I gruppi di continuità (UPS) alimentati a batteria sono fondamentali per proteggere le apparecchiature sensibili di data center, strutture mediche, fabbriche, hub di telecomunicazioni e persino abitazioni da picchi e interruzioni di corrente di breve durata. In caso di interruzioni prolungate, possono fornire l'elettricità necessaria per un breve periodo, preparando l'interruzione e prevenendo la perdita di dati.
Gli UPS possono generalmente essere classificati come "Online" o "Offline". Negli UPS offline, il carico è collegato direttamente alla rete elettrica. In caso di interruzione dell'alimentazione in ingresso, il sistema passa alla modalità di alimentazione a batteria: il processo di commutazione richiede in genere circa 10 millisecondi, il che limita l'utilizzo degli UPS offline in alcune applicazioni. Gli UPS online aggiungono un circuito inverter e un circuito di carica e scarica della batteria tra il carico e la rete elettrica, e l'inverter rimane in funzione indipendentemente dal fatto che l'alimentazione in ingresso sia normale o meno. Pertanto, in caso di problemi di alimentazione, l'UPS online può eseguire la commutazione "senza interruzioni" e fornire alimentazione di emergenza al carico tramite la batteria.
Gli UPS modulari sono i più apprezzati da progettisti e utenti, poiché gli UPS a bassa potenza possono essere collegati in parallelo per soddisfare una maggiore domanda di energia elettrica. Gli UPS modulari possono espandere rapidamente e facilmente i sistemi UPS esistenti e aiutare i clienti a trarre profitto dal processo di implementazione di sistemi su larga scala.
Tuttavia, come qualsiasi progetto di alimentazione, anche la progettazione di un UPS efficiente presenta delle sfide. Alcuni fattori chiave da considerare includono le dimensioni, la capacità di regolazione ingresso-uscita, la gestione delle batterie e la topologia.
Le dimensioni sono cruciali, soprattutto nelle applicazioni in cui lo spazio è estremamente prezioso, come i data center. In passato, i trasformatori sono sempre stati uno dei componenti più grandi degli UPS, ma con l'avvento di una tecnologia dei semiconduttori più avanzata, i circuiti di commutazione ad alta frequenza hanno sostituito i trasformatori, risparmiando spazio. Un UPS senza trasformatore può fornire centinaia di kVA di alimentazione di emergenza a grandi data center in armadi di dimensioni standard.
L'UPS online utilizza la modulazione di larghezza di impulso (PWM) ad alta frequenza per eseguire una doppia conversione (CA-CC e poi CC-CA), che può risolvere molti problemi di qualità di ingresso che l'UPS offline non è in grado di gestire, come sovratensione e rumore di linea, riducendo al contempo l'utilizzo della batteria e prolungandone la durata.
L'inverter determina la qualità di uscita dell'UPS e ne influenza notevolmente l'efficienza complessiva. Un eccellente UPS online è in grado di generare onde sinusoidali di alta qualità, simili a quelle della rete elettrica, alimentando carichi resistivi e induttivi. Ciò richiede che i dispositivi di commutazione (IGBT/MOSFET) nell'inverter operino ad alte frequenze e interagiscano con algoritmi di controllo per ridurre al minimo il rumore di uscita e le interferenze elettromagnetiche generate durante il processo di commutazione.
In un tipico UPS, più batterie impilate formano un pacco batterie completo, la cui carica e scarica vengono gestite da un modulo di gestione batterie. Per massimizzare le prestazioni della batteria e prolungarne la durata, la progettazione deve tenere conto di aspetti quali il bilanciamento del carico, la protezione da tensione e corrente, il controllo di carica e scarica, la gestione termica, il controllo delle ventole, il monitoraggio e la comunicazione.