Alimentazione elettrica Tensione di rete

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1 Alimentazione elettrica Tensione di rete In conseguenza dei principi fisici con i quali funzionano le macchine per la produzione, il trasferimento e l impiego dell energia elettrica, nelle nostre case e in tanti ambienti di lavoro si utilizza una tensione pari a 230 Volt che varia con legge sinusoidale. Tale legge, detta seno, rappresenta la proiezione, sull'asse delle ordinate, di un vettore che ruota con velocità angolare costante, come si vede da questa animazione. In pratica, tra i contatti di una presa elettrica, abbiamo una tensione detta anche d.d.p. (differenza di potenziale), che varia gradualmente da -230V a +230V (valore efficace) per circa 50 volte al secondo, cioè la tensione di rete ha una frequenza di 50 Hz (cicli/secondo); per questo viene definita tensione alternata. Si differenzia dalla tensione continua, presente ad esempio sui contatti di una batteria di accumulatori, dove le polarità sono distinte in postivo e negativo ed è necessario rispettarle nei collegamenti. Qualità della fornitura di energia elettrica L energia elettrica costituisce la forma più importante e diffusa di impiego dell energia. La sua disponibilità, in termini di quantità e qualità della fornitura, è uno dei requisiti fondamentali per il funzionamento e la crescita di un Paese avanzato. E infatti siamo talmente assuefatti all utilizzo dell energia elettrica, a premere un interruttore per disporre di tutta l energia necessaria ad illuminare stanze e abitazioni, far funzionare ascensori, elettrodomestici e apparecchiature varie, accendere computer e televisori, che ci accorgiamo della sua importanza soprattutto quando manca. I casi di black out, anche se limitati nel tempo o nello spazio, sono sempre traumatici. Inoltre, con la crescente diffusione di apparati elettronici per la gestione ed il controllo di dati o di processi energetici nelle attività produttive e nel terziario, la qualità dell alimentazione elettrica ha assunto una crescente, fondamentale importanza. La qualità del servizio elettrico prende in considerazione: continuità dell alimentazione, intesa come assenza di interruzioni nella fornitura di energia elettrica. qualità della tensione, intesa come qualità della forma d onda (ampiezza, frequenza, variazioni eccetera.) [ ] I Produttori affermano che la qualità tecnica della fornitura è correlata alla maggiore o minore presenza di guasti temporanei in rete e/o alla presenza di carichi disturbanti. Le interruzioni dell alimentazione vengono suddivise convenzionalmente in transitorie, o micro interruzioni con durata inferiore ad 1 secondo, brevi se inferiori a tre minuti, e lunghe con durata superiore a tre minuti.

2 Le diminuzioni improvvise e transitorie della tensione ad un valore compreso tra il 90% e l 1% vengono definite buchi di tensione. [..] I buchi di tensione e le interruzioni sono fenomeni sempre presenti nelle reti elettriche e sono causati principalmente da : - guasti sulla linea di alimentazione dell'utente o sulle linee ad essa connesse, seguiti da manovre di richiusura automatica - guasti su reti interne di clienti - correnti d'inserzione di trasformatori e condensatori - carichi che variano rapidamente e correnti di spunto dei motori Anche se la maggior parte dei buchi di tensione e delle interruzioni ha origine sulla rete di distribuzione, una sensibile percentuale dipende dal sistema di trasmissione e dagli utenti. Ma in ogni caso, anche in presenza di impianti della società di distribuzione e dell'utente adeguatamente coordinati ed allineati ai migliori standard tecnologici, è comunque prevedibile la presenza di un numero fisiologico di interruzioni e buchi di tensione. [.] A volte le interruzioni sono programmate con lo scopo di ridurre i consumi di energia L autorità per l energia Elettrica e il Gas (AEEG) ha fissato limiti che riguardano queste interruzioni che dovrebbero essere rispettati dagli operatori di rete. [.]

3 Effetti sulle utenze Le conseguenze dei buchi di tensione e delle interruzioni brevi sono molto variabili, a seconda della tipologia degli impianti elettrici e delle singole apparecchiature, nonché del processo produttivo ed in particolare del grado di automazione dello stesso. Ad esempio, i buchi di tensione e le interruzioni brevi possono comportare interventi intempestivi dei relè di minima tensione, dei dispositivi di comando (teleruttori o contattori), irregolarità nel funzionamento dei motori, malfunzionamenti di apparati elettronici digitali, spegnimento di lampade a scarica con ritardo di riaccensione eccetera. Ma sono i sistemi elettronici di controllo e di elaborazione dei dati che sono maggiormente sensibili alle interruzioni; in assenza di opportune precauzioni il funzionamento si arresta con necessità di rielaborazione o recupero delle informazioni perdute. È noto che i fulmini sono una delle principali cause di guasti originati sulle reti in media tensione (MT) con linee aeree. Tali guasti determinano interruzioni e buchi di tensione. In particolare per la rete MT si stima che il 25%-30% delle interruzioni siano correlate agli effetti dei fulmini. Di conseguenza numerosi sono anche i buchi di tensione originati da questo fenomeno. [ ] [...] Per quanto la società distributrice di energia possa ridurre la probabilità di guasto, non è ipotizzabile la completa eliminazione. Peraltro va anche sottolineato che molti apparati sensibili possono essere de-sensibilizzati con interventi semplici e poco onerosi da parte del cliente utilizzatore. É il caso degli azionamenti statici, il cui funzionamento può essere reso insensibile a buchi di tensione che durano anche diverse centinaia di millisecondi, implementando opportune logiche negli inverter che consentano la ripresa "al volo" del motore. Altro esempio è quello di contattori che comandano motori: un attenta analisi del funzionamento dello specifico motore con il suo carico può spesso consentire un ritardo nello sganciamento del contattore a fronte di buchi di tensione. Le apparecchiature di comando e controllo possono essere, senza eccessivi oneri, alimentate da gruppi di continuità (UPS) evitando la lunghe fermate per la reinizializzazione dei processi a valle di ogni interruzione, anche breve, della alimentazione elettrica. E infine, i clienti dotati di apparecchiature particolarmente sensibili ai disturbi della qualità della tensione, possono ricorrere (dopo adeguati studi di valutazione, trattandosi di apparecchi costosi) a dispositivi sofisticati basati su elettronica di potenza (detti custom power) che agiscono su una parte o sull intero impianto di potenza. In generale le apparecchiature che permettono di risolvere il problema delle interruzioni dell alimentazione elettrica di rete sono gruppi di continuità e gruppi elettrogeni: gruppo di continuità statico: per tutte le potenze e per autonomie fino a 1-2 ore (o maggiori ma con costi elevati della batteria); gruppo di continuità rotante: per grandi potenze e idoneo solo per le micro interruzioni; gruppo elettrogeno: per potenze medie e grandi e lunghe autonomie; non è idoneo per le microinterruzioni.

4 Altre anomalie dell alimentazione elettrica Variazioni di tensione E un fenomeno legato al normale funzionamento della rete elettrica: le linee di distribuzione non possono fornire una tensione costante perché sono soggette a continue variazioni di carico. I produttori di energia elettrica dichiarano variazioni fino al 10%; di conseguenza anche le macchine elettriche sono costruite per funzionare con un margine di tolleranza. Oltre ai buchi di tensione abbiamo altre tipologie di scostamento dai parametri nominali: con la comune espressione tensione bassa definiamo quel fenomeno che affligge diverse utenze in diverse zone; è causato ad esempio da una linea sottodimensionata, da sovraccarichi, ecc. Con il termine sovratensione si definisce il sensibile aumento del valore efficace della tensione di linea. Distinguiamo le s. non impulsive che si verificano ad esempio quando le industrie riducono il consumo di energia, dalle s. impulsive. Le apparecchiature che permettono di risolvere il problema delle variazioni lente di tensione sono: Stabilizzatori: statici o elettrodinamici Due tipologie di gruppi di continuità: gruppo di continuità statico gruppo di continuità rotante Sovratensioni impulsive - picchi I sistemi informatici costituiscono la spina dorsale della nostra moderna società industriale. Questi disturbi di brevissima durata, sono molto pericolosi perchè possono raggiungere valori di tensione di migliaia di Volt. Sono causati dalle manovre di commutazione effettuate sugli elettrodotti, da fenomeni atmosferici, attivazione di grossi sistemi di rifasamento, disattivazione di carichi con alta potenza reattiva, ma anche da normali fotocopiatrici e condizionatori d'aria, se collegati alla stessa linea che alimenta le utenze sensibili. Vista la natura transitoria è difficile anche la rilevazione: sono infatti necessari adeguati strumenti di misura. Le sovratensioni impulsive sono una delle principali cause di guasti e danneggiamenti.

5 Gli impianti elettrici di ultima generazione, prevedono protezioni dalle sovratensioni, dette limitatori di sovratensione. Affinché possano effettivamente portare beneficio, devono essere inserite in modo coordinato e con molta perizia. Per proteggere in particolare le utenze sensibili sono disponibili sul mercato alcuni dispositivi più o meno efficaci: da blande ciabatte di connessione che hanno filtri e soppressori interni, ai più efficaci condizionatori di rete. La Powel ha progettato specifiche unità di protezione che adottano le migliori soluzioni tecniche. Variazioni di frequenza Le variazioni della frequenza di rete sono abbastanza contenute; tuttavia anche questo fenomeno può provocare avaria alle utenze, in particolare a quelle che la utilizzano la f. come riferimento. I gruppi elettrogeni, usati anche come alimentazione di soccorso, se non correttamente dimensionati, possono provocare queste variazioni. Per risolvere questo problema si consiglia di utilizzare un gruppo di continuità statico. Disturbi ad alta frequenza Le linee elettriche oltre alla tensione di rete, che ha frequenza 50Hz, possono essere interessate da tensioni indotte che hanno frequenza molto più alta, detta anche radio-frequenza. La rete elettrica è di fatto una grande antenna ed è sottoposta ai segnali irradiati dalle emittenti radiotelevisive, dai moderni sistemi di telecomunicazione, ecc. ecc. Questi disturbi sono nocivi per gli apparati elettronici; sono responsabili per esempio del deterioramento dell immagine sugli schermi televisivi.

6 Rimedi: Condizionatori di rete - Unità di protezione da sovratensione. Armoniche Sono componenti sinusoidali della tensione e/o della corrente, di frequenza superiore a quella fondamentale (50 Hz) che distorcono la forma d'onda dell'alimentazione di rete. Sono provocate dagli apparati elettrici ed elettronici con assorbimento non lineare come: convertitori AC/CC, variatori di velocità, azionamenti, alimentatori switching, lampade fluorescenti, saldatrici, forni ad arco, ecc. Tale disturbo può provocare: sovraccarichi sulle linee, scoppio dei condensatori di rifasamento, diminuzione del rendimento dei trasformatori e dei motori elettrici, malfunzionamento dei sistemi di misura e protezione, ecc. Si contrastano con Filtri passivi o attivi, Gruppi di continuità statici. Variazioni di fase ( nei sistemi polifase ) Nei casi precedenti abbiamo preso in considerazione una sola grandezza, la forma d onda di tensione che varia in modo sinusoidale, che rende disponibili tra due punti, i due contatti della nostra presa di alimentazione elettrica, 230 Volts. Se noi raggruppiamo opportunamente più forme d onda, con la stessa ampiezza, la stessa frequenza, ma con FASE tra loro diversa, costituiamo un sistema polifase. Il trasporto dell energia elettrica, detto più propriamente trasferimento di potenza, avviene come abbiamo già detto con i limiti imposti dalle leggi fisiche; la tecnologia migliora continuamente le prestazioni delle macchine, ma il sistema rimane immutato. La potenza viene traferita dalla centrale

7 di produzione anche a grandi distanze per mezzo di elettrodotti; dapprima con tensione molto elevata (AT) in sistemi polifase, di seguito distribuita nei vari distretti a stazioni di trasformazione che la rendono disponibile alle aziende e alle aree residenziali sotto forma di media tensione (MT) e bassa tensione (BT) che è la più diffusa e tutti conosciamo con le definizioni di 400V trifase e 230V monofase. Le eventuali variazioni del rapporto esistente tra le fasi (angolo di 120 nel sistema trifase), possono compromettere il funzionamento sia dei dispositivi di trasformazione che delle macchine utilizzatrici, ad esempio i motori elettrici. In alcuni casi, serve una alimentazione ausiliaria, quindi meglio il Gruppo elettrogeno. Gran parte delle anomalie descritte si verifica in modo casuale, temporaneo, se non istantaneo; è quindi difficile caratterizzarle. Per realizzare apparecchiature idonee al loro contenimento o alla eliminazione è necessario uno studio approfondito. Sono necessari costosi apparati di simulazione che permettono di riprodurre i fenomeni in laboratorio.

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