Introduzione alla Power Quality e alla sua Importanza

La Power Quality (qualità dell’energia elettrica) è un aspetto cruciale per le imprese moderne, poiché un’energia di scarsa qualità può causare malfunzionamenti, guasti prematuri alle apparecchiature e persino aumentare i consumi in modo inefficiente.

In contesti industriali e informatici dove la continuità operativa è essenziale, problemi di qualità della tensione possono tradursi in perdite economiche significative. Ad esempio, interruzioni anche di pochi millisecondi possono far riavviare server o fermare linee di produzione, con gravi conseguenze operative.

Allo stesso modo, armoniche e altri disturbi causati da dispositivi elettronici moderni (inverter, azionamenti a velocità variabile, LED, computer) riducono l’efficienza energetica complessiva e aumentano i costi di manutenzione. Per queste ragioni, monitorare e analizzare la Power Quality con strumenti avanzati è diventato fondamentale per mantenere le migliori prestazioni e affidabilità dei sistemi elettrici. Inoltre, migliorare la qualità dell’energia apporta benefici tangibili: uno studio indica che ottimizzando la Power Quality le aziende possono ridurre i consumi energetici fino al 10-20%, abbattendo i costi operativi e migliorando la sostenibilità.

In questo articolo offriamo una panoramica dei principali analizzatori di rete portatili sul mercato italiano (HT Italia, Asita, Fluke), descrivendone le caratteristiche, le analisi di Power Quality possibili e i vantaggi per le imprese – sia in termini di risparmio energetico che di riduzione dei problemi causati da una fornitura elettrica di scarsa qualità.

Panoramica dei Migliori Analizzatori di Rete Portatili

I strumenti analizzatori di rete portatili permettono a un operatore qualificato di effettuare campagne di misura direttamente sugli impianti elettrici aziendali, registrando parametri e disturbi elettrici per poi analizzarli con software dedicati. Di seguito presentiamo tre dei marchi leader in Italia – HT Italia, Asita e Fluke – con i loro prodotti di punta e funzioni principali.

HT Italia – Innovazione e Multifunzionalità Made in Italy

HT Italia è un’azienda italiana specializzata in strumenti di misura, che presenta una gamma di analizzatori di rete avanzati. I modelli portatili HT monitorano consumi energetici e tutti i fenomeni elettrici su sistemi monofase e trifase, offrendo tecnologia all’avanguardia e compatibilità con app per l’analisi dati (HTAnalysis). Un esempio emblematico è il GSC60, uno strumento “all-in-one” che combina verifiche di sicurezza elettrica e analisi di rete in un unico dispositivo.

La serie PQA (es. PQA819, PQA820, PQA824, PQA924) offre analizzatori trifase autoalimentati con funzioni evolute di Power Quality, come la misura di armoniche fino al 49° ordine, transitori veloci fino a 5 μs, fluttuazioni di tensione, correnti di spunto (inrush) e molto altro. Ad esempio, il modello PQA824 consente di visualizzare sia valori numerici sia forme d’onda e grafici di tendenza, per analisi periodiche e armoniche. Dispone di memoria interna per registrazioni di lunga durata e di un display touchscreen a colori che semplifica la configurazione tramite menu intuitivi.

Strumenti come il PQA824 integrano anche funzioni di diagramma vettoriale, utile a valutare rapidamente lo sfasamento tra tensioni e correnti e quindi la natura dei carichi (induttivi, capacitivi). Tutti gli analizzatori HT di ultima generazione possono interfacciarsi con tablet o PC: l’app HTAnalysis permette di scaricare e consultare sul campo le misure registrate, mentre un software per PC (ambiente Windows) consente analisi più approfondite e creazione di report dettagliati sui dati raccolti. In sintesi, HT Italia offre soluzioni portatili versatili e ricche di funzionalità, pensate per tecnici e energy manager che necessitano di strumenti affidabili per diagnosticare problemi di Power Quality e monitorare l’efficienza energetica degli impianti.

Asita – Soluzioni Professionali in Classe S e Classe A

Fluke – Standard Internazionale per la Power Quality

Analisi di Power Quality Possibili con gli Strumenti

Gli analizzatori di rete portatili citati sopra permettono una vasta gamma di analisi di Power Quality, coprendo tutti i fenomeni previsti dagli standard (come EN 50160 e IEC 61000-4-30) e offrendo funzionalità aggiuntive per diagnosi approfondite. Ecco le principali analisi e misure che si possono effettuare con questi strumenti:

• Monitoraggio dei parametri elettrici fondamentali: tensioni e correnti TRMS (valori efficaci) in sistemi monofase, trifase e polifase, compreso il neutro. Vengono registrati valori medi, minimi e massimi, fornendo il profilo del carico nel tempo. Si misurano anche frequenza di rete e squilibri tra le fasi (dissimmetria delle tensioni, correnti di neutro).

• Potenze ed energia: calcolo di potenza attiva, reattiva, apparente, fattore di potenza (cosφ) e Distortion Power Factor. Molti analizzatori integrano anche funzioni per valutare la correzione del fattore di potenza (ad esempio verificando il miglioramento con batterie di condensatori) e per stimare l’efficienza energetica (alcuni, come i Fluke serie 430, calcolano l’energia persa a causa di bassa qualità).

• Analisi armonica e interarmonica: scomposizione della forma d’onda di tensione e corrente nelle armoniche fino a ordini elevati (tipicamente dal 1° al 50° ordine, a seconda dello strumento). Si misura il THD (Total Harmonic Distortion) di tensione e corrente e in alcuni casi anche le interarmoniche, identificando distorsioni non sincronizzate con la frequenza fondamentale. Questo consente di valutare l’impatto di carichi non lineari come inverter, azionamenti a velocità variabile, UPS, computer, LED, ecc., che possono causare surriscaldamenti anomali di trasformatori e motori o scatti intempestivi di protezioni.

• Eventi di tensione (sag, swell, interruzioni): rilievo di abbassamenti di tensione (sag), aumenti improvvisi (swell) e microinterruzioni o interruzioni prolungate. Gli analizzatori registrano la magnitudo, la durata e l’ora di questi eventi, confrontandoli con i limiti di tolleranza (ad esempio il 90% della tensione nominale per i sag secondo EN50160). Anche un breve buco di tensione può provocare arresti di PLC o reset di macchinari: disporre dei dati sugli eventi permette di correlare i fermo-impianto con problemi di rete e individuarne la causa. Strumenti avanzati come PQ3100 o Fluke 1777 catturano anche le forme d’onda durante l’evento, con trigger ad alta velocità, per analizzare il comportamento dell’onda prima, durante e dopo il disturbo.

• Transitori ad alta frequenza: rilevazione di spikes di tensione (sovratensioni impulsive di brevissima durata, nell’ordine di microsecondi). Questi possono derivare da fulmini nelle vicinanze, manovre di commutazione di grossi carichi o scariche elettrostatiche, e possono danneggiare componenti elettronici sensibili. Alcuni analizzatori (ad es. HT PQA824, Fluke 1775/1777) campionano la forma d’onda a frequenze elevate (200 kHz o più) per catturare transitori fino a qualche μs, fornendo informazioni preziose per installare protezioni (scaricatori SPD) o soluzioni di filtraggio.

• Flicker: analisi del flicker di tensione, misurato attraverso gli indicatori normalizzati Pst (short-term flicker) e Plt (long-term flicker). Il flicker è la fluttuazione rapida della tensione percepibile come variazione di luminosità nelle lampade, tipicamente causato da carichi variabili come saldatrici, laminatoi o grandi motori che assorbono corrente in modo intermittente. Oltre ad arrecare disturbo visivo e stancare la vista umana, livelli elevati di flicker possono accelerare l’usura di lampade e influire su dispositivi elettronici sensibili (come controllori industriali e apparecchiature medicali). Gli analizzatori di Power Quality calcolano Pst e Plt conformemente alla IEC 61000-4-15, aiutando a identificare sorgenti di flicker e a valutare se servano stabilizzatori o compensatori per mitigarlo.

• Correnti di spunto e squilibri dinamici: misura delle correnti di avviamento (Inrush) di motori e grandi carichi. Queste correnti possono essere 5-10 volte la corrente nominale e causare cadute di tensione consistenti all’avvio di macchinari. Registrare il profilo di inrush (es. con risoluzione di mezzo ciclo) aiuta a dimensionare correttamente i sistemi o ad applicare soluzioni di soft-start. Inoltre, gli strumenti possono monitorare in tempo reale la sequenza delle fasi e rilevare inversioni di fase o squilibri percentuali tra tensioni di fase, informazioni cruciali soprattutto quando si collegano nuovi carichi o si effettuano manutenzioni sull’impianto.

• Conformità agli standard e reportistica: molti analizzatori includono modalità automatiche per verificare la conformità della qualità dell’energia agli standard di fornitura (EN 50160 per le reti di distribuzione pubblica). Ciò significa che lo strumento confronta i dati misurati (ad esempio percentuale di tempo entro certe tolleranze di tensione, frequenza, flicker, tasso di armoniche) con i criteri della norma e genera un rapporto di conformità. Il software di analisi poi permette di produrre report completi con statistiche degli eventi, tabelle e grafici che documentano il livello di Power Quality misurato in un dato periodo. Questi report sono utili sia per dialogare con il distributore (in caso si contestino problemi di fornitura) sia internamente per giustificare interventi di rifasamento, filtraggio o upgrade degli impianti.

In sintesi, con i moderni analizzatori di rete portatili un tecnico può eseguire un check-up completo dell’impianto elettrico: dall’energia consumata alla presenza di disturbi rapidi, ottenendo una “radiografia” dell’alimentazione elettrica. Ciò consente di individuare dove, quando e perché la qualità dell’energia si discosta dall’ideale e quali contromisure possono essere adottate.

Software per l’Analisi Dati e la Creazione di Report

Un elemento chiave delle campagne di Power Quality è la fase di analisi a posteriori dei dati registrati. Tutti i produttori citati forniscono software dedicati per trasferire le misure dall’analizzatore al computer e consentire all’esperto di esaminare i risultati in dettaglio. Questi software offrono tipicamente:

• Visualizzazione grafica di trend temporali (andamento di tensioni, correnti, frequenza, potenza, ecc. nel tempo), con possibilità di zoomare sui periodi di interesse.

• Diagrammi spettrali delle armoniche, istogrammi di distribuzione (ad esempio per valutare statisticamente i livelli di tensione) e elenco cronologico degli eventi anomali rilevati (con timestamp, durata e magnitudo dell’evento).

• Funzioni di filtraggio e confronto: l’analista può isolare uno specifico parametro (es. corrente di neutro) o confrontare le forme d’onda di più eventi, per capire correlazioni tra cause ed effetti. Ad esempio, se un dato abbassamento di tensione coincide con l’avvio di un motore interno, il software può sovrapporre i grafici evidenziandone la relazione temporale.

• Reportistica automatica: la generazione di report in formato PDF o Word contenenti tabelle e grafici preimpostati secondo norme come EN50160 o IEEE519. L’operatore spesso può aggiungere commenti, conclusioni e immagini (screenshot delle schermate di analisi) per produrre un documento completo da presentare ai decision maker. Ad esempio, il software PQ-ONE di Hioki/Asita consente di esportare ogni schermata su Word con la possibilità di inserire commenti e immagini. Il Fluke Energy Analyze Plus invece permette di focalizzarsi sulle aree problematiche e creare report dettagliati su armoniche, sags/swells e consumo energetico. In maniera analoga, l’app HTAnalysis di HT Italia rende disponibili su tablet/smartphone le misure registrate, per un primo controllo immediato, mentre il software PC di HT consente analisi avanzate e stampa di certificati di prova.

• Condivisione e controllo remoto: alcuni software supportano la connessione diretta allo strumento in campo (via USB, LAN Ethernet o WiFi/Bluetooth se disponibile) per scaricare i dati in tempo reale o addirittura controllare a distanza l’analizzatore. Ciò è utile, ad esempio, quando l’analisi deve durare settimane: il tecnico può periodicamente collegarsi da remoto, verificare l’andamento e regolare soglie o impostazioni senza recarsi fisicamente sul sito.

In definitiva, il software di analisi è ciò che trasforma la grande mole di dati grezzi raccolti (spesso milioni di campioni) in informazioni fruibili. Per un energy manager, disporre di grafici chiari e report sintetici è essenziale per comprendere lo stato della rete e pianificare investimenti: i tool software odierni riducono drasticamente il tempo necessario per passare dai dati all’azione correttiva.

Benefici per l’Impresa: Risparmio Energetico e Affidabilità

Implementare un programma di analisi della Power Quality porta molteplici vantaggi alle aziende, traducendosi in risparmi economici e maggiore continuità operativa. Esaminiamo i benefici principali sia sul fronte dell’efficienza energetica sia su quello della riduzione dei rischi e costi da scarsa qualità elettrica.

• Ottimizzazione dei consumi e Risparmio Energetico: Una fornitura elettrica di qualità elevata permette alle apparecchiature di funzionare nel punto di massima efficienza. Al contrario, tensioni distorte, sfasamenti e armoniche provocano sprechi di energia sotto forma di calore e vibrazioni negli apparati. Ad esempio, la presenza di armoniche nei motori induce correnti parassite che li riscaldano inutilmente, aumentandone le perdite e il consumo senza produrre lavoro utile. Uno studio ha appurato che proprio la qualità dell’energia è uno dei problemi più comuni che causano dissipazione di energia elettrica nelle aziende, influenzando l’efficienza delle apparecchiature. Correggendo tali problemi (ad esempio con filtri attivi per armoniche, rifasatori per potenza reattiva, stabilizzatori di tensione per fluttuazioni), l’energia assorbita viene impiegata più efficacemente nei processi produttivi. Numeri alla mano, migliorare la Power Quality può ridurre i consumi totali di un impianto di una percentuale non trascurabile: mediamente si parla di un risparmio del 4-12%, che in certi casi può arrivare fino al 10-20%. Questo perché interventi come il rifasamento diminuiscono le correnti circolanti (evitando penali in bolletta e riducendo le perdite di linea per effetto Joule), mentre l’eliminazione di disturbi come armoniche taglia le potenze disperse e consente di caricare in modo ottimale i trasformatori. Un caso concreto è la funzione di calcolo delle perdite energetiche nei Fluke 434-II/435-II, che quantifica in kWh e in costo economico l’energia sprecata a causa di fattore di potenza non unitario, squilibri e distorsioni: avere questa consapevolezza aiuta i decision maker a investire in miglioramenti mirati (ad es. filtri, rifasatori) con un ritorno d’investimento misurabile in termini di energia risparmiata. Infine, ottimizzare la qualità dell’energia contribuisce anche alla sostenibilità ambientale, riducendo l’impronta di carbonio dell’azienda: ogni kWh risparmiato grazie a una rete “pulita” è un passo avanti verso gli obiettivi di transizione ecologica.

• Riduzione dei fermi macchina, guasti e costi nascosti: Oltre al risparmio in bolletta, una buona Power Quality evita i numerosi costi indiretti legati ai malfunzionamenti elettrici. In ambito industriale, fermare una linea produttiva per uno sbalzo di tensione o un blackout momentaneo può costare decine di migliaia di euro in termini di prodotti scartati, straordinari per recuperare la produzione e penali per ritardi nelle consegne. Molti impianti critici (siderurgia, chimica, automotive, alimentare) soffrono di fermi macchina inspiegabili che poi si scopre essere dovuti a microinterruzioni o disturbi sulla rete. Un’analisi di Power Quality permette di mettere in luce queste correlazioni. Ad esempio, registrando le tensioni si può individuare che ogni lunedì alle 8:00 si verifica un calo di tensione che fa scattare una protezione: con questa informazione, si possono coordinare meglio le partenze dei grandi motori o installare dispositivi di compensazione (UPS, condensatori statici) per coprire il “buco” di tensione. Un altro problema comune risolto dalle analisi PQ è l’usura prematura di componenti elettrici: condensatori di rifasamento che esplodono, fusibili che saltano senza causa apparente, cuscinetti di motori danneggiati da correnti indotte. Spesso questi fenomeni sono sintomi di armoniche elevate o di sovratensioni transitorie. Individuandoli, l’energy manager può prevenire guasti gravi installando filtri o scaricatori. Anche i dati IT e i processi informatici beneficiano di una buona qualità di alimentazione: nei data center o negli uffici con molte apparecchiature elettroniche, sbalzi e disturbi possono corrompere dati e ridurre la vita di server e computer. Un semplice micro-outage può riavviare sistemi e causare perdita di dati o interruzione di servizi digitali essenziali. Ecco perché banche, società IT e telecomunicazioni investono molto in monitoraggio continuo della rete elettrica e sistemi di continuità: l’analizzatore di Power Quality, in questi contesti, serve a verificare che UPS e generatori intervengano correttamente e che non vi siano disturbi (come armoniche da raddrizzatori) che possano sfuggire ai gruppi di continuità.
  Inoltre, una scarsa Power Quality può comportare costi nascosti sotto forma di ridotta vita utile delle apparecchiature. Motori che operano con tensione non sinusoidale o squilibrata tendono a surriscaldarsi, riducendo l’isolamento e anticipando la necessità di riavvolgimento o sostituzione. Lampade e alimentatori elettronici sollecitati da sovratensioni e armoniche subiscono più guasti. Stabilizzare la rete e filtrare i disturbi dunque significa proteggere l’investimento in macchinari, allungando gli intervalli di manutenzione e abbattendo i costi di riparazione. Uno studio citato da esperti del settore stima che una cattiva Power Quality possa arrivare a costare fino al 4% del fatturato di un’azienda in termini di downtime, inefficienze e danni – un valore enorme, spesso non immediatamente visibile nei conti ma reale. Effettuare analisi periodiche e intervenire di conseguenza aiuta a evitare che tali costi si materializzino.

• Miglioramento della competitività e conformità normativa: Nel complesso, un’impresa che tiene sotto controllo la qualità della propria energia diventa più affidabile e competitiva. Riducendo i consumi inutili e i fermi impianto, si abbassano i costi operativi e si migliora la produttività, il che in un’economia globale significa maggiore competitività industriale. Inoltre, molte aziende sono oggi chiamate a rispettare normative e standard di qualità elettrica, sia per accordi con i fornitori di energia (penali per fattore di potenza basso o eccesso di armoniche immesse in rete) sia per certificazioni interne (es. data center Tier IV devono garantire continuità e alimentazione di qualità ai server). Gli strumenti di Power Quality forniscono i dati oggettivi per dimostrare la conformità o per intraprendere le azioni correttive necessarie prima che un problema violi requisiti contrattuali. In ambito industriale italiano, iniziative come il Piano Transizione 4.0/5.0 prevedono incentivi per interventi di efficientamento energetico: tipicamente, per accedere a certi crediti d’imposta, le aziende devono dimostrare di aver ottenuto un miglioramento dell’efficienza e della qualità dell’energia. Una diagnosi energetica certificata basata sui dati degli analizzatori di rete può fornire questa evidenza, attestando ad esempio la riduzione delle perdite dopo l’installazione di filtri o la correzione di uno squilibrio. Così facendo, l’analisi della Power Quality non è solo una pratica di manutenzione, ma diventa parte integrante della strategia energetica aziendale e del percorso verso la sostenibilità e l’innovazione tecnologica (Industria 4.0/5.0).

Settori Interessati e Casi d’Uso per la Power Quality

Praticamente tutti i settori industriali e dei servizi sono interessati dalla qualità dell’energia, ma con motivazioni e problematiche specifiche che vale la pena differenziare:

• Industria manifatturiera e di processo: È il settore forse più colpito, in quanto gli impianti industriali ospitano molti carichi pesanti e sensibili insieme. In fabbrica, grandi motori, compressori, forni elettrici, saldatrici e azionamenti a velocità variabile possono generare disturbi (armoniche, fluttuazioni, spunti di corrente) che influenzano il resto delle utenze. Allo stesso tempo, macchine automatizzate, robotica e sistemi di controllo (PLC, azionamenti CNC) sono vulnerabili a variazioni di tensione e microinterruzioni. Motivo: la continuità operativa è vitale e qualunque arresto imprevisto causa scarti di produzione e fermi linea costosi. Ad esempio, nel settore automotive un dip di tensione può fermare un robot di saldatura, interrompendo l’intera catena di montaggio; nell’industria alimentare un disturbo può arrestare un impianto di confezionamento sterile causando un lotto da buttare. Le analisi di Power Quality in questi contesti puntano a identificare la causa dei malfunzionamenti (spesso un problema interno all’impianto, come l’avviamento simultaneo di più motori pesanti) e suggerire soluzioni: rifasamento, suddivisione dei carichi su trasformatori diversi, installazione di UPS per proteggere linee critiche, etc. Anche sottosettori come siderurgia o cementifici che hanno carichi estremamente disturbanti (forni ad arco, mulini) utilizzano analizzatori per monitorare e limitare l’impatto di questi carichi sulla rete interna e pubblica, spesso per rispettare i limiti imposti dal distributore.

• Infrastrutture critiche e utility: Settori come i trasporti ferroviari, gli aeroporti, le reti di telecomunicazione e in generale le infrastrutture critiche dipendono da un’alimentazione elettrica affidabile. Ad esempio, nelle ferrovie, sottostazioni di trazione e sistemi di segnalamento sono sensibili a perturbazioni: un picco di tensione da un fulmine può mettere fuori servizio apparati di segnalazione o telecomunicazione. Le società di gestione effettuano studi di Power Quality per robustezza: individuare dove servono sistemi di protezione (scaricatori, filtri EMC) e assicurare che i generatori di backup entrino in funzione senza soluzione di continuità. Per le utility elettriche stesse (distributori di energia), il monitoraggio della qualità della tensione erogata ai clienti è un obbligo di servizio: impiegano analizzatori (spesso installati in modo fisso nelle cabine primarie/secondarie) per verificare che parametri come il valore efficace di tensione, il flicker e le armoniche restino entro i limiti contrattuali. Tuttavia, dal punto di vista dell’utilizzatore finale (l’impresa), questo si traduce in un interesse a controllare autonomamente la fornitura: aziende energivore installano propri analizzatori di rete per avere dati oggettivi da confrontare con il distributore in caso di problemi o richieste di rimborso per disservizi (basti pensare ai grossi poli industriali che pretendono alta affidabilità di tensione).

• Settore terziario e commerciale: Grandi edifici commerciali (centri commerciali, uffici direzionali, ospedali, scuole) hanno anch’essi problematiche di Power Quality, seppur diverse dall’industria pesante. Qui i disturbi provengono spesso da carichi elettronici distribuiti: migliaia di computer, stampanti, lampade LED, alimentatori switching, ascensori, climatizzatori con inverter. Questi carichi generano soprattutto armoniche di corrente (tipicamente la 3a, 5a, 7a) che possono saturare i conduttori di neutro e innalzare le perdite nei trasformatori. Un sintomo classico negli uffici è il surriscaldamento del neutro per eccesso di correnti armoniche di terzo ordine (in fase tra loro) dovute a PC e alimentatori non lineari – un analizzatore rivela subito un THD di corrente elevato e permette di dimensionare filtri o neutri di sezione maggiore. Nei grattacieli o centri commerciali con molti ascensori e scale mobili, invece, si osservano cali di tensione locali e flicker luminoso quando questi partono: anche qui l’analisi PQ quantifica il fenomeno e consente di progettare eventuali sistemi di compensazione (es. installando gruppi statici di compensazione rapida del VAR). Nel settore sanitario (ospedali, cliniche) la preoccupazione principale è la sicurezza e continuità: un’onda di tensione fuori specifica può interferire con apparecchi salvavita. Ad esempio, apparecchi di diagnostica per immagini (risonanze magnetiche, TAC) assorbono correnti impulsive che possono creare buchi di tensione locali; al contempo, tali apparecchi possono essere essi stessi sensibili a disturbi esterni. Gli ospedali quindi eseguono audit di Power Quality per assicurare che le reti di alimentazione dei vari reparti siano separate e pulite: qui gli analizzatori aiutano a rilevare se, per esempio, l’attivazione di un ascensore o di un’unità di climatizzazione nel blocco tecnico induce variazioni percepibili nelle sale operatorie, e a prendere provvedimenti (dedicando linee preferenziali, filtri, UPS medicali). Anche il settore data center rientra nel terziario critico: pur essendo dotati di UPS e generatori, i data center monitorano costantemente la qualità a monte e a valle dei sistemi di continuità. Un analizzatore di rete può verificare l’efficacia dei filtri dell’UPS (misurando quante armoniche vengono bloccate) e controllare la compatibilità della rete con i gruppi elettrogeni (ad esempio, la frequenza e tensione fornite dal generatore durante i test devono rientrare nei limiti per non danneggiare i server). Questi ambienti hanno spesso sensori e analizzatori permanenti, ma anche campagne spot con strumenti portatili sono utili quando si installano nuovi dispositivi ad alto assorbimento o se si sospettano disturbi.

• Energie rinnovabili e impianti PV/eolici: Con la diffusione di impianti fotovoltaici e turbine eoliche connesse alle reti aziendali, nuove sfide di Power Quality emergono. Gli inverter fotovoltaici possono introdurre armoniche e soprattutto devono rispettare norme tecniche di connessione (CEI 0-21 in Italia) che impongono limiti sul contenuto armonico e sul flicker immesso in rete. Un analizzatore di qualità posizionato sul punto di connessione dell’impianto PV misura tali indici e consente al gestore di verificare la conformità e diagnosticare problemi (per esempio, un eccesso di THD potrebbe indicare un malfunzionamento nei filtri dell’inverter). Inoltre, gli inverter moderni dispongono della funzione FRT (Fault Ride Through), ossia la capacità di rimanere connessi anche durante abbassamenti improvvisi di tensione di breve durata: il PQ3100 di Asita/Hioki, ad esempio, è in grado di verificare il corretto funzionamento dell’FRT simulando e registrando il comportamento dell’impianto durante buchi di tensione, il che è cruciale per gli impianti in regime di Scambio sul Posto o servizi di rete. I parchi eolici, dal canto loro, possono causare flicker (a causa delle variazioni di potenza al variare del vento) e squilibri se le turbine non iniettano potenza equilibrata sulle fasi: gli analizzatori monitorano questi aspetti per ottimizzare l’integrazione con la rete. In sostanza, con la transizione energetica e la generazione distribuita, la Power Quality assume un ruolo ancora più importante e trasversale: settori un tempo solo “utilizzatori” ora diventano anche “produttori” di energia e devono curarne la qualità sia per proteggere i propri carichi sia per non disturbare la rete pubblica.

I costi di una scarsa qualità dell'energia elettrica. Perché dovresti valutare un checkup elettrico per la tua azienda

La Sfida della Power Quality nelle Aziende

La Power Quality (qualità dell’energia elettrica) è un fattore critico per l’efficienza e l’affidabilità di qualunque impresa. Un’energia “pulita” e stabile garantisce macchinari performanti e processi produttivi continui, mentre una scarsa qualità può causare fermi macchina, guasti improvvisi e sprechi energetici. Studi recenti evidenziano che fino al 30-40% dei tempi di inattività non pianificati nelle aziende è dovuto a problemi di qualità della fornitura elettrica. In altre parole, quasi la metà dei blackout o malfunzionamenti che bloccano la produzione potrebbe essere evitata migliorando la Power Quality. Anche l’impatto economico è significativo: analisi europee stimano circa 25 miliardi di euro l’anno di costi dovuti a una qualità elettrica insufficiente. Per un’azienda, ciò può tradursi in perdite di fatturato (fino al 4% secondo uno studio Leonardo Power Quality Initiative) e spese extra di manutenzione e riparazione.

Quali sono le problematiche più comuni? Ecco, in termini semplici, i principali disturbi di Power Quality che affliggono molte imprese italiane e i loro effetti sui sistemi elettrici:

• Buchi di tensione e micro-interruzioni: cali improvvisi della tensione di rete (anche di brevissima durata) che possono far sfarfallare le luci o riavviare/fermare macchinari sensibili. Se frequenti, questi eventi logorano i dispositivi e causano fermi di produzione imprevisti.

• Sovratensioni e transienti: picchi di tensione superiori al normale (es. a causa di fulmini o manovre sulla rete) che sollecitano isolamenti e componenti elettronici, provocando guasti prematuri o addirittura danni irreparabili agli impianti.

• Distorsioni armoniche: molte apparecchiature industriali (inverter, azionamenti, alimentatori) introducono “armoniche” nella forma d’onda elettrica, cioè disturbi che deformano la sinusoide di corrente e tensione. Un elevato tasso di distorsione armonica (THD) comporta surriscaldamenti di cavi e motori, scatti intempestivi di protezioni e interferenze tra dispositivi, riducendo l’efficienza energetica complessiva. (Nota: la norma CEI EN 50160 raccomanda un THD della tensione ≤8% per evitare questi problemi.)

• Basso fattore di potenza (sfasamento): un uso non ottimizzato dell’energia reattiva (ad esempio per mancanza di batterie di condensatori) si traduce in un fattore di potenza basso. Ciò significa bollette più salate (penali per energia reattiva in eccesso) e maggiore corrente circolante nei cavi, con rischi di surriscaldamento.

• Squilibri tra fasi: carichi monofase distribuiti in modo non uniforme sulle tre fasi causano sbilanciamenti di tensione. Questo squilibrio genera vibrazioni e stress nei motori trifase e perdite aggiuntive, compromettendo le prestazioni degli impianti.

Molte di queste problematiche hanno origine all’interno degli impianti stessi: circa l’80% dei disturbi di Power Quality, infatti, è generato dalle apparecchiature e dai carichi dell’utente (macchine obsolete, inverter, grandi motori, ecc.). Solo il restante 20% delle interferenze proviene dalla rete del fornitore. Traduzione: è fondamentale analizzare il proprio impianto elettrico per individuare e correggere le cause dei disturbi prima che causino fermi o danni.

Il “Check-up Elettrico”: Diagnosi Professionale della Qualità dell’Energia

Il Check-up Elettrico è il servizio pensato per dare alle aziende la piena consapevolezza sullo stato della propria rete elettrica. Attraverso una campagna di misure eseguita da un nostro tecnico qualificato, monitoriamo tutti i parametri chiave della fornitura elettrica presso il tuo sito produttivo. Utilizziamo un avanzato analizzatore di rete portatile, che viene installato nei punti strategici dell’impianto per registrare, nell’arco di alcuni giorni (24/48 ore o più, a seconda delle esigenze), i principali indicatori di Power Quality. Questa diagnosi non invasiva permette di fotografare l’andamento reale della tua alimentazione elettrica durante le normali condizioni operative.

Cosa analizziamo durante il Check-up?

• Tensioni e continuità: verifichiamo l’ampiezza e la stabilità della tensione fornita, rilevando eventuali cadute anomale (buchi) o variazioni fuori dai limiti normativi (rif. CEI EN 50160) che possano influire sui processi produttivi.

• Eventi transitori: individuiamo sovratensioni improvvise, picchi e transienti oscillatori potenzialmente dannosi, registrandone ampiezza e durata.

• Distorsione armonica: misuriamo il THD e l’incidenza delle armoniche di corrente e tensione prodotte dai tuoi carichi, isolando le fonti di disturbo interne che degradano la qualità dell’onda elettrica.

• Fattore di potenza: monitoriamo lo sfasamento tra corrente e tensione e il livello di potenza reattiva assorbita, così da evidenziare se il tuo impianto rispetta le soglie ed evitare eventuali penali in bolletta dovute a un basso cosφ.

• Equilibrio tra le fasi: controlliamo che i carichi siano distribuiti uniformemente, misurando correnti e tensioni di fase per identificare sbilanciamenti pericolosi o inefficienze.

Tutte le misure vengono eseguite con strumentazione calibrata e secondo le normative tecniche vigenti, garantendo risultati affidabili. Al termine del monitoraggio, i dati grezzi raccolti vengono elaborati e interpretati dai nostri esperti in qualità dell’energia.

Dal Dato al Report: risultati chiari e azionabili

Il valore aggiunto del Check-up Elettrico sta nell’analisi professionale dei dati. Riceverai un report dettagliato e di facile lettura, che include:

• Sintesi dello stato di salute elettrico: un quadro generale della qualità dell’energia nel tuo impianto, con indicatori a semaforo (verde/giallo/rosso) per evidenziare immediatamente le aree critiche.

• Eventi rilevati e diagnosi: elenco dei principali eventi anomali registrati (es. numero di buchi di tensione, picchi, % THD media e massima, ecc.), corredato da un’analisi delle probabili cause. Distinguere se un problema origina dalla rete esterna o da un macchinario interno è fondamentale per indirizzare le contromisure.

• Confronto con standard e limiti: verifica della conformità ai requisiti di qualità (ad esempio rispetto della norma CEI EN 50160 per variazioni di tensione, armoniche, ecc.) e indicazione di eventuali sforamenti dai limiti accettabili.

• Raccomandazioni personalizzate: una sezione di consigli tecnici su come migliorare la Power Quality rilevata. Ogni suggerimento è mirato ai problemi emersi: dalla correzione del fattore di potenza, all’installazione di filtri attivi anti-armoniche, fino all’uso di sistemi di protezione o stabilizzazione della tensione. Queste raccomandazioni preparano il terreno a soluzioni concrete, studiando interventi mirati per eliminare le cause dei disturbi.

Soluzioni su Misura e Vantaggi per la Tua Impresa

A seguito del check-up, non ti lasciamo solo con un documento. Il nostro obiettivo è passare dalla diagnosi all’azione. In base ai risultati, il nostro team potrà proporti soluzioni tecnico-commerciali su misura per risolvere le criticità individuate. Alcuni esempi di interventi possibili includono:

• Filtri e rifasatori: per eliminare armoniche in eccesso e correggere lo sfasamento, ripulendo la forma d’onda e ottimizzando i consumi.

• Stabilizzatori di tensione e UPS: per proteggere gli impianti da buchi di tensione, fluttuazioni e interruzioni brevi, assicurando continuità ai processi anche in caso di disturbi dalla rete.

• Sistemi di protezione da sovratensioni: dispositivi SPD e scaricatori per salvaguardare apparecchiature sensibili da picchi transitori dovuti a fulmini o manovre.

• Manutenzione proattiva e monitoraggio continuo: piani di controllo periodico e installazione di sistemi di monitoraggio permanente della qualità elettrica, così da prevenire future anomalie e mantenere gli impianti in condizioni ideali.

Tutti questi interventi si traducono in benefici tangibili per la tua azienda. Migliorare la Power Quality significa meno guasti e fermi produzione, più efficienza energetica e bollette più leggere, maggiore durata delle apparecchiature e sicurezza operativa. In definitiva, investire nella qualità dell’energia porta a un incremento della produttività e a una riduzione dei costi nascosti: un vantaggio competitivo non indifferente in un contesto industriale esigente.

Lo sapevi? Oltre a prevenire problemi, una buona Power Quality può migliorare la resa dei tuoi macchinari. Ad esempio, evitare micro-interruzioni e fluttuazioni di tensione riduce gli scarti di produzione e mantiene la qualità del prodotto finale costante. Anche la vita utile di computer, azionamenti elettronici e motori si allunga grazie a un’alimentazione stabile e filtrata da disturbi.

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Armoniche negli Impianti Elettrici: Problemi e Soluzioni

Le armoniche negli impianti elettrici sono componenti sinusoidali di frequenza multipla della fondamentale (50 Hz in Italia) generate da carichi non lineari (es. inverter, alimentatori switching, forni, ecc.). La loro presenza distorce la forma d’onda di corrente e tensione, deteriorando la qualità dell’energia erogata e causando molteplici problemi negli impianti industriali. Di seguito analizziamo in dettaglio quali problemi possono creare le armoniche e come risolverli. Se sei un energy manager o un responsabile tecnico e sospetti questi fenomeni nel tuo impianto, contattaci per una consulenza: possiamo offrire analisi mirate di Power Quality e soluzioni su misura per la tua azienda.

Problemi causati dalla presenza di armoniche

Le armoniche di corrente e tensione possono generare numerosi inconvenienti negli impianti elettrici. I principali problemi includono:

• Perdita di efficienza: la distorsione armonica fa aumentare la potenza apparente richiesta all’impianto a parità di potenza attiva erogata. In pratica, la presenza di correnti armoniche riduce il fattore di potenza totale (PF). Ciò significa che parte dell’energia circolante non compie lavoro utile ma genera solo calore e sollecitazioni elettriche. Ne conseguono sprechi energetici e minore efficienza, spesso accompagnati da penali o costi aggiuntivi in bolletta dovuti al basso fattore di potenza e al maggiore prelievo di potenza apparente (maggiori perdite e picchi di domanda).

• Surriscaldamento di cavi e connessioni: le armoniche di corrente, soprattutto di ordine elevato, causano extra-riscaldamento nei conduttori per effetto Joule. Ogni componente armonica contribuisce alle perdite, aumentando la temperatura dei cavi e dei quadri elettrici. Inoltre, alle frequenze armoniche entra in gioco il fenomeno pellicolare (skin effect) che concentra la corrente in superficie aumentando la resistenza apparente del conduttore. Il risultato è un surriscaldamento anomalo dei cavi e delle sbarre, con possibili deterioramenti dell’isolamento e riduzione della vita utile dell’impianto. In presenza di alti livelli di THD, è spesso necessario sovradimensionare i cavi o utilizzare sensori termici/termocamere per monitorare la temperatura delle barre e dei conduttori, specialmente nel quadro di neutro.

• Corrente elevata nel neutro (sovraccarico del neutro): in sistemi trifase a 4 fili, le armoniche cosiddette omopolari (multipli di 3, come la 3ª, 9ª, 15ª) si sommano al conduttore di neutro invece di annullarsi. Ciò può portare a correnti di neutro superiori, surriscaldando pesantemente il neutro. Questo fenomeno richiede attenzione nel dimensionamento dei neutri (spesso sovradimensionandoli rispetto alle fasi) e nella taratura dei relè di sovraccarico, per evitare incendi o danni.

• Inquinamento della tensione di rete (THDu): le correnti armoniche circolanti nell’impianto causano cadute di tensione armoniche attraverso le impedenze di linea e del trasformatore, generando distorsione anche sulla tensione di alimentazione (THDu). In generale, un THDu superiore al 5-8% è indice di forte inquinamento e può pregiudicare l’affidabilità dell’impianto. È importante monitorare questi indici e mantenerli entro i limiti normativi (la CEI EN 50160 consiglia THD<8% in bassa tensione).

• Danni e sollecitazioni ai condensatori di rifasamento: i condensatori sono particolarmente suscettibili alle armoniche di corrente e tensione. Una tensione con componenti armoniche genera sulle batterie di condensatori correnti amplificate. Si possono così innescare risonanze serie o parallelo tra la capacità C dei condensatori e le induttanze L dell’impianto alle frequenze armoniche presenti. Tali risonanze possono far circolare correnti elevate nei condensatori, causandone il surriscaldamento e la rottura prematura. Molti banchi di rifasamento tradizionali, privi di reattori di sbarramento, risultano inadatti in impianti con elettronica di potenza moderna. In tali casi è opportuno usare condensatori anti-armoniche (detuned) con reattori per spostare la frequenza di risonanza fuori dagli ordini armonici critici, oppure preferire soluzioni di filtraggio attivo (vedi oltre).

• Problemi nei trasformatori: le armoniche causano perdite aggiuntive nei trasformatori, riducendone la capacità utile e la vita. In particolare, le correnti armoniche inducono maggiori perdite per correnti parassite e isteresi nel nucleo, aumentando le perdite a vuoto e a carico. Un trasformatore sotto carico non lineare può scaldarsi oltre il previsto e spesso ronza più del normale. Di conseguenza, la potenza erogabile dal trasformatore si riduce e in casi gravi si può arrivare a sovratemperatura e scatto termico. Per ovviare, si ricorre a trasformatori con fattore K elevato dimensionati per sopportare un certo spettro armonico senza surriscaldare. Anche i gruppi elettrogeni soffrono le armoniche: generatori funzionanti vicino al limite di potenza possono non tollerare le perdite addizionali, con stress sull’alternatore e rischio di deterioramento degli isolamenti.

• Problemi nei motori elettrici: le armoniche di corrente che attraversano i motori asincroni generano perdite addizionali e coppie anomale. Nel statore del motore, la corrente distorta causa extra perdite e maggior riscaldamento degli avvolgimenti. Inoltre, le armoniche di sequenza negativa (es. 5ª, 11ª in sistemi trifase) producono campi magnetici rotanti in senso opposto al fondamentale, generando coppie frenanti pulsanti che riducono la coppia utile del motore e introducono vibrazioni meccaniche. Ne derivano sforzi e usura su alberi e cuscinetti, aumento del rumore e un calo di efficienza complessiva. Un motore soggetto ad alti livelli armonici tende a scaldarsi di più e può vedere ridotta la propria vita utile a causa dell’isolamento stressato termicamente. Se noti surriscaldamenti anomali o vibrazioni nei motori della tua linea produttiva, potrebbe essere il momento di effettuare un’analisi armonica – contattaci per un check-up e soluzioni di filtraggio dedicate!

• Interventi intempestivi di protezioni (scatti intempestivi): la presenza di armoniche può mandare in tilt i dispositivi di protezione. Ad esempio, i relè di protezione e gli interruttori automatici possono interpretare picchi di corrente armonica come sovraccarichi o guasti e scattare senza motivo reale. I differenziali possono essere influenzati da componenti in alta frequenza che saturano i toroidi, causando scatti spurii. Inoltre, i dispositivi di rifasamento automatico possono commutare erroneamente sotto l’effetto di armoniche, e i fusibili o interruttori termici vedere aumentato il riscaldamento interno. Questi interventi intempestivi portano a fermi impianto non programmati e perdite produttive. Una rete “pulita” da armoniche evita anche falsi allarmi e scollegamenti indesiderati di carichi critici.

• Altri disturbi e malfunzionamenti generici: livelli elevati di armoniche possono indurre allarmi ingiustificati su apparecchiature elettroniche sensibili, disturbi nelle comunicazioni e blocchi sporadici di dispositivi. Ad esempio, le reti dati e le linee di comunicazione possono subire interferenze elettromagnetiche: armoniche di ordine elevato (oltre il 9°-15°) rientrano nello spettro delle frequenze usate in telecomunicazioni e possono accoppiarsi per induzione nei cavi segnale, generando disturbi e rumore (fenomeno noto come telephonic interference sui cavi telefonici). Le apparecchiature elettroniche di controllo (PLC, azionamenti, alimentatori) possono andare in blocco o reset a causa di micro-interruzioni o deformazioni della tensione in passaggio per lo zero. Anche strumenti di misura tradizionali (contatori elettromeccanici, TA/TV analogici) possono fornire misure errate in presenza di armoniche: ad esempio la 5ª armonica genera una sequenza inversa che può ingannare i vecchi contatori a induzione, facendoli registrare valori non corretti. Nei sistemi con generazione distribuita (fotovoltaico, eolico, ecc.), l’energia immessa e prelevata potrebbe essere misurata inaccuratamente se i misuratori non sono di classe adeguata al contenuto armonico. Tutto ciò evidenzia come un’elevata distorsione armonica possa compromettere l’affidabilità degli impianti e far lievitare i costi operativi (sprechi di energia, manutenzioni straordinarie, fermo impianto).

• Costi aggiuntivi nascosti: la somma degli effetti sopra descritti si traduce infine in costi economici per l’azienda. Le armoniche comportano infatti maggiori perdite di energia (bollette più salate), riducono l’efficienza dei processi, causano guasti prematuri a motori, trasformatori, condensatori (costi di riparazione e sostituzione) e possibili penali dal distributore per fattore di potenza fuori norma. Studi sui sistemi di distribuzione hanno mostrato che forti distorsioni possono incrementare le perdite fino al 20%. Inoltre, un fattore di potenza degradato da armoniche porta a sovraccosti per richieste di picco (kW/kVA di punta più elevati). Anche la manutenzione straordinaria e i fermi macchina non pianificati hanno un impatto economico rilevante. Investire in soluzioni di mitigazione delle armoniche porta quindi a un duplice beneficio: da un lato riduce i costi energetici e di manutenzione, dall’altro aumenta l’affidabilità e la vita degli asset elettrici.

Come risolvere i problemi di armoniche nell’impianto

Per affrontare la distorsione armonica esistono due approcci strategici:

1. convivere con le armoniche (accettandole ma limitandone gli effetti tramite sovradimensionamento), oppure

2. eliminarle o attenuarle con filtri e compensatori dedicati.

Vediamo entrambe le strategie nel dettaglio.

1. Sovradimensionamento e adeguamento dell’impianto (convivere con le armoniche)

La prima strategia consiste nell’accettare la presenza delle armoniche nell’impianto, ma sovradimensionare le apparecchiature in modo da ridurre i problemi causati. In pratica si tratta di progettare e gestire l’impianto tenendo conto delle distorsioni, adottando accorgimenti come:

• Aumentare le sezioni dei cavi (soprattutto del neutro) per limitare il surriscaldamento: spesso si raddoppia la sezione del neutro rispetto alle fasi in ambienti ad elevato contenuto armonico. Ciò abbassa la resistenza dei conduttori riducendo le perdite Joule e la temperatura. Inoltre cavi più grossi mitigano leggermente l’impedenza di linea, abbassando la percentuale di distorsione di tensione indotta.

• Utilizzare componenti con rating appropriati: installare trasformatori con fattore K (K-rated) o comunque sovradimensionati in potenza, capaci di gestire le perdite extra dovute alle armoniche senza surriscaldare. Anche i motori e i generatori possono essere scelti con margine di potenza e isolamento superiore, così da tollerare correnti non sinusoidali. I condensatori di rifasamento devono essere di tipo rinforzato (ad esempio con basso $ΔV$ e dotati di induttanze di filtro in serie per bloccare le armoniche).

• Tarare e selezionare le protezioni adeguatamente: prevedere interruttori automatici di classe adatta (es. curva D o K per avviamenti con componenti in corrente elevate), e differenziali immuni ai disturbi in alta frequenza (marchiati come tipo A o tipo B per componenti continue). Regolare le soglie di allarme/sgancio tenendo conto delle possibili correnti armoniche: ad esempio, molti relè digitali consentono di impostare filtri che ignorano la 3ª o 5ª armonica per evitare scatti intempestivi.

Questa strategia ha il pregio della semplicità concettuale (nessun dispositivo attivo da aggiungere) ma presenta anche svantaggi: il sovradimensionamento comporta costi iniziali maggiori (cavi, trasformatori e macchine più grosse) e non elimina le perdite e i consumi extra dovuti alle armoniche. Si tratta quindi di una soluzione di compromesso, accettabile se il livello di armoniche è moderato e stabile. Tuttavia, quando il contenuto armonico è elevato o si prevedono ampliamenti futuri dell’impianto, è consigliabile passare alla seconda strategia, più efficace e lungimirante.

2. Filtraggio o compensazione attiva delle armoniche (eliminare le armoniche)

La seconda strategia consiste nell’eliminare parzialmente o totalmente le armoniche presenti, installando dispositivi di filtraggio dedicati. L’obiettivo è “pulire” la forma d’onda di corrente (o di tensione) rimuovendo le componenti indesiderate, riportando il THD entro limiti accettabili. Le soluzioni tecniche disponibili rientrano principalmente in tre categorie:

A. Filtri passivi LC (sintonizzati o in banda) – Sono circuiti passivi costituiti da induttanze e condensatori dimensionati per offrire bassa impedenza alle frequenze armoniche da eliminare. Collegati in derivazione sull’impianto, i filtri LC fungono da “trappola” per una specifica armonica (es. un circuito risonante serie tarato a 250 Hz per assorbire la 5ª armonica) oppure per un’intera banda di frequenze. In tal modo, le correnti armoniche vengono dirottate nel filtro invece che fluire attraverso la rete principale. I filtri passivi sono relativamente semplici ed economici e possono anche compensare parte della potenza reattiva mentre filtrano. Tuttavia presentano diversi svantaggi: (1) Efficacia locale – funzionano bene solo nelle condizioni specifiche per cui sono progettati; variazioni nei carichi o aggiunta di nuove utenze possono spostarne la sintonia e comprometterne l’efficacia. (2) Rischio di risonanza con la rete: se non accuratamente studiati, i filtri LC possono interagire con l’impedenza del sistema amplificando altre frequenze (fenomeni di risonanza parallelo/serie). (3) Ingombo e adattabilità limitata: installare filtri passivi in impianti esistenti può risultare difficile per ragioni di spazio e poiché ogni filtro è mirato a specifiche armoniche, l’approccio passivo è poco flessibile rispetto a cambiamenti futuri. In sintesi, i filtri passivi sono indicati per impianti con profilo di carico stabile e dove si conosce con precisione quale armonica mitigare, ad esempio su singoli grossi convertitori o forni.

B. Filtri attivi di armoniche (AFA) o compensatori attivi – Si tratta di dispositivi elettronici di potenza (a controllo digitale) in grado di misurare in tempo reale le correnti armoniche circolanti e di iniettare in rete correnti uguali e contrarie a quelle armoniche, annullandole per sovrapposizione. In pratica, un filtro attivo analizza la forma d’onda e genera la “anti-armonica” corrispondente: la somma vettoriale cancella la distorsione, lasciando in rete una corrente quasi sinusoidale. Questi sistemi agiscono in tempo reale (pochi millisecondi di tempo di reazione) e possono compensare simultaneamente più armoniche di ordine diverso. I filtri attivi moderni, come la serie AccuSine™ di Schneider Electric citata in precedenza, permettono di ridurre il THDi a valori anche sotto il 5%, migliorando drasticamente la Power Quality dell’impianto. Inoltre spesso integrano funzioni aggiuntive utili: possono effettuare rifasamento dinamico (compensando potenza reattiva in eccesso) e bilanciamento carichi tra fasi, contribuendo a ridurre anche la corrente sul neutro. I vantaggi dei filtri attivi sono la elevata efficacia e flessibilità: funzionano indipendentemente dalla variazione dei carichi, si adattano automaticamente al profilo armonico istantaneo e possono essere installati anche in parallelo modulare per aumentarne la capacità. Di contro, sono apparecchiature complesse e dal costo superiore rispetto ai filtri passivi, soprattutto per impianti di grande potenza. Richiedono anche un minimo di manutenzione (ventilazione, componenti elettronici) e consumano una piccola quota di energia per il loro funzionamento. Nonostante ciò, il trend attuale vede un impiego crescente dei filtri attivi nelle industrie e negli edifici commerciali, poiché garantiscono un ritorno dell’investimento grazie ai risparmi energetici e al miglioramento di continuità operativa (meno guasti, meno fermi impianto). La nostra azienda fornisce e installa filtri attivi di ultima generazione: contattaci per una valutazione gratuita dei benefici ottenibili nel tuo stabilimento.

Esempio di filtro attivo (Schneider AccuSine) montato a parete: questi dispositivi iniettano correnti armoniche “inverse” per cancellare le distorsioni in tempo reale, proteggendo l'impianto da sovratemperature e malfunzionamenti.

C. Filtri omopolari (per armoniche di neutro): sono filtri specifici mirati ad eliminare le armoniche di sequenza zero (3ª, 9ª, 15ª, ...) che interessano il conduttore di neutro. Un esempio comune è il trasformatore zig-zag o altre configurazioni di reattori trifase con collegamento speciale: questi dispositivi offrono un percorso a bassa impedenza verso terra per le correnti di terza armonica, assorbendole e impedendo che si propaghino nelle fasi. In sostanza, i filtri omopolari “intrappolano” le armoniche triplene e le dissipano in calore (o le restituiscono alla sorgente continua nel caso dello zig-zag), ottenendo un riequilibrio delle correnti di fase e alleggerendo il neutro. In impianti con moltissimi carichi monofase (uffici con PC, illuminazione LED, data center) i filtri omopolari sono utili per prevenire il sovraccarico del neutro e ridurre il THD complessivo. Spesso sono combinati a sistemi di rifasamento e filtri attivi per coprire tutte le tipologie di armoniche. Il vantaggio è la loro mirata efficacia sulle armoniche di terzo ordine, mentre lo svantaggio è che non agiscono sugli altri ordini armonici non omopolari (5ª, 7ª, etc.), quindi vanno considerati come integrazione ad altri metodi.

Conclusioni

Le armoniche rappresentano una sfida importante per chi gestisce impianti elettrici moderni: ignorarle può portare a costosi problemi di efficienza, affidabilità e sicurezza. Comprendere i fenomeni armonici e le possibili soluzioni è fondamentale per gli energy manager e i responsabili di manutenzione. In questo articolo abbiamo approfondito i principali effetti negativi (perdite aggiuntive, surriscaldamenti, rotture di componenti, malfunzionamenti) e le opzioni correttive (sovradimensionamento, filtri passivi, filtri attivi, ecc.), evidenziando pro e contro di ciascuna.

In generale, la soluzione ottimale dipende dal livello di distorsione presente e dalle caratteristiche dell’impianto. Spesso, un approccio combinato risulta vincente: ad esempio, predisporre un impianto robusto (cavi, trafo, neutro sovradimensionati) e al contempo installare filtri attivi per abbattere le armoniche principali. Così si ottiene un sistema elettrico efficiente, affidabile e conforme alle normative di Power Quality.

Se la tua azienda sta riscontrando problemi di armoniche – come surriscaldamenti inspiegabili, continui scatti di protezioni o disturbi anomali – non aspettare oltre: contattaci per una diagnosi professionale. I nostri tecnici possono effettuare campagne di misura del THD, analizzare lo spettro armonico e proporre soluzioni mirate (compensazione attiva, rifasamento filtrato, ecc.) per eliminare il problema alla radice. Investire nella qualità dell’energia significa assicurare continuità produttiva, ridurre i costi energetici e proteggere i propri beni impiantistici nel lungo termine. Migliora la power quality oggi per evitare disagi e spese domani!

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 Y_n e una fase Φ_n .

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

y(t) = Y₀ + Σ_n=1^n=∞ Y_{n *} sen ( n*ω*t - Φ_n )

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 ω_n=n*ω è un multiplo della pulsazione della fondamentale ω ) e sulle ordinate sono riportate le ampiezze Y_n si ottiene il cosiddetto spettro di ampiezza. Analogamente riportando sulle ordinate le fasi Φ_n 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 = ( √ Σ_n=2^n=∞ Y_n² ) / 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 

THD_V = ( √ Σ_n=2^{n=∞ V}_n² ) / V₁

e la distorsione armonica totale di corrente 

THD_I = ( √ Σ_n=2^{n=∞ I}_n² ) / I_{1 .}

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

- valori di THD_I inferiori al 10% possono ritenersi accettabili
- valori di THD_I compresi 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 THD_I 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 THD_V inferiori al 5% possono ritenersi accettabili
- valori di THD_V compresi 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 THD_V superiori all'8% determinano una distorsione armonica molto forte e necessitano di filtraggio .

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 ]