Power Quality : La Qualità dell'Energia Elettrica

Le Armoniche negli impianti elettrici : cosa sono e come si creano

Cosa sono le Armoniche

Le Armoniche sono Correnti elettriche o Tensioni elettriche sinusoidali che hanno una frequenza pari a un multiplo intero della frequenza del sistema di distribuzione ( 50Hz in Italia ) , denominata frequenza fondamentale. Esse, sovrapponendosi rispettivamente alla Corrente Fondamentale e alla Tensione Fondamentale provocano la distorsione della forma d’onda.

Quando si alimenta un’apparecchiatura elettrica in alternata, ci si aspetta che essendo la tensione di forma sinusoidale, anche la corrente assorbita dal carico sia sinusoidale; ciò però, purtroppo, è vero solo per alcuni tipi di carichi che sono detti carichi lineari , ovvero quei carichi dove la relazione che lega l’ingresso e l’uscita (e quindi tensione e corrente), sia rappresentata da una retta. Oggi invece, con l’avvento di nuove tecnologie nell'industria , nel terziario e anche in ambito civile , è sempre più diffusa la presenza di un’altra tipologia di carichi, che sono detti carichi non lineari nei quali la relazione tra corrente e tensione non è più rappresentata da una retta.

La causa principale delle armoniche risiede proprio nel fatto che nella maggior parte degli impianti si fa uso di apparecchiature che utilizzano l’Elettronica di Potenza ( Carichi Non Lineari ) , come Inverter , UPS , macchine a controllo numerico. In generale, la rete fornisce un’alimentazione di 50/60 Hz di tensione sinusoidale e la forma d’onda della corrente fornita dalla sorgente in risposta al fabbisogno del carico, dipende dal tipo di carico :

- in caso di carichi lineari, la corrente assorbita è sinusoidale e ha la stessa frequenza della tensione ( può essere al massimo sfasata di certo angolo ø rispetto alla tensione , detto sfasamento e determinando un altro problema di qualità dell'energia elettrica . Lo sfasamento deve essere infatti contenuto entro certi valori : il fattore di potenza , che si calcola come cosø deve essere sopra il valore 0.9 , altrimenti l'ente erogatore può applicare una penale in bolletta ) ; la legge di Ohm stabilisce un rapporto lineare tra la Tensione e la Corrente ( V=R*I ) con un coefficiente costante , ovvero l’impedenza del carico;
- nel caso di carichi non lineari, la corrente assorbita dal carico è periodica ma non sinusoidale: in tal caso la forma d’onda della corrente è distorta dalle correnti armoniche. In questo caso l’impedenza del carico varia nel singolo periodo e il rapporto tra la corrente e la tensione non è lineare. La corrente assorbita dal carico sarà data da una combinazione di :

1.Una corrente sinusoidale denominata fondamentale, alla frequenza di 50/60 Hz

2. Armoniche, ossia correnti sinusoidali con un’ampiezza minore di quella della fondamentale, ma con frequenza che è un multiplo della fondamentale e che definisce l’ordine armonico.

Le armoniche generate dai carichi non lineari generano 3 tipi di correnti armoniche, tutte di ordine dispari ( la sinusoide è una funzione dispari ) ovvero:

1. Armoniche H7-H13 - Sequenza Positiva
2. Armoniche H5-H11 - Sequenza Negativa
3. Armoniche H3-H9 - Omopolari

Importante porre l’accento sul fatto che le correnti armoniche omopolari ( H3 e multipli dispari, scritte 3*(2k+1) con k numero intero ) , nei sistemi trifase si sommano nel conduttore di neutro e ciò è dovuto al fatto che il proprio ordine 3*(2k+1) è multiplo del numero di fasi, ossia coincidono con lo spostamento delle correnti di fase (1/3 di periodo).

Ciò permette di esprimere un’importante considerazione, ovvero che quando non ci sono armoniche la corrente nel neutro è uguale a 0; quando ci sono le armoniche , la corrente nel neutro è uguale a: I1+I2+I3=3 I H3 e per questo nei casi di impianti elettrici con neutro distribuito bisogna prestare particolare attenzione alle armoniche di questo tipo.

[ Autore : Vincenzo Ronca - Perito Industriale Spec. Elettrotecnica e Automazione ]

Read more...

Le armoniche nella rete elettrica : problemi e soluzioni. I filtri attivi e passivi per le armoniche.

Che Problemi creano le Armoniche negli Impianti Elettrici

I principali problemi che possono creare le armoniche negli impianti elettrici sono:

  • Perdita di Potenza Apparente
  • Riscaldamento dei Cavi e delle varie connessioni ( effetto Joule causato dalle singole armoniche di corrente )
  • Presenza di Corrente nel Neutro ( Riscaldamento e Perdite )
  • Inquinamento nell’Impianto Elettrico: la distorsione in corrente THDI introduce a sua volta una distorsione in tensione THDU; la tensione di sbarra pertanto, risulta deformata - per cui tutte le utenze collegate sono alimentate a loro volta da una tensione deformata con conseguenti malfunzionamenti.
  • Rischio di Rottura dei condensatori ; la corrente è pari a: I= UCω; con corrente armonica di classe k avremo: ω=2πkf per cui I= 2πkfUC per cui per una qualsiasi frequenza si può avere un effetto di risonanza tra la capacità C con l’Induttanza L dell’impianto con conseguente aumento della corrente.
  • Problemi nei Trasformatori : riduzione della Potenza,aumento delle perdite a vuoto,aumento delle perdite a carico,aumento rumore
  • Problemi nei Motori : Aumento delle perdite per Effetto Joule nello Statore , presenza di coppie pulsanti
  • Interventi Intempestivi di relè di protezione
  • Interventi intempestivi di interruttori
  • Allarmi Generici ed immotivati su utenze sensibili
  • Disturbo su rete Dati
  • Blocco di apparecchiature elettroniche
  • Errate misure di grandezze elettriche : particolare attenzione all’utilizzo dei contatori per la misura dell’energia scambiata e dell’energia generata in caso di impianti di produzione da fonti rinnovabili ( fotovoltaico , eolico , biomasse , ecc. )
  • Costi aggiuntivi , per tutti i motivi sopra elencati. 

Come si Risolvono i problemi inerenti le Armoniche negli Impianti Elettrici

Le strategie per ridurre o addirittura eliminare le armoniche negli impianti elettrici possono essere di due tipi:

1. Accettare la presenza delle armoniche e quindi sovradimensionare le apparecchiature, in modo particolare raddoppiare la sezione dei cavi e raddoppiare la potenza della sorgente

2. Eliminare parzialmente o totalmente le armoniche utilizzando filtri o compensatori attivi. A tal proposito si possono utilizzare:

A. FILTRI PASSIVI LC

I filtri passivi LC sono dimensionati ( scelta dei valori di L e C ) per essere sintonizzati sulla frequenza da eliminare o  su una banda di frequenze da attenuare. Presentano però due svantaggi ovvero : l’eliminazione delle armoniche è efficace solo per l’impianto specifico, quindi l’aggiunta e la rimozione di carichi potrebbe compromettere il sistema di filtraggio ,  inoltre è spesso difficile implementare tali filtri in un impianto esistente.

B. FILTRI ATTIVI O COMPENSATORI ATTIVI DI ARMONICHE

I filtri attivi, detti anche compensatori attivi di armoniche eliminano le armoniche iniettando correnti armoniche uguali e contrarie nel momento in cui si verifica la presenza di armoniche stesse. Tale tipo di filtro agisce in tempo reale ed è più efficace e flessibile rispetto ai filtri passivi e in più è facilmente adattabile. Trattandosi di un dispositivo complesso ha ovviamente un costo maggiore , soprattutto al crescere della potenza dell'impianto da filtrare ( in foto , i filtri attivi serie Accusine della APC - gruppo Schneider Electric ).

C. FILTRI OMOPOLARI

I filtri omopolari hanno il compito di filtrare le armoniche omopolari di classe 3, permettendo un riequilibrio delle correnti di fase .

[ Autore : Vincenzo Ronca - Perito Industriale Spec. Elettrotecnica e Automazione ] 

Read more...

I fondamenti matematici per capire le armoniche : serie di Fourier , spettro e distorsione armonica totale THD

Dopo l'articolo di introduzione sulle armoniche negli impianti elettrici , in questo approfondimento cercheremo di illustrare le basi matematiche che stanno dietro la trattazione e alcune definizioni riguardanti le armoniche stesse.

Gli strumenti matematici che stanno alla base di tutta l'analisi armonica sono il teorema di Fourier e la serie di Fourier. Ricordiamo che il problema delle armoniche negli impianti elettrici è dato da una deformazione della forma d'onda della corrente e della tensione  , deformazione dovuta alla presenza di carichi non lineari , rispetto alla forma d'onda perfettamente sinusoidale che ci aspetteremmo nel caso ideale di carichi lineari . La forma d'onda resta comunque periodica , ovvero è rappresentata da una funzione f(t) tale che f(t+T)=f(t) dove T è il appunto il periodo . Dal periodo T si ricava la pulsazione come ω = 2π/T .

Ora il teorema di Fourier ci dice che una funzione periodica di periodo T e di pulsazione ω può sempre essere scomposta in una serie infinita di funzioni sinusoidali , detta appunto serie di Fourier . Esistono diverse forme per la serie di Fourier , quella adottata in elettrotecnica è la forma polare , che associa a ciascuna sinusuoide un'ampiezza Yn e una fase Φn .

La serie di Fourier , in questa forma , è descritta dalla formula seguente : 

y(t) = Y0 + Σn=1n=∞ Yn * sen ( n*ω*t - Φ)

Andando a rappresentare su un grafico in cui sulle ascisse c'è la pulsazione o frequenza di ciascuno dei termini di tale serie ( che essendo ωn=n*ω è un multiplo della pulsazione della fondamentale ω ) e sulle ordinate sono riportate le ampiezze Yn si ottiene il cosiddetto spettro di ampiezza. Analogamente riportando sulle ordinate le fasi Φn si ha lo spettro di fase .

Osservando lo spettro di ampiezza , sia della tensione che della corrente , si hanno notevoli informazioni sulla presenza delle armoniche e sulla qualità dell'energia nell'impianto considerato : nella situazione ideale di tensione e corrente perfettamente sinusoidale , infatti , l'unica componente con ampiezza non nulla è Y1 , detta armonica fondamentale o prima armonica. Viceversa , più la qualità dell'energia è distorta o inquinata , più le ampiezze delle armoniche successive saranno presenti e di valore non trascurabile.

Un parametro che fornisce subito una valutazione della presenza delle armoniche mediante un valore numerico , quindi con un contenuto informativo meno vario ma più sintetico e di notevole importanza per i riferimenti normativi , è la distorsione armonica totale THD , che viene calcolata come :

THD = ( √ Σn=2n=∞ Yn2 ) / Y1

In pratica si tratta di una misura dei valori efficaci delle armoniche di ordine da 2 a ∞ comparate rispetto al valore efficace fondamentale. Notare che in caso di assenza di armoniche il THD è nullo.

A seconda che le ampiezze siano di tensione o corrente si ottiene la distorsione armonica totale di tensione 

THDV = ( √ Σn=2n=∞ Vn2 ) / V1

e la distorsione armonica totale di corrente 

THDI = ( √ Σn=2n=∞ In2 ) / I1 .

Una classificazione della qualità dell'energia in base ai valori di THDI e THDV può essere la seguente :

- valori di THDinferiori al 10% possono ritenersi accettabili
- valori di THDcompresi tra il 10% e il 50% caratterizzano una distorsione non indifferente che può creare problemi e deve determinare nei progettisti particolari accorgimenti , come il sovradimensionamento dei conduttori
- valori di THDI superiori al 50% determinano una distorsione armonica molto forte e necessitano da parte del progettista di mettere in atto le soluzioni affrontati nell'articolo sulla riduzione delle armoniche ( filtri passivi o attivi a seconda della casistica ).

La distorsione in tensione ha invece limiti di tolleranza decisamente inferiori :

- valori di THDinferiori al 5% possono ritenersi accettabili
- valori di THDcompresi tra il 5% e l'8% caratterizzano una distorsione non indifferente che può creare problemi e deve determinare nei progettisti particolari accorgimenti , come il sovradimensionamento dei conduttori
- valori di THDV superiori all'8% determinano una distorsione armonica molto forte e necessitano di filtraggio .

 

Read more...

ENG Service - ENerGy & ENGineEriNG
Indirizzo: Monte San Vito (AN) - Ufficio Commerciale H24: (+39) 333 2527289 - Email info@ingegneria-elettronica.com

Questo sito utilizza cookie tecnici e di profilazione propri e di terze parti per le sue funzionalità e per inviarti pubblicità e servizi in linea con le tue preferenze. Se vuoi saperne di più clicca qui.
Chiudendo questo banner, scorrendo questa pagina o cliccando qualunque suo elemento acconsenti all’uso dei cookie.