Eliminazione delle armoniche dagli impianti

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1 Eliminazione delle armoniche dagli impianti Sommario Armoniche... 2 Definizione, origine e tipi di armoniche...2 Valori caratteristici delle armoniche...5 Effetti delle armoniche...7 Eliminazione delle armoniche Strategie di contrasto alle armoniche...10 Convivere con le armoniche...11 Soluzioni Schneider Electric per l'eliminazione delle armoniche...12 Compensatori attivi di armoniche AccuSine Procedura di implementazione della compensazione attiva...19 Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 1

2 Armoniche Definizione, origine e tipi di armoniche Armoniche Le armoniche sono correnti o tensioni sinusoidali con frequenza pari a un multiplo intero (k) della frequenza del sistema di distribuzione, denominata fondamentale (50 o 60 Hz). Se sommate, rispettivamente, alla corrente o alla tensione fondamentale sinusoidale, le armoniche distorcono la forma d'onda della corrente o della tensione (vedere fig. 3.1). Solitamente le armoniche sono indicate con Hk, dove k ne rappresenta l'ordine. IHk e VHk indicano il tipo di armonica (corrente o tensione). IH1 (o VH1) designa la corrente (o la tensione) sinusoidale a 50 o 60 Hz presente quando non ci sono armoniche (la corrente o la tensione fondamentale). H1 (50 Hz) H3 (150 Hz) H1 + H3 Fig Distorsione di H1 (fondamentale) provocata da H3 (armonica di ordine 3). Carichi non lineari come causa scatenante La causa principale delle armoniche sono le apparecchiature con un'elettronica di potenza. Per fornire l'alimentazione CC a queste componenti, l'apparecchiatura è dotata di un alimentatore a commutazione con un raddrizzatore all'ingresso che assorbe le correnti armoniche. Possibili esempi sono i computer, i variatori di velocità e così via. Altri carichi distorcono la corrente a causa del proprio principio di funzionamento, che genera delle armoniche. Possibili esempi sono le lampade a fluorescenza, le lampade a scarica, le saldatrici e i dispositivi con un nucleo magnetico che può essere saturato. Tutti i carichi che distorcono la normale corrente sinusoidale generano armoniche e si definiscono carichi non lineari. PC Variatore di velocità Lampada a fluorescenza Fig Esempi di carichi non lineari che generano armoniche. Carichi lineari e non lineari L'alimentazione di rete fornisce 50/60 Hz di tensione sinusoidale ai carichi. La forma d'onda della corrente fornita dalla sorgente in risposta al fabbisogno del carico dipende dal tipo di carico. Carichi lineari La corrente assorbita è sinusoidale e ha la stessa frequenza della tensione. La corrente può essere spostata (angolo ϕ) rispetto alla tensione. La legge di Ohm stabilisce un rapporto lineare tra la tensione e la corrente (V = RI) con un coefficiente costante, l'impedenza del carico. Il rapporto tra la corrente e la tensione è lineare. Possibili esempi sono le normali lampadine, i dispositivi di riscaldamento, i carichi resistivi, i motori, i trasformatori. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 2

3 Armoniche Questo tipo di carico non include componenti elettronici attivi, ma solo resistori (R), induttori (L) e condensatori (C). Carichi non lineari La corrente assorbita dal carico è periodica, ma non sinusoidale: la forma d'onda della corrente è distorta dalle correnti armoniche. La legge di Ohm che definisce il rapporto tra la tensione e la corrente totali (1) non è più valida, poiché l'impedenza del carico varia nel singolo periodo (vedere fig. 3.3). Il rapporto tra la corrente e la tensione non è lineare. La corrente assorbita dal carico equivale alla combinazione di: - una corrente sinusoidale denominata fondamentale, alla frequenza di 50 o 60 Hz; - armoniche, ossia correnti sinusoidali con un'ampiezza minore di quella della fondamentale, ma una frequenza che è un multiplo della fondamentale e che definisce l'ordine armonico (ad esempio, l'armonica di ordine 3 ha una frequenza pari a 3 x 50 o 60 Hz). (1) La legge di Ohm si applica a ogni coppia di tensione e corrente del medesimo ordine armonico, Vk = RkIk, dove Rk è l'impedenza di carico di un dato ordine, ma non è più valida per la tensione e la corrente totali. Per informazioni su carichi lineari e non lineari, vedere Cap. 1 pag. 11 Qualità dell'alimentazione UPS. Un possibile esempio sono i carichi RCD (Resistenza, Condensatore, Diodo) che si trovano in gran parte degli alimentatori dei dispositivi elettronici. Il condensatore C, in condizioni stazionarie, si carica solo quando la tensione di linea istantanea è maggiore della tensione presente ai relativi morsetti. A partire da quel punto, l'impedenza di carico è bassa (diodo attivo). Prima l'impedenza era elevata (diodo disattivo). L'impedenza di un carico non lineare, pertanto, varia a seconda della tensione presente ai relativi morsetti. L'impedenza non è costante; tensione e corrente non sono più sinusoidali. La forma della corrente è più complessa e può essere rappresentata, ricorrendo al teorema di Fourier, aggiungendo: - una corrente con la stessa frequenza f della tensione, denominata fondamentale; - altre correnti con frequenze kf (dove k è un numero intero > 1) denominate armoniche. La figura offre un'idea generale della corrente di carico, con due ordini armonici soltanto, IH3 e IH5. Fig Tensione e corrente per carichi non lineari Tipi di armoniche e aspetti specifici delle armoniche omopolari Tipi di armoniche I carichi non lineari generano tre tipi di correnti armoniche, tutte di ordine dispari (poiché la sinusoide è una funzione "dispari"). Armoniche H7 - H13 - : sequenza positiva. Armoniche H5 - H11 - : sequenza negativa. Armoniche H3 - H9 - : omopolari. Aspetti specifici delle armoniche omopolari (H3 e multipli) Le correnti armoniche omopolari (H3 e multipli dispari, scritte 3(2k+1) con k intero) in sistemi trifase si sommano nel conduttore di neutro. Ciò è dovuto al fatto che il proprio ordine 3(2k+1) è multiplo del numero di fasi (3), ossia vanno a coincidere con lo spostamento (un terzo di periodo) delle correnti di fase. La figura 3.4 illustra questo fenomeno su un periodo. Le correnti delle tre fasi sono spostate di un terzo di periodo (T/3), ossia le rispettive armoniche IH3 sono in fase e i valori istantanei si sommano. Di conseguenza: Quando non ci sono armoniche, la corrente nel neutro è uguale a zero: Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 3

4 Armoniche IN = I1+I2+I3 = 0 Quando ci sono armoniche, la corrente nel neutro è uguale a: I1 + I2 + I3 = 3 IH3. Pertanto bisogna prestare particolare attenzione alle armoniche di questo tipo negli impianti con neutro distribuito (applicazioni commerciali e infrastrutturali). Fig Le armoniche di ordine 3 e i rispettivi multipli si sommano nel neutro. Fig Quando ci sono delle armoniche H3 e i rispettivi multipli dispari, la corrente nel neutro non è più uguale a zero, ma corrisponde alla somma delle armoniche omopolari. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 4

5 Armoniche Valori caratteristici delle armoniche Vedere il WP 17 L'analisi delle armoniche di una corrente non lineare consiste nel determinare: gli ordini armonici presenti nella corrente; l'importanza relativa di ciascun ordine armonico. Di seguito vengono riportati alcuni valori caratteristici delle armoniche e relazioni fondamentali utilizzate nell'analisi delle stesse. Per ulteriori informazioni sulle armoniche, vedere Cap. 5 e le spiegazioni del White Paper 17 Understanding Power Factor, Crest Factor and Surge Factor (Informazioni su fattore di potenza, fattore di cresta e fattore di sovraccarico). Valore efficace delle armoniche È possibile misurare il valore efficace di ciascun ordine armonico, poiché le varie correnti armoniche sono sinusoidali, ma con frequenze diverse che sono multiple di quella fondamentale. IH1 è la componente fondamentale (50 o 60 Hz). IHk è la componente armonica, dove k è l'ordine armonico (k per 50 o 60 Hz). Per determinare questi valori si ricorre all'analisi delle armoniche. Corrente efficace totale Irms = IH1 2 + IH2 2 + IH IH 2 k +... Singole armoniche Ogni armonica è espressa come percentuale, ossia il rapporto tra il suo valore efficace e il valore efficace della fondamentale. Questo rapporto è il livello della singola armonica. IH 100 Hk% = distorsione dell'armonica k = IH Distorsione armonica della tensione e della corrente I carichi non lineari generano armoniche sia nella corrente sia nella tensione, poiché per ogni armonica della corrente di carico esiste un'armonica della tensione di alimentazione con identica frequenza. Di conseguenza, anche la tensione risulta distorta dall'armonica. La distorsione di una sinusoide è rappresentata da una percentuale: rms value of all harmonics rms value of fundamental THD* % = distorsione totale = 100 * Distorsione armonica totale (Total Harmonic Distortion). Vengono definiti i seguenti valori: THDV % per la tensione, in base alle armoniche della tensione; THDI % per la corrente, in base alle armoniche della corrente. Il THDI (o il THDV usando i valori VHk) si misura tramite l'equazione: k 1 THDI% = 100 IH + IH + IH H k 2 IH 1 Fattore di cresta Il fattore di cresta (Fc), utilizzato per caratterizzare la forma del segnale (corrente o tensione), è il rapporto tra il valore di picco e il valore efficace. Fc = peak value rms value Di seguito sono riportati alcuni valori tipici per diversi carichi: carico lineare: Fc = 2 = 1,414 mainframe: Fc = da 2 a 2,5 microcomputer: Fc = da 2 a 3 Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 5

6 Armoniche Spettro della corrente armonica Per definire lo spettro di una corrente armonica, è necessario determinare la forma d'onda della corrente e le armoniche individuali, nonché alcuni valori quali THDI e Fc. Singole armoniche H5 = 33% H7 = 2,7% H11 = 7,3% H13 = 1,6% H17 = 2,6% H19 = 1,1% H23 = 1,5% H25 = 1,3% THDI = 35% Fc = 1,45 Corrente in ingresso di un raddrizzatore trifase. Spettro armonico e THDI corrispondente. Fig Spettro armonico della corrente assorbita da un carico non lineare. Fattore di potenza Fattore di potenza Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza attiva (kw) e la potenza apparente S (kva) ai capi di un determinato carico non lineare. P (kw) λ = S (kva) Non si tratta dello spostamento di fase tra la tensione e la corrente, poiché non sono più sinusoidali. Spostamento tra la corrente e la tensione fondamentali Lo spostamento di fase ϕ1 tra la corrente e la tensione fondamentali, entrambe sinusoidali, si può definire come: P1(kW) cos ϕ1 = S1(kVA) dove P1 e S1 sono rispettivamente la potenza attiva e la potenza apparente della fondamentale. Fattore di distorsione Il fattore di distorsione si definisce come: λ 1 v = 1 2 = 1+ THDI cosϕ1 (secondo la definizione in IEC 60146). Quando non ci sono armoniche, questo fattore equivale a 1 e il fattore di potenza è semplicemente cosϕ. Potenza Carico lineare Ai capi di un carico lineare trifase bilanciato, alimentato con una tensione V da fase a fase e una corrente I, dove lo spostamento tra V e I è ϕ, i valori della potenza sono: P apparente = S = VI, in kva P attiva = S cosϕ, in kw P reattiva = Q = S sinϕ, in kvar 2 2 S = P + Q Carico non lineare Ai capi di un carico non lineare l'equazione per determinare P è molto più complicata, poiché V e I contengono delle armoniche. Tuttavia può essere espressa semplicemente come: P = S λ (con λ = fattore di potenza) Per V 1 e I 1 fondamentali, spostate di ϕ 1 : P apparente fondamentale = S1 = U1 I1 3 P attiva fondamentale = P1 = S1 cosϕ1 P reattiva fondamentale Q1 = S1 sinϕ1 Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 6

7 Armoniche S P1 + Q1 + D = dove D è la potenza di distorsione, dovuta alle armoniche. Effetti delle armoniche Nei dispositivi elettrici le armoniche non generano potenza attiva né reattiva, ma solo perdite dovute all'effetto Joule (RI 2 ). Vedere il WP 26 Perdita di potenza apparente La figura 3.7 illustra come il prodotto di una tensione alla frequenza fondamentale senza armoniche moltiplicata per una corrente di terza armonica è zero alla fine di un periodo. Ciò è vero a prescindere dalla fase e dall'ordine dell'armonica. S = P1 + Q1 + D Questo rapporto si esprime con l'equivalenza Una parte della potenza apparente viene consumata dalle armoniche, senza conseguenze. Nelle macchine rotanti, la coppia del motore risultante è pari a zero e si registra solo una coppia pulsante parassita che produce vibrazioni. L'unica potenza attiva presente durante un calo di tensione è il riscaldamento prodotto dalla corrente armonica (IHk) in un conduttore con una resistenza R (R IH 2 k ). Per ulteriori informazioni, vedere il White Paper 26 Hazards of Harmonics and Neutral Overloads (Pericoli delle armoniche e dei sovraccarichi del neutro) Fig Prodotti V x I delle fondamentali (sopra) e delle fondamentali con armoniche (sotto). L'aumento di temperatura dovuto alle correnti armoniche si somma all'aumento di temperatura dovuto alla corrente fondamentale. Aumento di temperatura nei cavi L'aumento di temperatura nei cavi si esprime come: Perdite = n=1 r 2 IHn Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 7

8 Armoniche Il neutro deve essere sovradimensionato per poter prendere in considerazione le correnti di terza armonica e i relativi multipli. Corrente nel neutro Tutte le correnti di terza armonica e i relativi multipli dispari si sommano nel neutro (vedere fig. 3.8). La corrente nel neutro può raggiungere valori 1,7 volte maggiori che nelle fasi. Conseguenze Perdite significative nel neutro R I neutro 2 = aumento di temperatura nel neutro. Fig Le armoniche di ordine 3 e i rispettivi multipli si sommano nel neutro. La distorsione di tensione rispecchia quella di corrente e aumenta di pari passo con la somma delle impedenze a monte del carico non lineare. Carichi inquinanti La distorsione di corrente THDI, provocata dal carico, genera una distorsione di tensione THDV causata dalle correnti armoniche che attraversano le varie impedenze a partire dalla sorgente. La figura 3.9 mostra le diverse forme di distorsione in un comune impianto elettrico. Fig Effetti delle armoniche in un impianto. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 8

9 Armoniche In conclusione, maggiore è la presenza di componenti di ordine elevato nella tensione, peggiore sarà la situazione per il condensatore. Risulta spesso necessario utilizzare condensatori rinforzati. Rischio di rottura del condensatore Il valore della corrente in un condensatore è pari a:.i = V C ω Per una corrente armonica di ordine k, la frequenza angolare è pari a ω = 2π k f, e la corrente è pari a:.i = 2 π k f V C con f = frequenza fondamentale e k = ordine armonico. Ne consegue che il valore della corrente aumenta con l'aumentare di k. Inoltre una frequenza armonica può comportare anche una risonanza (1) tra il condensatore (capacità C) e l'induttanza equivalente (L) della sorgente (trasformatore, essenzialmente induttivo) in parallelo con quella degli altri carichi alimentati. Questo circuito risonante (vedere fig. 3.10) amplifica notevolmente la corrente armonica dell'ordine corrispondente, con conseguente peggioramento della situazione per il condensatore. (1) Ciò si verifica se, per un ordine armonico di ordine k, con frequenza fk = k x 50 (o 60) Hz, 2 LCω k 1, dove ω= 2 π fk. IH Source impedance (transformer) in parallel with that of other loads supplied L resonant LC circuit C harmonic currents All non-linear loads Fig Effetti delle armoniche sui condensatori, rischio di risonanza. Conseguenze Rischio di rottura del condensatore. Rischio di risonanza dovuta alla presenza di induttori. È necessario rispettare alcune limitazioni: V max = 1,1 Vn I max = 1,3 In THDV max = 8% Scelta del tipo di condensatore, a seconda delle circostanze, ad esempio standard, classe H (isolamento rinforzato), con induttori armonici. In linea generale, le armoniche provocano un declassamento della sorgente inversamente proporzionale al fattore di potenza del carico, ossia minore è il fattore di potenza, maggiore sarà il declassamento della sorgente. Declassamento dei trasformatori Numerosi effetti si sommano: a causa dell'effetto pelle, la resistenza dell'avvolgimento del trasformatore aumenta con l'ordine delle armoniche; le perdite dovute all'isteresi sono proporzionali alla frequenza; le perdite dovute alle correnti di Foucault sono proporzionali al quadrato della frequenza. Conseguenze In conformità allo standard NFC , i trasformatori devono essere declassati applicando un coefficiente k alla relativa potenza nominale, di modo che: 1 k = n= 1 + 0,1 H 2 1,6 n n n= 2 Si tratta di un'equazione empirica. Altri standard nazionali raccomandano un declassamento che sfrutta un simile fattore k, variabile a seconda del Paese (ad esempio BS 7821 Part 4, IEE ). Esempio Un trasformatore da 1000 kva alimenta un raddrizzatore a ponte a sei impulsi che assorbe le armoniche seguenti: H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8%. Il coefficiente di declassamento è k = 0,91. La potenza apparente del trasformatore è pertanto di 910 kva. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 9

10 Armoniche Rischio di generatori di disturbo In pratica il THDI della corrente nel generatore non deve superare il 20%, altrimenti è necessario un declassamento. Analogamente ai trasformatori, i generatori soffrono perdite maggiori dovute all'isteresi e alle correnti di Foucault. La reattanza subtransitoria X"d aumenta in funzione della frequenza. Il campo rotante "armonico" spazza il rotore a una frequenza diversa da quella di sincronismo (50 o 60 Hz). Conseguenze Creazione di torsione parassita risultante in una minore efficienza della conversione dell'energia meccanica in elettrica. Ulteriori perdite negli avvolgimenti induttori e nello smorzatore del rotore. Presenza di vibrazioni e rumori anomali. Perdite nei motori asincroni Le armoniche producono i seguenti effetti nei motori asincroni: incrementi delle perdite per effetto Joule e nel ferro (perdite nello statore); coppia pulsante (perdite nel rotore con un calo dell'efficienza meccanica). Per limitare questi fenomeni, il THDV deve essere inferiore al 10%. Effetti su altre apparecchiature Le armoniche possono disturbare anche il funzionamento delle seguenti apparecchiature: unità di disinnesto non RMS, con conseguente attivazione indesiderata degli interruttori di circuito; autocommutatori telefonici; allarmi; apparecchi elettronici sensibili; sistemi di controllo a distanza. Effetto sui sistemi UPS più recenti I moderni sistemi UPS hanno elevate frequenze di interruzione (PWM) e un'impedenza di uscita estremamente bassa (equivalente a un trasformatore cinque volte più potente). Paragonati a carichi non lineari, questi UPS offrono: perdite limitate; funzionamento con limitazione di corrente; distorsione di tensione estremamente contenuta (THDV < 3%). Gli UPS sono ottimi strumenti per alimentare carichi non lineari. Conclusione Le armoniche possono avere effetti dannosi sugli impianti elettrici e sulla qualità del funzionamento. È per questo che gli standard internazionali definiscono livelli di compatibilità armonica sempre più precisi per le apparecchiature e impongono dei limiti al contenuto armonico sugli impianti pubblici di distribuzione. Per informazioni sugli standard relativi alle armoniche, vedere Cap. 5 pag. 28 "Standard UPS". Le pagine seguenti offrono una panoramica sulle varie strategie relative alle armoniche e sull'utilità dei compensatori attivi di armoniche AccuSine. Strategie di contrasto alle armoniche Ci sono due strategie: accettare le armoniche e conviverci, il che fondamentalmente comporta la necessità di sovradimensionare le apparecchiature per poter tenere sotto controllo gli effetti delle armoniche; eliminare le armoniche, in parte o del tutto, mediante filtri o compensatori attivi di armoniche. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 10

11 Armoniche Convivere con le armoniche Vedere WP 38 Sovradimensionamento dell'apparecchiatura Dato che gli effetti negativi delle correnti armoniche aumentano con l'impedenza cumulativa di cavi e sorgenti, la soluzione più ovvia consiste nel limitare l'impedenza totale al fine di ridurre sia la distorsione di tensione, sia l'aumento di temperatura. La figura 3.11 illustra i risultati quando le sezioni trasversali dei cavi e la potenza nominale della sorgente vengono raddoppiate. Poiché il THDV dipende soprattutto dalla componente induttiva e, pertanto, dalla lunghezza dei cavi, è chiaro che questa soluzione non è molto efficace e causa soltanto un minore aumento di temperatura. La figura 3.12 illustra come per le correnti armoniche più forti (da H3 a H7), il rapporto Lω/R è pari a 1 per cavi con sezione trasversale di 36 mm². Di conseguenza, oltre i 36 mm² è necessario ridurre l'impedenza utilizzando cavi multipolari per creare impedenze parallele. Per i data center, vedere Harmonic Currents in the Data Center: A Case Study (Case study sulle correnti armoniche nei data center). Fig Cavi con sezioni trasversali maggiori per limitare distorsione e perdite. Fig Effetto della sezione trasversale dei cavi su Lω/R. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 11

12 Eliminazione delle armoniche (cont.) Soluzioni Schneider Electric per l'eliminazione delle armoniche Ci sono soluzioni di vario tipo per eliminare le armoniche. Per informazioni sui filtri, vedere Cap.1 pag. 27 Selezione di un filtro. Filtri passivi I filtri passivi LC vengono sintonizzati sulla frequenza da eliminare o attenuano una banda di frequenze. Anche i sistemi di ricombinazione armonica (doppio ponte, traslazione di fase) possono rientrare in questa categoria. Su richiesta, Schneider Electric può integrare questo tipo di filtro nelle proprie soluzioni. I filtri passivi presentano due svantaggi principali: l'eliminazione delle armoniche è efficace solo per l'impianto specifico, quindi l'aggiunta o la rimozione di carichi può compromettere il sistema di filtraggio; è spesso difficile implementarli in un impianto esistente. Filtri attivi o compensatori attivi di armoniche I filtri attivi, detti anche compensatori attivi di armoniche, come AccuSine, cancellano le armoniche iniettando correnti armoniche esattamente equivalenti nel momento in cui si verificano. Questo tipo di filtro reagisce in tempo reale (ossia attivamente) alle armoniche esistenti al fine di eliminarle. Più efficace e flessibile dei filtri passivi, ne supera gli svantaggi e, al confronto, costituisce una soluzione che: offre migliori prestazioni (consente l'eliminazione di tutte le armoniche, fino all'ordine 50); è flessibile, adattabile (l'azione può essere configurata) e riutilizzabile. Tabella riassuntiva delle possibili strategie di contrasto alle armoniche Strategia Vantaggi Svantaggi Soluzioni Schneider Electric Convivere con le armoniche Aumento dei valori nominali delle sorgenti e/o delle sezioni trasversali dei cavi. Alimentazione speciale per carichi non lineari. Eliminare parzialmente le armoniche Filtri passivi sintonizzati. Soluzione semplice. Induttori a monte dei carichi non lineari. Trasformatori speciali. Riduzione del THDV Difficile negli impianti esistenti. Soluzione costosa che dell'alimentazione, si limita alla riduzione della componente resistiva per limitando l'impedenza sezioni trasversali minori (l'induttanza resta costante). della sorgente. Richiede cavi in parallelo per le sezioni trasversali più Riduzione delle perdite grandi. Non elimina i disturbi a monte dell'impianto. per effetto Joule. Non conforme agli standard. Limita i disturbi ai Come sopra. carichi contigui tramite disaccoppiamento. Riduzione delle correnti armoniche. Limita gli effetti delle sovratensioni transitorie. Eliminare completamente le armoniche Compensatori attivi di Soluzione semplice e armoniche. flessibile. Solo per uno o due ordini armonici. I filtri a banda larga non sono molto efficaci. Possibilità di risonanza. Necessità di dispendioso lavoro di progettazione. Aumento del THDV ai capi del carico. Eliminazione di determinati ordini armonici soltanto. Costruzione non standard. Consente l'eliminazione totale di tutte le armoniche (fino all'ordine 25), sistema adattabile (configurabilità dell'azione) e riutilizzabile. Serie di filtri passivi Comprende soluzioni a doppio ponte e a traslazione di fase Compensatori attivi di armoniche AccuSine Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 12

13 Compensatori attivi di armoniche AccuSine Compensatori attivi di armoniche AccuSine Caratteristiche di AccuSine Compensatori attivi di armoniche AccuSine I compensatori attivi di armoniche AccuSine rappresentano un approccio più generale al problema delle armoniche. Questi filtri attivi non servono soltanto per le unità UPS, ma sono progettati per eliminare le armoniche dall'intero impianto. AccuSine è particolarmente indicato per le applicazioni industriali e infrastrutturali di media potenza, poiché offre correnti di compensazione da 20 a 480 A in sistemi trifase con neutro. Tali soluzioni sono illustrate nella sezione successiva. La seguente tabella ne riassume le caratteristiche principali. Serie AccuSine Livello di potenz a Da 20 a 480 A Sistemi a 50/60 Hz Da 380 a 415 V Trifase+N e trifase Caratteristiche principali Filtraggio fino a H25 Compensazione attiva digitale con: - analisi e compensazione di singoli ordini - tempo di risposta di 40 ms per le oscillazioni di carico Applicazioni Filtraggio di sistemi commerciali, infrastrutturali e industriali di media potenza, trifase più neutro e trifase, carichi monofase Vantaggi della compensazione attiva di armoniche AccuSine Soluzioni a banda larga da H2 a H25 con compensazione individuale di ogni fase. È possibile selezionare i singoli ordini armonici da compensare. Nessun rischio di sovraccarico, limiti di compensazione alla potenza nominale massima, anche se la potenza di carico supera detto valore. Si adatta automaticamente a tutti i tipi di carico, monofase e trifase. Compatibile con tutte le modalità di messa a terra dei sistemi. Correzione del fattore di potenza. Economicità: il dimezzamento delle armoniche comporta la riduzione a un quarto delle perdite. Può essere riutilizzata in altre installazioni. Aggiornabile con unità collegate in parallelo. Estremamente compatta. Installazione semplice, con trasformatori di corrente a monte o a valle. Principio di funzionamento La sorgente fornisce esclusivamente la componente fondamentale (IF) della corrente di carico. Il compensatore attivo misura in tempo reale le armoniche (IH) assorbite dal carico e le alimenta. A monte del punto A, dove è collegato il compensatore, la corrente fondamentale IF non è alterata, mentre a valle il carico assorbe la corrente non lineare IF + IH. IF A IF + IH Source Injection of compensation current IH Non-linear load Active harmonic conditioner Fig Compensazione armonica di AccuSine. Measurement of load harmonics Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 13

14 Compensatori attivi di armoniche AccuSine (cont.) Modalità di funzionamento Modalità digitale, compensazione di singoli ordini La modalità di funzionamento di base di AccuSine è digitale, con un sensore di corrente, conversione analogico/digitale delle misurazioni della corrente e calcolo in tempo reale dello spettro armonico. Queste informazioni vengono fornite all'inverter per la compensazione dei singoli ordini armonici. Il tempo di risposta alle oscillazioni di carico è di 40 ms (due cicli). Schema di funzionamento La potenza necessaria alla compensazione viene assorbita dal sistema di distribuzione trifase e immagazzinata nell'induttore L, mentre i condensatori vengono caricati rispettivamente a +Vm e -Vm (vedere fig. 3.14). A seconda del segno della corrente armonica richiesta, viene modulata la larghezza di impulso di un condensatore o dell'altro. Questo significa che è possibile utilizzare lo stesso collegamento al sistema di alimentazione per assorbire potenza e iniettare le armoniche. La potenza inviata al carico dipende da: i valori armonici misurati; le esigenze dell'utente, definite durante la configurazione del sistema: ordini armonici da eliminare ed eventuale correzione del fattore di potenza. Il trasformatore di corrente, unito a un convertitore analogico/digitale, determina lo spettro (fondamentale e delle armoniche) della corrente che alimenta il carico. In base a questi valori e al programma di selezione, un processore prepara i comandi per l'inverter, che li esegue nella fase successiva alle misurazioni. La correzione del fattore di potenza si ottiene generando una corrente fondamentale di +90 fuori fase rispetto alla tensione. Fig Funzionamento di AccuSine. Opzioni Su sistemi trifase o trifase più neutro, l'utente può decidere di compensare: tutte o solo alcune armoniche fino a H25; il fattore di potenza. AccuSine è sempre sotto alimentazione trifase, ma può compensare carichi monofase, come le armoniche omopolari 3k. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 14

15 Compensatori attivi di armoniche AccuSine (cont.) Modalità di installazione Modalità in parallelo È possibile collegare in parallelo, nello stesso punto dell'impianto, fino a quattro compensatori attivi di armoniche AccuSine. Ciò comporta un aumento della capacità di compensazione delle armoniche e/o della disponibilità del sistema. Per le installazioni in parallelo è necessario un solo gruppo di sensori sul circuito compensato e si usa un collegamento cablato per inviare ai vari compensatori le misurazioni della corrente di carico. Se un compensatore si spegne, quelli rimanenti continuano a compensare le armoniche, entro i limiti della propria capacità nominale di compensazione. Fig Funzionamento in parallelo di tre compensatori attivi di armoniche AccuSine. Modalità a cascata o in serie Il funzionamento a cascata o in serie è possibile, ma richiede delle particolari impostazioni per evitare eventuali interazioni tra i vari compensatori. In genere il compensatore a valle compensa un carico a elevata potenza. Il dispositivo a monte compensa altri circuiti in uscita a bassa potenza e, se del caso, eventuali armoniche residue non eliminate dal primo compensatore. Fig Compensatori attivi di armoniche AccuSine in modalità a cascata. Modalità multicircuito In questa modalità, un singolo compensatore può compensare fino a tre circuiti in uscita. Per ogni circuito compensato è necessaria una serie di sensori, tutti collegati ad AccuSine. Questa configurazione è particolarmente utile quando le armoniche si concentrano su un numero ridotto di circuiti. Fig Un solo compensatore attivo AccuSine per più circuiti. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 15

16 Compensatori attivi di armoniche AccuSine (cont.) Posizione nell'impianto Compensazione totale (o centralizzata) Il compensatore attivo di armoniche viene collegato subito a valle delle sorgenti, in genere a livello del quadro elettrico principale di bassa tensione. Compensazione parziale Il condizionatore attivo di armoniche viene collegato a livello del quadro elettrico principale o secondario e compensa una serie di carichi. Compensazione locale Il compensatore attivo di armoniche viene collegato direttamente ai capi di ciascun carico. Fig Tre possibili punti di installazione AccuSine, a seconda delle esigenze dell'utente. Confronto tra le installazioni possibili Tipo di compensazione Vantaggi Svantaggi Applicazioni Totale Economica. Restano delle armoniche nella (a livello del quadro elettrico principale di bassa tensione) Riduce il lavoro dei generatori (trasformatori, generatori). parte a valle dell'impianto. I cavi devono essere sovradimensionati. Parziale (a livello del quadro elettrico secondario) Locale (a livello del carico) Evita il sovradimensionamento dei cavi tra i quadri elettrici principale e secondario. La ricombinazione di certe armoniche può consentire la riduzione del valore nominale del compensatore. Elimina le armoniche dove si verificano. Riduce le perdite in tutti i cavi, fino alla sorgente. Restano delle armoniche tra il quadro elettrico secondario e il carico non lineare. Il cavo in uscita per il carico deve essere sovradimensionato. Costosa quando sono necessari molti compensatori. Conforme ai requisiti della rete. Evita l'iniezione di armoniche a monte dell'impianto. Edifici di grandi dimensioni. Compensazione distanziata regolarmente su ciascun piano o serie di piani. Più circuiti che alimentano carichi non lineari. Per impianti in cui i carichi non lineari sono pochi e a elevata potenza rispetto agli altri carichi. Ad esempio, grandi variatori di velocità, UPS a elevata potenza. Esempi: alloggiamenti di server, illuminazione, UPS a elevata potenza, impianti di illuminazione a fluorescenza. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 16

17 Compensatori attivi di armoniche AccuSine (cont.) In pratica La compensazione totale non solleva alcun problema di calcolo. La compensazione parziale richiede qualche precauzione. Per tutti i carichi RCD non compensati (variatori di velocità a elevata potenza senza induttori per applicazioni a coppia variabile), la compensazione locale può garantire solo un THDV che non supera certi limiti per assicurare un corretto funzionamento del carico. Posizione dei trasformatori di corrente a monte o a valle Nella maggior parte delle modalità di installazione descritte sopra è possibile usare due diversi tipi di installazione dei trasformatori di corrente (TC) con AccuSine. TC a monte del carico È la situazione più comune. IF IH IF + IH active harmonic conditioner non-linear load Fig Installazione con un TC a monte del carico. CT to measure load harmonics Installazione con un TC a monte di AccuSine e un TC sulla linea in ingresso del quadro elettrico Questa configurazione semplifica le cose quando è difficile installare un TC sulla linea subito a monte del carico. I due TC devono avere caratteristiche compatibili e complementari. La differenza tra le correnti misurate determina la corrente di compensazione necessaria. CT1 to measure source current IF IF + IH IH CT2 to measure conditioner current information on current to be reinjected (différence CT1 - CT2) active harmonic conditioner non-linear load Fig Installazione con due TC, uno sulla linea in ingresso del quadro elettrico e l'altro a monte del compensatore. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 17

18 Compensatori attivi di armoniche AccuSine (cont.) Vantaggi di AccuSine Eliminazione delle correnti armoniche compensate AccuSine è progettato per fornire un percorso alle correnti armoniche selezionate teoricamente privo di impedenza rispetto a quello della sorgente, eliminandone così il flusso a monte verso la sorgente. La figura 3.21 mostra AccuSine tra due sezioni di linea, ZL1 e ZL2, che alimentano un carico RCD standard monofase o trifase (alimentatore a commutazione o variatore di velocità). Le correnti armoniche IHn, che prima attraversavano le impedenze Zs e ZL1 a monte del punto di installazione di AccuSine, vengono eliminate. Ora dalla sorgente arriva esclusivamente la corrente fondamentale If. È AccuSine a fornire le correnti armoniche IHn al carico, misurando costantemente le armoniche assorbite dal carico. Fig AccuSine modifica la corrente a monte del relativo punto di installazione. Riduzione del THDV al punto di installazione A monte di AccuSine, le correnti armoniche IHn selezionate (tutte o solo alcune delle armoniche fino all'ordine 25) vengono eliminate. La distorsione armonica totale a monte del punto di installazione è calcolata così (vedere Cap. 4 pag. 49): THDU% = 100 n= 2 UH UH 1 2 n dove VHn è il calo di tensione corrispondente all'armonica IHn. L'eliminazione della corrente armonica di un dato ordine annulla la tensione armonica dello stesso ordine (1). Ne risulta una notevole riduzione del THDV, selezionando le armoniche più significative. Dato che le singole armoniche di ordine superiore a 25 sono trascurabili, il THDV è praticamente pari a zero e la distorsione viene completamente eliminata se si decide di compensare tutte le armoniche fino alla venticinquesima. (1) Siccome VHn e IHn sono componenti sinusoidali con frequenza nf (dove f è la frequenza della fondamentale), esse sono correlate dalla legge di Ohm, prendendo in considerazione il valore delle impedenze coinvolte (Zs e ZL1) con una frequenza angolare nω. Pertanto: VHn = (Zs(nω) + ZL1(nω)) IHn. Per tutte le armoniche compensate, IHn = 0 e, di conseguenza, VHn = 0. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 18

19 Compensatori attivi di armoniche AccuSine (cont.) Procedura di implementazione della compensazione attiva Conclusioni sulla compensazione attiva Per calcolare precisamente la compensazione occorrono: conoscenza dettagliata e approfondita dell'impianto (sorgenti, linee e metodo di installazione); conoscenza dettagliata dei carichi (curve armoniche e di spostamento dipendenti dall'impedenza della sorgente); speciali strumenti di calcolo; analisi e simulazione. Nuovi impianti Restano in vigore le normative standard in materia di impianti elettrici, ma è necessaria una valutazione della distorsione di tensione (THDV) dove si verificano correnti armoniche. Questa valutazione è estremamente complessa e richiede un software di calcolo apposito, nonché una conoscenza approfondita dei carichi non lineari, in particolare della distribuzione delle armoniche in funzione dell'impedenza a monte. Schneider Electric dispone degli strumenti di simulazione necessari per effettuare tali calcoli. Impianti esistenti Per gli impianti esistenti, una valutazione dettagliata del sito è un requisito indispensabile per qualsiasi azione correttiva. Il rapporto matematico tra la distorsione di corrente e quella di tensione è complicato e dipende dalle varie componenti dell'impianto. Il controllo dei fenomeni armonici impone conoscenze pratiche ed esperienza, nonché strumenti e software specialistici (analizzatore di spettro, software di calcolo per la distorsione nei cavi, software di simulazione e così via). D'altro canto, anche se ogni soluzione è specifica per un determinato sito, tecniche professionali adeguate e metodi rigorosi garantiscono la massima probabilità di un corretto funzionamento dell'impianto. Metodologia Schneider Electric conosce perfettamente l'intera processo di eliminazione delle armoniche e propone un approccio in tre passaggi: 1. Ispezione del sito 2. Individuazione della soluzione più adatta 3. Installazione del sistema e verifiche 1. Ispezione del sito Schema dell'impianto Prima di avviare una serie di misurazioni, consigliamo di tracciare uno schema semplificato dell'impianto, indicando quanto segue. Tipi di apparecchiature - Generatori: tipo, potenza nominale, tensione, Vcc, X"d (gruppo elettrogeno motore). - Trasformatori di isolamento: tensione, potenza nominale, tipo, Vcc, accoppiamento. - Distribuzione: tipo di cavi, lunghezza, sezione trasversale, metodo di installazione. - Carichi: potenza nominale, tipo. - Modalità di messa a terra del sistema nei diversi punti dell'impianto. Modalità di funzionamento - Alimentazione di rete. - Gruppi elettrogeni motori (alimentazione di attesa o cogenerazione). - UPS. Modalità di funzionamento ridotto - Senza ridondanza. - Alimentazione da gruppo elettrogeno motore. Questo schema dovrebbe permettere di individuare i diversi punti di misurazione e identificare le fasi critiche del funzionamento (per una valutazione tramite simulazione o calcolo). Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 19

20 Compensatori attivi di armoniche AccuSine (cont.) Misurazioni In seguito all'imprescindibile passaggio precedente, può iniziare la fase di misurazione, preferibilmente a partire dalla sorgente e scendendo a valle verso i carichi che assorbono le armoniche, al fine di limitare il numero di misurazioni. La qualità delle misurazioni è più importante della relativa quantità e semplifica il passaggio successivo. Studio preliminare dell'impianto Il primo passaggio si conclude con uno studio preliminare dell'impianto: punti di installazione dei compensatori; condizioni dell'impianto per gli interruttori di circuito di protezione; installazione dei sensori (in condizioni di alimentazione attiva o non attiva); possibilità di arrestare il carico; spazio disponibile; evacuazione delle perdite (ventilazione, climatizzazione e così via); vincoli ambientali (rumore, CEM e così via). 2. Individuazione della soluzione più adatta I precedenti elementi concorrono a determinare la soluzione ottimale attraverso: l'analisi dei risultati delle misurazioni; la simulazione di soluzioni diverse per il problema riscontrato; l'individuazione della soluzione più adatta; la stesura di un documento di riepilogo delle soluzioni proposte. 3. Installazione del sistema e verifiche L'ultimo passaggio comprende: implementazione delle soluzioni selezionate; verifica del livello delle prestazioni in relazione ai risultati garantiti; stesura di un documento di avviamento del sistema. Schneider Electric Edizione 09/2015 pag. 20