L'alimentazione in corrente alternata (Ac Power) trifase è comunemente utilizzata per fornire energia ai data center e agli edifici commerciali e industriali in cui si usano macchinari ad alto consumo energetico. Ci sono motivi validi per questo: l'alimentazione trifase consente di ottenere più potenza e ha un'efficienza maggiore rispetto a quella monofase. L'alimentazione monofase è quella che si usa normalmente per la maggior parte delle applicazioni domestiche e commerciali leggere, come l'illuminazione e gli elettrodomestici. In questa sezione ne spieghiamo i motivi e vediamo le differenze fondamentali tra i sistemi di alimentazione monofase e trifase.
Perché abbiamo bisogno dell'alimentazione trifase
La capacità di erogare una potenza sempre maggiore è particolarmente importante, perché nei data center e nelle server room la densità è in aumento. Oggi si installano sistemi informatici più potenti negli stessi spazi dove un tempo c'erano server che assorbivano una frazione dell'energia elettrica richiesta dai computer e dalle reti attuali.
Non molto tempo fa un rack IT da 10 server assorbiva in tutto cinque kilowatt (kW) di potenza; Oggi lo stesso rack può contenere decine di server che insieme assorbono 20 o 30 kW. A questi livelli ovviamente si privilegia l'efficienza, perché anche una piccola riduzione percentuale del consumo energetico comporterà un significativo risparmio di denaro, nel tempo.
Un altro problema è costituito dai cavi. Pensiamo a un rack da 15 kW. Con un impianto di alimentazione monofase da 120 V in alternata (VAC), per alimentare il rack sono necessari 125 ampere, il che richiederebbe un filo con un diametro di circa 6 mm (AWG 4): troppo grosso per un utilizzo agevole (per non parlare dei costi). L'alimentazione trifase è più efficiente, quindi consente di ottenere la stessa potenza (o una potenza superiore) utilizzando un cavo più piccolo. Per alimentare lo stesso rack da 15 kW con la trifase sono necessari tre fili in grado di supportare 42 ampere (AWG 10), con dimensioni molto minori (ciascuno con un diametro inferiore a 2,5 mm).
Descrizione dell'alimentazione monofase
Cos'è quindi l'alimentazione trifase, esattamente? E dove è opportuno usarla?
Prima di approfondire questo argomento, esaminiamo l'alimentazione monofase.
L'alimentazione monofase utilizza un sistema a tre fili, in cui uno è in tensione, uno no e il terzo serve per la messa a terra. Nell'alimentazione in corrente alternata (AC Power), la corrente e la tensione si invertono ciclicamente, scorrendo in una direzione sul filo in tensione per fornire alimentazione al carico e nella direzione opposta sul neutro. Un ciclo completo comporta un'inversione delle fasi a 360 gradi e la tensione si inverte 50 o 60 volte al secondo, a seconda del sistema in uso nelle diverse aree del mondo. In Nord America, il ciclo si ripete 60 volte al secondo, ovvero 60 hertz (Hz).
È importante sottolineare che sui due fili il segnale di corrente è sempre opposto di 180 gradi. Per visualizzarlo possiamo pensare alla corrente elettrica come a un'onda (tecnicamente è un'onda sinusoidale) con frequenza e ampiezza definite. Durante ogni ciclo le onde su ciascun filo assumono per due volte, contemporaneamente, un valore di ampiezza pari a zero (Figura 1). In questi istanti non viene erogata alimentazione al carico.
Figura 1
Queste brevissime interruzioni dell’erogazione sono impercettibili nelle applicazioni per edifici residenziali e commerciali, come gli uffici, ma hanno conseguenze significative per i motori di grandi macchinari oppure per i computer e altre apparecchiature IT.
Approfondimenti sull'alimentazione trifase
Come suggerisce il nome, i sistemi di alimentazione trifase erogano tre correnti distinte, ciascuna separata dalle altre di un terzo del tempo necessario per completare un ciclo. Tuttavia, rispetto alla monofase, in cui la corrente su ciascun filo in tensione è sempre separata di 180 gradi, nel caso della trifase, le correnti sono separate di 120 gradi.
Nella Figura 2, di seguito, vedremo che quando la corrente di un filo è al suo valore di picco, le altre due non lo sono. Ad esempio, quando la fase 1 raggiunge il picco positivo, le fasi 2 e 3 sono entrambe a -0,5. Questo significa che a differenza di quanto avviene con la corrente monofase non ci sono istanti in cui il carico non riceve l'alimentazione: Nelle sei diverse posizioni di ciascuna fase, la corrente di uno dei fili sarà in posizione di picco positivo o negativo.
Ai fini pratici questo comporta che la quantità complessiva di energia fornita dalle tre correnti rimane costante: non si hanno picchi e vuoti ciclici, come nel caso della monofase.
I computer e molti motori per macchinari pesanti sono progettati tenendo conto di questo: possono assorbire un flusso stabile di potenza costante, anziché dover gestire la variazione intrinseca della potenza che si ha nel caso della corrente monofase. Consumano quindi meno energia.
Una possibile analogia è questa: pensiamo a un motore monocilindrico rispetto a un motore a tre cilindri. Entrambi si basano su un modello a quattro tempi (aspirazione, compressione, alimentazione, scarico). Nel monocilindrico si ottiene potenza solo in un ciclo ogni quattro corse del cilindro, quindi l'erogazione è piuttosto irregolare. Un motore a tre cilindri fornirà potenza in tre fasi alternate (a 120 gradi di distanza l'una dall'altra), per un'erogazione più fluida, costante ed efficiente.
Figura 2
Vantaggi dell'alimentazione trifase
Tra i vantaggi dell'alimentazione trifase c'è la capacità di fornire una potenza quasi doppia rispetto ai sistemi monofase senza dover raddoppiare il numero di fili. Non è tre volte più potente, come ci si potrebbe aspettare, perché generalmente nella pratica si prende un filo in tensione e la si collega a un altro filo in tensione.
Per capire in che modo la trifase eroga più potenza sono necessari alcuni calcoli. La formula per ricavare la potenza nel caso dell'alimentazione monofase è Potenza = Tensione (V) x Corrente (I) x Fattore di potenza (PF). Se ipotizziamo che il carico collegato al circuito sia solo resistivo, il fattore di potenza è unitario (vale uno), quindi la formula si riduce a P = V x I. Considerando un circuito a 120 volt che supporta fino a 20 ampere, la potenza è di 2.400 watt.
La formula per calcolare la potenza di un circuito trifase è Potenza = Tensione (V) x Corrente (I) x Fattore di potenza (PF) x radice quadrata di tre. Se ipotizziamo che il carico collegato al circuito sia solo resistivo, il fattore di potenza è unitario (vale uno), quindi la formula si riduce a P = V x I x radice quadrata di tre. Considerando un circuito trifase a 120 volt, con ogni fase che supporta 20 ampere, la formula sarà 120 volt x 20 ampere x 1,732 = 4.157 watt. Ecco come un sistema trifase può fornire una potenza quasi doppia rispetto a un circuito monofase. Questo è un esempio semplificato, ma può aiutare a valutare la potenza aggiuntiva resa disponibile da circuiti che supportano tensioni superiori (ad esempio 208 o 480 volt) o correnti maggiori (ad esempio 30 ampere o più).
È un vantaggio significativo, quando si devono alimentare dei rack di apparecchiature IT. Mentre una volta era normale applicare l'alimentazione monofase direttamente ai rack, con l'aumentare delle densità nei rack IT questa soluzione diventa più complicata e meno pratica. Tutti i cavi, i conduttori e le prese sono più grandi e più costosi, oltre che più difficili da gestire.
Applicare l'alimentazione trifase al rack del server consente di utilizzare cavi e altri componenti meno costosi, fornendo al tempo stesso più potenza. Occorre però prestare attenzione ai carichi di ciascun circuito, affinché siano bilanciati e non superino la capacità del circuito.
Per ulteriori informazioni sull'alimentazione trifase e sui suoi vantaggi è possibile visitare la pagina: https://www.vertiv.com/en-us/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups.