18.2 Esempio di una condizione di risonanza parallela... p Qualità dell energia e efficienza energetica: ordine incontrovertibile...
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- Michela Mattioli
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1 Sommario Terza parte 18. Esperienze e esperimenti... p Una cattiva fornitura elettrica in media tensione, ma non solo!... p Analisi rete di mt... p Misure del fattore di potenza al pcc... p Analisi distribuzione di bt, qe-1... p Analisi distribuzione di bt, qe-2... p Esempio di una condizione di risonanza parallela... p effetto del funzionamento di un filtro armonico passivo del v ordine in una distribuzione elettrica; esempio di verifica funzionale del filtro... p Una distribuzione elettrica troppo rifasata: errore progettuale o di concetto?... p Due casi nel merito del fattore di potenza ma, nulla si crea, nulla si distrugge!... p Spike di corrente killer in un isp (internet service provider)!... p Qualità dell energia e efficienza energetica: ordine incontrovertibile... p Può l uomo influire sulla qualità dell energia?... p Rilevatore di corrente omopolare, protezione direzionale di terra e scatti intempestivi... p Guasti ripetuti a un variatore di velocità (vsd)... p Un filtro passivo naturale: sgradito però!... p Fonti rinnovabili e ambiti emc... p Campo magnetico e correnti indotte... p 163 Prospettive!... p
2 18.3 Effetto del funzionamento di un filtro armonico passivo del V ordine in una distribuzione elettrica; esempio di verifica funzionale del filtro L esempio successivo è utile per capire quale sia il beneficio di un filtro armonico passivo del V ordine, inserito in una distribuzione elettrica adibita alla conversione della potenza elettrica da alternata a continua. Il filtro è alimentato da un quadro di distribuzione a media tensione (6kV), il cui disegno unifilare è rappresentato in figura 18.3a; gli scomparti elettrici interessati alla campagna di misure sono stati contraddistinti da colori. Da destra verso sinistra si individuano quindi le seguenti linee elettriche: Partenza linea filtro V ordine ; Partenza linea Raddrizzatore AC/DC 6kV n 1 ; Partenza linea Raddrizzatore AC/DC 6kV n 2 ; Partenza linea filtro VII ordine ; Partenza linea filtro XI ordine ; Arrivo linea MT 6kV da trasformatore. Figura 18.3a: Schema unifilare distribuzione MT a 6kV La presenza dei filtri passivi è, in questo caso, la miglior soluzione tecnica economica pensata per ridurre le componenti armoniche del quinto, settimo e undicesimo ordine generate dal funzionamento dei due raddrizzatori AC/DC, con tecnologia a 6 impulsi. Il carico alimentato dal trasformatore è, infatti, costante e lo sviluppo della forma d onda della corrente elettrica assorbita dai raddrizzatori, secondo Fourier, restituisce armoniche (G n ) in accordo con la formula e rispetta la regola per cui l ampiezza dell armonica è inversamente proporzionale all ordine armonico (formula ). Formula Formula Si ricorda che i filtri passivi sfruttano, a proprio vantaggio, l effetto della risonanza elettrica, creando una via preferenziale alla corrente elettrica della frequenza armonica per cui sono stati accordati. La loro presenza in un circuito inquinato da carichi non lineari, permette la riduzione delle emissioni elettromagnetiche (EMC) e il rispetto delle norme per la Q.E.. Si analizzi ora il funzionamento del filtro del V ordine, avendo preventivamente disinserito i filtri del VII e XI ordine armonico dalla rete MT. 123
3 Ai soli fini didattici, si riportano una serie di figure che rappresentano l esercizio della distribuzione elettrica, misurata sulla linea di arrivo dal trasformatore (IPC), con il filtro armonico del V ordine in un primo tempo inserito e poi disinserito. Si osservino attentamente le differenze! Figura 18.3b: Corrente elettrica linea trasformatore con filtro Figura 18.3c: Corrente elettrica linea trasformatore senza filtro Figura 18.3d: Spettro armonico corrente Linea Trasf. con filtro Figura 18.3e: Spettro armonico corrente Linea Trasf. senza filtro Figura 18.3f: Trend THDi% corrente Linea Trasf. con/senza filtro Figura 18.3g: Trend THDv% tensione di sbarra con/senza filtro 124
4 Figura 18.3h: Forma d onda corrente Linea filtro V ordine Figura 18.3i: Spettro corrente Linea filtro V ordine Il beneficio della presenza nel circuito del V ordine armonico è rilevante, permettendo sia il contenimento della deformazione della corrente elettrica, sia la riduzione dei tassi di distorsione armonica. Si noti in figura 18.3h il tipico profilo di una forma d onda sinusoidale a 50H z, quando miscelata con un armonica del V ordine e, nella figura 18.3i, la percentuale di corrente armonica assorbita dal filtro (35%). La figura 18.3e è invece la rappresentazione grafica della decrescita percentuale del valore delle armoniche con l aumentare del rango (formula ). Si analizzi ora il circuito elettrico con la figura 18.3l che riporta il trend della potenza attiva (P), della potenza reattiva (Q) e del fattore di potenza (PF) nel momento del distacco dalla distribuzione elettrica del filtro armonico del V ordine. L andamento di tali grandezze evidenzia che, a parità di potenza attiva assorbita dal carico, la potenza reattiva induttiva aumenta di 2000KVAR con un peggioramento del fattore di potenza sino al valore di 0,75. Figura 18.3l: Trend della potenza attiva, reattiva e del PF del carico complessivo 125
5 Questo passaggio è importante per capire se il filtro, il cui schema è rappresentato dalla figura 18.3m, svolge la sua funzione correttamente: Figura 18.3m: Schema unifilare del filtro armonico del V ordine dove: C 1 C 9 : Condensatori; L 1 L 3 : Reattanze, Il filtro presenta i seguenti dati di targa: Potenza nominale: 4050kVAR Tensione nominale: 8780V Frequenza di accordo: 250Hz Corrente nominale 210A I singoli componenti induttanza/capacità, presentano i seguenti valori: Reattore: L=2,5mH; I=425A Capacità: C=167,4µF; I=266A; V=8.78kV; Q=4050kVAR Il costruttore del filtro ha opportunamente trovato il compromesso tra i valori d induttanza e di capacità, considerando diverse criticità fra cui: 1. le esigenze impiantistiche (spazi, ingombri, installazione ecc ); 2. le possibilità costruttive dei reattori (tipicamente molto ingombranti); 3. la capacità rifasante del filtro; 4. lo studio dei parametri R-L-C della rete. Il terzo punto è fondamentale per non eccedere nel rifasare eccessivamente il sistema ed è un vincolo da rispettare! Assumendo il valore d induttanza di 2,5mH si calcola, con la formula (ricavata dalla formula per il calcolo delle oscillazioni libere: ), un valore di capacità di circa 162,3 microfarad. Il dato coincide con il valore di targa del banco di rifasamento (167,4 µf). Formula
6 Dalla figura 18.3l si nota che il filtro, quando inserito, rifasa il sistema per una potenza reattiva capacitiva di circa 2000kVAR, migliorando il fattore di potenza del sistema sino al valore di 0,84. Sempre dai dati di targa, si nota che la batteria di condensatori ha una potenza reattiva complessiva di 4050kVAR, alla tensione nominale di 8780V. Essendo il parametro capacità dipendente dalla tensione elettrica e considerando che la tensione d impiego del quadro di distribuzione è di 6300V, si ricalcola opportunamente il valore di capacità del banco di rifasamento con la formula Formula Il nuovo valore del banco (Q 1 ) coincide con la variazione della potenza reattiva misurata in figura 18.3l e dimostra che il filtro è perfettamente funzionante e accordato. I filtri del VII e XI ordine, esclusi al momento delle prove, sono realizzati con lo stesso principio costruttivo variando opportunamente i parametri L-C per i nuovi accordi a 350H z e 550H z, comunque in grado di erogare una potenza reattiva totale di 4000kVAR. Se si considerano le misure di figura 18.3l nel momento di assenza dei filtri passivi, si può individuare nel valore di 6000kVAR la potenza reattiva capacitiva necessaria per rifasare la distribuzione elettrica a un valore di fattore di potenza pressoché unitario (1). In conclusione, il costruttore dei filtri ha eseguito i calcoli con diligenza, ottenendo gli obiettivi prefissati tra cui: la riduzione delle componenti armoniche di corrente; il rifasamento del sistema (2000kVAR+2000kVAR+2000kVAR); il contenimento delle emissioni armoniche in impianto; il miglioramento del tasso di distorsione armonica in tensione (THDv%) 18.4 Una distribuzione elettrica troppo rifasata: errore progettuale o di concetto? A seguito del mal funzionamento del banco di rifasamento per la correzione del fattore di potenza di un nuovo reparto per la preparazione e la mescola della gomma, si esegue una campagna di misure presso la cabina di trasformazione MT/BT ove il banco è connesso alla rete elettrica. Lo schema di figura 18.4a rappresenta la distribuzione elettrica di BT, con indicati: il punto IPC ove si sono acquisiti i dati elettrici (M); il banco di rifasamento per la correzione del fattore di potenza (500kVAR); la batteria di condensatori fissa per la correzione del PF del trasformatore, quando in funzione a vuoto (50kVAR); i carichi elettrici M 1-2 e M 3-4, costituiti da una doppia coppia di motori da 320kW; due coppie di variatori di velocità da 400kW (VSD 1-2 /VSD 3-4 ), accessoriati con filtri EMC e filtri armonici. Da un analisi sommaria, sembrerebbe che tutto sia correttamente coordinato! Ciascun motore è azionato dal proprio variatore di velocità e, per la riduzione delle emissioni armoniche e il rispetto dell inquinamento EMC in alta frequenza, si sono opportunamente utilizzati un filtro passivo per le riduzioni delle componenti armoniche del V, VII e XI ordine e un filtro EMC. Dato che anche le verifiche del settaggio della centralina di regolazione del banco di rifasamento hanno dato esito positivo, ci si potrebbe chiedere quale sia il problema! 127
7 La risposta arriva dall analisi dei dati acquisiti nel punto-m (IPC), che denotano un fattore di potenza sempre capacitivo, compreso tra -0,2 e -0,7. È quindi intuibile che il banco di rifasamento da 500kVAR non inserisca alcun condensatore in rete: il sistema è già di per sé rifasato! Figura 18.4a: Distribuzione elettrica di BT reparto mescola gomme La figura 18.4b, evidenzia la particolarità del funzionamento di una coppia di motori. Il PF è, come detto, sempre capacitivo con un deciso miglioramento nel momento in cui i motori sono chiamati a fornire la potenza meccanica massima richiesta dalla macchina industriale. 128
8 Figura 18.4b: Trend della potenza elettrica (P) Ci si potrebbe però chiedere perché si possa essere creata una situazione simile! La risposta arriva sempre dall interpretazione delle misure effettuate sul campo, che indicano una percentuale di carico massima solamente del 35%. A differenza del caso riportato nel capitolo 18.3, ove la progettazione è corretta, qui il progettista della macchina per la lavorazione della gomma ha sovrastimato la potenza meccanica impegnata, dimensionando i motori elettrici in modo eccessivo. La mancanza di carico elettrico e la presenza dei filtri passivi associati ai quattro variatori di velocità (che alla frequenza di rete sono dei generatori di potenza reattiva capacitiva), sono le ragioni per cui il sistema di distribuzione sarà sempre di tipo R-C. La batteria di condensatori fissa contribuirà poi a peggiorare la situazione creando un potenziale pericoloso per le considerazioni fatte nel capitolo 13! La soluzione a questo problema, come intuibile, non sarà di certo economica, ma a prescindere dai costi, l intenzione di associare il mal funzionamento del banco di rifasamento alla presenza di grossi carichi non lineari, quali i variatori di velocità, oppure alle emissioni EMC sempre da essi emanate, è stata decisamente sbagliata. La campagna di misure ha quindi sciolto il dubbio della presenza di problemi di Qualità dell Energia Due casi nel merito del fattore di potenza ma, nulla si crea, nulla si distrugge! Le verifiche del corretto funzionamento dei contatori fiscali, ha assunto nel tempo sempre più importanza da parte degli uffici istituzionali europei direttamente interessati al rilevamento delle misure per fini erariali (in Italia l ente preposto è l Agenzia delle Dogane). L adozione a livello europeo della direttiva MID (Measuring Instruments Directive), ha conformato questo aspetto migliorando e armonizzando alcune delle diverse tipologie di contatori di misura, fra cui quelli per la misura dell energia elettrica. La direttiva MID utilizza poi un proprio marchio per identificare le apparecchiature certificate e permette una più attenta analisi statistica dei flussi di energia, in relazione alla quantità di materie prime utilizzate per produrli. 129
9 In Italia, l attuazione della direttiva MID per i nuovi contatori d energia attiva e il controllo dei contatori già in servizio alla data del recepimento della direttiva da parte del parlamento italiano, è ottemperata da un elenco di laboratori accreditati dall Agenzia delle Dogane. Dal punto di vista costruttivo, i contatori dell energia elettrica attiva sono realizzati secondo le prescrizioni della norma EN 50470, che ne determina la classe di precisione: A - B - C, oppure secondo la norma EN con le proprie classi: 0, e 0,2s - 0,5s. L armonizzazione introdotta dalla direttiva MID non è riuscita a conformare le diverse classi di precisione che restano distinte nelle due norme. Si ricorda che la direttiva MID non esclude l obbligo dell Agenzia delle Dogane ad applicare un sistema di sigilli al semplice contatore di energia attiva, oppure alla catena di misura costituita da contatore e riduttori di misura, per evitare qualsiasi manomissione. Per il primo caso studiato in questo capitolo, la tipologia di contatori di energia attiva utilizzata, rientra nella categoria di strumenti di misura con un maggior pregio costruttivo permettendo, infatti, una serie di misure aggiuntive fra cui la rappresentazione vettoriale del sistema elettrico ove il contatore risulti connesso. La peculiarità è molto utile quando si installa, come nel caso indicato, un contatore di energia in un quadro elettrico dove, per diverse ragioni (obsolescenza, incuria ecc ), non si conosca lo schema elettrico di collegamento dei trasformatori di misura. Figura 18.5a: Rappresentazione vettoriale (errata per il caso considerato) di un carico trifase (PF=0,98 RC ) L installatore può semplicemente osservare i vettori elettrici sul display, controllarne la sequenza oraria delle fasi e modificarla in caso d incongruenza. Ed è quel che è accaduto in questa circostanza, con la coincidenza di ottenere la rappresentazione vettoriale di figura 18.5a. Ci si domanda allora, visto la semplicità dell installazione, perché da tutto questo ne sia scaturita una forte diatriba tra l energy manager dell azienda interessata al revamping di uno scomparto di MT in una cabina elettrica, con il costruttore del contatore. La risposta giunge dalla figura 18.5b, che corrisponde alla vera rappresentazione vettoriale del carico alimentato e che differisce per una potenza elettrica attiva misurata del -35%! Il tecnico installatore, accortosi della presenza di una sequenza fasi inversa durante il collaudo della catena di misura, ha opportunamente invertito due connessioni voltmetriche per ottenere la rotazione oraria delle fasi, ma commettendo l errore di non controllare la corrispondenza dei circuiti amperometrici, che rimanevano discordi fra loro! La coincidente presenza di un carico induttivo fortemente sfasato ha ingannato l operatore, che si è fidato della rappresentazione vettoriale di figura 18.5a. 130
10 Figura 18.5b: Rappresentazione vettoriale (corretta) di un carico trifase R-L fortemente sfasato (PF=0,65 RL) Il caso riportato, risolto mediante l ausilio di un analizzatore di rete, è l esempio di come un semplice errore d inserzione di uno strumento di misura, possa trascinare con sé molteplici problematiche, partendo dalla messa in discussione della qualità del prodotto sino al raggiungimento di forti scontri commerciali. A conferma di questo si riporta un secondo caso legato ad un erronea valutazione delle misure di assorbimento di una linea elettrica, apparentemente caratterizzata da un fattore di potenza di 0,87 (figura 18.5c). Il fattore di potenza, come descritto al capitolo 11, è un argomento legato alla Qualità dell Energia, ma in termini economici e quando il suo valore è troppo basso, può essere anche un motivo di aggravio dei costi nel bilancio energetico di un azienda. Tutto ciò a causa dell eccessivo trasporto di energia reattiva induttiva, che il distributore deve preoccuparsi di bilanciare sulla rete. Figura 18.5c: Piano di gauss (errato!) di una linea elettrica e stato del carico (P=959kW; Q=543kVAR; PF= 0,87) 131
11 Proprio per i motivi descritti e per ottimizzare il fattore di potenza della linea considerata in questo secondo caso, si decide di approssimare, con un banco di rifasamento da 250kVAR, il PF del sistema al nuovo valore di 0,95. L attività descritta rientrerebbe nella quotidiana routine di un progettista, ma la figura 18.5d ci riporta alla vera condizione elettrica della linea, il cui carico elettrico alimentato, per la presenza di diversi motori elettrici di grossa taglia, azionati da drive in corrente continua di vecchia concezione, è fortemente sfasato con un valore di fattore di potenza di 0,2! Figura 18.5d: Piano di gauss (reale!) di una linea elettrica e stato del carico (P=118kW; Q=1.040kVAR; PF= 0,2) La potenza reattiva capacitiva necessaria per rifasare la reale condizione elettrica della linea al fattore di potenza di 0,95 è nuovamente calcolata in 550kVAR, cioè a una potenza doppia di quella stimata nella prima valutazione. In questi due casi nulla si crea, nulla si distrugge è una frase azzeccata! Il carico elettrico determina sempre una condizione, un equilibrio di funzionamento del sistema che può divergere da una qualsiasi interpretazione razionale. Commettere un errore di inserzione dello strumento di misura è sempre possibile! 18.6 Spike di corrente killer in un ISP (internet service provider)! Prima di trattare il prossimo caso si dà la spiegazione dell espressione: parzializzare la corrente elettrica. Consideriamo l esempio di un piccolo alimentatore elettrico AC/DC (alternata/continua) prima nella versione lineare (figura 18.6a), poi nella versione switching (figura 18.6b). Figura 18.6a: Schema elettrico di un alimentatore lineare 132
12 Figura 18.6b: Schema elettrico di un alimentatore switching Figura 18.6c: Principio di funzionamento della tecnologia PWM L alimentatore lineare di figura 18.6a è semplicemente realizzabile con l ausilio di: un trasformatore elettrico (dimensionato per la potenza che si intende utilizzare); un regolatore di tensione (un reostato variabile o un transistor); un diodo (per la conversione della tensione elettrica da alternata a continua); due condensatori (per livellare e stabilizzare la tensione continua). L alimentatore switching di figura 18.6b è invece costruito utilizzando: un ponte di diodi; un modulatore PWM; un trasformatore elettrico in ferrite (adatto per il funzionamento ad alta frequenza); un circuito d uscita L-C L alimentatore lineare è migliore per via della stabilità elettrica e per il basso livello di distorsione armonica, ma purtroppo è costoso, ingombrante e consuma molta energia elettrica. L alimentatore switching è invece il giusto compromesso per ottenere buone prestazioni elettriche associate a basse perdite e ingombri contenuti però, a differenza di quello lineare, necessita di maggiori accorgimenti costruttivi poiché integra un modulatore ad alta frequenza (chopper) che, funzionando con tecnologia PWM (pulse with modulation), permette di ridurre il valore di tensione continua secondaria. La differenza dal punto di vista delle emissioni elettromagnetiche è più marcata per l alimentatore switching, specialmente nei modelli più economici e non dotati di filtri EMI (Electromagnetic Interference) o del circuito PFC (Power Factor Control), ed è proprio questa una delle ragioni per cui nei laboratori di misura si preferisce la tipologia lineare. Per capire come funziona un alimentatore switching, si pensi al circuito di figura 18.6c e alla capacità dell interruttore elettronico a operare cicli di chiusura e apertura del circuito con un alta frequenza di lavoro. Se in un tempo definito (T ciclo ), si operassero diverse chiusure e aperture del circuito (T on, T off ), si creerebbero dei duty cycles (definiti dal rapporto: T ciclo T on ), cioè degli impulsi energetici tali da permettere, grazie al livellamento e al mantenimento del segnale operato dai dipoli L e C, la ricostruzione di una tensione elettrica ridotta (V out ). 133
13 Quel che si è appena sintetizzato è il principio di funzionamento della tecnologia PWM e la figura 18.6d confronta fra loro tre differenti duty cycles, per il conseguimento di altrettante tre tensioni V out. Figura 18.6d: Esempio di modulazione PWM (duty cycles) Utilizzando questa tecnologia, è possibile realizzare alimentatori SMPS (switching mode power supply) economici, dotati di trasformatori elettrici di dimensioni inferiori, tipicamente in ferrite, adatti a lavorare con una tensione d ingresso ad alta frequenza e con perdite minime della potenza elettrica. A un circuito di raddrizzamento iniziale segue la modulazione PWM che, variando il segnale d ingresso in alta frequenza, pilota il trasformatore elettrico. Il segnale alternato in uscita dal trasformatore è poi nuovamente raddrizzato e livellato e tutto il processo è controllato da un segnale di retroazione, che si integra nel circuito del modulatore. La tecnologia PWM è utilizzata anche per la conversione della tensione elettrica da continua a alternata (DC/AC) e trova applicazione negli inverter di potenza e nei gruppi statici di continuità (UPS), tipicamente con frequenza di lavoro fissa, oppure nei variatori di velocità (VSD - variable speed drive) che permettono il controllo della velocità e della coppia meccanica, regolando contemporaneamente la frequenza e la tensione di funzionamento dei motori elettrici utilizzati nei processi industriali. A tale proposito si riportano due figure rappresentative del funzionamento di un variatore di velocità nella ricostruzione di un segnale con frequenze elettriche di 30H Z e 15H Z (figure 18.6e, 18.6f). Nei riquadri in rosso delle due figure è possibile notare la ricostruzione del segnale alternato in uscita dal variatore di velocità, utilizzando la modulazione PWM. Il segnale è poi opportunamente livellato dai filtri L-C in uscita, sino a ricostruire una perfetta sinusoide (linea arancio) denominata V out. 134
14 Figura 18.6e: Modulazione PWM 240V, 30H Z Figura 18.6f: Modulazione PWM 122V, 15H Z Dopo avere illustrato il principio di funzionamento dell alimentatore switching e dell importante impiego della tecnologia PWM, riprendiamo il filo conduttore della pubblicazione, considerando l alimentatore switching nella sua classificazione costruttiva, che lo identifica nella tipologia dei carichi non lineari. In figura 18.6g è riportata la forma d onda assorbita dall alimentatore di un computer durante il suo funzionamento. 135
15 Figura 18.6g: Forma d onda corrente/tensione di un alimentatore switching monofase Accade che il condensatore d ingresso C A (figura 18.6b), necessario per stabilizzare la tensione d ingresso al modulatore, sia caricato elettricamente solamente quando la tensione di alimentazione raggiunge l ampiezza massima della sua forma d onda e il ciclo si ripete per ogni semiperiodo. Si può quindi anche affermare che la corrente elettrica assorbita è parzializzata dalla modalità di funzionamento dell alimentatore switching (ed ecco la risposta al quesito iniziale!). Proseguendo la discussione, è consequenziale chiedersi cosa potrebbe accadere alla rete elettrica di un edificio commerciale quando si utilizzano centinaia di computer, tutti collegati al proprio alimentatore switching monofase. La risposta è visibile in figura 18.6h dove la corrente elettrica è fortemente parzializzata, ricca di componenti armoniche e capace di deformare, per i motivi discussi al capitolo 12, la tensione elettrica. La scomposizione di Fourier si contraddistinguerà poi per la forte presenza di una corrente armonica del III ordine, tipica dei carichi non lineari monofasi. Figura 18.6h: Deformazione della tensione elettrica in un edificio commerciale 136
16 Ritornando al caso dello spike killer, ecco riportato in figura 18.6i la registrazione di un picco anomalo di corrente capace di causare l intervento di alcuni interruttori automatici modulari, in un quadro di distribuzione (IPC) al primo piano di un edificio tecnico, con decine di computer collegati. Il fenomeno EMC localizzato in quel preciso punto della palazzina composta di tre piani identici, tutti adibiti ad uso ufficio, è la ragione per cui si è attuata una campagna di misure specifica. Nella figura 18.6i la corrente I L3, misurata sull interruttore generale del quadro elettrico, subisce improvvisamente un repentino innalzamento del suo valore sino al valore di 95A picco a fronte di un normale consumo di 38A picco. Lo spike misurato, seppur breve, possiede tutto il potenziale per provocare l intervento intempestivo e casuale delle protezione magnetiche degli interruttori modulari derivati a valle dell interruttore generale; ed è proprio quel che è accaduto! Figura 18.6i: Cattura di uno spike di corrente (95A p ) in una dorsale elettrica Questo caso, alquanto bizzarro, è stato risolto grazie ad una serie di misure incrociate sul quadro interessato dal fenomeno EMC e grazie alla caparbietà dei tecnici Q.E. che, dopo avere considerato tutte le possibili interferenze elettromagnetiche, verificato il sistema di distribuzione, i collegamenti equipotenziali, le connessioni di terra, si sono accorti della ciclicità dell evento rielaborando i dati acquisiti dalla strumentazione di misura, con riferimento al conduttore del neutro (figura 18.6l) Figura 18.6l: Trend rms della corrente di neutro 137
17 Cambiando la prospettiva della ricerca e coinvolgendo altri IPC della distribuzione elettrica, si è risaliti alla causa del problema, attribuita ad un vecchio banco di rifasamento per la correzione del fattore di potenza installato nella cabina elettrica MT/BT dell azienda che, a intervalli regolari, inseriva una batteria di rifasamento che interagiva elettromagneticamente con le capacità dello stadio d ingresso degli alimentatori switching dei computer connessi al primo piano della palazzina! Il fenomeno è noto poiché, inserendo un condensatore in un circuito ove sia presente un altro condensatore già elettricamente carico, si provoca un passaggio transitorio di carica elettrica. Il perché questo passaggio di carica elettrica sia avvenuto solamente con le utenze elettriche del primo piano dello stabile, necessita la compilazione di un modello matematico, ricavando i parametri R-L-C dei circuiti interessati. Per lo specifico caso, è stato sufficiente sostituire il vecchio banco di rifasamento con un nuovo modello provvisto di reattanze di de-tuning Qualità dell Energia e efficienza energetica: ordine incontrovertibile L efficienza energetica è la disciplina principe per ottenere il risparmio energetico! Questo caso dimostra che è possibile migliorare il consumo di una macchina industriale permettendo anche di osservarlo graficamente nelle diverse figure. Con riferimento ad una pressa industriale da 350kW per la lavorazione della plastica, si riporta, in figura 18.7a, il trend della potenza attiva assorbita principalmente dalla centralina oleodinamica che, mantenendo in pressione il circuito idraulico, permette il rapido stampaggio dei prodotti. In figura 18.7b è riportata invece la stessa condizione di funzionamento avendo però implementato un variatore di velocità (VSD - variable speed drive) per il comando del motore elettrico. Il risparmio della potenza assorbita dalla rete è notevole: circa 8,8kW. Le figure 18.7c e 18.7d, relative al trend dell energia attiva, traducono poi il risparmio di potenza in un minore consumo energetico. Figura 18.7a: Trend della potenza attiva in origine Figura 18.7b: Trend della potenza attiva post modifica Figura 18.7c: Energia assorbita in origine (1h) Figura 18.7d: Energia assorbita post modifica (1h) 138
18 In questo esempio il variatore di velocità, intervenendo sui tempi di inutilizzo del circuito idraulico, permette una modulazione della potenza elettrica assorbita migliorandone il consumo elettrico. Caso chiuso quindi? Niente affatto! Ricordiamoci di quanto detto e qui sintetizzato, riguardo alla correlazione tra efficienza energetica (EE) e la Qualità dell Energia, al 1: la prerogativa per ottenere l efficienza energetica è l esistenza di un adeguata Qualità dell Energia. In questo ambito, l astuzia nel proporre studi mirati al conseguimento dell EE cela aspetti che potrebbero portare a seri problemi impiantistici. Si osservino attentamente le seguenti figure, rappresentative delle differenze di funzionamento della pressa in condizioni pre e post intervento. Figura 18.7e: Trend THDv% in origine Figura 18.7f: Trend THDv% post modifica Figura 18.7g: Spettro armonico della tensione in origine Figura 18.7h: Spettro armonico della tensione post modifica Figura 18.7i: Trend THDi% in origine Figura 18.7l: Trend THDi% post modifica 139
19 Figura 18.7m: Spettro armonico della corrente in origine Figura 18.7n: Spettro armonico della corrente post modifica Si saprebbe indicare quale sia l unica figura che presagisce la potenziale nascita di un problema di Compatibilità Elettromagnetica sulla rete? Il funzionamento del variatore di velocità è caratterizzato dalla parzializzazione della forma d onda della corrente elettrica (concetto espresso al capitolo 18.6) e la tecnologia di raddrizzamento è quella classica per la generazione di correnti armoniche in relazione alla formula È quindi normale osservare, nelle misure post installazione del variatore di velocità, un aumento del tasso di distorsione armonica in corrente (THDi%) (figura 18.7l) e giustificare la presenza di determinati ordini armonici (figura 18.7n). Quello che lascia perplessi è che in figura 18.7f, si osserva un elevato aumento del tasso di distorsione armonica in tensione (THDv%), che interesserà tutte le apparecchiature connesse alla distribuzione elettrica. La figura 18.7f è dunque la risposta alla domanda sopra posta. Se si pensa che l esempio riportato riguarda una sola pressa industriale e che la proposta commerciale è di estendere l efficienza energetica (EE) a tutte le altre presse dell industria, è logico aspettarsi che la rete elettrica probabilmente soffrirà di problemi di Compatibilità Elettromagnetica, con tutte le incognite che potrebbero derivarne. Ecco perché l EE deve essere associata alla possibilità della rete di tollerare i disturbi di Compatibilità Elettromagnetica (EMC) introdotti dall utilizzo di apparecchiature e carichi non lineari Può l uomo influire sulla Qualità dell Energia? Dopo diverse aperture intempestive del dispositivo di protezione generale di una rete di distribuzione a media tensione in un ospedale, si autorizza una campagna di misure nella cabina di consegna (PCC) dell energia elettrica, per verificarne la Qualità dell Energia. La cabina elettrica con fornitura a 15kV è composta dalle seguenti apparecchiature: una cella generale d arrivo; tre celle di alimentazione per i trasformatori di potenza; una cella per l alimentazione di una seconda cabina elettrica di trasformazione. L intervento tecnico dovrà dimostrare le cause dei continui disservizi, attribuiti dall utente al gestore della rete; le ipotesi iniziali propendono per le forti sovratensioni transitorie generate da speciali recloser di recente applicazione (interruttori elettrici di sezionamento con tecnologia di estinzione dell arco sottovuoto), utilizzati sulla rete a media tensione. La campagna di misura è dunque programmata per la ricerca di tali fenomeni EMC e un analizzatore di rete viene installato al punto di fornitura dell energia elettrica, con il compito di monitorare la Qualità dell Energia della rete. Grazie all esperienza del tecnico Q.E. e al considerevole aiuto della protezione elettronica dotata di un registratore digitale di eventi, si riesce però, ancor prima della fine della campagna di misure, ad analizzare un oscilloperturbografia (figura 18.8a), coincidente con un apertura intempestiva dell interruttore generale. 140
20 Figura 18.8a: Oscilloperturbografia relè di protezione generale ( V 21, V 32, V 0, l 1, l 2, l 3 ) L oscillogramma descrive un cortocircuito bifase isolato (vedi figura 15.3c), con la presenza di elevate correnti di cortocircuito dai valori di picco superiori a 4kA e la diminuzione delle tensioni concatenate interessate al guasto. Ne seguono il fuori servizio della rete di distribuzione elettrica dell utente e l attivazione dei circuiti di alimentazione d emergenza fra cui i gruppi elettrogeni e i gruppi ridondanti (UPS). L interpretazione di questo oscillogramma, da parte del tecnico Q.E., certifica quindi un problema sulla rete dell utente che sarà obbligato a ritrattare la sua accusa iniziale, sollevando il gestore della rete pubblica da qualsiasi responsabilità per gli eventi accaduti. Visto che anche la campagna di misure al PCC risulterà poi conforme alla norma EN50160, al tecnico Q.E. non resta che cercare l origine del problema all interno della rete utente. A tal fine, è necessario premettere che la struttura ospedaliera sta per inaugurare una nuova ala di degenza e, per necessità di consumi, è stata deliberata la costruzione di una seconda cabina di trasformazione in box prefabbricato, posizionata all esterno del nuovo complesso edilizio. Una nuova linea di alimentazione a media tensione è quindi posata fra la nuova cabina e la cabina già esistente. Si badi bene a interpretare quel che è accaduto e a conformarsi sul fatto di come l uomo veramente abbia il potenziale intrinseco per facilitare l instaurasi di pericolosi fenomeni EMC! Il tecnico Q.E., forte della convinzione delle sue analisi, si reca presso la cabina prefabbricata tentandone invano l accesso per la presenza di un acre odore di ozono (legame molecolare triatomico dell ossigeno), sintomo di un serio problema elettrico in corso. Seguirà poi la devastante scoperta della presenza dell acqua di condensa all interno di tutti gli scomparti di MT a 15kV che, riducendo l isolamento elettrico tra le parti attive e la massa, ha causato l innesco di diverse scariche elettriche, con il risultato di danneggiare irreparabilmente le apparecchiature. La cattiva Qualità dell Energia, chiudendo il caso, rientra senza ombra di dubbio nella casistica delle cause esterne d influenza alla Q.E.! Le figure 18.8b, 18.8c, 18.8d e 18.8e rendono un idea approssimativa di quanto accaduto! 141
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