Power Quality: le armoniche negli impianti elettrici

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1 Power Quality: le armoiche egli impiati elettrici dott. ig. Stefao Comuzzi Cosulete Elettrotecico. Coordiatore della Commissioe Impiati dell Ordie Igegeri di Udie. Docete i ruolo di Elettrotecica e Misure Elettriche presso il Dipartimeto di Elettrotecica ed Automazioe dell Istituto Tecico Idustriale Arturo Maligai di Udie Udie, 9 maggio 006 ig. Stefao COMUZZI - Le armoiche egli impiati elettrici

2 Premessa La tematica trattata i oggetto è di primaria attualità, i quato strettamete legata alla cosiddetta power quality ; soo ote ifatti le situazioi a volte critiche e i disservizi egli impiati elettrici causati dalle armoiche. Si rammeta che la preseza di armoiche i rete è idice di deformazioe della correte o della tesioe; ciò sigifica che la distribuzioe dell eergia elettrica avviee co qualità o ottimale. I tal caso le uteze più sesibili possoo essere soggette a malfuzioameti e l itero impiato essere chiamato a sollecitazioi aggiutive. Tuttavia, rispetto a quato accadeva i u recete passato, o è solo il settore idustriale a risetire; ora gli impiati elettrici el terziario e el civile soo frequetemete soggetti a tale iquiameto, co cosegueze i certi casi peggiori. L argometo è abbastaza vasto e complesso: i questa sede verrao trattati, i maiera forzatamete schematica, i segueti puti:. Richiami di teoria;. Pricipali disturbi provocati dalle armoiche; 3. Geeratori di armoiche; 4. Il problema dell amplificazioe per risoaza; 5. Impatto ecoomico; 6. Possibili soluzioi di base rimedi e azioi correttive; 7. U esempio pratico: il problema del rifasameto; ) Richiami di teoria a) Geeralità sulle gradezze periodiche o siusoidali Le coosceze e i cocetti basilari dell igegeria elettrica vegoo spiegati ammettedo valida l ipotesi che molte delle gradezze siao siusoidali; tale presupposto a volte risulta o valido, e pertato la trattazioe di particolari feomei deve veire sviluppata i modo più elaborato. Ua gradezza f(t) dicesi periodica quado risulta soddisfatta la relazioe f(t) = f(t+t). E oto dal teorema di Fourier che ua gradezza periodica di periodo T e di pulsazioe ω = π /T, avete forma d oda qualuque, è sempre scompoibile ella somma di u termie costate e di u umero ifiito di termii siusoidali aveti oguo ampiezza, fase e frequeza diverse. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. di 4

3 Negli ifiiti termii della serie, vi è uo che ha la stessa pulsazioe (o frequeza) del feomeo dato: tale termie prede il ome di fodametale, metre gli altri (detti armoiche) soo caratterizzati dal fatto di avere ua pulsazioe multipla positiva pari e/o dispari del valore della pulsazioe della fodametale. Il valore costate evetualmete presete (defiibile ache termie a pulsazioe zero) rappreseta il valore medio della gradezza, termie ullo quado la gradezza risulta alterativa. b) Aalisi armoica e parametri caratteristici Eseguire l aalisi armoica di ua gradezza y come sopra descritta cosiste el determiare l ampiezza e la fase di ciascu termie armoico; si ricorda che la fase dell armoica serve per idividuare il puto di zero (crescete) rispetto all origie scelta. I maiera più sitetica, solitamete viee proposta la forma: y( t) = Y + = Y se( ωt ϕ ) 0 Ad esempio, eseguedo l aalisi armoica sulla fuzioe tesioe v(t) di u impiato, la fodametale avrà frequeza pari a 50 Hz, l armoica di ordie due avrà ua frequeza di 00 Hz e così via. U segale deformato può quidi essere cosiderato come la somma di u isieme di armoiche. I pricipali parametri caratteristici delle gradezze periodiche o siusoidali soo i segueti: il valore efficace, che è defiito dall espressioe: Y ( Y + Y + Y +...) = Y + Y + Y = Ym + M M 3M m Y esso risulta essere pertato pari alla radice quadrata della somma dei quadrati dei valori efficaci dei sigoli termii, compreso quello esprimete il valore medio; il residuo di armoiche, il quale esprime il valore efficace delle sole armoiche: R = Y Y + Y ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 3 di 4

4 la distorsioe totale, che rappreseta il rapporto tra il valore efficace delle sole armoiche (residuo) e quello della fodametale; la seguete defiizioe è la più usata (IEC ): D t = R Y = Y Y Y + Y Per quato riguarda le poteze, vegoo utilizzate le segueti espressioi: P = V m I m + + VI cosϕ + VI cosϕ +... = VmI m V I cosϕ per la poteza attiva, metre per la poteza reattiva risulta essere: = Q = V Iseϕ + VI seϕ +... VI seϕ Per quato riguarda la poteza apparete, essa è acora espressa come S = VI (moofase) oppure S = 3VI (trifase) tuttavia si riscotra che : S P + Q i quato bisoga teere coto della poteza deformate D; si ha quidi S = P + Q + D Il termie D risulta chiaramete ullo i regime siusoidale: a volte viee cosiderato u idice di armoicità, espresso i percetuale, che viee valutato el modo seguete: I S ( P S % = + Q ) x00 Il fattore di poteza PF (Power Factor) è defiito come il rapporto tra la poteza attiva P e la poteza apparete S assorbite da u uteza o da u impiato: P PF = S Spesso viee cofuso co il cosφ, che ivece è dato dalla relazioe: P cosϕ = S ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 4 di 4

5 dove P e S soo rispettivamete la poteza attiva e apparete che si avrebbero ipotizzado ullo il coteuto armoico: PF e cosφ soo uguali solo i caso di asseza di armoiche. Si può dimostrare che esiste ache la seguete relazioe tra PF, cosφ e THD: PF = cosϕ + THD i Figura - adameto del valore PF/cosφ i fuzioe del tasso di distorsioe armoica di correte Il fattore di cresta k è il rapporto tra il valore di cresta ed il valore efficace; ad esempio per ua correte si ha: Icresta k = I eff Per u segale siusoidale puro, tale rapporto è pari a assumere valori iferiori o superiori., i caso di segali distorti può Il calcolo del fattore di cresta è importate quado le armoiche preseti portao ad ua forma d oda particolarmete lotaa dalla siusoide; i casi particolari, può assumere valori ache superiori a 5. Se il fattore di cresta è molto elevato sigifica che l uteza è chiamata a sopportare u sovraccarico istataeo ad ogi semioda, e ciò potrebbe dare origie ache ad iterveti itempestivi degli orgai di protezioe. c) Cosiderazioi sui sigoli idicatori Il THD i tesioe caratterizza la deformazioe della forma d oda della tesioe. Se tale idice ha valore è iferiore al 5%, valore da cosiderarsi ormale, o è ecessario predere alcu provvedimeto. Se il suo valore è compreso tra il 5 e l 8%, sigifica che l impiato è caratterizzato da ua forte armoicità e co molta probabilità vi soo dei malfuzioameti, ell impiato. Se il valore supera l 8%, è ecessario predere provvedimeti (sistemi di compesazioe) per evitare malfuzioameti. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 5 di 4

6 Il THD i correte caratterizza la deformazioe della forma d oda della correte. Se il suo valore è iferiore al 0% si è ell ambito della ormalità; se ivece si è tra il 0 e il 50% sigifica che si è i preseza di u impiato co ua sesibile armoicità che potrebbe causare surriscaldameti: può redersi ecessario il sovradimesioameto dei coduttori. Se il THD i correte è maggiore del 50% siamo i preseza di u impiato fortemete perturbato che può avere malfuzioameti sigificativi: è ecessario procedere ad u aalisi dell impiato per realizzare le opportue cotromisure. Il fattore di cresta k è utilizzato per capire se la correte assorbita dell impiato possa dare problemi all alimetazioe (gli alteratori possoo avere problemi a forire correti co elevato fattore di cresta: ecessitao u declassameto). Ad esempio le uteze di tipo iformatico soo caratterizzate da correti assorbite che presetao u fattore di cresta ache pari a 5. Lo spettro i frequeza è utilizzato per avere u idicazioe visuale della deformazioe del segale (correte, tesioe ) cosiderato. d) Proprietà delle forme d oda Le forme d oda delle gradezze elettriche allo studio spesso presetao delle simmetrie, le cui peculiarità cosetoo di elimiare a priori alcui termii dello sviluppo della serie, semplificado così l aalisi armoica. Si riportao alcui esempi, alcui dei quali possoo presetarsi cotemporaeamete:. la gradezza preseta u adameto tale che l area positiva è uguale a quella egativa: è ullo quidi il termie A0 e la gradezza è alterativa;. il semiperiodo positivo e quello egativo hao lo stesso adameto el tempo, a parte il sego (esiste simmetria della semioda): macao i tal caso le armoiche pari e il valore medio; 3. la gradezza preseta caratteri di simmetria rispetto all asse verticale, questo avviee se y(t) = y(-t): i questo caso sarao asseti tutti i termii i seo; 4. la gradezza preseta caratteri di atisimmetria rispetto all asse verticale, cioè y(t) = - y(-t): i tal caso risulterao asseti i termii i coseo e il termie costate. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 6 di 4

7 valore gradi 3 RISULTANTE Figura - Effetto di ua terza armoica "i fase" valore gradi 3 RISULTANTE Figura 3 - Effetti di ua terza armoica "i quadratura ritardo"; si oti lo spostameto degli zeri valore gradi 3 RISULTANTE Figura 4 - Effetti di ua terza armoica "i opposizioe" ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 7 di 4

8 Va comuque sottolieato che, come dimostra la pratica, le ampiezze dei termii armoici dimiuiscoo all aumetare dell ordie dell armoica. E quidi evidete che ha seso arrestare lo sviluppo i serie dopo u ragioevole umero di termii, i quato il cotributo dei successivi diveta via via meo sigificativo; ciò va ovviamete valutato i relazioe all approssimazioe che si vuole raggiugere. Come si evice da quato sopra, eseguire l aalisi completa di ua gradezza assegata o è cosa semplice; fortuatamete le modere tecologie hao permesso la costruzioe di sofisticati strumeti - detti aalizzatori di armoiche - che cosetoo u pressoché immediato moitoraggio del segale da studiare. Tali strumeti - richiesti sempre di più sul mercato ache per cotrollare e verificare l omologazioe CE dei dispositivi elettrici - soo apputo i grado di scomporre i serie di Fourier il segale campioato, foredo i valori delle ampiezze della fodametale e delle armoiche superiori co relativo agolo di fase; è possibile ioltre ua comoda visualizzazioe del segale sia el domiio del tempo che el domiio della frequeza. Per quato riguarda le approssimazioi, le strumetazioi oggi dispoibili supportao traquillamete u aalisi fio alla 5 a armoica, quelle più sofisticate ache la 50 a. Va tuttavia sottolieato che, elle pratica, i risultati delle misurazioi geeralmete o risultao presetare armoiche superiori alla a su liee dedicate, metre sulle liee pricipali di solito o si supera la 3 a, grazie all effetto bilaciameto dovuto alla preseza di carichi lieari. ) Pricipali disturbi provocati da armoiche di tesioe e di correte Le armoiche di tesioe e di correte sovrapposte alla fodametale hao effetti combiati sugli equipaggiameti e dispositivi allacciati alla rete elettrica. a) Effetti istataei Le armoiche di tesioe possoo disturbare gli apparati di cotrollo usate ei sistemi elettroici, si pesi agli errori idotti dallo spostameto dello zero, oppure ai disturbi su dispositivi di cotrollo che utilizzao frequeze prossime a quelle delle compoeti armoiche. Le forze elettrodiamiche prodotte dalle correti istataee coteeti armoiche causao vibrazioi e disturbi acustici, specialmete ei dispositivi elettromagetici (trasformatori, reattori etc.). Ioltre la preseza di armoiche ei campi rotati può produrre vibrazioi elle macchie rotati, a causa di coppie pulsati. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 8 di 4

9 Si possoo ioltre osservare disturbi qualora dispositivi di comuicazioi o cotrollo corrao parallelamete a circuiti di distribuzioe di poteza attraversati da correti distorte; bisoga quidi teere i cosiderazioe la lughezza dei percorsi paralleli, la distaza dei circuiti e l ordie delle armoiche (l accoppiameto aumeta co la frequeza). Figura 5 - Correte d'iserzioe di ua lampada fluorescete compatta ed effetti sulla tesioe (Uiversità di Budapest) b) Effetti a lugo termie Riscaldameto ei codesatori: le perdite da riscaldameto soo approssimativamete proporzioali al quadrato del valore efficace della correte: essi soo particolarmete sesibili ai sovraccarichi, dovuti sia alle tesioi più elevate che alla preseza di armoiche; il calore prodotto può portare alla scarica del dielettrico. Riscaldameto dovuto a perdite addizioali elle macchie: soo preseti perdite supplemetari elle macchie rotati e ei trasformatori dovute a effetto pelle, isteresi e correti parassite. Sovraccarico, vibrazioi e ivecchiameto precoce. Riscaldameto ei cavi e egli equipaggiameti elettrici: le perdite ei cavi soo icremetate qualora circolio correti ad elevato coteuto armoico, portado ad u aumeto di temperatura, e quidi ad ua dimiuzioe della durata di vita dell isolate. Sovraccarico el coduttore di eutro (el quale circola la somma delle correti di terza armoica). Tali perdite dipedoo da: aumeto del valore efficace della correte; aumeto della resisteza apparete della sezioe dovuta all effetto pelle; aumeto delle perdite dielettriche dell isolate co la frequeza, se il cavo è soggetto a distorsioi di tesioe; feomei legati all effetto prossimità; Geeralmete parlado, tutti gli equipaggiameti elettrici alimetati co tesioi distorte o attraversati da correti deformate mostrao u aumeto delle perdite e se ecessario devoo essere declassati. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 9 di 4

10 Nella figura 6 viee riportato a titolo esemplificativo il declassameto da applicare ei trasformatori i fuzioe della percetuale di carico o lieare. Figura 6 - Declassameto percetuale ei trasformatori i fuzioe della percetuale di carico o lieare Figura 7 - Livelli di compatibilità per armoiche di tesioe i reti di distribuzioe B.T. (IEC ) 3) Geeratori di armoiche Come detto i premessa, i dispositivi che dao luogo ad armoiche soo preseti sia el settore idustriale che el terziario che i ambito domestico: le armoiche soo dovute, essezialmete, a carichi o lieari ovvero quelli che dao luogo ad assorbimeto di correte co adameto differete dalla tesioe di alimetazioe. Le tipologie di carico o lieare soo: l elettroica di poteza (raddrizzatori, ivertitori, ecc), ma ache le saldatrici, i fori ad arco, i variatori di velocità, le apparecchiature da ufficio quali il fax e il PC, i moitor, i dispositivi affetti da saturazioe (trasformatori) possoo dare luogo ad armoiche. Si riportao di seguito alcui esempi. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 0 di 4

11 Figura 8 - Esempio di pote di coversioe e forme d'oda associate; le armoiche soo di ordie dispari Le lampade a scarica soo u classico esempio di geeratori di armoiche di correte; i certi casi l ampiezza della terza armoica di correte può raggiugere valori elevati i alcui tipi di modere lampade fluoresceti compatte. I tal caso è importate ricordare che il coduttore eutro è caricato dalla somma delle terze armoiche, e pertato può essere daeggiato causa eccessivo riscaldameto se o adeguatamete dimesioato. I fori ad arco soo utilizzati ell idustria dell acciaio: essi possoo essere di tipo : AC l arco è o lieare, asimmetrico e istabile metre geera u spettro che iclude armoiche sia di ordie pari che dispari; lo spettro dipede dal tipo di foro, dalla sua poteza e dal tipo di trattameto termico; DC l arco è alimetato da u covertitore AC/DC ed è più stabile che el caso precedete; l aalisi spettrale della correte è simile a quella di u raddrizzatore, dado luogo ad uo spettro cotiuo più coteuto del caso AC. Figura 9 - Schema di foro ad arco alimetato i AC (siistra) e i DC (destra) Gli alteratori che alimetao carichi o lieari devoo essere declassati a causa delle perdite supplemetari causate dalle correti armoiche. Tale declassameto è ell ordie del 0% se il 30% del carico totale è costituito da uteze o lieari: di qui la ecessità di u sovradimesioameto. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. di 4

12 Gruppi statici - Come già acceato, i dispositivi iformatici hao assorbimeto di correte caratterizzata da u elevato fattore di cresta, che può tradursi i u sovraccarico per i gruppi statici, se o opportuamete declassati. 4) Il problema dell amplificazioe per risoaza Vegoo cosiderati i due segueti casi: a) reti seza codesatori di rifasameto b) reti i preseza di codesatori di rifasameto Caso a) I asseza di bachi di codesatori, i disturbi armoici soo limitati e proporzioali alla correte degli apparecchi disturbati; el rage di frequeze relazioate alle armoiche, la rete resta iduttiva. La sua reattaza è proporzioale alla frequeza e, i prima approssimazioe, gli effetti del carico e della resisteza soo trascurabili; l impedeza di rete vista dal odo è quidi limitata dalla reattaza di cortocircuito Xsc el odo cosiderato. Il livello di tesioi armoiche può essere valutato dalla poteza degli apparati disturbati e dalla poteza di cortocircuito el odo i cui l apparecchiatura disturbate è coessa Posta I la correte dell apparecchio disturbate, si ha : Xsc = Lcc * ω = Lsc * * πf quidi V = Xsc I = Lsc (πf ) * I * Figura 0 - La tesioe armoica V è proporzioale alla correte I iiettata dall'apparecchio disturbate I disturbi armoici geeralmete rimagoo accettabili fio a che i carichi disturbati o superao u certo livello di poteza. Nota I realtà, la reattaza armoica della rete X seza codesatori (essezialmete ua rete di distribuzioe) rappresetata da Lsc, può essere cosiderata proporzioale alla frequeza solo i prima approssimazioe. Per questa ragioe, l impedeza di cortocircuito della rete è geeralmete moltiplicata per u fattore due o tre per i calcoli, specialmete quado ci soo dubbi sulle caratteristiche della rete. L impedeza armoica della rete è costituita ifatti da diversi compoeti come l impedeza di cortocircuito della rete di distribuzioe, dei cavi, delle liee aeree, dei trasformatori ed di altri carichi. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. di 4

13 Caso b) A certe frequeza, esiste risoaza tra batterie di codesatori e reattaza della rete vista ai loro morsetti; come risultato si ha amplificazioe delle armoiche di correte e tesioe se l ordie della risoaza è lo stesso di quello delle armoiche di correte iiettate dall apparecchio disturbate. Questo feomeo è oto come risoaza parallelo, ed è u problema assai serio egli impiati; i prima approssimazioe, la rete può essere rappresetata come mostrato i figura, ove: Lsc = iduttaza di cortocircuito della rete a mote vista dai morsetti dei codesatori e del carico disturbate; C = codesatori; I = correte del carico disturbate; Figura - Circuito equivalete per u circuito soggetto ad armoiche di correte i preseza di codesatori si ottiee pertato l espressioe : V = Z * I AO Se u armoica di correte I di ordie avete la frequeza pari a quella di risoaza parallelo viee iiettata dall apparato disturbate, la corrispodete armoica di tesioe può essere valutata come V = R I. Cosiderado ua comue rete idustriale elemetare, compredete ua batteria di codesatori C alimetati da u trasformatore avete ua iduttaza di cortocircuito LT ove Lsc rappreseta l iduttaza di cortocircuito della rete di distribuzioe a mote, la frequeza di risoaza vale : f ar = π ( L SC + L ) C T ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 3 di 4

14 Figura I codesatori e la somma delle impedeze a mote formao u circuito risoate Siccome LSC<<LT l ordie della risoaza parallelo è praticamete lo stesso se l impedeza di rete è vista dal puto A o dal puto B; i geerale ota la poteza di cortocircuito SSC ai morsetti dei codesatori e la poteza reattiva dei codesatori Q, si ha: ar = SSC ( MVA) Q( M var) Come cosegueza pratica, se l ordie di armoica iiettata dall apparato disturbate coicide o è vicia a quello di risoaza, c è u rischio di sovratesioi armoiche, specialmete se la rete lavora a bassi carichi. Le correti armoiche allora divetao cosiderevolmete elevate ed idubbiamete presetao u pericolo per i codesatori; ioltre se l'ordie di risoaza parallelo corrispode alla frequeza di correte portate dell'apparecchiatura di cotrollo, c è rischio di disturbi. L'impedeza di cortocircuito della rete raramete è coosciuta co precisioe e, ioltre, può variare cosiderevolmete, quidi co cosegueti gradi variazioi della frequeza di risoaza parallelo. È ecessario quidi da stabilizzare questa frequeza ad u valore che o corrispoda alle frequeze delle correti armoiche iiettate. Ciò si cocretizza collegado u reattore i serie co il codesatore. Il circuito geerato così allora è rappresetato i figura sottostate, ove V =Z AO I Figura 3 - Reattaza collegata i serie co la capacità ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 4 di 4

15 Compare quidi ua risoaza serie tra L e C; i atitesi a questa risoaza, che dà u impedeza miima, la risoaza parallelo è spesso idicata come atirisoaza e la relativa frequeza vale: far = π ( L + L) C Il valore di LSC è geeralmete piccolo rispetto a L, da cui si deduce che la preseza dell iduttaza L rede la frequeza far meo sesibile alle variazioi dell iduttaza di cortocircuito LSC. SC 5) Impatto ecoomico L iflueza ecoomica legata alla preseza di armoiche può essere così schematizzata: aumeto delle perdite la preseza di perdite supplemetari di eergia pesa evidetemete sui costi d impiato, ache per l evetualità di dover sottoscrivere cotratti più gravosi o comuque co tariffe più pealizzati, come accade i certi paesi; ecessità di sovradimesioameti l esigeza di dover sovradimesioare coduttori e apparecchiature elettriche può rappresetare u oere aggiutivo o idifferete; costi di fermo impiato - spese aggiutive evetuali cosegueti all iterveto itempestivo delle protezioi; dimiuzioe della durata di vita dei materiali a titolo orietativo, uo studio della Caadia Electrical Associatio ha dimostrato che ua tesioe di alimetazioe co THD pari al 0% causa ua dimiuzioe della durata di vita: o del 3,5% per gli apparecchi moofase o del 8% per quelli trifase o del 5% per i trasformatori Per avere delle apparecchiature che garatiscao la durata di vita ecessaria bisoga ricorrere, acora ua volta, al sovradimesioameto. 6) Possibili soluzioi di base rimedi e azioi correttive; 6a) Possibili soluzioi di base Corretto posizioameto dei carichi distorceti Va iazitutto rilevato che la perturbazioe armoica provocata da u determiato apparecchio è tato maggiore quato più è basso il livello di corto circuito del puto dell impiato i cui viee collegato. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 5 di 4

16 Prescidedo da cosiderazioi di carattere ecoomico, i carichi iquiati è bee siao collegati quato più a mote possibile, quidi i prossimità dell alimetazioe; u tale collegameto ridurrà ache le perdite aggiutive ei cavi. Acora, è bee raggruppare i carichi iquiati (ad esempio prevededo u sistema di sbarre dedicato per la loro alimetazioe); ciò è vataggioso ache per il fatto che, così facedo, aumeta la possibilità che le armoiche prodotte dai diversi apparecchi iquiati si elidao reciprocamete. Figura 4 - Corretto collegameto dei carichi iquiati Alimetazioi dedicate U ulteriore migliorameto può essere otteuto sdoppiado l alimetazioe, dedicado cioè u trasformatore (o più di uo) ai carichi iquiati; ievitabilmete, tale opzioe comporta dei costi impiatistici più elevati ma - i talui casi - è quasi ua scelta obbligata. Figura 5 - Sdoppiameto dell'alimetazioe per dimiuire gli effetti dei carichi lieari E ache possibile utilizzare trasformazioi co particolari gruppi orari (ovvero le modalità di collegameto degli avvolgimeti) per elimiare determiate armoiche seza ricorrere ad altri sistemi di compesazioe. Ad esempio: Il gruppo orario Dyd arresta le armoiche di ordie 5 e 7 Il gruppo Dy arresta le armoiche di ordie 3 Il gruppo orario DZ5 arresta le armoiche di ordie 5 Nella figura seguete si vede l utilizzo di u trasformatore a tre avvolgimeti realizzato co appositi gruppi orari i grado di arrestare le armoiche di ordie 5 e 7. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 6 di 4

17 Figura 6 - Utilizzo di trasformatori a tre avvolgimeti per limitare l'impatto delle armoiche Iserzioe di iduttaze L utilizzo di iduttaze permette di limitare i problemi dovuti alle armoiche. L iserimeto di iduttaze i liea permette di limitare l iflueza delle armoiche (l impedeza globale dell impiato viee aumetata); aalogamete si utilizzao iduttaze per evitare l assorbimeto di elevate correti, da parte dei trasformatori, quado vi soo armoiche di ordie elevato. Schemi di collegameto a terra Ache lo schema di collegameto a terra ha iflueza sull armoicità dell impiato. Ad esempio, lo schema TN-C è scosigliato per u impiato co uteze i grado di geerare armoiche: el coduttore PEN ifatti circolerao le correti armoiche che potrao dar vita a differeze di diversi volt el poteziale di riferimeto (massa) visto dai differeti apparecchi e ciò può causare malfuzioameti el caso di apparecchiature elettroiche sesibili. E sicuramete da preferire, i questo seso, lo schema di collegameto TN-S: le correti armoiche circolerao el coduttore di eutro rimado così sgravato il PE ed evitado così i suddetti problemi. 6b) Possibili rimedi e azioi correttive Filtri Passivi I filtri passivi soo dei circuiti LC dimesioati per offrire u impedeza quasi ulla ei cofroti dell armoica di correte che si vuole elimiare: i questo modo essa circolerà itegralmete el filtro e o più ell impiato. Si utilizzao ei segueti casi: per ridurre il THD i tesioe e/o i correte; per impiati che hao uteze iquiati co poteze totali rilevati (ell ordie dei 00kVA o superiori). per impiati che hao ecessità sia di limitare le armoiche che di effettuare compesazioe dell eergia reattiva. Nel caso si vogliao elimiare diverse armoiche, è ecessario istallare diversi filtri i parallelo. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 7 di 4

18 Figura 7 - Applicazioe di filtri passivi Filtri Attivi Soo dei dispositivi elettroici di poteza che soo istallati i serie o i parallelo al carico iquiate. Tali dispositivi soo i grado di valutare le correti armoiche geerate dall uteza cotrollata e iiettare ell impiato correti uguali e opposte che le elimiao. Figura 8 - Utilizzo di filtri attivi Figura 9 - correte i u covertitore AC/DC prima e dopo il collegameto del filtro attivo ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 8 di 4

19 Geeralmete il dispositivo cotrolla la correte di liea i tempo reale ed elabora le armoiche misurate come segali digitali i u DSP (Digital Sig Processor); l'uscita del DSP cotrolla i moduli di poteza PWM (Pulse Width Modulated) che, attraverso reattaze di liea, iiettao correti armoiche di fase opposte a quelle che devoo essere filtrate. La correte armoica Ihar, geerata dal carico o lieare, verrà quidi aullata dal compesatore attivo mediate iiezioe di ua correte Iact uguale e cotraria: i questo modo la correte di impiato Is risulta perfettamete siusoidale. La flessibilità e la precisioe dei filtri attivi soo dovute a u sistema di cotrollo ad aello chiuso che iclude u ulteriore microprocessore oltre al DSP pricipale. La programmazioe può essere effettuata tramite, ad esempio, tramite ua porta seriale RS3 utilizzado il computer e il software forito isieme all apparecchiatura. Tale sistema di filtraggio viee utilizzato per impiati co uteze iquiati di poteza totale più limitata. Filtri Ibridi Soo ua via di mezzo dei due sistemi precedeti: il sistema di compesazioe è costituito da ua parte passiva, accordata sull armoica più rilevate, e da ua parte attiva che permette di adeguare la compesazioe alle diverse situazioi di fuzioameto dell impiato. La preseza della compoete passiva permette u dimesioameto ecoomicamete più leggero della parte attiva. Questo sistema si utilizza i caso si voglia realizzare u sistema di compesazioe molto preciso ache i preseza di carichi iquiati co poteza istallata rilevate. Figura 0 - Applicazioe di filtri ibridi 6c) Criteri di scelta I filtri passivi soo vataggiosi quado, oltre alla ecessità di ua compesazioe armoica, vi è quella di compesare l eergia reattiva dell impiato. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 9 di 4

20 Tale soluzioe può però comportare dei problemi: suppoiamo ifatti che i carichi iquiati o richiedao u elevata poteza reattiva, metre quelli lieari siao molto iduttivi e redao ecessaria l istallazioe di codesatori di rifasameto. Per soddisfare le ecessità di compesazioe delle correti armoiche e della poteza reattiva si può istallare u filtro passivo; i filtri passivi permettoo ua compesazioe molto precisa, tuttavia la poteza che soo i grado di forire è limitata: el caso di impiati co poteze rilevati i costi divetao molto elevati. I filtri ibridi riuiscoo i vataggi di etrambe le soluzioi. 7) U esempio pratico: il problema del rifasameto Viee di seguito riportato u caso relativo a u moitoraggio i u uteza eseguito per ua valutazioe di risparmio eergetico e ottimizzazioe dei cosumi. Dall aalisi dei dati, è risultato che tale azieda prelevava eergia reattiva oltre la frachigia gratuita, pagado così pealità i bolletta; pertato uo degli iterveti eseguiti è stato quello del rifasameto dell impiato. Il problema, apparetemete di o difficile soluzioe, ha tuttavia reso idispesabile u approfodimeto a causa della preseza di u elevato idice di armoicità emerso durate i prelievi. Si è proceduto pertato ad u accurato studio del problema mediate aalisi armoica dei prelievi e misura dell impedeza equivalete della rete a mote: elle figure segueti soo riportati alcui grafici, da cui si evice l elevato valore di distorsioe complessivo. Figura - Rilievo di forme d'oda di tesioe e correte el domiio del tempo ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 0 di 4

21 Figura - Aalisi spettrale el domiio della frequeza relativa alla figura precedete Figura 3 - Adameto della distorsioe armoica di tesioe ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. di 4

22 Figura 4 - Registrazioe della distorsioe armoica di correte Dai risultati otteuti, ua scelta progettuale che avesse previsto u rifasameto di tipo tradizioale si sarebbe rivelata fallimetare per i segueti motivi: durata di vita assai ridotta dei codesatori; possibilità di risoaze co il resto dell impiato; possibili esplosioi dei codesatori co rischio d icedio (vedi foto). Figura 5 - Ecco cosa può succedere ai codesatori (a siistra u rifasatore automatico daeggiato, a destra u dettaglio di u codesatore esploso) Riporto brevemete alcue cosiderazioi emerse dal rapporto di prova: omissis TENSIONE: esiste u moderato coteuto armoico, co distorsioi percetuali che ormalmete si attestao su valori iferiori al 3%; le armoiche preseti soo solitamete la 5 a (50 Hz) e la 7 a (350 Hz). ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. di 4

23 CORRENTE: il valore della distorsioe percetuale raggiuge i certi casi ache il 60% (periodi otturi e festivi), valore idubbiamete assai elevato; elle ore lavorative, tale misura si attesta itoro al 30%. Sempre per quato riguarda le armoiche di correte, le più sigificative soo: elle ore otture la 3a (50 Hz), la 5a (50 Hz) e la 9a (450 Hz), durate la giorata lavorativa tali valori scedoo i valore assoluto, ma compaioo ache armoiche di ordie superiore, apprezzabili addirittura fio alla 9a. (950 Hz). omissis E evidete che tali risultati hao imposto attezioe e cautela ella scelta dell apparecchiatura di rifasameto, rededo di fatto isufficiete ache l adozioe di batterie co codesatori riforzati. Co riferimeto ai dati relativi alle misure, è quidi stato ecessario adottare dispositivi co iduttaze di sbarrameto idoei a sopportare distorsioi percetuali di correte DI%>50% e distorsioi percetuali di tesioe almeo pari al valore DV%=3% o superiori (es. 5%), ode evitare daeggiameti dovuti a risoaze. Si riportao altresì le pricipali caratteristiche del dispositivo scelto: Teleruttori - Ogi batteria è cotrollata da u cotattore tripolare dimesioato i modo ottimale per offrire u elevata affidabilità. La limitazioe dei picchi di correte determiati dall iserzioe delle batterie capacitive, è garatita dalle iduttaze di blocco atirisoati. Le bobie soo a 40Vac 50Hz; Codesatori - Si tratta di codesatori moofasi i polipropilee metallizzato, dotati di dispositivo atiscoppio e resisteza di scarica e la loro coformità alle orme è attestata dalle omologazioi IMQ. Soo impregati i olio biodegradabile e soo tutti eseti da (PCB). Collegameto a TRIANGOLO. Tipo di servizio cotiuativo. Max. tesioe permaete (seza carico armoico): 550Vac. perdite per dissipazioe: 0,4 W/kvar categoria temperatura: -5 / D (ormativa CEI EN 6083-); Iduttaze di sbarrameto, realizzate co ucleo i lamierio magetico a cristalli orietati. frequeza di accordo pari a 89Hz (p=7%). perdite per dissipazioe: 00W per batterie,5kwar, 0W per batterie 5kvar - 85W per batterie 50kvar; max. distorsioe armoica i tesioe ammessa i rete THD(v) = 3%. Tempi di iserzioe / disiserzioe batterie di codesatori: 5. ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 3 di 4

24 Figura 6 - Particolare del rifasatore: a destra soo be visibili le iduttaze di sbarrameto Cocludedo, si rammeta la ecessità - all atto dell istallazioe - di ua corretta iserzioe e impostazioe del dispositivo di regolazioe; è fodametale i particolare;. iserire correttamete le apparecchiature e il dispositivo;. scegliere opportuamete il TA; 3. tarare correttamete il rapporto c/k. Il puto 3 spesso trascurato - è esseziale per il corretto fuzioameto dell apparecchiatura automatica; u errata impostazioe comporta i segueti problemi: c/k troppo basso: si ha pedolameto dell apparecchiatura automatica (cotiue iserzioi e disiserzioi delle batterie), causado u rapido deteriorameto dei compoeti; c/k troppo alto: l apparecchiatura automatica risulterà isesibile alle variazioi di carico. BIBLIOGRAFIA J.O.Bird - Higher Electrical Techology 99 - Ed. Butterworth-Heiema Ltd - Oxford. Comar Codesatori Le Armoiche 000 cataloghi e documetazioe varia Stefa Fassbider - Power Quality ad No-liear Loads - DKI Germa Copper Istitute C.W.Lader - Power Electroics Ed. McGraw Hill Book Compay Europe. Scheider Electrique Harmoic disturbaces i etworks ad their treatmet Stefao Comuzzi Gli iterveti sulla sicurezza ed i cotrolli sugli impiati elettrici Rassega Tecica FVG, ; Moitoraggi, prove e misure elettriche dello Studio Tecico Comuzzi - Udie ig. Stefao COMUZZI - UDINE pag. 4 di 4