Sul costo dell'energia elettrica incide notevolmente la penalità per basso Fattore di Potenza

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1 - Soluzioni e sisemi per la razionalizzazione dei consumi energeici IL BSSO FTTORE DI POTENZ IL RIFSMENTO DEGLI IMPINTI ELETTRII Sul coso dell'energia elerica incide noevolmene la penalià per basso Faore di Poenza (cosj), applicaa nei conrai di forniura: principalmene da queso, ma anche da alri imporani faori, nasce la necessià di rifasare gli impiani. Il Rifasameno è una ecnica che, migliorando il Faore di Poenza delle macchine eleriche, consene di uilizzare razionalmene l'energia, realizzando imporani risparmi economici e rilevani migliorameni ecnici. I vanaggi economici sono ano più consiseni quano maggiore è il fabbisogno di energia elerica. Il Faore di Poenza coinvolge il rapporo ra due ipi di Poenza: la Poenza iva e la Poenza Reaiva. La maggior pare dei carichi, negli auali sisemi elerici di disribuzione, sono Induivi: ciò significa che, per funzionare, richiedono un campo eleromagneico e l assorbimeno dalla Ree di due ipi di Poenza: - Poenza iva che realizza il lavoro della macchina, il calore, la forza, il movimeno, ecc. - Poenza Reaiva che produce solano il campo eleromagneico necessario alla macchina elerica per funzionare. Nel caso di carichi Induivi si verifica uno sposameno di Fase ra la ensione e la correne: precisamene la correne è in riardo sulla ensione, raggiungendo il suo massimo ed il suo zero più ardi rispeo alla ensione. orrene La Poenza iva si misura in kw menre la Poenza Reaiva si misura in kvar (kilovol-ampère-reaivi). La Poenza iva e la Poenza Reaiva assieme compongono la Poenza pparene, che si misura in kv. Il Faore di poenza, che si indica anche come cosj, è il rapporo ra la Poenza iva e la Poenza pparene riferia alla fondamenale; ale rapporo può variare ra ed. Poenza aiva (kw) cosj = Poenza apparene (kv) 8 36 j Fig. - arico Induivo: correne in riardo orrene La figura seguene mosra la suddivisione delle poenze. kwh kvarh ENERGI FORNIT DLL SOIETÀ ELETTRI E PGT DLL'UTILIZZTORE 8 36 POTENZ TTIV kw POTENZ RETTIV kvar Fig. B - arico Resisivo: correne in fase orrene 8 36 ENERGI RETTIV FORNIT DI ONDENSTORI DI RIFSMENTO j POTENZ PPRENTE kv RIHI Fig. - arico apaciivo: correne in anicipo Queso fenomeno è rappresenao in Fig., menre la Fig. B mosra le sinusoidi di ensione e di correne di un carico resisivo perfeamene in fase e la Fig. un carico capaciivo con la sinusoide di correne in anicipo rispeo a quella di ensione. Se il Faore di Poenza medio è inferiore a cosj,9 induivo e la poenza impegnaa è superiore a 5 kw, la Socieà fornirice di energia applicherà in Faura l addebio per basso Faore di Poenza.

2 IL RIFSMENTO DEGLI IMPINTI Il modo più semplice ed economico per risolvere il problema del basso Faore di Poenza di un impiano è quello di collegare dei condensaori di rifasameno in parallelo ai carichi. I condensaori funzionano come Generaori di Poenza Reaiva e forniscono alla macchina elerica ua l energia reaiva necessaria per sosenere il campo eleromagneico. In praica il condensaore ha la proprieà di assorbire una correne che è in anicipo di 9 rispeo alla ensione e si compora quindi come un vero generaore di energia reaiva che si rova in opposizione a quella del carico. Quesa poenza fornia dal condensaore non viene più prelevaa dalla Ree, quindi si riduce sia l inensià di correne circolane che lo sfasameno ra ensione e correne e viene eliminaa la penalià sulla faurazione dell energia. Dai diagrammi si vede come, ad esempio, un moore che sia uilizzao a cosj,7 assorbe una correne superiore del 43% rispeo allo sesso moore rifasao a cosj.,5,6,7 I = 2 Ia I =,67 Ia I =,43 Ia cos j 25 OME RIFSRE UN IMPINTO I ondensaori possono essere insallai in qualsiasi puno dell impiano ove sia presene una macchina elerica a basso faore di poenza, ma quesa soluzione non è quasi mai conveniene, anche se ecnicamene sarebbe la più correa. In un impiano elerico infai i carichi a basso cosj possono essere anche ceninaia ed ognuno richiederebbe l insallazione di un condensaore di poenza adeguaa, con la relaiva linea di collegameno, derivazioni, proezioni e organi di sezionameno. Neppure è consenio dalle condizioni di forniura e dalle norme di sicurezza l insallazione di condensaori fissi, permanenemene collegai in ree, ranne quelli posi sui rasformaori in abina, a mone dell Inerruore Generale di B.T. I condensaori possono essere collegai in ree solo in presenza di carichi da rifasare e quesi non devono essere rifasai olre cosj, alrimeni si conseguirebbe una sovracompensazione che produrrebbe gravi squilibri nella ree, quali un pericoloso aumeno della ensione di esercizio, aumeno della correne circolane, sovraccarico delle linee e degli organi di disribuzione. Tue quese problemaiche sono risole con il RIFSMENTO ENTRLIZZTO, che consise in una Baeria di condensaori unica per uo l impiano, normalmene posizionaa a mone di ui i carichi, a valle dell Inerruore Generale di B.T. Quese apparecchiaure, gesie da sofisicai sisemi a microprocessore, gesiscono la poenza rifasane dei condensaori in numerosi gradini, seguendo l andameno dei carichi per oenere, in ogni condizione, una perfea correzione del Faore di Poenza. essaa l aivià dei carichi, le baerie di condensaori vengono ue disinserie in aesa del nuovo ciclo di lavoro. OME SI LOL IL RIFSMENTO DI UN IMPINTO,9 Ia I =, Ia ndameno della correne circolane in un impiano al variare del cosj (a parià di poenza aiva e quindi di correne aiva Ia) VNTGGI DEL RIFSMENTO In un impiano correamene rifasao l Uene paga solo l energia che effeivamene uilizza. d es.: In un impiano con cosj.7 induivo, solano il 7% della poenza fornia dal Trasformaore in cabina viene uilizzaa per produrre lavoro uile, menre il reso serve per produrre l energia reaiva richiesa dal carico ed in pare dispersa per effeo Joule soo forma di calore. on il carico perfeamene rifasao e quindi con l energia reaiva fornia dai condensaori, il rasformaore può fornire fino al 98% di poenza uile. L insallazione di condensaori fornisce anche moli alri benefici: - Faure di energia elerica ridoe di impori anche noevoli, ano che nella maggioranza dei casi il complesso auomaico di rifasameno si ripaga in un anno di esercizio, o meno. - Riduzione delle perdie di energia per riscaldameno dei cavi elerici. - Maggiore poenzialià dell impiano. - Più disponibilià di poenza e minore riscaldameno da pare del Trasformaore. - Riduzione degli inerveni inempesivi del Limiaore di correne che inerrompono il ciclo produivo. 5,9,8,7,6,5 cos j Il cosj medio dell impiano da rifasare è un paramero fondamenale per calcolare la poenza dell apparecchiaura auomaica di rifasameno da insallare. Il meodo più semplice consise nel leggere queso valore sulle Faure di energia elerica, facendo una media di almeno 4-5 mesi. Se queso dao non è disponibile, sarà sufficiene applicare la seguene formula, che consene di rovare il cosj conoscendo i consumi di Energia iva (kwh) e di Energia Reaiva (kvarh) dell impiano per forniura in B.T. Quesi valori sono sempre riporai sulle Faure, ma è anche possibile effeuare la leura dei conaori di energia aiva (E) e di energia reaiva (Qc) rilevando gli incremeni dopo un congruo periodo. cos j = Esempio: Energia iva =25 kwh energia aiva (energia aiva) 2 + (energia reaiva) 2 RIFSMENTO IN PRESENZ DI RMONIHE Energia Reaiva = 24 kvar cos j = 2.5 =,75 (2.5) 2 + (.24) 2 Prima di scegliere l apparecchiaura auomaica di rifasameno è necessario cauelarsi nei confroni di un probabile sovraccarico delle baerie di condensaori dovuo alle armoniche. Perano è indispensabile eseguire una verifica presso l uilizzaore per assicurarsi della presenza o meno di carichi disorceni quali converiori U.P.S. forni ad arco, moori a velocià variabile, raddrizzaori, rasformaori saurai, ecc. Un apparecchiaura non adeguaamene dimensionaa, insallaa in impiani con carichi di ale ipo, verrebbe danneggiaa e rapidamene messa fuori servizio o compleamene disrua. 2

3 LOLO DELL POTENZ RETTIV NEESSRI PER RIFSRE Si raa di fornire all impiano una poenza reaiva ale da porare il cosj al valore desiderao, senza però che in nessun momeno l energia assorbia dalla Ree sia capaciiva. I dai necessari per un calcolo semplificao, sono i segueni: - osj medio - Poenza massima prelevaa in kw. Menre il cosj medio può essere rovao come spiegao in precedenza, la poenza massima prelevaa può essere rilevaa dall indicaore presene sul conaore di energia iva E o dalla Faura dell energia. onsulando la Tabella riporaa, si può facilmene calcolare la poenza dei condensaori o dell pparecchiaura uomaica necessari per rifasare l impiano. OME SI LOL IL RIFSMENTO DI UN MOTORE SINRONO La poenza dei condensaori non deve superare la poenza reaiva a vuoo del moore, a causa del rischio di fenomeni di auoecciazione e di risonanza ra il condensaore e l induanza della macchina. La poenza reaiva assorbia da un moore dipende da vari faori, come il carico della macchina, la poenza, la frequenza, la velocià di roazione, la ensione, ecc. Generalmene, per eviare di avere un faore di poenza in anicipo, si deermina la correne reaiva del condensaore pari al 9% della correne a vuoo del moore. Se queso dao non fosse disponibile si porà rifasare correamene con un condensaore di poenza pari al 25% della poenza apparene del moore. cosj impiano da rifasare cosj da raggiungere,9,92,95,98,,3 2,7 2,75 2,85 2,98 3,8,35 2,9 2,25 2,34 2,47 2,68,4,8,87,96 2,9 2,29,45,59,56,66,78,99,5,25,3,4,53,73,55,3,9,9,32,52,6,85,9,,3,33,65,68,74,84,97,7,7,54,6,69,82,2,72,48,54,64,76,97,74,43,48,58,7,9,76,37,43,53,65,86,78,32,38,47,6,8,8,27,33,42,55,75,82,22,27,37,49,7,84,6,22,32,44,65,86,,7,26,39,59,88,6,,2,34,54,9,6,6,28,48,92,,22,43,94,3,6,36 In corrispondenza dei valori del cosj dell Impiano da rifasare e del cosj da raggiungere si rova un coefficiene che, moliplicao per la poenza massima in kw dell impiano, fornisce la poenza dei condensaori in kvar. Facciamo l'esempio di un Uilizzaore che preleva una cera Poenza, calcolando la Poenza Reaiva necessaria per rifasare ed anche il risparmio che si oiene con il rifasameno: Poenza prelevaa: kw 85 Faore di Poenza: osj,76 Energia iva consumaa: kwh 9. Energia Reaiva consumaa: kvarh 7.7 Penalià per basso osj: h, (kvarh prelevai ra il 5% ed il 75% ed olre il 75% dei kwh) Poenza necessaria per rifasare (kw 85x,53): kvar 45 Penalià simaa annua (,x2): h.332, oso dell'pparecchiaura richiesa: h., (R V) Il calcolo effeuao dimosra come il coso dell'pparecchiaura viene ammorizzao in un anno. 3 OME SI LOL IL RIFSMENTO DI UN TRSFORMTORE La poenza reaiva di un rasformaore, in rapporo alla sua poenza nominale, è molo inferiore a quella di un moore asincrono, perché l'induanza di un rasformaore è elevaa a causa del circuio magneico senza raferro. I condensaori hanno lo scopo di rifasare la correne magneizzane del rasformaore che serve a creare il campo magneico necessario per il suo funzionameno. In genere, poiché il condensaore deve compensare unicamene la correne a vuoo, foremene svaaa, si dovrà uilizzare un condensaore con una correne pari al 9% della correne a vuoo del rasformaore. RIFSMENTO DELLE SLDTRII ELETTRIHE Le saldarici saiche sono cosiuie da un rasformaore a fore dispersione di flusso, il cui Faore di Poenza ha un valore foremene variabile, generalmene ra osj,25 e osj,5. Valori così bassi sono da ricondursi alla fore reaanza dei bracci poraelerodi ed alla disorsione della forma d'onda. Il primario del Trasformaore rimane poi soo ensione coninuamene ed il carico è foremene variabile: per quesa ragione ci si rova in presenza di un rasformaore che generalmene lavora a vuoo o a basso carico, con conseguene faore di poenza molo basso. Un noevole migliorameno delle condizioni di lavoro di quese macchine si consegue con l'insallazione di un condensaore di rifasameno, la cui poenza sarà corrispondene al 3 4% della poenza apparene della saldarice..

4 SHEMI DI OLLEGMENTO DEL TRSFORMTORE MPEROMETRIO INSTLLZIONE DEL T.. OLLEGMENTO DI PIÙ T.. D UN SOMMTORE D L - R T T2 T3 L2 - S DLL BIN DI TRSFORMZIONE B L3 - T VERSO I RIHI L L2 L3 L L2 L3 L L2 L3 FSE DEL T.. T - T2 - T3 TRSFORMTORI M.T. / B.T. T.. SOMMTORE / 5 3 INGRESSI = T.. insallao sulla fase correa, a mone dell'alimenazione dei condensaori e dei carichi B = T.. insallao su di una Fase erraa = T.. insallao erroneamene sull'alimenazione dei condensaori D = T.. insallao erroneamene a valle dell'alimenazione dei condensaori I re T.. dell esempio devono avere il Primario con la sessa correne nominale, devono essere insallai sulla sessa Fase, i cavi devono enrare ui dallo sesso lao dei T.. I collegameni K/L devono corrispondere alle marcaure riporae sul T.. Sommaore. L uscia K/L andrà collegaa al Regolaore uomaico. MT BIN DI TRSFORMZIONE BT L L2 L3 Direzione della correne DLL BIN DI TRSFORMZIONE VERSO I RIHI I conduori che provengono dalla cabina di rasformazione o dall inerruore generale, devono passare araverso il T.. enrando dalla Faccia conrassegnaa con K o P, o secondo il verso di una freccia sampaa sul lao. I collegameni secondari S-S2 o K-L dovranno essere collegai al quadro di rifasameno. ORRETT INSTLLZIONE DI UN RIFSTORE UTOMTIO Lo schema rappresena una ipica insallazione, con il T.. che può essere collocao indifferenemene in due puni dell impiano: ) Sulla Fase L (R), a mone dell Inerruore Generale e di ui i carichi, oppure B) Sulla Fase L (R), a valle dell Inerruore Generale, ma con il cavo dei carichi e quello del quadro di rifasameno che passano enrambi araverso il T.. enrando dallo sesso lao. B 4

5 RIFSMENTO IN PRESENZ DI ORRENTI RMONIHE Negli impiani indusriali è frequene la presenza di macchine operarici azionae da moori con variaori di velocià, di gruppi saici di coninuià, di converiori di frequenza, ecc. Quese macchine uilizzano converiori /D che, olre a prelevare energia con un Faore di Poenza molo basso, sono caraerizzai da una forma d onda della correne assorbia non lineare, cioè con andameno non sinusoidale, ma soo forma di impulsi. Le forme d onda ipiche di ali carichi sono rappresenae in Fig. Il carico, ad esempio, di un Inverer, equivale ad un poene generaore di armoniche, menre la Ree ed il Trasformaore si possono rappresenare con l induanza di corocircuio equivalene, come indicao nello schema di Fig. D. In ORRENTE RMONI orrene Fase L Fig. orrene Fase L orrene Fase L Una curva periodica deformaa può essere scomposa in una frequenza Fondamenale ed in alre sinusoidi rmoniche di frequenza rispeivamene doppia, ripla, quinupla, ecc., denominae seconda, erza, quina rmonica ecc. Fig. D RIO DISTORENTE La frequenza di risonanza è daa da: f o = 2. p L cc. I ORRENTE DI RISONNZ Lcc In condizioni di Risonanza la correne e la ensione relaive alla maglia Lcc - sono foremene amplificae e, in minore misura, anche le armoniche adiaceni. Fig. B L esempio di Fig. B mosra una sinusoide di frequenza Fondamenale (5Hz) sovrapposa ad una sinusoide più piccola rappresenane la Quina rmonica (25Hz). La Fig. mosra la disorsione armonica risulane dalla sovrapposizione delle due sinusoidi precedeni. Si definisce "DISTORSIONE RMONI TOTLE" (THD) il rapporo percenuale ra il valore della correne armonica oale e quello della fondamenale: dove: n = ordine delle armoniche Ian = ampiezza delle correni armoniche If = ampiezza della correne fondamenale = ampiezza della correne armonica oale IaT L insallazione di condensaori in presenza di armoniche di correne (le armoniche di ensione sono in genere irrilevani), presena una serie di problemi che devono essere aenamene valuai. I condensaori, amplificando le armoniche preseni in ree, sono sooposi a sovracorreni superiori ai dai di arga e si possono originare fenomeni di risonanza con valori pericolosi sia per le baerie di condensaori che per l impiano sesso. La condizione più gravosa è quando si verifica la condizione di Risonanza Parallelo o nirisonanza, cioè un oscillazione disruiva ra l induanza del circuio e le baerie di condensaori. 5 S n I f 2 I an Fig. I at THD % = x = x I f Quando la frequenza della correne armonica coincide con quella del sisema ondensaore/ree, l impedenza assume il valore minimo e la correne del circuio il valore massimo, anche se la ensione resa cosane. Per limiare quesi gravi inconvenieni si associano ai condensaori di rifasameno degli induori, realizzando un filro serie L accordao su di un valore di frequenza inferiore a quello delle armoniche preseni in ree: in queso modo i condensaori non vengono ineressai dalle correni armoniche. Lo scopo dei filri di blocco è quindi di eviare la Risonanza ra il rasformaore ed i condensaori ed il conseguene sovraccarico dei condensaori di rifasameno. Il filro di blocco è inserio in serie all alimenazione dei condensaori, secondo lo schema di Fig. E. La frequenza di risonanza ra le reaanze ed i condensaori è calcolaa a 89 Hz e la curva di risposa ipica è quella indicaa sempre in Fig. E. Fig. E L L L db 5 Le reaanze di blocco in serie inroducono sui condensaori un aumeno di ensione che è ano più elevao quano maggiore è il valore dell induore e che può arrivare al % di Vn: perano i condensaori dovranno essere opporunamene dimensionai Hz