parallelo e disposti in modo da condurre corrente in direzioni reciprocamente opposte .

Come nella prima forma di realizzazione, il primo interruttore 31a à ̈ di tipo attivo o dotato di un terminale di gate per il relativo controllo in tensione o in corrente, ad esempio un tiristore o un SCR, mentre il secondo interruttore 32a à ̈ un dispositivo monodirezionale non controllato quale un diodo passivo.

Nel particolare caso in cui viene utilizzato un SCR come primo interruttore 31a, il relativo anodo à ̈ collegato al polo positivo della batteria 1104a mediante il caricabatterie 1107 e ha il catodo sul polo positivo del bus DC 1103 e con il gate collegato ad un sistema di controllo adatto ad azionare il dispositivo 11 e l'UPS di Figura 11 mediante il procedimento secondo il trovato.

Il diodo 32a à ̈ collegato in parallelo all'SCR 3la ma con l'anodo sul polo positivo del bus DC 1103 e il catodo collegato al polo positivo della batteria 1104a mediante il caricabatteria 1107, in modo da condurre corrente nella direzione opposta rispetto a quella dell'SCR 31a.

Per quanto riguarda il semi-banco negativo, il secondo gruppo di connessione/disconnessione à ̈ connesso tra il polo negativo della batteria 1104b, mediante il caricabatterie 1107, e il polo negativo del bus DC 1103 e presenta interruttori 31b, 32b uguali a quelli del primo gruppo di connessione/disconnessione .

Ad esempio, come illustrato nelle figure, à ̈ presente un SCR 31b con anodo sul polo negativo del bus DC 1103 e catodo collegato al polo negativo della batteria 1104b mediante il caricabatterie 1107, ed à ̈ presente un diodo passivo 32b con catodo sul polo negativo del bus DC 1103 e anodo collegato al polo negativo della batteria 1104b.

I primi interruttori 31a, 31b dei gruppi di connessione/disconnessione di entrambe le forme di realizzazione di Figura 3 e 11 possono essere utilizzati in una forma particolarmente vantaggiosa per espletare le funzioni di gestione del processo di carica della batteria, di gestione del passaggio di modalità operative (On-Line, Off-Line, Eco-Mode) e di dìsconnessione della batteria in caso di guasto, ricorrendo ad un sistema di controllo, realizzabile circuitalmente in modo agevole da un tecnico del ramo e che à ̈ caratterizzato dal fatto di implementare una macchina a stati ed un procedimento secondo il trovato per espletare le suddette funzioni.

Tali funzioni conducono ad una preservazione della vita della batteria nonché ad un aumento della efficienza elettrica complessiva dell'UPS come verrà illustrato nel prosieguo.

Il sistema di controllo à ̈ adatto a comandare almeno i primi interruttori 31a, 31b del dispositivo (1 o 11) per connetterlo al o disconnetterlo dal bus DC, a rilevare la tensione sul bus DC e ad impostare tensioni di set-point del sistema di rettificazione AC/DC. Inoltre, il sistema di controllo à ̈ adatto a comandare l'attivazione e la disattivazione del sistema di rettificazione AC/DC, del sistema di inversione DC/ AC, nonché ad accendere e spegnere l'interruttore statico 1008, l'interruttore di bypass 1009 ed eventualmente l'interruttore 2, se presente.

Per la comprensione dello schema di controllo si consideri l'UPS di Figura 3 dove sono individuate alcune costanti operative riportate nella tabella di Figura 6 che verranno usate, senza restrizione di generalità, per illustrare le modalità operative del presente trovato.

Le stesse considerazioni sul funzionamento che seguono varranno anche per il controllo dell 'UPS secondo la seconda forma di realizzazione di Figura 11.

La gestione dei primi e dei secondi interruttori 31a, 31b, 32a, 32b in combinazione con gli elementi 101, 105, 1008 e 1009 segue il diagramma a stati riportato in Figura 7 dove sono riportate le modalità operative secondo il trovato.

Per semplicità si descriverà il funzionamento della macchina a stati solo per il semi -banco positivo della batteria 4a e per il semi -banco positivo 6a del bus DC 103: le condizioni devono considerarsi replicate e valide anche per i semibanchi negativi 4b e 6b.

Prima di procedere, si premette che con "galvanicamente disconnesso" sì intenderà un componente del circuito elettrico i cui nodi terminali di ingresso e/o uscita non risultano fisicamente connessi ad altri terminali di altri elementi del circuito di cui fa parte, mentre con "elettricamente disconnesso" sì intenderà un componente del circuito elettrico i cui nodi terminali sono entrambi connessi ad altri nodi del circuito di cui fa parte ma che non à ̈ interessato da scambi di cariche elettriche, ovvero di correnti elettriche, con altri componenti del circuito.

Con riferimento alla Figura 7, considerando il sistema inizialmente nello stato "Stand-By" 701, il primo interruttore 3la à ̈ aperto ( "3la_ON=0 ") e il sistema di rettificazione 101 à ̈ avviato ( "101_ON=1") ed impostato per produrre una tensione sul bus DC 103 ("tensione di bulk" o V_BULK) pari a "RECT_LOW_VOLT" , ovvero ad un predeterminato valore di set-point di tensione bassa dell'AC/DC, di valore inferiore, preferibilmente del 5%-10%, alla tensione nominale ( "BATT_NOM_ZERO") della serie delle batterie 4a+4b in stato di piena carica e a potenza zero. Il sistema di inversione DC/AC 105 à ̈ avviato (105_ON=1) e fornisce potenza al carico 1007, essendo l'interruttore statico 1008 chiuso ( "1008_ON=1") e l'interruttore di bypass 1009 aperto ( "1009_ON=0").

Poiché la tensione RECT_LOW_VOLT risulta essere minore della tensione nominale a zero potenza della batteria carica (<">BATT_NOM_ZERO<">), il diodo 32a à ̈ interdetto. Poiché il primo interruttore 3 la à ̈ mantenuto aperto e proviene dallo stato di carica o "Charge" 702 descritto qui di seguito, il primo interruttore 31a à ̈ interdetto: il risultato à ̈ che, in questo stato, la batteria 4a à ̈ elettricamente disconnessa dal bus DC 103 dell 'UPS 100, poiché non à ̈ interessata da passaggio di corrente.

Il carico 1007 viene sostenuto dal sistema a doppia conversione AC/DC DC/AC 101 e 105, in quanto anche l'interruttore di bypass 1009 à ̈ in posizione aperta e l'interruttore statico 1008 à ̈ chiuso. Questo à ̈ lo stato operativo nel quale l'UPS 100 si trova ad operare normalmente nella modalità On-line doppia conversione e passa la maggior parte del tempo in questo stato.

Il fatto che la batteria 4a sia elettricamente disconnessa dal bus DC 103 ha il vantaggio di preservarla e di allungarne la vita rispetto a sistemi che, pur non scaricandola/mantenendola, la tengono ancora connessa elettricamente al bus DC.

L'ulteriore vantaggio di questa gestione risiede anche nel miglioramento dell'efficienza elettrica della macchina, come verrà descritto più avanti .

Da tale stato di stand-by 701 sono possibili diverse migrazioni. Nel caso si osservi un abbassamento della tensione del bus DC 103 al di sotto di una prima soglia di tensione "SLOW_BULK_VOLT" in un predeterminato tempo di osservazione lungo (indicativamente compreso tra 1 secondo e 10 secondi) oppure al di sotto di una seconda soglia di tensione "FAST_BULK_VOLT<">in un predeterminato tempo di osservazione breve (indicativamente compreso tra 0.001 secondi e 0.5 secondi) , si passa nello stato di attesa o "Wait" 703. L'abbassamento della tensione di bulk può avvenire per diversi motivi, quali la mancanza della rete di ingresso 1002 che alimenta il sistema di rettifreazione AC/DC 101, il guasto di una o più circuiterie di quest'ultimo, l'auto-scarica della batteria 4a, o qualsiasi altro fenomeno che determini perdita di carica nella capacità 6a.

Nello stato di Wait 703, l'unica variazione rispetto allo stato di "Stand-By" 701 à ̈ la chiusura del primo interruttore 31a del dispositivo 1. Non avendo alterato il set-point di tensione dell 'AC/DC, il primo interruttore 31a entra in conduzione e la batteria 4a viene in questo modo elettricamente connessa al bus DC 103 in modalità di scarica e porta il bus DC 103 alla tensione "BATT_NOM_ZERO" . In questa fase, il carico 1007 viene alimentato sia dal sistema a Doppia Conversione AC/DC DC/AC 101 e 105 che dalla batteria 4a.

Dopo un predeterminato tempo "TIME_WAIT" di attesa nello stato 703, si passa nello stato di scarica o "Discharge" 704. In tale stato, non si hanno modifiche dello stato operativo dei componenti 31a, 101, 105, 1008 e 1009 e il setpoint del sistema di rettificazione AC/DC 101 viene portato al valore di tensione di mantenimento della batteria 4a "BATT_FLOAT" , il quale ha valore superiore, preferibilmente del 5%-10%, alla tensione nominale (BATT_N0M_ZER0) della serie delle batterie 4a+4b in stato carico e a potenza zero. Questa azione ha come scopo quella di innescare il processo di carica delle batterie (se possibile) innalzando la tensione ai capi delle batterie 4a e 4b : la determinazione di ciò che succede deriva dal monitoraggio della corrente che entra nella batteria 4a (qui brevemente indicata con "I_BT") e della tensione del bus DC 103 (qui indicata con "V_BT" ) e che coincide in questa fase con la tensione delle batterie 4a e 4b, essendo chiusi i primi interruttori 3la e 31b.

Per il monitoraggio della corrente à ̈ utile definire flag di tipo booleano, ovvero che assumono valore "TRUE" se le condizioni sono verificate o "FALSE" se non sono verificate, come quelli indicati in Figura 8. In particolare, si permane nello stato "Discharge" 704 fino a quando i flag "BATT_IN_CARICA" O "BATT_IN_TAMPONE" non assumono il valore "TRUE".

In particolare, il flag "BATT_IN_CARICA" viene impostato a "TRUE" quando I_BT diventa maggiore della corrente di fine ricarica della batteria 4a (I_BATT_IN_CHARGE ).

Il flag "BATT_IN_TAMPONE" viene impostato a "TRUE" quando I_BT diventa maggiore o uguale alla corrente di fine scarica della batteria 4a (I_BATT_IN_DI SCHARGE), minore o uguale alla corrente di fine ricarica della batteria 4a e V_BT maggiore o uguale ad un predeterminato valore di tensione di poco inferiore a BATT_FLOAT, ad esempio minore di lOVdc come indicato in Figura 8: al verificarsi di tali condizioni su BATT_IN_CARICA o su BATT_IN_TAMPONE , si migra nello stato di carica o "Charge" 702.

Eventualmente, prima di settare il valore dei flag a "TRUE" Ã ̈ possibile settare un tempo di timeout durante il quale la condizione rilevata persiste .

Nello stato di "Charge" 702 la batteria 4a viene sottoposta al processo di carica, controllandone la tensione ai capi. Dato che la batteria non deve essere scaricata, il primo interruttore 31a viene aperto e, per realizzarne l'interdizione (cioà ̈ l'annullamento effettivo della corrente che lo attraversa), viene fissato il setpoint in tensione del sistema di raddrizzamento AC/ DC 101 al valore "BATT_FLOAT ". La batteria 4a avrà una tensione comunque compresa tra la sua tensione di fine scarica "BATT_END_DISCHARGE" e la tensione di mantenimento "BATT_FLOAT" per cui il primo interruttore 31a risulterà polarizzato in inversa e si aprirà effettivamente. Il diodo 32a entrerà in conduzione e, quindi, la batteria 4a potrà assorbire corrente dal bus DC 103 per effettuare la fase di ricarica.

L'UPS 100 permane nello stato di "Charge" 702 per un certo tempo fino a quando la batterìa 4a termina la fase di carica; a quel punto si migra nuovamente nello stato di "Stand-By" 701 dove la batteria ormai carica sarà disconnessa elettricamente (in carica e scarica) dal bus DC 103 .

Dallo stato di "Stand-By" 701 si passa nello stato "Test-eco" 705 se viene attivata una modalità qui denominata "ECO_MODE" : questo stato serve per testare la capacità di erogare carica da parte del parco batterie 4a e 4b prima di migrare in uno stato di modalità "risparmio". In questo stato, il sistema di rettificazione AC/DC 101 à ̈ avviato e il primo interruttore 3la à ̈ chiuso: quindi, la batteria 4a à ̈ connessa elettricamente in carica e scarica al bus DC 103.

Il sistema di inversione DC/AC 105 Ã ̈ avviato ma non rifornisce il carico 1007 in quanto l'interruttore statico 1008 Ã ̈ aperto. Il carico 1007 viene sostenuto direttamente dalla rete elettrica di emergenza 1010 in quanto l'interruttore di bypass 1009 Ã ̈ chiuso.

In questa fase 705, il set-point della tensione del sistema di rettificazione AC/DC 101 à ̈ ancora quello basso (RECT_LOW_VOLT" ): la chiusura del primo interruttore 31a connette la batteria 4a al bus DC 103 e, se la batteria 4a ha ancora autonomia, essa forza la tensione del bus DC ad un valore tendente alla tensione nominale a zero potenza con batteria carica ( "BATT_NOM_ZERO") attraverso il primo interruttore 31a. Se invece la batteria 4a non ha autonomia, la sua tensione sarà prossima a quella di fine scarica ( "BATT_END_DISCHARGE") e verrà ricaricata attraverso il secondo interruttore 32a dal sistema di rettificazione AC/DC 101. Si migra nello stato di risparmio 706 ( "Eco-mode") solo se si osserva che la tensione del bus DC 103 à ̈ maggiore di un certo valore rispetto al valore di set point attuale dell 'AC/DC RECT_L0W_V0LT" , ad indicare batteria con capacità di carica o batteria ricaricata .

Nello stato di "Eco-mode" 706 si ottimizza l'efficienza elettrica dell 'UPS 100 in modalità Off-Line e si garantisce la massima reattività al ripristino della modalità On-Line Doppia Conversione nel caso di guasto o uscita dall'intervallo delle tensioni ammissibili della rete di bypass 1010.

Sia il sistema di rettificazione AC/DC 101 che il sistema di inversione DC/AC 105 vengono fermati mentre si mantiene il primo interruttore 31a chiuso e la batteria 4a connessa al bus DC 103 (batteria che sostanzialmente non viene né caricata né scaricata) ed il carico 1007 à ̈ rifornito dalla rete di emergenza 1010 attraverso l'interruttore di bypass 1009.

Nel momento in cui viene rilevata, attraverso un monitoraggio di ampiezza e frequenza della rete elettrica, una uscita dalla tolleranza della rete di emergenza 1010 che sta alimentando il carico 1007, si passa immediatamente nello stato di "Wait" 703 riavviando i sistemi AC/DC 101 e DC/AC 105 e commutando da linea con la contemporanea apertura dell'interruttore di bypass 1009 e la chiusura dell'interruttore statico 1008.

Come à ̈ stato accennato, l'introduzione degli interruttori monodirezionali 31a, 31b, 32a e 32b può essere sfruttato per avere un innalzamento notevole dell'efficienza elettrica della macchina.

Per comprendere appieno l'innovazione presentata occorre considerare come gli elementi 101, 1107, 105, 1008 e 1009 sono solitamente realizzati nello stato dell'arte attuale.

Gli interruttori 1008 e 1009 sono realizzati con tecnologia elettronica per minimizzare il tempo di inserimento/disconnessione con l'impiego di diodi SCR. Tali componenti hanno principalmente perdite di conduzione che dipendono dalla corrente diretta e componenti di commutazioni alla frequenza della rete 1002 trascurabile.

I sistemi AC/DC 101, caricabatterie 1107 e DC/AC 105 sono realizzati con tecnologia ad IGBT o MOSFET secondo topologie disparate e pilotati secondo tecniche di modulazione a larghezza di impulsi (PWM). Tali sottosistemi sono affetti da diversi tipi di perdite dovute alle caratteristiche tecnologiche e costruttive dei componenti. Si distinguono in particolare:

- perdite di conduzione IGBT, che dipendono dalla corrente diretta che scorre nel componente; - perdite di conduzione diodi, che dipendono dalla corrente diretta che scorre nei diodi che consentono ricircolo della potenza verso la parte DC dell'UPS;

- perdite di commutazione IGBT, che dipendono dalla frequenza di commutazione del PWM in maniera proporzionale , dalla tensione DC ai capi del componente al momento della commutazione On->Off e Off->on e dalle caratteristiche costruttive del componente IGBT;

- perdite di recovery diodi, che dipendono dalla frequenza di commutazione del PWM in maniera proporzionale, dalla tensione DC ai capi del componente al momento della commutazione on->Off e off->0n e dalle caratteristiche costruttive dei componenti IGBT e diodi secondo il fenomeno della "Recovery Charge" noto in letteratura;

perdite di induttore: per limitare la corrente in ingresso dalla rete 1002 o di uscita verso il carico 1007, vengono aggiunti degli induttori di potenza tra la rete elettrica/carico e la parte a semi-conduttori, i quali induttori sono affetti da perdite nell'avvolgimento in rame, perdite di isteresi e correnti parassite nel nucleo ferromagnetico. A parità di caratteristiche costruttive, le perdite nel rame dipendono dalla corrente e le perdite nel ferro dalla quantità di ripple di corrente presente nell'induttore.

La corrente di ingresso/uscita non può essere variata perché à ̈ imposta dalla taglia di potenza della macchina e dai valori nominali della rete elettrica 1002 e dei valori nominali da generare sul carico 1107. Quindi, a parità di componenti e loro caratteristiche, tutte le perdite di conduzione descritte non sono ottimizzabili in maniera apprezzabile.

Le perdite di switching possono, invece, essere ridotte significativamente, a parità di componenti e loro caratteristiche, abbassando la tensione alla quale gli interruttori IGBT/MOSFET commutano: tale tensione non à ̈ altro che la tensione di bulk (ovvero la tensione DC in uscita dal sistema di rettificazione AC/DC) o, nel caso dell 'invenzione, di semi-bulk, la quale à ̈ un parametro variabile dinamicamente grazie all'impiego del sistema di rettificazione AC/DC 101 o del caricabatterie 1107 ed à ̈ controllabile secondo una logica complessa a piacere.

L'innalzamento dell'efficienza di macchina può essere ottenuto portando la tensione di bulk in uscita dal sistema di raddrizzamento AC/DC 101 o dal caricabatterie 1107 ad un valore relativamente basso, in particolare al valore "RECT_LOW_VOLT" , che può essere indicativamente compreso tra il 90% e il 95% della tensione nominale ( "BATT_NOM_ZERO") della serie delle batterie 4a+4b (o 1104a+1104b) in stato di piena carica e a potenza zero.

Tale valore deve essere più basso della tensione "BATT_NOM_ZERO" della batteria 4a in modo da inibirne la ricarica e richiede che la batteria 4a sia disconnessa in scarica dal bus DC 103 con lo spegnimento del primo interruttore 31a. In questo modo, non si ha nessun conflitto tra la necessità di allungare la vita operativa della batteria 4a tenendola disconnessa elettricamente dal bus DC 103 dell' UPS 100, garantire la piena autonomia ed alzare l'efficienza elettrica di trasferimento della macchina.

In Figura 9 viene rappresentato un confronto tra l'efficienza elettrica di conversione in modalità On-Line Doppia Conversione al variare del carico percentuale (da 0% a 100%) in funzione della tensione di bulk totale che il sistema di rettificazione AC/DC 101 o il caricabatterie 1107 impongono sul lato DC dell'UPS 100. Il confronto viene riportato per tre tensioni di bulk prossime a quelle di interesse che sono state definite nella Figura 6. Come si può rilevare, l'efficienza risulta elevata anche con carichi percentuali molto bassi .

Lo stato attuale dell'arte prevede che la batteria sia costantemente tenuta elettricamente connessa al bus DC e che il sistema di rettificazione AC/DC abbia la necessità di imporre una tensione pari almeno a "BATT_FLOAT" per evitare che la batteria intervenga in scarica al flusso di potenza quando non ce n'à ̈ bisogno e che sia, quindi, tenuta in condizioni di mantenimento.

La tecnica qui presentata, grazie all'impiego intelligente del primo interruttore monodirezionale 31a in combinazione con il sistema di rettificazione AC/DC 101 consente un guadagno di efficienza elettrica totale (a parità di componenti e topologia del sistema di rettificazione AC/DC 101 e, quindi, di costo) di circa 1'1% in corrispondenza del punto di massima efficienza al 75% della potenza nominale.

In Figura 10 vengono riportati i confronti tra una soluzione convenzionale stato dell'arte con bus DC 1003 tenuto a "BATT_FLOAT " e quella secondo il trovato, in cui il bus DC Ã ̈ regolato a ad una tensione "RECT_LOW_V0LT" .

La tabella di figura 10 ed i vantaggi del trovato risultano evidenti dalle seguenti considerazioni .

Innanzitutto, si ha una riduzione costo di esercizio non indifferente. A parità di profilo di carico sul carico 1007 dell'utente, un aumento di efficienza di conversione comporta un minor impiego di potenza (e quindi consumo di energia) dal lato rete elettrica di ingresso 1002. Questo si traduce in un minor costo di esercizio dell 'UPS 100. A titolo di esempio, una macchina da lOOkVA che integri le funzioni del presente trovato ed utilizzata con fattore di potenza pari a l e tenuta continuativamente al 75% del carico nominale in uscita (statisticamente il carico rappresentativo) consente un risparmio di circa 7400kWh/anno di energia consumata dalla rete 1002 rispetto alla stessa soluzione stato dell'arte.

Un ulteriore risparmio risiede nella minor energia (di solito di tipo elettrico) richiesta per il condizionamento dell'ambiente di installazione dell 'UPS e del suo parco batterie, poiché la maggiore efficienza elettrica dell 'UPS si traduce infatti in una minore emissione di calore da parte dell 'UPS stesso

Un altro vantaggio del trovato à ̈ la maggiore affidabilità dell' UPS. I semiconduttori normalmente utilizzati per la costruzione dei componenti 101, 105, 1107, 1008 e 1009 presentano un MTBF ("Medium Time Between Failure") decrescente con l'aumentare della tensione ai capi ai quali avviene la commutazione della tecnica di modulazione a larghezza di impulsi (PWM). Tenere la tensione di bulk bassa come nel presente trovato, ovvero a "RECT_LOW__VOLT" evita l'amplificarsi di fenomeni degenerativi noti in letteratura quali l'effetto dei raggi cosmici o la degradazione per capacità parassite dei componenti stessi, aumentando l'MTBF dell' UPS a parità di componenti e struttura di macchina .

Inoltre, contrariamente al trend di aumentare la complessità topologica dei sistemi di raddrizzamento AC/DC e dei caricabatterie per alzare l'efficienza elettrica, nel presente trovato si utilizza una soluzione semplice che consente una maggiore efficienza a parità dei componenti 101, 105, 1107, 1008 e 1009, lasciando sostanzialmente inalterato l'MTBF.

Nelle installazioni di sistema dove à ̈ richiesta ridondanza sul carico 1007, vengono solitamente posti due o più UPS le cui uscite sono connesse in parallelo. In un esempio di parallelo ridondante a due UPS 100 di potenza nominale lOOkVA in cui le condizioni di carico siano il 100% del carico nominale dell'installazione, i due UPS forniscono ciascuno il 50kVA di potenza al carico. Un aumento di efficienza ai bassi valori di potenza (nell'esempio di 50kVA) dovuto alle soluzioni del presente trovato se confrontato con l'efficienza che avrebbe un sistema non ridondato che dovesse fornire l'intera potenza al carico (i.e. lOOkVA), comporta un risparmio di energia consumata dalla rete elettrica principale 1002 di circa 7900kWh/annui , con l'ulteriore vantaggio della ridondanza sul carico stesso.

Un ulteriore elemento che si può impiegare per il miglioramento dell'efficienza elettrica (e quindi del costo di esercizio) dell'UPS 100 à ̈ la riduzione della frequenza di commutazione dei semiconduttori dei sistemi di rettificazione AC/DC 101 e di inversione DC/AC 105 nella modulazione con tecnica PWM.

In particolare, nel sistema di controllo la frequenza con la quale vengono aggiornate le variabili di attuazione dei dispositivi di potenza 101, 105 ed eventualmente 1107 Ã ̈ un multiplo intero o un sottomultiplo intero della frequenza di PWM. Tipicamente, gli algoritmi di controllo digitali sono eseguiti nella loro interezza una volta ad ogni ciclo di PWM (controllo real-time); le variabili di attuazione di tali controlli sono generalmente i duty-cycle di controllo degli IGBT/MOSFET/SCR.

È noto che la maggior parte delle tecniche lineari di controllo a ciclo chiuso attuate con una frequenza di controllo (FC) conducono ad ottenere bande passanti che al massimo possono raggiungere il valore FC/10 senza sacrificare oltre misura il margine di fase che non dovrebbe scendere sotto i 30° - 40°. Per ottenere performance dinamiche accettabili, in particolare nelle risposte ai transitori di carico, la banda passante a ciclo chiuso deve avere un valore sufficientemente alto: questa necessità à ̈ in contrasto con la richiesta di abbassare la frequenza di PWM per migliorare l'efficienza elettrica. Nell'UPS 100 secondo il trovato si possono allora utilizzare diverse tecniche di per sé note per far convivere le due esigenze .

Ad esempio, si può usare una frequenza FC che à ̈ un multiplo intero di della frequenza PWM, preferibilmente pari al doppio della frequenza PWM.

In alternativa, si possono utilizzare tecniche di controllo evolute, in cui i sistemi di controllo sono sintetizzati con l'ausilio di schemi di predizione, quali compensatori di ritardo finito, predittori di Smith, ecc. Oppure si può ricorrere a tecniche non lineari che consentono di superare il suddetto limite dì FC/10 fino ad avvicinarsi al limite teorico di Shannon di FC/2.

Eventualmente, si può ricorrere a schemi di controllo misto, dove parte della regolazione à ̈ fatta nel dominio digitale e parte à ̈ fatta nel dominio analogico. In questo modo si riesce a superare la limitazione imposta dai sistemi digitali, seppure con qualche svantaggio per quanto riguarda l'immunità al rumore.

La soluzione preferita utilizzabile nell 'UPS secondo il trovato à ̈ quella di impostare FC=2*FPWM, ovvero due aggiornamenti delle grandezze di controllo ad ogni ciclo di PWM, utilizzando le seguenti tecniche di tipo predittivo che aiutano l'allargamento della banda passante a parità di frequenza di PWM senza sacrificare il margine di fase : ;tecnica di compensazione del ritardo di campionamento della corrente dell' AC/DC: il ritardo di campionamento e l'attuazione del controllo digitale si può quantificare in 1/(2*FC) che rende il sistema un sistema con un ritardo finito puro. Tale ritardo à ̈ approssimabile secondo Padà ̈ con una rappresentazione polinomiale arrestata al primo ordine;

tecniche di feed- forward" per la predeterminazione del duty-cycle: sia nella regolazione del sistema di rettificazione AC/DC 101 che del sistema di inversione DC/AC 105 sono applicate tecniche che pre-calcolano il duty-cycle da applicare ai rispettivi ponti sulla base delle letture filtrate delle tensioni di ingresso dalla rete 1002, tensioni di semi-bulk sulle capacità 6a e 6b e tensione istantanea prodotta dall' UPS 100 sul carico 1007.

Il carico di uscita 1007 può presentare caratteristiche molto varie. Si possono, in particolare, avere carichi lineari o non lineari.

Nei carichi lineari l'impedenza, ossia il rapporto tra la tensione ai capi del carico e la corrente sul carico, à ̈ costante nel tempo o, in modo equivalente, nell'angolo di fase. I carichi lineari vengono poi classificati secondo il fattore di potenza (i.e. il coseno dell'angolo tra la prima armonica della tensione ai capi e la prima armonica della corrente) . Con fattore di potenza unitario si hanno carichi resistivi dove tutta la potenza apparente erogata dall 'UPS 100 à ̈ potenza attiva impiegata dal carico 1007. Con fattore di potenza non unitario positivo si hanno carichi dove parte della potenza apparente erogata dall'UPS 100 à ̈ potenza attiva e parte à ̈ potenza reattiva immagazzinata degli elementi reattivi del carico 1007 di tipo induttivo. Con fattore di potenza non unitario negativo si hanno carichi dove parte della potenza apparente erogata dall' UPS 100 à ̈ potenza attiva e parte à ̈ potenza reattiva immagazzinata degli elementi reattivi del carico 1007 di tipo capacitivo .

Nei carichi non lineari, l'impedenza non à ̈ costante nel tempo o, in modo equivalente, dipende dall'angolo di fase. Questi tipi di carico sono caratterizzati da un assorbimento di corrente non sinusoidale quando sono alimentati da una sinusoide di tensione in uscita dal sistema di inversione DC/ AC 105 e vengono per questo detti "carichi distorcenti ".

Per migliorare la distorsione armonica della corrente assorbita dai carichi non lineari l'UPS secondo il trovato può eventualmente impiegare uno schema di compensazione delle armoniche integrato nel sistema di inversione DC/AC 105 senza l'impiego ulteriore di componenti esterni.

Lo schema di correzione, di per sé di tipo noto, effettua il calcolo della potenza attiva P e reattiva Q nelle componenti fondamentale e dovuta alle armoniche diverse dalla fondamentale, mediante una tecnica di proiezione vettoriale basata sulla trasformata di Clarke. Le componenti di corrente armonica trovate vengono poi re-iniettate nel riferimento dell'anello di corrente con segno opposto. La loro influenza sul duty-cycle di controllo del sistema di inversione DC/AC 105 ne consente la riduzione/cancellazione in uscita.

Si à ̈ in pratica constatato come il dispositivo e il procedimento secondo il trovato, così come il corrispondente UPS, assolvano pienamente il compito e gli scopi prefissati.

Il trovato, così concepito, à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. Ad esempio, il dispositivo 1 o anche solo il gruppo di connessione/disconnessione 3a/3b può essere impiegato anche in altre apparecchiature non di tipo UPS, ad esempio inverter fotovoltaici o per automazione industriale. Nel caso di applicazioni fotovoltaiche, il sistema del trovato può essere messo in serie alla sorgente a tensione continua dell 'inverter fotovoltaico (ossia il campo fotovoltaico) per connettere/disconnettere il campo fotovoltaico dall 'inverter stesso in caso di guasto. Inoltre, un inverter fotovoltaico bidirezionale che abbia capacità di prelevare dalla rete di uscita energia e di restituirla alla sezione continua della macchina, la tecnica del trovato consente una gestione intelligente della parte a tensione continua della macchina. Un caso tipico à ̈ quello degli inverter solari che abbiano capacità di accumulo energetico per tamponare i picchi di produzione o per il funzionamento nella modalità nota in letteratura come "night-mode" . In tale applicazione, la parte a tensione continua dell 'inverter presenta il parallelo tra i pannelli fotovoltaici ed un parco batterie ad alta tensione rispetto al quale 1'inverter fotovoltaico si comporta da caricabatterie/sis tema di scarica, valendo per esso tutte le considerazioni fatte nel trovato per un sistema UPS.

Altre applicazioni diverse dall'ambito UPS per il presente trovato sono gli inverter per motori elettrici trifase. Un motore elettrico trifase à ̈ una macchina elettrica capace di funzionare sia in regime di assorbimento sia in regime di generazione a seconda della tecnica di controllo utilizzata nell 'inverter che lo pilota. Potendo funzionare da generatore in alcuni momenti del suo stato di funzionamento, se accoppiato ad un inverter bidirezionale consente di estrarre dal carico meccanico energia meccanica e di convertirla in energia elettrica immagazzinabile in un elemento di accumulo posizionato nella sezione a tensione continua dell 'inverter . La sezione di accumulo di un inverter per motori elettrici così fatto (costituita da un parco batterie o da banchi di capacitori di tecnologia varia) può essere interfacciata al bus DC attraverso la stessa metodologia sviluppata nel presente trovato.

Tutti i dettagli del trovato potranno, inoltre, essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1, 11) di connessione/discon-nessione di batterie particolarmente per un bus DC (103, 1103) di un gruppo statico di continuità o UPS (100) , caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una coppia di batterie di stessi dati di targa (4a, 4b; 1104a, 1104b) collegate in serie in modo da avere un nodo comune (F) in corrispondenza di una loro estremità polare, in cui l'altra estremità polare di ciascuna delle batterie (4a, 4b; 1104a, 1104b) à ̈ collegata in serie, o con l'interposizione di un caricabatterie (1107), ad un rispettivo gruppo di connessione/disconnessione (3a, 3b), ciascun gruppo (3a, 3b) comprendente una coppia di interruttori monodirezionali (31a, 31b, 32a, 32b) che sono collegati in parallelo tra loro e in modo da condurre corrente in direzioni reciprocamente opposte.
2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui almeno un primo interruttore (31a, 31b) di detta coppia di interruttori monodirezionali à ̈ comandabile per l'accensione e lo spegnimento, per disconnettere elettricamente dette batterie dal bus DC (103, 1103).
3. 3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il primo interruttore (31a, 31b) di detta coppia di interruttori monodirezionali à ̈ un tiristore, quale un SCR, e il secondo interruttore (32a, 32b) di detta coppia di interruttori monodirezionali à ̈ un diodo.
4. 4. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente almeno una capacità o un banco di capacità (6a, 6b; 1006a, 1006b) collegata in parallelo alla serie di detti gruppi di connessione/disconnessione con detta coppia di batterie oppure collegata in parallelo a detto bus DC (103, 1103).
5. 5. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto nodo comune (F) à ̈ collegato mediante un terzo interruttore (2) ad un punto (P) a potenziale sostanzialmente fisso, preferibilmente ad un neutro (N) o ad un riferimento di terra, in modo che detto nodo comune (F) sia ad una tensione sostanzialmente pari a quella del punto (P) anche quando il terzo interruttore à ̈ aperto, detto terzo interruttore (2) essendo comandabile per modificare l'ampiezza del ripple di tensione su dette batterie (4a, 4b; 1104a, 1104b) .
6. 6. Gruppo statico di continuità o UPS (100) comprendente un sistema di rettificazione AC/DC (101, 1101) collegato ad un sistema di inversione DC/AC (105, 1105) mediante un bus DC (103, 1103), detto sistema di rettificazione AC/DC (101, 1101) presentando in ingresso una tensione AC di rete (1002) e detto sistema di inversione DC/AC (105, 1105) avendo in uscita un quarto interruttore (1008) per disconnettere provvisoriamente detta uscita da un carico (1007), caratterizzato dal fatto che il dispositivo (1, 11) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti à ̈ collegato a detto bus DC (103, 1103), in modo che le batterie di detto dispositivo (1, 11) costituiscano la batteria di detto UPS.
7. 7. Gruppo statico di continuità secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere o di essere collegato ad un sistema di controllo adatto a comandare almeno i primi interruttori (31a, 31b) di detto dispositivo (1) per connetterlo al o disconnetterlo dal bus DC (103), a rilevare la tensione (V_BULK) sul bus DC (103) e ad impostare tensioni di set-point di detto sistema di rettificazione AC/DC (101).
8. 8. Gruppo statico di continuità secondo la rivendicazione precedente, in cui detto sistema di controllo à ̈ adatto ad implementare una macchina a stati finiti, in cui gli stati comprendono: - uno stato di stand-by (701) in cui il primo interruttore (31a, 31b) à ̈ aperto, il quarto interruttore (1008) à ̈ chiuso e i sistemi AC/DC e DC/AC (101, 105; 1101, 1105) sono attivi, e in cui detto sistema di rettificazione AC/DC (101, 1101) à ̈ configurato per produrre in uscita sul bus DC (103, 1103) una prima tensione di set-point (RECT_L0W_V0LT) di valore inferiore, preferibilmente del 5%-10%, alla tensione nominale (BATT_NOM_ZERO) della batteria (4a, 4b; 1104a, 1104b) di detto UPS (100) in stato carico e a potenza zero, in modo da alimentare il carico (1007) mantenendo elettricamente disconnessa dal bus DC (103, 1103) detta batteria (4a, 4b; 1104a, 1104b) ; - uno stato di attesa (703) in cui il primo interruttore (31a, 31b) à ̈ chiuso, il quarto interruttore (1008) à ̈ chiuso e i sistemi AC/DC e DC/AC (101, 105; 1101, 1105) sono attivi, e in cui detto sistema di rettificazione AC/DC (101, 1101) à ̈ configurato per produrre in uscita sul bus DC (103, 1103) detta prima tensione di set-point (RECT_LOW_VOLT) ; - uno stato di scarica (704) in cui il primo interruttore (31a, 31b) à ̈ chiuso, il quarto interruttore (1008) à ̈ chiuso e i sistemi AC/DC e DC/AC (101, 105) sono attivi, e in cui detto sistema di rettificazione AC/DC (101, 1101) à ̈ configurato per produrre in uscita sul bus DC (103, 1103) una seconda tensione di set-point (BATT_FLOAT) di valore superiore, preferibilmente del 5%-10%, alla tensione nominale (BATT_NOM_ZERO) della batteria (4a, 4b) di detto UPS (100) in stato carico e a potenza zero; - uno stato di carica (702), in cui il primo interruttore (31a, 31b) à ̈ aperto, il quarto interruttore (1008) à ̈ chiuso e i sistemi AC/DC e DC/AC (101, 105, 1101, 1105) sono attivi, e in cui detto sistema di rettificazione AC/DC (101, 1101) à ̈ configurato per produrre in uscita sul bus DC (103, 1103) detta seconda tensione di set-point (BATT_FLOAT) .
9. 9. Gruppo statico di continuità secondo la rivendicazione precedente, in cui detto sistema di controllo à ̈ configurato per eseguire almeno una delle seguenti fasi: - passare dallo stato di stand-by (701) o dallo stato di carica (702) allo stato di attesa (703) se determina che la tensione sul bus DC (103, 1103) à ̈ inferiore ad almeno una soglia di tensione (SLOW_BULK_VOLT, FAST_BULK_VOLT) ; - passare dallo stato di attesa (703) allo stato di scarica (704) dopo un tempo predeterminato (TIME_WAIT) ; - permanere nello stato di scarica (704) fintanto che la batteria (4a, 4b; 1104a, 1104b) dell'UPS (100) non à ̈ scarica; - passare dallo stato di scarica (704) allo stato di carica (702) quando la batteria (4a, 4b; 1104a, 1104b) dell'UPS (100) à ̈ scarica; - passare dallo stato di carica (702) allo stato di standby (701) quando la batteria à ̈ carica al valore di tensione nominale (BATT_N0M_ZER0) della batteria (4a, 4b; 1104a, 1104b) di detto UPS (100) in stato carico e a potenza zero.
10. 10. Gruppo statico di continuità secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sistema di inversione DC/AC (105, 1105) comprende in uscita un interruttore di bypass (1009) per il collegamento ad una rete elettrica di emergenza (1010).
11. 11. Gruppo statico di continuità secondo la rivendicazione precedente, in cui detti stati comprendendo ulteriormente: - uno stato di risparmio (706) in cui il primo interruttore (31a, 31b) à ̈ chiuso, il quarto interruttore (1008) à ̈ aperto, l'interruttore di bypass (1009) à ̈ chiuso e i sistemi AC/DC e DC/AC (101, 105) sono disattivi; - uno stato di test (705) in cui il primo interruttore (31a, 31b) à ̈ chiuso, il quarto interruttore (1008) à ̈ aperto, l'interruttore di bypass (1009) à ̈ chiuso e i sistemi AC/DC e DC/AC (101, 105; 1101, 1105) sono attivi, e in cui detto sistema di rettificazione AC/DC (101, 1101) à ̈ configurato per produrre in uscita sul bus DC (103, 1103) detta prima tensione di set-point (RECT_LOW_VOLT) .
12. 12. Gruppo statico di continuità secondo la rivendicazione precedente, in cui detto sistema di controllo à ̈ configurato per eseguire almeno una delle seguenti fasi: - passare allo stato di test (705) dallo stato di standby (701); - passare dallo stato di test (705) allo stato di risparmio (706) se la tensione sul bus DC (103, 1103) supera la prima tensione di set-point (RECT_LOW_VOLT) ; - passare dallo stato di risparmio (706) allo stato di attesa (703) se la tensione della rete di emergenza (1010) supera livelli di tolleranza predeterminati, detto interruttore di bypass (1009) essendo aperto in detti stati di attesa, di standby, di scarica e di carica.
13. 13. Procedimento per la gestione dell' UPS secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - definire almeno due degli stati delle rivendicazioni 8 e/o 11; - passare da uno di questi stati ad un altro di questi stati secondo le fasi delle rivendicazioni 9 o 12.
14. 14 . Inverter del tipo comprendente un bus DC per il collegamento con batterie di accumulo adatte ad essere scaricate e ricaricate, caratterizzato dal fatto di comprendere il dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni 1-5 collegato con detto bus DC.