La norma di prodotto per i sistemi UPS (EN62040) definisce diverse tipologie di UPS, tra cui spicca il tipo VFI ("on-line", a doppia conversione). Questo tipo si caratterizza per la generazione di una forma d'onda di uscita per il carico con tensione e frequenza indipendenti dalla rete primaria. Dal punto di vista qualitativo, questo tipo di UPS offre le migliori prestazioni perché isola il carico da qualsiasi tipo di disturbo di rete. Genera una nuova forma d'onda convertendo prima la tensione di alimentazione primaria in corrente continua e poi rigenerando una forma d'onda completamente priva di disturbi per i carichi critici. Tuttavia, sebbene questa topologia offra la massima qualità, è la meno efficiente perché l'energia fluisce attraverso due convertitori in serie a piena potenza, con conseguente perdita di energia cumulativa in entrambi i convertitori.

Evoluzione dei sistemi UPS di tipo "VFI":
Poiché le prestazioni sono state il principale punto debole di questo tipo di UPS, i produttori hanno evoluto l'architettura del convertitore per migliorarne sia l'efficienza che le prestazioni. Ciò ha portato dai raddrizzatori a tiristori a 6 e 12 impulsi iniziali ai raddrizzatori PWM attivi, e dagli inverter ferroresonanti o PWM con trasformatori a bassa frequenza agli attuali inverter trifase multilivello senza trasformatore. Questo ha permesso un aumento dell'efficienza da circa l'88% all'attuale 96%-97%. Sebbene l'efficienza massima non sia ancora stata raggiunta, gli studi condotti finora suggeriscono che un miglioramento sostanziale delle prestazioni topologiche sia improbabile, anche se miglioramenti potrebbero certamente essere ottenuti con l'uso di nuovi materiali semiconduttori come il carburo di silicio (SiC) o il nitruro di gallio (GaN), o nuovi materiali magnetici. Tuttavia, al momento, il costo di questi dispositivi rimane molto elevato.

UPS in parallelo N+1: alimentazione garantita per applicazioni critiche.
Una volta raggiunte le massime prestazioni possibili fino ad oggi (96%-97% con tecnologie di commutazione multilivello), e in attesa dell'integrazione di nuovi dispositivi che miglioreranno ulteriormente questo valore, la disponibilità del sistema (A=MTBF/(MTTR+MTBF)) può essere significativamente aumentata utilizzando una configurazione UPS in parallelo "N+1", dove "N" è il numero di unità UPS necessarie per alimentare l'intero carico e "1" è un UPS utilizzato come backup ridondante. Ciò consente una disponibilità del 99,99% (A>=0,99999%), equivalente a 5 minuti di inattività in 1 anno, o del 99,99% (A>=0,999999%), equivalente a 30 secondi di inattività in 1 anno. In definitiva, questo migliora l'affidabilità del Data Center (DC) e il costo totale di proprietà (TCO) rispetto al consumo energetico del Data Center.
Analogamente, con la tecnologia parallela, è possibile raggiungere un elevato rating Tier (Tier III o Tier IV), una classificazione pubblicata dall'Uptime Institute e intitolata "Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology.", secondo la quale le apparecchiature che soddisfano entrambi i livelli Tier III o Tier IV garantiscono i migliori livelli di affidabilità e disponibilità, non solo grazie alle rigorose specifiche dell'UPS utilizzato, ma anche grazie alla progettazione completa dell'ambiente CC, del sistema di raffreddamento e della distribuzione elettrica ai carichi critici.

Il concetto di modularità degli UPS
è difficile da definire in un unico formato. Possiamo affermare che la modularità degli UPS può essere espressa in molti modi:
Modularità di potenza
: si riferisce a un UPS la cui architettura segue uno schema con alcuni componenti comuni e altri componenti (moduli di potenza) che vengono ripetuti da un singolo modulo fino a un numero totale di moduli sufficiente a coprire i requisiti di potenza dell'applicazione.
I componenti comuni saranno in genere quelli che non gestiscono l'alimentazione, come l'elettronica di controllo e gestione per il funzionamento dell'UPS, l'hardware di interfaccia di comunicazione per dispositivi esterni (comunicazioni seriali, parallele, CAN, USB, TCP/IP, interfacce a relè, interfacce di ingresso/uscita digitali, ecc.), un banco batterie comune (con o senza caricabatterie), filtri EMI di ingresso/uscita, terminali di ingresso/uscita/batteria o l'involucro (armadio o scatola a seconda della potenza massima) per ospitare il numero massimo di moduli.
I componenti non comuni saranno i vari moduli di potenza che consentono di configurare l'apparecchiatura con la potenza e la ridondanza desiderate. I diversi moduli di una data potenza nominale vengono collegati in parallelo in modo che la potenza totale dell'apparecchiatura sia la somma delle potenze nominali di tutti i moduli collegati in parallelo.
Come si può notare in questa struttura, sono presenti elementi non ridondanti il ​​cui guasto causerebbe un'interruzione del sistema. Tuttavia, i moduli di potenza sono elementi ridondanti, quindi se un modulo di potenza si guasta, il sistema può continuare a funzionare con i moduli rimanenti, che forniranno una potenza inferiore rispetto a quella iniziale. Con un sovradimensionamento adeguato, e a seconda di ciò, il sistema può diventare tollerante al guasto di uno o più moduli di potenza.

Modularità funzionale dell'alimentazione:
questa struttura è simile alla precedente in quanto continua ad avere alcune parti comuni e alcune non comuni. Concentrandoci su queste ultime, il blocco di alimentazione di un UPS "VFI" a doppia conversione è tipicamente costituito da una serie di convertitori di potenza, che elenchiamo di seguito:
- Raddrizzatore PFC - Inverter - Caricabatterie - Modulo interruttore statico.
Nella "Modularità dell'alimentazione" descritta nella sezione precedente, questi convertitori di potenza sono stati considerati insieme come un singolo modulo di alimentazione. Possiamo anche comprendere un altro tipo di modularità considerando ciascun convertitore come un modulo parallelizzabile a sé stante. Ciò fornisce un sistema ancora più flessibile del precedente, poiché possiamo dimensionare in modo indipendente la potenza e la ridondanza di ciascun convertitore. Ad esempio, potremmo dimensionare un UPS con più raddrizzatori e caricabatterie se volessimo sovradimensionare la capacità di carica della batteria, o con più inverter se volessimo più potenza transitoria in uscita.

La modularità totale
si basa sul considerare ogni modulo come un UPS completo, quindi le uniche parti comuni sono l'involucro, i collegamenti a monte all'ingresso dell'UPS e a valle all'uscita dell'UPS, i collegamenti alla batteria, l'interfaccia di comunicazione con il mondo esterno e il sistema di monitoraggio.
Esistono comunque due varianti di questi sistemi, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi:
Sistema modulare con bypass statico distribuito: ogni modulo incorpora il proprio sistema di commutazione statica per commutare l'uscita dell'inverter verso la rete. Essendo un sistema distribuito, una perfetta sincronizzazione tra i moduli è essenziale per garantire che tutti i moduli commutino nello stesso istante.
Sistema modulare con bypass statico centralizzato: in questo caso, il sistema di commutazione statica inverter-rete è unico e quindi uno degli elementi comuni dell'UPS.
Attualmente è in corso un dibattito su quale di queste due opzioni offra maggiore affidabilità e disponibilità. I ​​sistemi con bypass distribuito hanno il vantaggio che il bypass è ridondante e quindi non rappresenta più un punto critico. Inoltre, i criteri di dimensionamento per la potenza e la corrente massime del bypass sono generalmente molto più permissivi rispetto a quelli per gli inverter, il che migliora la disponibilità in caso di guasto di uno dei moduli di bypass. Uno svantaggio è che, così come la potenza del bypass è distribuita, lo è anche il suo controllo, rendendo difficile decidere quando commutare dall'inverter al bypass o viceversa. La decisione deve essere sincrona per tutti i moduli collegati in parallelo, il che complica la gestione del bypass distribuito.
Nei sistemi con bypass centralizzato, la manovra di commutazione dall'inverter al bypass o viceversa è ovviamente molto più semplice grazie all'esistenza di un singolo modulo di potenza di bypass, sebbene ciò renda tale modulo un punto critico non ridondante.
Una terza soluzione di compromesso tra i due sistemi è un bypass centralizzato con ridondanza 1+1. Alcuni produttori hanno introdotto questa terza opzione, sebbene possa essere considerata come avente i vantaggi e gli svantaggi delle due opzioni precedenti.

UPS modulari (modularità completa)
Gli UPS modulari sopra descritti sono generalmente disposti in un rack (orizzontale) all'interno di un armadio con una specifica capacità di potenza massima. La struttura modulare dell'UPS offre diversi vantaggi, particolarmente importanti nelle applicazioni per data center:
1) Ingombro ridotto: minimo spazio a pavimento richiesto dall'UPS.

2) Elevata affidabilità: può essere configurato con N+m unità, consentendo di scegliere il livello di ridondanza desiderato per ogni data center (o altra applicazione), a seconda della sua criticità.
3) Elevata disponibilità: con la stessa affidabilità di un modulo rispetto a un'unità UPS convenzionale, è possibile raggiungere livelli di disponibilità (A) del 99,9

4) L'efficienza del sistema può essere ottimizzata in due modi: a. Miglioramento delle prestazioni energetiche dei moduli. La progettazione di un singolo modulo (o di un numero limitato di tipologie di moduli) facilita l'ottimizzazione dei convertitori di potenza per ottenere le massime prestazioni, selezionando sia la topologia più efficiente sia i componenti con le minori perdite di energia per ciascun modulo. b. La gestione intelligente dell'energia ottimizza le prestazioni dei moduli. Inoltre, è possibile applicare criteri di ciclicità per uniformare il tempo di funzionamento di tutti i moduli del sistema, ottimizzandone così l'affidabilità e quella dell'intero sistema. In alternativa, è possibile implementare criteri di "standby" per i moduli, in cui i moduli sono funzionalmente spenti e in riserva, in attesa di essere attivati ​​per rafforzare la disponibilità del sistema.


5) Scalabilità: La capacità di adattare la potenza del sistema in base alla futura evoluzione e crescita 

del data center è senza dubbio uno dei maggiori vantaggi della modularità rispetto alle soluzioni a potenza fissa.
6) Adattabilità della potenza: Ovviamente, la soluzione modulare varierà a seconda della potenza richiesta. La differenza fondamentale nella configurazione del sistema modulare sarà la potenza di ciascun modulo. Pertanto, si può parlare di sistemi basati su moduli da 30-40 kVA per UPS di media potenza o moduli da 50-100-200 kVA per UPS di grandi dimensioni.
7) Adattamento ai livelli Tier nei Data Center (DC): La soluzione modulare può portare a progetti perfettamente adattati ai livelli di classificazione Tier più esigenti, definiti dall'Uptime Institute.
8) Miglioramento del TCO (Total Cost of Ownership): Ciò si otterrà migliorando le Opex (spese operative) perché i sistemi modulari raggiungono la massima efficienza energetica sia per il modulo che per l'intero sistema con una gestione adeguata. Un altro aspetto importante è la riduzione delle spese in conto capitale (CAPEX), principalmente perché la produzione di un gran numero di moduli identici consente di sviluppare economie di scala che migliorano i costi di produzione dei sistemi UPS.

Affidabilità (MTBF) e disponibilità (A) di diverse tipologie di sistemi UPS.
L'obiettivo principale nell'implementazione di un sistema UPS è migliorare l'affidabilità dell'alimentazione elettrica entro i limiti della tecnologia attuale. L'obiettivo finale è isolare il sistema da eventuali disturbi nella rete elettrica principale (rete commerciale).
I primi sistemi UPS (anni '60) erano costituiti da un raddrizzatore, una batteria e un inverter ed erano progettati per stabilizzare la potenza in uscita e continuare a supportare il carico senza interruzioni in caso di guasto della rete elettrica principale. L'affidabilità di questa semplice catena UPS dipendeva dall'affidabilità di due dei tre elementi critici collegati in serie: l'inverter e il bus CC proveniente dalle batterie. Un guasto in uno qualsiasi di essi avrebbe comportato un'immediata interruzione del carico.
Nei primi anni '70, è stato introdotto l'interruttore di bypass statico per consentire il trasferimento ininterrotto del carico alla rete elettrica di backup in caso di guasto o sovraccarico dell'inverter. Questo sistema di alimentazione di riserva, sebbene molto meno affidabile dei sistemi UPS, funge da fonte di alimentazione di emergenza in caso di guasto dell'inverter o del bus CC (batteria), consentendo l'alimentazione continua del carico durante la riparazione del guasto.

Questa nuova architettura migliora sostanzialmente l'affidabilità complessiva, che non dipende più principalmente dall'affidabilità della catena Inverter+Bus CC. La disponibilità dei nuovi UPS con bypass statico dipendeva dalla qualità della rete elettrica (MTBF_NETWORK), dal tempo di riparazione dell'UPS (MTTR_SAI) e dall'affidabilità dell'interruttore statico (MTBF_BYP).
Tuttavia, negli ultimi anni, la diffusione del cloud storage e la necessità di eseguire il backup di grandi quantità di dati in infrastrutture server di grandi dimensioni (Data Center) hanno portato a una richiesta di livelli di affidabilità molto più elevati nei sistemi di sicurezza, inclusi gli UPS. I carichi altamente critici non possono fare affidamento su una singola configurazione di alimentazione UPS con bypass statico. La necessità di UPS con configurazioni parallele ridondanti (n+1) sta diventando essenziale. Il principale criterio per la scelta di un particolare tipo di UPS dovrebbe essere la migliore protezione possibile dell'integrità di una così grande quantità di informazioni globali. Pertanto, è necessario uno studio comparativo di affidabilità (MTBF)/disponibilità (A) tra i diversi tipi di UPS per prendere la decisione corretta. Un confronto di affidabilità per varie configurazioni di UPS dovrebbe basarsi sui valori di affidabilità secondo lo standard MIL-HDBK-217 F (Not. 2, 1995).
Il tasso di guasto di un convertitore è definito come: λ_[conv] = 1 / MTBF[conv]. La disponibilità (A) è definita come: A = MTBF[UPS] / (
MTBF[UPS] + MTTR[UPS])
. UPS individuale senza interruttore di bypass statico (BYP).

L'affidabilità di un singolo UPS senza bypass dipende dall'affidabilità del raddrizzatore, della batteria e dell'inverter (vedere Figura 1). In questo sistema, in caso di guasto dell'inverter, del bus CC (batterie) o del raddrizzatore per un periodo prolungato (superiore all'autonomia del sistema), si avrebbe un valore pari a zero in uscita.

Calcolo dell'MTBF (MTBF_[SAI])
Dove: MTBF_[SAI]: tempo medio tra i guasti delle unità senza bypass statico
λ_[SAI]: tasso di guasto di una singola unità senza interruttore di bypass statico λ_[RECT]: tasso di guasto del raddrizzatore λ_[BAT]: tasso di guasto del bus CC, incluso il collegamento alla batteria λ_[INV]: tasso di guasto dell'inverter
MTBF_[SAI] = 1 / λ_[SAI] λ_[SAI] = λ_[RECT] + λ_[BAT] + λ_[INV] Ipotizzando i seguenti valori indicativi:
λ_[RECT] = 20 per milione di ore λ_[BAT] = 10 per milione di ore λ_[INV] = 20 per milione di ore
L'MTBF_[SAI] per un sistema UPS senza interruttore di bypass statico sarebbe approssimativamente 20.000 ore.

Gruppi di continuità (UPS) individuali con interruttori di bypass statici :
l'affidabilità di un singolo UPS può essere notevolmente aumentata introducendo una rete di alimentazione ridondante e collegandola alla fonte di alimentazione principale dell'UPS tramite un interruttore di trasferimento di bypass statico (Figura 2). Ad esempio, in caso di guasto dell'inverter, il carico non verrà spento ma verrà trasferito dall'inverter alla rete elettrica senza interruzioni.

Calcolo dell'MTBF (MTBF_[SAI + BYP])
Dove:
MTBF_[SAI + BYP]: tempo medio tra i guasti dell'UPS con un interruttore di bypass statico
MTBF_[M]: tempo medio tra i guasti dell'alimentazione di rete
λ_[SAI]: tasso di guasto di una singola unità senza un interruttore di bypass statico
λ_[SAI + BYP]: tasso di guasto di un singolo UPS con un interruttore di bypass statico
λ_[M]: tasso di guasto dell'alimentazione di rete
λ_[SAI]//λ_[M]: tasso di guasto di una singola unità senza un interruttore di bypass statico in parallelo con il tasso di guasto dell'alimentazione di rete
λ_[BYP]: tasso di guasto dell'interruttore di bypass statico, di alimentazione o di controllo MTTR_[BYP]: tempo medio di riparazione dell'interruttore di bypass statico MTTR_[M]: tempo medio di riparazione dell'alimentazione di rete MTTR_[SAI]: tempo medio di riparazione di un singolo UPS con interruttore di bypass statico bypass statico

La Figura 3 mostra come in un sistema con due sorgenti di tensione collegate in parallelo (SCR#1 e SCR#2) il calcolo del tasso di guasto del sistema in parallelo sarà: 

λ_[parallelo] = λ_[SRC#1]//λ_[SRC#2] = = λ_[SRC#1] x λ_[SRC#2] x (MTTR_[ SRC#1]+ MTTR_[ SRC#2]) (1)
Applicando l'espressione (1) nel caso dell'UPS con bypass statico: λ_[SAI+BYP] = λ_[SAI]//λ_[M] + λ_[BYP] =
= ( λ_SAI x λ_M x (MTTR[SAI] + MTTR_[M])) + λ_BYP (2) MTBF_[SAI+BYP] = 1/λ_[SAI+BYP] (3) Con le cifre statistiche di analisi dei guasti utilizzate sopra:
λ _[RECT] = 20 per milione di ore λ_[BATT] = 10 per milione di ore λ_[INV] = 20 per milione di ore
. Possiamo ottenere: MTBF[SAI] = 20.000 ore. Possiamo anche aggiungere altri dati statistici come esempio:
λ_[BYP] = 2/1.000.000 = 0,000002 ore MTBF_[M] = 50 ore (questa cifra rappresenta una rete di "buona qualità") MTTR_[SAI] = 6 ore (MTTR di un UPS "Stand Alone", non modulare) MTTR_[M] = 0,1 ore.
Utilizzando questi dati nell'espressione (2): λ_[SAI + BYP] = ((1/20.000) x (1/50) x (6 + 0,1)) + (2/1.000.000) =
(0,00005 x 0,02 x 6,1) + 0,000002 = 0,0000081 MTBF_[SAI + BYP] = 1/( λ_[SAI + BYP]) = 1/0,0000081 = 123,456 h
Tenendo conto delle espressioni (2) e (3) si può osservare che l'affidabilità di un UPS con un interruttore di bypass statico (MTBF_[SAI + BYP]) dipende dai seguenti parametri: l'affidabilità dell'UPS e della rete ( λ_SAI, λ_M), l'MTTR dell'UPS e della rete e l'affidabilità dell'interruttore di bypass statico ( λ_BYP).

UPS ridondanti in parallelo con interruttore di bypass statico
L'affidabilità di un singolo UPS può essere notevolmente aumentata introducendo una configurazione ridondante in parallelo (Figura 4).

Calcolo MTBF per un sistema UPS parallelo ridondante (n+1) (MTBF_[(n+1)SAI+BYP])
Tasso di guasto: λ _[(n+1)SAI+BYP] = (λ_[SAI1]//λ_[SAI2]........//λ_SAI[(n+1)]) + +
(n+1) x λ_[PBUS] + (λ_[BYP1]//λ_[BYP2].......//λ_[BYP(n+1)])
~_ (n+1) x λ_[PBUS]
Affidabilità: MTBF_[(n+1)SAI+BYP] = 1/λ_[(n+1)SAI+BYP] Disponibilità:
A[(n+1)SAI+BYP] = MTBF [(n+1)UPS+BYP] MTBF_[(n+1)SAI+BYP] + MTTR_[SAI]

L'affidabilità di un UPS parallelo ridondante (n+1) dipende in larga misura dal tasso di guasto del bus parallelo, che rappresenta il punto di guasto più critico. Le stringhe di UPS ridondanti in parallelo, gli interruttori di bypass statici e la relativa elettronica di controllo, così come la tensione di rete, sono tutti elementi ridondanti e pertanto hanno un impatto trascurabile sull'affidabilità complessiva.

Nella tabella sopra sono stati ipotizzati i seguenti valori: MTBF_[M] = 50 ore, questo valore rappresenta una rete di "buona qualità"; λ_[PBUS] = 0,4 per milione di ore. Eseguendo i calcoli per n=1, n=2 e n=3 otteniamo quanto segue:

+
​λ_[PBUS]
Tasso di guasto e MTBF Perché il termine (λ_[SAI1]//λ_[SAI2]........//λ_[SAI(n+1)]) supponendo n=2 → = (λ_[SAI1] x λ_[SAI2] x λ_[SAI3]) x (MTTR_[SAI1] + MTTR_[SAI2] + MTTR_[SAI3]) = = (1/20.000) x (1/20.000) x (1/20.000) x (3x6) = 0,00005 x 0,00005 x 0,00005 x 18 = 2,25 exp -12 Per n=3 → 1,5 exp -16 Per n=4 → 9,38 exp -21 Cifre del tasso di guasto molto piccole. E il termine (λ_[BYP1]//λ_[BYP2]........//λ_[BYP(n+1)]) supponendo n=2 → =(λ_[BYP1] x λ_[BYP2] x λ_[BYP3]) x (MTTR_[BYP1] + MTTR_[BYP2] + MTTR_[BYP3]) = = ((2/1.000.000) x (2/1.000.000) x (2/1.000.000)) x (3x6) = 1,4 exp -16 Numero ancora più piccolo. Pertanto la formula è riassunta in λ(n+1)[SAI+BYP] = (n+1) x λ_[PBUS] = (n+1) x 0,4/1,000000 Per n=1→ λ(1+1)[SAI+BYP] = (1+1) x λ_[PBUS] = (1+1) x 0,4/1,000000 = 0,8/1,000,000 MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(1+1)[SAI+BYP] = 1,250,000 h Per n=2→ λ(2+1)[SAI+BYP] = (2+1) x λ_[PBUS] = (2+1) x 0,4/1,000,000 = 1,2/1,000,000 MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(2+1)[SAI+BYP] = 833.333 h Per n=3→ λ(3+1)[SAI+BYP] = (3+1) x λ_[PBUS] = (3+1) x 0,4/1.000000 = 1,6/1.000.000 MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(3+1)[SAI+BYP] = 625.000 ore

Disponibilità:
A_[(n+1)SAI+BYP] = MTBF_[(n+1)SAI+BYP] MTBF_[(n+1)SAI+BYP] + MTTR_[(n+1)SAI+BYP]
Per n=1 A(1+1) = 1.250.000 / (1.250.000 + 12) = 0,9999904 (5 nove) Per n=2 A(2+1) = 833.333 / (833.333 + 18) = 0,9999978 (5 nove) Per n=3 A(3+1) = 625.000 / (625.000 + 24) = 0,9999616 (4 nove)
Calcolo MTBF per un sistema UPS parallelo ridondante (n+m) (MTBF(n+m)SAI+BYP)
Guasto Velocità: λ _[(n+m)SAI+BYP] = (λ_[SAI1]//λ_[SAI2]...//λ_[SAI(n+1)]
//λ_[SAI(n+2)]...//λ_[SAI(n+m))] + + (n+m) x λ_[PBUS] + + (λ_[BYP1]//λ_[BYP2].......//λ_[BYP(n+1)]
// λ_[BYP(n+2)]...//λ_[BYP(n+m))] _~ (n+1)
λAffidabilità PBUS: MTBF(n+m)[SAI+BYP ]= 1/λ(n+m)[SAI+BYP] Disponibilità: A_[(n+m)SAI+BYP] = MTBF_[(n+m)SAI+BYP]
MTBF_[(n+m)SAI+BYP] + MTTR_[(n+1)SAI+BYP]

L'affidabilità di un UPS parallelo ridondante (n + m) dipende in larga misura dal tasso di guasto del bus parallelo, che rappresenta il singolo punto di guasto. Le stringhe di UPS ridondanti in parallelo, gli interruttori di bypass statici e la relativa elettronica di controllo, così come la tensione di rete, sono tutti elementi ridondanti e pertanto hanno un impatto minimo o addirittura trascurabile sull'affidabilità complessiva.
Nei calcoli vengono utilizzate le seguenti costanti: MTBFM = 50 ore, valore che rappresenta una rete di "buona qualità"; λPBUS = 0,4 per milione di ore

λ(n+m)[SAI+BYP] = (λSAI1//λSAI2...//λSAI(n+1) //λSAI(n+2)...//λSAI(n+m)) + (n+m)λPBUS + (λBYP1// λBYP2........//λBYP(n+1)// λBYP(n+2)...//λBYP(n+m)) ~ (n+1)λPBUS
perché il termine (λSAI1//λSAI2........//λSAI(n+m)) supponendo n=2 e m=2→ = (λSAI1 x λSAI2 x λSAI3 x λSAI4) x (MTTR[SAI1] + MTTR[SAI2] + MTTR[SAI3] + MTTR[SAI3]) =
= (1/20.000) x (1/20.000) x (1/20.000) x (1/20.000) x (4x6) = 0,00005 x 0,00005 x 0,00005 x 0,00005 x 24 = 1,5 exp -16
Per n=4 → 9,38 exp -21
Per n=5 → 5,63 exp -25

Cifre di tasso di guasto molto piccole
E il termine ........//λBYP(n+m)) supponendo n=2 e m=2 →
=(λBYP1 x λBYP2 x λBYP3 x λBYP4) x (MTTR[BYP1] + MTTR[BYP2] + MTTR[BYP3] + MTTR[BYP4]) =
= ((2/1.000.000) x (2/1.000.000) x (2/1.000.000) x (2/1.000.000)) x (4x6) = 3,8 exp -22
Cifra ancora più piccola.
Pertanto la formula è riassunta in λ(n+m)[SAI+BYP] = (n+m) x λPBUS = (n+m) x 0,4/1,000000
Per n=2 e m=2→ λ(1+1)[SAI+BYP] = (2+2) x λPBUS = (2+2) x 0,4/1,000000 = 1,6/1.000.000 = 1,6 exp -5
MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(2+2)[SAI+BYP] = 625.000 h
Per n=3 e m=3 → λ(3+3)[SAI+BYP] = (3+3) x λPBUS = (3+3) x 0,4/1.000000 = 2,4/1.000.000 = 2,4 exp -5
MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(3+1)[SAI+BYP] = 416.666 h
Disponibilità: Secondo l'espressione Per n=1 A(2+2) = 1.250.000/ (1.250.000 + 12) = 0,999971 (4 nove) Per n=2 A(3+3) = 416.666 / (416.666 + 18) = 0,999956 (4 nove)
Come conclusione di questi calcoli si può vedere che una configurazione n+m non aumenta necessariamente la disponibilità del sistema UPS rispetto alla soluzione n+1, principalmente a causa della criticità della connessione in parallelo.

Confronto tra configurazioni UPS:
Nel caso di una singola stringa UPS (raddrizzatore, batteria e inverter), l'affidabilità dell'UPS dipende dall'affidabilità del raddrizzatore, del bus CC (batterie) e, in misura maggiore, dell'inverter.
L'introduzione di un interruttore di bypass statico, che fornisce un'alimentazione di backup dalla rete elettrica, aumenta l'affidabilità di un fattore sei se il MTBF della rete è di 50 ore (di buona qualità) e il tempo medio di riparazione dell'UPS è di sei ore. Questo livello di affidabilità è purtroppo insufficiente perché dipende ancora sostanzialmente dall'affidabilità della rete elettrica e dalla qualità del servizio post-vendita dell'UPS (tempo di risposta, tempo di percorrenza, tempo di riparazione, ecc.). I moderni carichi critici non possono fare affidamento su una rete elettrica di qualità inaffidabile e su tempi di riparazione più lunghi.
Per superare la dipendenza dalla rete, si raccomandano configurazioni UPS ridondanti in parallelo n+1. Lo svantaggio del classico UPS autonomo in una configurazione ridondante in parallelo n+1 è il tempo di riparazione relativamente lungo (in genere da 6 a 12 ore).
Implementando sistemi paralleli ridondanti modulari hot-swappable basati sulla tecnologia modulare (n+1), il carico critico diventa completamente indipendente dalla rete. Un modulo UPS difettoso può essere sostituito senza dover trasferire i moduli UPS funzionanti in bypass. Inoltre, la sostituzione del modulo richiede al massimo 0,5 ore, riducendo drasticamente i tempi di riparazione rispetto ai sistemi paralleli tradizionali.
L'esempio seguente illustra l'impatto sull'affidabilità e la disponibilità di un UPS tradizionale in una configurazione parallela ridondante (1+1) rispetto a un sistema modulare in una configurazione parallela ridondante (4+1).
Confronto tra configurazioni UPS stand-alone e modulari (n+1)

La Figura 5 mostra un diagramma a blocchi di due configurazioni UPS ridondanti. Il sistema a sinistra rappresenta un sistema ridondante parallelo autonomo (1+1), mentre il sistema a destra rappresenta un sistema ridondante parallelo modulare (n+1) con moduli hot-swappable.

)
, la disponibilità della configurazione ridondante (1+1) è maggiore della disponibilità della configurazione ridondante (4+1) se l'MTTR è lo stesso per entrambe le configurazioni. Questo perché l'MTBF della configurazione ridondante (1+1) è maggiore dell'MTBF della configurazione ridondante (4+1).
Nel caso 2), la disponibilità della configurazione ridondante (1+1) con un MTTR più elevato è inferiore alla disponibilità della configurazione ridondante (4+1), a causa di un MTTR molto più breve.

Conclusioni
Questo articolo ha analizzato diverse tipologie di sistemi UPS e introdotto vari concetti che possono aiutarci a valutare quantitativamente l'idoneità di queste tipologie di UPS per applicazioni critiche. A tal proposito, sono stati descritti concetti come tasso di guasto (TFR) e MTBF (affidabilità), MTTR (tempo medio di riparazione) e come questi influenzino il parametro finale più importante per un'applicazione critica: la disponibilità.
Sono stati inoltre presentati diversi casi di studio che dimostrano l'importanza dell'MTTR per raggiungere un'elevata disponibilità. Se una delle unità UPS si guasta in una configurazione precedentemente ridondante, si verificherà una bassa disponibilità e l'apparecchiatura o il modulo difettoso dovrà essere riparato o sostituito il prima possibile per ripristinare la ridondanza (elevata disponibilità). Con i sistemi UPS modulari, si ottengono MTTR più brevi e, di conseguenza, una maggiore disponibilità, anche con un numero maggiore di moduli in parallelo.
È stato inoltre osservato che, dal punto di vista dell'affidabilità e della disponibilità, l'opzione migliore è un sistema modulare parallelo ridondante (n+1). Sorprendentemente, secondo i calcoli effettuati, la configurazione (n+m), dove m>1, non migliora l'affidabilità della configurazione (n+1), poiché questo studio considera il tasso di guasto del bus parallelo come il più significativo del sistema.
Naturalmente, c'è ancora molta strada da fare per migliorare le prestazioni complessive e per aumentare sia l'efficienza elettrica di ciascun modulo sia l'efficienza di gestione dell'intero sistema modulare, ma sarà senza dubbio nell'ambito dei sistemi modulari che si concentrerà lo sviluppo dei futuri sistemi UPS.
Pertanto, e rispondendo alla domanda "Sono davvero più affidabili?", possiamo concludere che i sistemi modulari rappresentano l'ultimo anello della catena evolutiva dei sistemi di alimentazione ininterrotta per applicazioni critiche, in quanto migliorano la disponibilità di energia mantenendo, o in molti casi aumentando, l'affidabilità dei sistemi tradizionali.

Autore: di Ramon Ciurans, responsabile del progetto UPS R&D presso SALICRU