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Armoniche e qualità dell’energia

L’aumento dei dispositivi elettronici di potenza ha influenzato fortemente l’aumento del livello delle armoniche nelle reti elettriche. Questo aumento dell’inquinamento elettrico o la distorsione delle forme d’onda di tensione e corrente, a causa delle armoniche di frequenze differenti per la fondamentale, è dovuto allo sviluppo e al perfezionamento di semiconduttori di potenza che ha motivato l’uso di apparecchiature come ad esempio convertitori statici, data la loro maggiore efficienza e affidabilità nel controllo dell’energia elettrica. Così come i forni elettrici ad arco, a causa delle loro particolari caratteristiche per la fusione di metalli e di altri dispositivi elettronici di potenza che hanno un comportamento non lineare.
Identificare le fonti che provocano le perturbazioni che si propagano dalla rete è un argomento complesso che richiede ampie e adeguate analisi di misurazione con lo scopo di intraprendere decisioni correttive. Il problema consiste nel determinare l’origine e la grandezza delle fonti di armonica, che non può essere identificata a priori a causa della interconnessione dei sistemi elettrici. Tale interconnessione, infatti, consente ai flussi di armoniche di propagarsi lungo la rete provocando effetti che possono causare malfunzionamenti e guasti distruttivi delle apparecchiature di potenza.
Il problema non solo può accadere all’utente che possiede i generatori di correnti armoniche, ma attraverso la distribuzione e le linee di trasmissione possono propagarsi agli altri utenti della rete elettrica, creando così una responsabilità per se stesso e per le società distributive di energia elettrica.
Di solito vengono commessi errori quando si utilizzano termini come “qualità del servizio elettrico” e “componenti armoniche nelle reti elettriche“, in quanto racchiudono molti concetti che verranno affrontati nel presente articolo. Quindi, all’interno di questa conoscenza per studiare i disturbi elettrici, è importante introdurre alcune nozioni per capire l’origine, il meccanismo di generazione e la possibile soluzione al problema in installazioni elettriche in presenza di armoniche.

La qualità del servizio è un insieme di proprietà e standard normali che secondo le leggi ed i regolamenti in vigore siano inerenti le attività di concessione e distribuzione dell’energia elettrica e costituiscono le condizioni base alle quali tali attività devono essere ulteriormente sviluppate.
L’uso di energia elettrica richiede un’alimentazione di potenza con frequenza e tensioni controllabili, mentre la generazione e trasmissione vengono realizzate a livelli nominali costanti. Questa discrepan-za ha bisogno di una conversione di potenza che in generale viene eseguita utilizzando circuiti non lineari. Questi circuiti sono costituiti da materiali semiconduttori che distorcono le onde di tensione e corrente.
È importante sapere, prima di considerare l’importanza di questi disturbi presenti nelle reti elettriche, che le armoniche sono i sottoprodotti dell’elettronica moderna, e si manifestano soprattutto dove ci sono un gran numero di computer, stampanti, motori a velocità variabile, apparecchiature mediche, ascensori e le altre attrezzature che assorbono corrente sotto forma di brevi impulsi. Questi dispositivi sono progettati per assorbire corrente soltanto durante una controllata frazione dell’onda di tensione di alimentazione. Ciò provoca armoniche nella corrente di carico e quindi la distorsione della forma d’onda della tensione, in aggiunta al surriscaldamento dei trasformatori e i conduttori neutro, e talvolta all’intervento degli interruttori automatici.
Individuare il problema è relativamente semplice una volta che sappiamo che cosa cercare e dove cercare. Normalmente, i sintomi delle armoniche non sono esattamente sottili, ed esistono procedure di misurazione per individuarle.

Cosa si intende per qualità dell’energia (Power Quality)
Possiamo definire tre concetti:
Qualità del Prodotto Tecnico: mira ad analizzare le caratteristiche e il livello di tensione del segnale in corrispondenza del punto di accoppiamento comune Pcc, in aggiunta ai disturbi, che a loro volta sono divise in rapide variazioni di tensione (flicker), lente variazioni nella tensione e armoniche.
Qualità del Servizio Tecnico Prestato: cerca di analizzare, monitorare e sanzionare per quanto ri-guarda le interruzioni di corrente, frequenza delle interruzioni e la durata delle stesse.
Qualità del Servizio Commerciale: mira a dare a scadenze e qualità dell’attenzione da parte della società di generazione o del distributore per la conformità con le richieste e le informazioni dall’utente.
Lo scopo delle guide e delle norme relative alla limitazione delle armoniche nei sistemi elettrici di potenza, compresi nel punto di “Qualità tecnica del prodotto“, può essere riassunto nella necessità di:
a) controllo della distorsione di corrente e tensione a livelli che l’apparecchiatura connessa al sistema può tollerare.
b) garantire che i clienti ricevino una tensione con una forma d’onda adatta alle loro esigenze.
c) limitare il livello di distorsione che un cliente può introdurre nella rete.
d) garantire che le armoniche non interferiscano con altri sistemi (ad esempio con i sistemi telefonici).

Il problema delle armoniche
Le armoniche sono correnti e/o tensioni presenti in un sistema elettrico, con una frequenza multipla della frequenza fondamentale. Così, in impianti con frequenza di 50 Hz con carichi monofase, le caratteristiche armoniche sono la terza (150 Hz), quinta (250 Hz) e settima (350 Hz) per esempio.
Con il crescente uso di carichi non lineari (nell’elettronica di potenza), hanno cominciato ad avere qualche problema nelle installazioni elettriche dovuta agli effetti delle componenti armoniche di corrente e tensione nel sistema elettrico, non precedentemente contemplati. Tra questi vi sono il surriscaldamento di cavi, trasformatori e motori, fenomeni di risonanza tra gli elementi del circuito e nel complesso la qualità della fornitura di energia elettrica ha subito un deterioramento dalla distorsione presente nelle tensioni e correnti.

Armoniche di corrente
In generale, qualsiasi tipo di carico non lineare collegato al sistema elettrico provoca la distorsione armonica. Di seguito è riportato un elenco di esempi comuni di sorgenti di armoniche in sistemi di alimentazione, fra i quali sono alcuni i cui effetti possono essere trascurati in modo sicuro in sistemi di distribuzione:
a. La saturazione dei trasformatori;
b. Corrente di energizzazione dei trasformatori;
c. Connessione del neutro del trasformatore;
d. Forza magnetomotrice nelle macchine rotanti in corrente alternata;
e. Forni elettrici ad arco;
f. Lampade fluorescenti;
g. Caricabatterie;
h. Compensatori statici;
i. I convertitori di frequenza per motori (“unità“), gli invertitori;
j. Convertitori allo stato solido…

Armoniche di tensione
Una rete di alimentazione può essere una fonte indiretta di armoniche di tensione. La relazione tra le armoniche di corrente assorbite dai carichi non lineari e l’impedenza della fonte di alimentazione del trasformatore di potenza è regolato dalla legge di Ohm, causando la distorsione della forma d’onda come indicato in figura 1. Questa distorsione della forma d’onda è particolarmente importante nei sistemi di distribuzione elettrica alti impedenza. L’impedenza della fonte sono il trasformatore di alimentazione e le componenti della linea.

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Figura 1 – Generazione di una forma d’onda di tensione distorta

Questa deviazione anomala della fonte di alimentazione può causare disfunzioni nelle apparecchiature e guasti anticipati che è quello che viene chiamato “Bassa qualità di energia“.

Effetti delle armoniche nella rete di distribuzione elettrica
I sintomi delle armoniche sono spesso presentati nelle apparecchiature di distribuzione di corrente che supportano i carichi non lineari. Questi sono essenzialmente di due tipi: monofase e trifase. Negli uffici predominano i carichi monofase non-lineare, mentre in campo industriale i più diffusi sono i carichi trifase.

I conduttori di neutro
In condizioni normali, con un carico trifase simmetrico ed equilibrato, le fondamentali di 50 Hz delle correnti di ogni fase si annullano reciprocamente nel conduttore di neutro. In un sistema a quattro conduttori con carichi non lineari, alcune armoniche di ordine dispari, (multipli dispari della terza armoniche: 3º, 9º, 15º, ecc.) non vengono annullati tra loro, ma si aggiungono nel conduttore di neutro.
In molti sistemi con carichi monofase non lineare, la corrente nel neutro può superare il valore delle correnti di fase. In questo caso il pericolo è il riscaldamento eccessivo del conduttore di neutro, data l’assenza, nel conduttore di neutro, di un interruttore automatico che limita la corrente, come avviene nei conduttori di fase.
L’eccessivo assorbimento di corrente sul conduttore di neutro può anche causare cadute di tensione superiori al normale tra il conduttore di neutro e la messa a terra nella presa a 230 V.

Interruttori magnetotermici
Gli interruttori magnetotermici convenzionalmente utilizzano un meccanismo che consiste in una lamina bimetallica che si deforma con la temperatura e quindi agisce in conformità con il riscaldamento provocato dal passaggio della corrente. Questo meccanismo è stato progettato per rispondere al vero valore efficace della forma d’onda di corrente e quindi il riscaldamento extra causato dalle armoniche possono provocare un precoce scatto apparentemente inspiegabile.
Un interruttore elettronico sensibile al valore della corrente di picco risponde al valore del picco della forma d’onda di corrente. Di conseguenza, non sempre risponde adeguatamente alle correnti armoniche. Siccome il valore di picco delle correnti armoniche è superiore al valore normale, questo ti-po di interruttore può intervenire intempestivamente con basse correnti. Se il valore del picco è inferiore al normale, l’interruttore potrebbe non intervenire quando dovrebbe. In tal caso occorre rimontare interruttori adeguati per carichi non lineari dove necessario.

Conduttori
La presenza di correnti armoniche aumenta il valore efficace della corrente totale che corre lungo la linea, aumentando le perdite e causando un eccessivo riscaldamento del conduttore. Inoltre la cor-rente alternata tende a circolare intorno alla superficie esterna del conduttore. Questo fenomeno è noto con il nome di effetto “pelle” ed è più pronunciato nelle alte frequenze. L’effetto pelle è solitamente ignorati a causa della sua scarsa importanza negli alimentatori a 50 Hz. Tuttavia, al di sopra di 300 Hz, cioè nel caso di 7° armonica e superiori, l’effetto pelle è di notevole importanza causando perdite aggiuntive e un eccessivo riscaldamento.
È necessario utilizzare cavi di sezione superiore indicati nella sezione cataloghi tecnici per evitare l’eccessivo riscaldamento dovuto alla presenza di armoniche, separare i carichi non lineari dei restanti carichi “puliti”.

Quadri elettrici
I quadri possono andare in risonanza a causa dei campi magnetici generati da correnti armoniche ad alta frequenza. Quando questo accade il pannello inizia a vibrare emettendo un suono acustico simile a un ronzio prodotto, per la maggior parte delle volte, da correnti armoniche.

Trasformatori
Le armoniche influenzano negativamente i trasformatori di distribuzione, che alimentano carichi non lineari. L’aumento del valore efficace della corrente a causa della forma d’onda distorta provoca ulteriori perdite nel rame di avvolgimento delle fasi. Le correnti armoniche ad alta frequenza causano anche gravi perdite nel nucleo del trasformatore, come conseguenza delle correnti di Foucault, nel carcassa in metallo e negli avvolgimenti. Queste perdite maggiori riducono la capacità di carico del trasformatore.
In un trasformatore triangolo-stella, le correnti armoniche (multiple dispari della terza armonica), sono sommate algebricamente nel neutro dell’avvolgimento secondario a stella, presentandosi come una corrente di circolazione nell’avvolgimento a triangolo del primario causando il surriscaldamento e conseguentemente guasti nel trasformatore.
Un modo per proteggere un trasformatore dalle armoniche è di limitare il suo carico a valori al di sot-to del suo valore nominale. I trasformatori standard sono in alcune occasioni, non sono in grado di sopportare il riscaldamento supplementare che provocano le armoniche. A seconda delle condizioni presenti, possono esserci casi in cui è necessario limitare il carico che alimenta il trasformatore fino al 50% della potenza nominale. Questo può aiutare a risolvere il problema delle armoniche, ma dimi-nuisce notevolmente il rendimento effettivo del trasformatore. In alternativa, è possibile utilizzare dei trasformatori di categoria K appositamente progettati per carichi di potenza con le armoniche.
La progettazione di un trasformatore K può includere una o più delle seguenti modifiche:
sovradimensionare l’avvolgimento primario per resistere alle correnti armoniche circolanti, progettare nuclei magnetici con una bassa densità di flusso usando livelli elevati di ferro, utilizzare più conduttori paralleli di piccola sezione nell’avvolgimento secondario per ridurre l’effetto pelle.

Generatori
I generatori di emergenza sono soggetti agli stessi tipi di problemi di surriscaldamento come nei trasformatori, ma poiché sono usati come una sorgente di alimentazione di emergenza per i carichi produttori di armonica sono spesso più vulnerabili. In aggiunta al surriscaldamento, alcuni tipi di armoniche causano distorsione nei passaggi per lo zero dell’onda di corrente causando dispersione e instabilità dei circuiti di controllo del generatore.

Condensatori
Poiché il valore della reattanza di un condensatore è inversamente proporzionale alla frequenza, le correnti armoniche di frequenza più elevata, rispetto alla fondamentale, circolano più facilmente attraverso i condensatori a bassa impedenza, di conseguenza si sovraccaricano e si riscaldano a causa di correnti armoniche. Un problema più grave può sorgere quando i condensatori e le induttanze del sistema di distribuzione di potenza formano un circuito risonante parallelo, con una frequenza di risonanza accanto a una delle frequenze armoniche presenti, che è di una certa importanza. Le correnti armoniche risultanti possono raggiungere valori molto elevati, sovraccaricando il condensatore e bruciando i loro fusibili.
Può essere evitata la presenza di risonanze aggiungendo una induttanza in serie con il condensatore per variare la frequenza di risonanza della caratteristica di risposta del sistema o, in alternativa, installare un dispositivo di correzione della corrente reattiva (kVAR) appositamente progettato.

Uso dei filtri
I filtri sono una soluzione efficace in quelle occasioni in cui il ricablaggio è costoso o difficile. Servono, in sostanza, a bloccare o intrappolare le correnti pericolose, riducendo il cablaggio dei carichi armonici. Tuttavia, il progetto del filtro dipende dall’apparecchiatura nel quale deve essere installato e può diventare inefficace se una certa parte dell’apparecchiatura viene cambiata. Le caratteristiche del filtro devono essere attentamente progettate per un determinato impianto, pertanto è consigliabile un controllo a priori da un professionista specializzato.

Conclusioni
All’interno del concetto di qualità del servizio elettrico, è importante conoscere i concetti, gli scopi e gli standard relativi alla qualità del prodotto tecnico nel punto di connessione comune Pcc, poiché in un futuro molto prossimo le società che distribuiscono energia inizieranno a chiedere ai clienti di mantenere i livelli di distorsione all’interno dei parametri stabiliti dalla norma esistente.

Ing. Quinci Damiano
Progettista Impianti elettrici

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