Fattore di potenza dell'UPS: cosa significa 0,8, 0,9 e 1,0 per kVA e kW

Alcuni mesi fa, un cliente ha chiesto perché un UPS da 100 kVA nella sua sala server continuasse a segnalare sovraccarichi e occasionalmente a passare al bypass.

Il carico collegato era di poco superiore a 80 kW, quindi ha ipotizzato che l'UPS avrebbe dovuto essere sufficientemente grande.

Gli abbiamo chiesto di controllare la targhetta.

100 kVA / 80 kW

Questo spiegava gran parte del problema.

L'UPS aveva una potenza nominale di 100 kVA, ma la sua potenza attiva era di soli 80 kW. Con più di 80 kW già collegati, il sistema funzionava al limite o al di sopra del limite di kW nominale. Un piccolo aumento del carico o un breve picco di potenza potrebbero essere sufficienti per innescare una condizione di sovraccarico.

Questo è un errore comune nella scelta dell'UPS.

Le persone ricordano la cifra di 100 kVA o 120 kVA ma spesso trascurano la potenza nominale in kW stampata accanto ad essa.

Per il dimensionamento dell’UPS, entrambi sono importanti.

Inizia separando i diversi fattori di potenza

Una scheda tecnica dell'UPS può elencare diversi valori del fattore di potenza:

• Fattore di potenza in ingresso
• Fattore di potenza nominale in uscita
• Fattore di potenza del carico

Sono correlati, ma non descrivono la stessa cosa.

Il fattore di potenza in ingresso è principalmente un problema di potenza a monte

Il fattore di potenza in ingresso descrive la relazione tra la potenza attiva e la potenza apparente assorbita dall'UPS dalla rete di alimentazione o dal generatore.

I moderni sistemi UPS a doppia conversione che utilizzano raddrizzatori IGBT o PFC attivo possono raggiungere un fattore di potenza in ingresso vicino all'unità in condizioni operative specificate, con una distorsione di corrente molto inferiore rispetto ai modelli di raddrizzatori più vecchi.

Questo è importante quando si dimensiona:

• Cavi di ingresso
• Interruttori a monte
• Trasformatori
• Generatori diesel

Per la progettazione elettrica a monte, i soli kVA nominali dell’UPS non sono sufficienti.

Una figura più utile è solitamente:

Corrente di ingresso massima

L'ingresso dell'UPS deve alimentare contemporaneamente il carico collegato, le perdite di conversione e, in molti casi, la ricarica della batteria.

Ciò diventa più importante nei sistemi a lunga autonomia con banchi batterie più grandi e correnti di carica più elevate.

Per il dimensionamento di cavi e interruttori, la corrente di ingresso massima specificata dal produttore è solitamente un riferimento migliore rispetto a un semplice calcolo basato solo sulla potenza nominale in kVA dell'UPS.

Cosa significano 0,8, 0,9 e 1,0?

Quando un UPS viene descritto come avente un fattore di potenza in uscita di 0,8, 0,9 o 1,0, ciò si riferisce normalmente al rapporto tra i suoi kW nominali e i kVA nominali.

Un modo semplice per leggerlo è:

Potenza nominale PF = kW nominale ÷ kVA nominale

Quindi se un fornitore dice:

Questo è un UPS da 100 kVA.

C'è ancora una domanda importante:

Per quanti kW è nominale?

Un UPS da 100 kVA/80 kW e un UPS da 100 kVA/100 kW possono avere la stessa potenza nominale in kVA, ma la loro capacità di potenza attiva è molto diversa.

Ciò è visibile anche attraverso la correnteUPS ad alta frequenzaprogetti, in cui il rapporto kW/kVA nominale dipende dal modello specifico piuttosto che dalla sola categoria di prodotto.

Un UPS a bassa frequenza significa sempre PF 0,8?

NO.

Molti vecchi sistemi basati su trasformatore erano classificati a:

100 kVA / 80 kW

Successivamente, molti sistemi ad alta frequenza senza trasformatore sono passati a:

100 kVA / 90 kW

E oggi le versioni da 100 kVA/100 kW sono sempre più comuni.

Quella storia ha creato una scorciatoia:

UPS a bassa frequenza = 0,8
UPS ad alta frequenza = 0,9
UPS modulare = 1,0

Non è una regola affidabile.

La potenza attiva effettiva dipende dal design dell'inverter, dalla capacità di corrente dei semiconduttori, dal design termico e dal metodo di classificazione del produttore.

Un trasformatore di isolamento in uscita non costituisce automaticamente un UPS con PF 0,8. Anche un design senza trasformatore o modulare non è automaticamente PF 1.0.

Quando si confrontaUPS a bassa frequenza, sistemi ad alta frequenza eUPS modulare, l'approccio più sicuro è comunque quello di verificare i kVA nominali e i kW nominali sulla scheda tecnica.

Per un confronto più ampio tra le due principali topologie UPS, consultare la nostra guida aUPS a bassa frequenza rispetto a UPS ad alta frequenza.

Anche il carico ha il proprio fattore di potenza

L'UPS ha limiti di kW e kVA.

Il carico ha anche i propri kW, kVA e fattore di potenza.

Supponiamo che il carico effettivo sia:

80 kW a PF 0,95

La potenza apparente è:

80 ÷ 0,95 ≈ 84,2 kVA

Quindi il carico utilizza:

• 80 kW di potenza attiva
• circa 84,2 kVA di potenza apparente

Ora collega il carico a un UPS da 100 kVA/80 kW.

Il carico è di circa:

• chilowatt: 100%
• kVA: 84%

L'UPS non ha esaurito i kVA.

Ha esaurito i kW.

Metti lo stesso carico su un UPS da 100 kVA / 100 kW e le cifre diventano:

• chilowatt: 80%
• kVA: 84%

Entrambi rimangono entro la classificazione UPS.

Ecco perché il dimensionamento dell’UPS non dovrebbe mai basarsi solo su kW o kVA.

Il carico deve rimanere entro entrambi i limiti.

Quello che viene raggiunto per primo diventa il vincolo.

Per un processo di dimensionamento completo, consulta la nostra guida sucome dimensionare e selezionare un UPS industriale o medicale.

PF 1,0 non significa che è possibile collegare qualsiasi carico da 100 kW

Questo è un altro malinteso comune.

Se un UPS è classificato:

100 kVA / 100 kW

ciò non significa che ogni carico inferiore a 100 kW sia automaticamente accettabile.

Prendi un carico da 80 kW.

A PF 1.0:

80 kW = 80 kVA

A PF 0,8:

80 ÷ 0,8 = 100 kVA

La potenza attiva è ancora di soli 80 kW, ma il carico ha già raggiunto il limite di 100 kVA dell'UPS.

Pertanto, una classificazione PF 1,0 significa che l'UPS può avere la stessa capacità nominale in kW e kVA.

Ciò non significa che il fattore di potenza del carico possa essere ignorato.

Anche il fattore di potenza anticipato e ritardato è importante

Un fattore di potenza del carico di 0,8 non è la storia completa.

Potrebbe essere:

• 0,8 in ritardo
• 0,8 in testa

Questi rappresentano diverse condizioni operative per l'inverter.

Server, alimentatori a commutazione, VFD, motori e altri carichi industriali non si comportano tutti allo stesso modo.

Ecco perché una buona scheda tecnica di un UPS di media o grande capacità spesso include più di:

PF di uscita = 1,0

Può inoltre specificare:

Intervallo del fattore di potenza del carico

e talvolta forniscono una curva di declassamento dell'uscita che mostra quanti kW o kVA sono disponibili a diversi fattori di potenza induttivo e induttivo.

Per i carichi IT convenzionali, questo potrebbe non rappresentare un grosso problema.

Per apparecchiature come:

• VFD
• Motori
• Macchine CNC
• Apparecchiature per l'imaging medico
• Altri carichi dinamici o non lineari

È necessario verificare anche l'intervallo del PF del carico, la capacità di sovraccarico e i requisiti di corrente di picco.

Per le applicazioni motorie e induttive, vederecosa controllare quando si sceglie un UPS per carichi induttivi.

Lo stesso principio si applica ai sistemi di imaging medicale. In un progetto recente, aUn UPS a bassa frequenza da 120 kVA è stato utilizzato per uno scanner CT in Camerun, dove il comportamento del carico dinamico e la domanda transitoria erano importanti quanto la potenza nominale in kVA.

Non aggiungere semplicemente il 15% della potenza di carica della batteria all'uscita dell'UPS

Una scorciatoia per il dimensionamento comune è simile alla seguente:

Carico 80 kW
+ 15% di ricarica della batteria
+ 20% di capacità inutilizzata
= scegli un UPS da 120 kVA

È facile da calcolare, ma mescola i lati di ingresso e di uscita dell'UPS.

La ricarica della batteria aumenta principalmente il fabbisogno energetico in ingresso.

La capacità del caricabatterie può anche variare in modo significativo tra i modelli.

Due sistemi UPS da 100 kVA possono avere correnti di carica molto diverse, soprattutto se uno è progettato per un banco di batterie esterne a lunga autonomia.

Durante il dimensionamento:

• Cavi di ingresso dell'UPS
• Interruttori di ingresso
• Trasformatori a monte
• Generatori diesel

controlla il produttore:

Corrente di ingresso massima

E:

Corrente di carica massima

Questi dati sono più utili rispetto a presupporre che la carica della batteria sia sempre pari al 10%, 15% o 20% della capacità dell'UPS.

Il dimensionamento del generatore non dovrebbe utilizzare un moltiplicatore fisso

Un'altra regola comune è:

Capacità del generatore = capacità dell'UPS × 1,5

A volte la raccomandazione è ×2.

Esistono sistemi in cui tale margine è ragionevole, in particolare i modelli di UPS più vecchi con un fattore di potenza in ingresso inferiore e una maggiore distorsione di corrente.

Ma non dovrebbe essere trattata come una regola universale.

I moderni raddrizzatori UPS che utilizzano IGBT o PFC attivo possono posizionare un carico molto diverso su un generatore.

Il dimensionamento del generatore dovrebbe tenere conto di:

• Corrente massima in ingresso all'UPS
• Fattore di potenza in ingresso
• Ingresso THDi
• Potenza di carica della batteria
• Soft-start o tempo di ingresso del raddrizzatore
• Risposta AVR del generatore
• La risposta del governatore
• Altri carichi collegati allo stesso generatore

Se il generatore fornisce anche aria condizionata, pompe, illuminazione o altre apparecchiature, è necessario includere anche tali carichi.

Per i sistemi critici, il dimensionamento del generatore è solo una parte dell’architettura di alimentazione complessiva. La ridondanza può essere altrettanto importante. Il nostro articolo suRidondanza N+1 o 2N UPStratta l'argomento separatamente.

Per i progetti supportati da generatore, l'UPS e il generatore dovrebbero idealmente essere controllati insieme utilizzando i modelli effettivi anziché un moltiplicatore fisso.

Cosa dovrebbe essere incluso nelle specifiche tecniche di un UPS?

Per un UPS di media o grande capacità, specificando solo:

UPS in linea da 100 kVA

non è abbastanza

Come minimo, conferma:

Per carichi insoliti o altamente dinamici, vale anche la pena richiedere la curva di declassamento dell'uscita del produttore rispetto al fattore di potenza del carico.

Ciò è molto più utile che sentirsi dire che un UPS “può gestire qualsiasi carico”.

Un ultimo punto

La prossima volta che vedi un UPS da 100 kVA, non dare per scontato che possa fornire 100 kW.

Controlla la riga successiva della scheda tecnica.

È:

80 chilowatt?

90 chilowatt?

O:

100 chilowatt?

Quindi confrontare tali valori con il carico effettivo kW e kVA.

Se l'applicazione comprende motori, VFD, apparecchiature mediche o altri carichi dinamici, verificare anche l'intervallo del fattore di potenza del carico consentito e la capacità di sovraccarico.

Molti errori di dimensionamento degli UPS non sono causati da una formula sbagliata.

Cominciano perché qualcuno ha guardato100kVAe si fermò lì.

Questo articolo si basa sull'esperienza di TAFENG con il dimensionamento degli UPS e le applicazioni sul campo. La progettazione finale del sistema deve essere verificata rispetto ai dati tecnici del modello di UPS selezionato e ai requisiti del progetto specifico.

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