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Perché scatta l'interruttore. Differenziale e magnetotermico "for dummies"

Perché nel bel mezzo delle nostre faccende domestiche ci troviamo senza corrente elettrica per l'intervento di un interruttore ? Questo articolo ha carattere divulgativo e il suo intento è spiegarlo ai neofiti e a chi non ha conoscenze di elettrotecnica e impianti elettrici .  

Iniziamo col dire che i meccanismi di intervento degli interruttori sono di tre tipologie e ciascun meccanismo interviene per una causa diversa : i meccanismi sono la protezione termica , la protezione magnetica e la protezione differenziale ; le cause di intervento sono rispettivamente il sovraccarico , il cortocircuito e guasto verso terra ( o dispersione verso terra ).

I due meccanismi termico e magnetico sono ormai quasi sempre raccolti in un unico interruttore , detto appunto interruttore magnetotermico ; l'intervento differenziale può invece essere deputato a un interruttore singolo ( interruttore differenziale , volgarmente detto salvavita ) che può essere accoppiato sulla barra DIN del quadro elettrico al magnetotermico ( dando luogo all'interruttore magnetotermico-differenziale ) oppure essere prodotto direttamente in fabbrica con tutti e tre i meccanismi di protezione.

Un differenziale privo di magnetotermico , ma predisposto per accoppiamento con un magnetotermicoFigura : un esempio di differenziale privo di magnetotermico , ma predisposto per essere accoppiato ad un magnetotermico 

Vediamo nel dettaglio questi tre meccanismi di protezione , associandoli alle cause che ne determinano l'intervento :

1) la protezione termica interviene in caso di sovraccarico. E' la classica situazione che capita quando si superano i 3kW perché si collegano contemporaneamente forno , lavatrice e lavastoviglie e interviene l'interruttore automatico sul quadro elettrico o sul contatore . In questo articolo di approfondimento viene spiegato il concetto di selettività : in un impianto ben progettato con scelta di interruttori di diverse correnti nominali e tipologie , non dovrebbe intervenire l'interruttore generale o addirittura il magnetotermico del contatore ENEL , ma viene scollegata solo la linea delle prese in cui sono collegati questi elettrodomestici ( spesso chiamata linea FM , Forza Motrice ) .

Se il sovraccarico persistesse per troppo tempo , senza venire interrotto nei tempi opportuni , potrebbero intervenire fenomeni di surriscaldamento per effetto Joule dei cavi , delle prese e di altri componenti dell'impianto elettrico dimensionati per correnti inferiori a quella di sovraccarico , con rischio di danni e soprattutto di principi di incendio. L'intervento non è comunque immediato e la curva di intervento della protezione termica determina per quanto tempo una certa corrente di sovraccarico può essere tollerata. In generale :

- più è alta la corrente di sovraccarico e prima interviene la protezione , più lieve è il sovraccarico e più tardi interviene la protezione ;
- conoscere i tempi di tolleranza del sovraccarico permette di scegliere interruttori più o meno "reattivi" nell'intervenire. Ci sono infatti diverse curve di intervento , che determinano diverse tipologie di magnetotermici : la curva C è la più comune , la curva B è quella che determina tempi di intervento inferiori , la curva D è quella che determina tempi di intervento maggiori , da utilizzare quando si è a conoscenza di carichi che prevedono sovraccarichi "fisiologici" che non determinano malfunzionamenti e surriscaldamenti pericolosi ( il caso più immediato sono i motori e tutti i carichi di tipo induttivo che prevedono una fase di spunto all'avvio ).

2) molto inferiori sono invece i tempi di intervento della protezione magnetica , perché diversa è la causa : un cortocircuito deve essere interrotto nel minor tempo possibile. A differenziare gli interruttori magnetotermici rispetto al cortocircuito è il potere di interruzione , che possiamo intuitivamente spiegare come la corrente di cortocircuito per cui l'interruttore garantisce l'apertura del cortocircuito ( per una definizione più tecnica di potere di interruzione vedere l'articolo di approfondimento ) . La corrente che si verifica in caso di cortocircuito dipende dalla distanza dal trasformatore MT/BT e dalla potenza di tale trasformatore ( in caso di impianti alimentati da gruppi elettrogeni o da impianti fotovoltaico dipende dalle caratteristiche dalla fonte di energia ) : in ambito civile valori tipici dei poteri di interruzione sono 4.5 kA o 6 kA , solo in caso di abitazioni molto vicine alla cabina di trasformazione dell'ente distributore può essere necessario ricorrere a interruttori magnetotermici da 10 kA.

3) la protezione differenziale , infine , interviene in caso di correnti di guasto verso terra cioè correnti di dispersione verso terra. Queste correnti possono far assumere tensioni pericolose a masse metalliche , mettendo a rischio la vita di eventuali persone che dovessero toccare queste masse . Compito del salvavita è quindi è interrompere questi guasti entro sensibilità di tempo e corrente che non siano pericolosi per il corpo umano ( per approfondire la pericolosità della corrente elettrica per l'uomo suggeriamo questo articolo ) : valori tipici della corrente differenziale nei salvavita domestici sono 30mA e 10mA ( più è bassa questa corrente e più il differenziale si dice ad alta sensibilità ) .

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Monitoraggio energetico con domotica e building automation

Il monitoraggio energetico è un'esigenza sempre più necessaria sia per le imprese che per gli edifici , privati e pubblici , tanto che per incentivare il risparmio energetico sono stati introdotti gli obblighi della diagnosi energetica dal legislatore , come spiegato in un altro articolo in questo sito.

In questo senso , sia in ambito civile che industriale che terziario , sono di notevole importanza la domotica e la building automation che stanno trasformando gli edifici in fabbriche intelligenti ( smart factories e industria 4.0 ) e in case intelligenti ( smart home ). La possibilità di posizionare sul campo moduli di misurazione e monitoraggio collegati tramite bus a sistemi di elaborazione e monitoraggio dotati di appositi software , rendono questa operazione quasi naturale e molto meno costosa rispetto ad un intervento "da zero".

Vediamo quindi una panoramica delle soluzioni offerte dai principali costruttori e integratori di sistemi elettrici e di building automation .

ABB : ABB propone interessanti soluzioni sia in ambito industriale/aziendale su protocolli Modbus RTU, TCP e SNMP v1, 2 e 3 , sia in ambito civile / terziario su protocolo KNX :

1) Il sistema ABB per il monitoraggio energetico a servizio delle industrie e del grande terziario si chiama CMS 700 , in cui l'acronimo sta per Circuit Monitoring System . Attraverso una unità di controlllo con webserver integrato permette di monitorare fino a 96 sensori , di facile installazione , sia per via dei molteplici protocolli di comunicazione utilizzati , sia perché i sensori si possono fissare direttamente ai cavi o montare su interruttori esistenti ABB , non necessitando quindi di modificare i cablaggi dei quadri elettrici.

Ogni sensore permette di monitorare una linea , quindi per raccogliere correnti ed energie di linee monofase è sufficiente un solo sensore , mentre per le linee trifasi sono necessari 3 sensori. Il webserver permette di interrogare da remoto i dati di monitoraggio e integrarli con sistemi di gestione e controllo. In questo modo CMS 700 è ideale per il monitoraggio energetico di industrie , piccolo e medio terziario , centri commerciali / direzionali e ospedali.

Eccellente anche la comunicazione e la presentazione del prodotto , il cui funzionamento può essere compreso in anteprima tramite appositi video formativi sul canale Youtube di ABB.

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2) Il sistema ABB per il monitoraggio e controllo dei carichi in ambito di domotica e building automation , basato su standard KNX , ha invece applicazioni più nel settore civile e terziario e permette non solo il monitoraggio , ma anche una logica di controllo dei carichi che permette di agire direttamente sul risparmio energetico , non solo elettrico ma anche di gas , acqua e sistemi di riscaldamento.

Sono infatti presenti moduli "Energy Analyzer" e di "Monitoraggio carichi" , che in base a logiche di controllo impostate in fase di programmazione , permette non solo di monitorare lo stato di controllo ma anche di inserire e disinserire i carichi attraverso gli attuatori.

Tra i prodotti , citiamo gli Energy Analizer QA/S3.16.1 , QA/S3.64.1 , QA/S4.16.1 , QA/S4.64.1 , il modulo di monitoraggio carichi EM/S3.16.1 e il modulo di interfaccia ZS/S1.1 , che raccoglie i valori di energia e li invia sul bus sotto forma di telegrammi KNX . 

3) Schneider Electric : Il sistema di monitoraggio di Schneider Electric si chiama PowerLogic ed è composto da un'ampia gamma di strumenti :

3A) Software di monitoraggio Power Management System , disponibile sia nella versione per installazione su PC e Server , denominata PowerExpert , che può generare report e indicatori di performance per chi si occupa di gestione dell'energia e contabilità in azienda che nella versione SCADA ( PowerScada ) , con tutti i vantaggi del monitoraggio real time sul campo.

3B) Ad interfacciare i sistemi di monitoraggio con i dispositivi da campo sono i Gateway come Link150 , su rete ethernet , PowerLogic Comx che permette di integrare nello stesso dispositivo un Energy Server e un datalogger , il PowerLogic G3200 , un gateway che si appoggia al protocollo Modbus , molto diffuso nella comunicazione in ambito di automazione industriale.

3C) Venendo ai dispositivi terminali abbiamo :

- gli strumenti di misura multifunzione , come i multimetri delle serie PowerLogic PM3200 , PowerLogic PM5000 e PM5300R
- i contatori di energia trifase , come gli iEM2000 e iEM3000 o il PowerTag
- strumenti di misura multifunzione , con analisi anche della Power Quality ( armoniche , sovratensioni , buchi di tensione ) : il PowerLogic PM8000 per l'analisi base della qualità dell'energia e l'ION8800 per l'analisi avanzata.

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Cos'è la diagnosi energetica o Audit Energetico : definizioni e normative

La diagnosi energetica o audit energetico , viene definito dalla legislazione italiana , attraverso il Decreto Legislativo nr.102 del 4 Luglio 2014 , come "una procedura sistematica volta a fornire un'adeguata conoscenza del profilo di consumo energetico di un edificio o gruppo di edifici, di una attivita' o impianto industriale o di servizi pubblici o privati, ad individuare e quantificare le opportunita' di risparmio energetico sotto il profilo costi-benefici e riferire in merito ai risultati " .

Secondo tale definizione , quindi , l'oggetto di una diagnosi energetica può essere un edificio ( pubblico o privato ) o un'attività industriale o di servizi. I riferimenti normativi che definiscono obblighi e prescrizioni riguardo alla diagnosi energetica , sono i seguenti , tra cui appunto il decreto sopra citato:

1) il D.Lgs 102 del 4 Luglio 2014 riguarda le grandi imprese o le imprese energivore . Tale decreto legislativo , che recepisce la Direttiva Europea 2012/27/UE , obbliga le grandi imprese e le imprese a forte consumo di energia a redigere una diagnosi energetica almeno ogni 4 anni a partire da Dicembre 2015 o in alternativa a certificarsi ai sensi della norma ISO 50001 . La diagnosi energetica deve essere svolta da una Energy Service Company( ESCO ) o da un Esperto in Gestione dell'energia certificato ( EGE ). Sulla definizione di ESCO ed EGE , come su quella delle grandi imprese , imprese a forte consumo di energia , rimandiamo al nostro glossario in fondo all'articolo .

2) La Legge nr. 90 del 2013 e i suoi decreti attuativi , del 26 Giugno 2015 , riguardano gli edifici e il cosiddetto APE ( Attestato di Prestazione Energetica ) degli stessi , che viene spesso indicato con APE 2015 , per distinguerlo dall'attestato richiesto prima di tale data , molto meno stringente. I decreti attuativi in particolare sono tre e riguardano Requisiti minimi , Certificazione Energetica e Relazione tecnica. Nel decreto Requisiti minimi si specifica che la diagnosi energetica è necessaria in caso di ristrutturazione o di nuova installazione di impianti termici di potenza termica nominale del generatore maggiore di 100 kW .

3) per gli edifici pubblici o in uso alle pubbliche amministrazioni , l'obbligo di diagnosi energetica è stato introdotto molto prima. Infatti il Decreto Legislativo nr. 115 del 30 maggio 2008 prevede l'obbligo della diagnosi energetica sia nel caso di ristrutturazione degli impianti termici , sia in caso di ristrutturazione edilizia che coinvolga almeno il 15% dell'edificio.

Soprattutto con riferimento alle attività del punto 1 , riguardanti le imprese , l'audit energetico consiste nella raccolta e analisi dei dati di consumo energetico , sia tramite lo studio delle fatture o bollette di energia elettrica , gas e acqua , sia tramite rilievi e installazione di strumenti di misura ove non presenti. In base a questa analisi viene stilato un piano di azione , che può consistere nella sostituzione di apparecchiature ( parti dell'impianto termico o elettrico ) , modifiche strutturali per ridurre la dispersione e/o il cambio di gestore della fornitura di energia elettrica e gas. Il risparmio energetico così prospettato deve tradursi anche in un risparmio economico che permetta di ammortizzare e recuperare i costi dell'audit energetico e deve poi essere verificato nuovamente mediante monitoraggio e raccolta dati.

Glossario e riferimenti :

E.S.Co ( clicca sul link per andare alla voce del glossario ) 

EGE ( clicca sul link per andare alla voce del glossario )

Grande Impresa : la definizione di grande impresa , che determina l'obbligo di redigere l'audit energetico ogni 4 anni ( se non certificata ISO 50001 ) , è data dal Ministero dello Sviluppo Economico ( MISE ) . In base all'ultima definizione , risalente al 2016 , un'impresa rientra in tale categoria se occupa più di 250 persone e se ha un fatturato superiore a 50 milioni di euro o un bilancio totale superiore a 43 milioni di euro.

Impresa energivora : anche la definizione di Impresa a forte consumo di Energia o Impresa Energivora viene fornita dal MISE . In base all'ultimo aggiornamento , le imprese energivore sono quelle che consumano almeno 2.4 GWh o sono caratterizzate da un'incidenza tra costo dell'energia e fatturato pari o superiore al 3% .

Bibliografia e testi per approfondire :

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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 .

 

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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 ] 

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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 ]

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Il motore a collettore in corrente continua : com'è fatto e come funziona

Con motore in corrente continua si è soliti indicare una macchina elettrica a collettore in corrente continua funzionante come motore, in grado cioè di trasformare energia elettrica in energia meccanica ; la stessa macchina può comunque funzionare anche come dinamo, quando riceve potenza meccanica (ad esempio trainata da un altro motore) e restituisce potenza elettrica, e come freno , quando riceve sia energia elettrica che meccanica e le dissipa sotto forma di calore.

Nella sezione di una macchina in corrente continua a collettore possiamo individuare tre parti costitutive , come evidenziato nel disegno a fondo pagina ( figura 1 ) :

1. Lo statore (in verde in figura 1 ), solitamente realizzato in ferro omogeneo, che con le sue espansioni polari (due in figura ) deve generare un campo magnetico il più possibile uniforme. Nei motori in corrente continua i poli Nord e Sud sono ottenuti avvolgendo sulle espansioni un circuito di eccitazione percorso dalla corrente di eccitazione Ie ; nei motori a magneti permanenti l’avvolgimento di eccitazione non è presente, perché lo statore è costituito appunto da una calamita e quindi è possibile controllare il motore solo sulla tensione o sulla corrente di armatura.

2. Il rotore (in rosa in figura 1 ), che è invece in ferro lamellare : le lamelle sono separate da un isolante per aumentare la resistenza elettrica e diminuire quindi le correnti parassite indotte per magnetizzazione. Nel rotore sono ricavate delle cave su cui alloggiano i conduttori del circuito di armatura; si tratta di un’unica spira, opportunamente intrecciata in modo che le correnti entranti e uscenti si sistemino rispetto all’asse delle spazzole come indicato in figura 1: tutte le correnti entranti a destra dell’asse e tutte le correnti uscenti alla sinistra.

3. Il collettore ( in celeste in figura 1 ), le cui spazzole realizzano un contatto strisciante con le lamelle di terminazione dei conduttori del rotore; le spazzole sono in grafite e le lamelle in ferro dolce, così che si usurino solo le prime, meno costose e più semplici da sostituire.

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Ridurre lo spunto dei motori elettrici : Stella/triangolo , soft starter , inverter , reostati e reattanze

Uno dei principali problemi nell'utilizzo industriale dei motori elettrici , soprattutto quelli asincroni trifase che sono tra i più diffusi , è la corrente di spunto . Infatti all'avvio del motore ( e in ogni transitorio che preveda fasi ON/OFF ) il motore assorbe una corrente che può arrivare anche a 8:10 volte la corrente a regime , a seconda delle caratteristiche del motore e della macchina su cui è montato , che può prevedere un avvio a vuoto o parzialmente sotto carico.

Questo può determinare diversi problemi al sistema che eroga la potenza al motore : dimensionamento delle linee e degli interruttori ( che possono aprire il circuito se le curve dei magnetotermici non sono adatte a certi sovraccarichi ) , necessità di impegnare una potenza maggiore con l'ente erogatore ( quota fissa in bolletta ) o , nel caso il motore sia alimentato in condizioni ordinarie o di emergenza da un generatore elettrico , anche l'impossibilità di avviare il l'apparecchiatura che utilizza il motore ( compressore , pompa , condizionatore , ecc )  se la potenza meccanica del gruppo elettrogeno è inferiore alla potenza richiesta allo spunto.

Per tutti questi motivi , sono stati studiati diversi metodi più o meno elaborati per ridurre il coefficiente di spunto del motore. Vediamone alcuni :

1) Impedenze variabili ( resistenze o reattanze variabili ) :

- nei motori a rotore avvolto , potendo accedere al circuito rotorico , viene inserito un reostato di avviamento in serie a ciascuna fase di tale circuito. Dimensionando opportunamente il valore di tale resistenza , si può ottenere anche un avvio con buoni valori della coppia motrice. Il reostato , completamente inserito al momento dell'avviamento mediante delle spazzole , verrà gradualmente disinserito , mentre il rotore accelera. Alla fine della manovra verrà ripristinato il cortocircuito agli anelli , sollevando le spazzole del circuito reostatico al fine di ridurre le perdite per attrito.

- nei motori in cui il rotore è in cortocircuito e non accessibile ( motori a gabbia semplice ) , non potendo accedere al circuito rotorico , vengono inserite delle impedenze statoriche che , con la loro caduta di tensione , limitano la tensione al motore. In questo modo viene però anche ridotta la coppia di avviamento , che viene aumentata gradatamente insieme alla tensione fino a disinserire i resistori ad avviamento terminato . I motori asincroni più diffusi sono quelli con rotore a gabbia semplice , in cui l'avvolgimento rotorico è costituito da sbarre collegate frontalmente da due anelli conduttori che determinano perennemente il corto circuito dell'avvolgimento.

Si è parlato genericamente di impedenze , perché si può ricorrere sia a resistenze che reattanze , ciascuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi :

- le resistenze causano perdite per effetto Joule
- le reattanze abbassano ulteriormente il fattore di potenza

Un esempio di reattanza trifase per avviamento motore ( fonte CTA SRL )
Un esempio di reattanza trifase per avviamento motore ( fonte CTA SRL )

2) Avviamento stella-triangolo :

anche l'avviamento con commutazione stella-triangolo rientra nelle tecniche di avviamento con riduzione della tensione. Infatti nel motore in cui le fasi statoriche sono collegate a stella , viene predisposto un commutatore che , alla partenza , li collega a stella . In questo modo :

- la tensione di alimentazione di ogni fase risulta √3 volte inferiore a quella con collegamento ordinario a triangolo
- la corrente di spunto si riduce di 1/3 rispetto a quella che si avrebbe con inserzione diretta ( collegamento a triangolo )
- anche la coppia motrice si riduce di 1/3

Come per i reostati , al termine della fase di avviamento , il commutatore torna nella posizione di regime , facendo in modo che le fasi statoriche tornino ad essere collegate a triangolo. L'avviamento stella triangolo ha avuto una grande diffusione prima dell'avvento dei dispositivi a semiconduttore come Softstarter e Inverter , perché è di semplice realizzazione ed è utilizzato per motori di media e piccola potenza , fino a qualche centinaio di kW.

3) Soft-Start : 

anche i softstarter ( detti anche avviatori statici ) rientrano tra le metodologie di avviamento che riducono la tensione rispetto all'avvio diretto , ma grazie all'impiego dei semiconduttori di potenza e spesso all'integrazione a bordo di dispositivi logici , permette il ricorso a tecniche più complesse dell'avviamento stella-triangolo o delle impedenze.

L'avviamento viene effettuato ad esempio con una rampa di tensione di cui si può programmare il valore iniziale , il tempo di accelerazione ( ascesa della rampa ) , la coppia iniziale. Questo permette un avviamento dolce e graduale che riduce lo stress meccanico e gli strappi. La stessa funzionalità può essere impiegata per la decelerazione , che impedisce arresti troppo bruschi del motore che possono essere svantaggiosi in diverse applicazioni come nastri trasportatori e pompe ( colpo d'ariete ). Altre funzionalità che integrano gli avviatori statici soft start sono :

- contattore di by-pass che esclude l'intero avviatore quando il motore è stato avviato , riducendo le perdite per effetto joule sui semiconduttori
- protezione termica del motore
- moduli di comunicazione bus per il controllo remoto

Il vantaggio dei softstart è anche quello di non essere eccessivamente costosi : per avere una panoramica dei prezzi in base alle potenze e alle funzionalità , consulta l'apposita sezione del nostro catalogo sugli azionamenti elettrici .


Un softstarter della Schneider Electric : sono ben visibili le regolazioni per la tensione iniziale e il tempo iniziale e finale della rampa 

4) Inverter :

il principio di avviamento dei motori asincroni con gli inverter è la tipologia decisamente più avanzata e quindi più costosa rispetto alle precedenti. Un inverter è infatti un convertitore statico di frequenza , pertanto il controllo dell'avviamento avviene modificando non solo la tensione ma anche la frequenza.

In un motore asincrono , infatti , la regolazione della velocità può essere realizzata variando la frequenza della tensione di alimentazione , perché la la velocità di rotazione del campo magnetico rotante varia proporzionalmente alla frequenza :

ns=60*f/p dove p è il numero di poli

In particolare , poiché la coppia del motore è proporzionale al rapporto tra la tensione e la frequenza [ CM≈K*(V/f) ] , potendo agire su entrambi questi parametri in modo da mantenere il rapporto più possibile costante , l'avviamento tramite inverter ha il grande vantaggio di poter effettuare un avviamento senza riduzione della coppia motrice.

Altri vantaggi sono che , essendo il convertitore un dispositivo elettronico che riceve in ingresso corrente alternata , la raddrizza e poi la trasforma nuovamente in corrente alternata di frequenza e tensioni diverse , all'ingresso il fattore di potenza è molto alto ( superiore a 0.9 ) e non è necessario rifasamento. Per contro , questa operazione comporta la generazione a monte di disturbi elettromagnetici sotto forma di armoniche , che vanno opportunamente filtrate per non portare ripercussioni alla rete dell'ente erogatore.

In generale il controllo dell'avviamento dell'avviamento di un motore asincrono tramite inverter può essere visto come un caso particolare di controllo della velocità : l'inverter viene impiegato in quelle applicazioni dove il controllo della velocità del motore deve essere tenuto sempre sotto controllo e , a differenza del softstart , non viene disinserito una volta terminato l'avviamento , ma il driver continua a fornire al motore i parametri di funzionamento.

Il controllo di velocità tramite inverter è un argomento molto più ampio e complesso del solo avviamento , così ampio che sarà trattato in una sezione a parte : si pensi ad esempio che oltre agli inverter che permettono il controllo V/f , detti inverter scalari , ci sono oggi sul mercato anche gli inverter vettoriali che oltre alle variabili tensione e frequenza permettono di controllare direttamente la coppia del motore , rendendo via via i motori asincroni concorrenziali coi motori in corrente continua nelle applicazioni di automazione industriale avanzata , dove è richiesta notevole precisione.

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Che cos'è un Esperto in Gestione dell'Energia , EGE

EGE è l'acronimo di Esperto in Gestione dell'Energia. La figura è prevista dalla norma UNI-CEI 11339 e per diventare Esperto in Gestione dell'Energia bisogna sostenere un esame presso il SECEM , Sistema europeo per la certificazione in energy management . Lo stesso SECEM permette poi di consultare il registro degli EGE suddivisi per regione , area di interesse ( civile o industriale ) e attività in grado di svolgere , quali analisi del sistema energetico , conduzione e manutenzione degli impianti , consulente energetico , contabilità energetica analitica e valutazione dei risparmi , contrattualistica e analisi dei contratti di fornitura e cessione dell'energia.

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Che cos'è una E.S.Co , Energy Service Company

E.S.Co è l'acronimo di Energy Service Company ovvero una società di servizi energetici. Tali società devono certificarsi ai sensi della norma UNI CEI 11352 dimostrando di avere al proprio interno figure tecniche tali da essere in grado di svolgere l'audit preliminare , in base agli esiti scegliere le azioni di risparmio energetico e poi verificare gli esiti di questo efficientamento. Il servizio fornito dall'Energy Service Company si ripaga spesso grazie ai risparmi conseguiti .  

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