Impianti di rifasamento automatici in presenza di armoniche. Problemi e soluzioni. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 1

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1 Impianti di rifasamento automatici in presenza di armoniche. Problemi e soluzioni. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 1

2 Cosa significa rifasare Per molti tipi di utilizzatori (motori, lampade fluorescenti, forni ad induzione, ecc), parte della potenza apparente, detta potenza reattiva induttiva (Q), è utilizzata per eccitare circuiti magnetici, quindi non può essere utilizzata per svolgere un lavoro. Conseguentemente a ciò, un utilizzatore con basso fattore di potenza, richiede alla rete di distribuzione elettrica, più potenza apparente, quindi più corrente, rispetto un utilizzatore con fattore di potenza più elevato. Al fine di contenere le cadute di tensione e le perdite di rete, per evitare quindi maggiori oneri relativi al sovradimensionamento, i distributori di energia elettrica prevedono l applicazione di penali per basso fattore di potenza; il fattore di potenza medio mensile deve essere superiore a 0,9. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 2

3 Cosa significa rifasare Per non vedersi applicata la penale per basso fattore di potenza, gli utenti elettrici, devono portare il loro fattore di potenza ad un valore superione a 0,9 ma inferiore a 1; questa operazione si chiama RIFASAMENTO. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 3

4 Come mi accorgo se è necessario rifasare? Il primo elemento che necessario verificare è la fattura di energia elettrica (vedi box): A volte il valore del cos φ non viene riportato P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 4

5 Come mi accorgo se è necessario rifasare? Se il valore del cos φ non è riportato devo verificare la necessità di rifasamento in altro modo: 1. Verifico i valori potenza attiva, di energia attiva ed energia reattiva misurata dai contatori dell ente distributore ed eseguo la seguente operazione. 2. Divisione tra valore energia reattiva e valore energia attiva. - tan φ = kvarh/kwh (RA in tab.) - cerco il relativo valore del cos φ con l ausilio della tabella successiva P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 5 kw kvar/h kwh

6 Come mi accorgo se è necessario rifasare? Ricerco il valore di tan φ (prima ottenuto con la divisione) e ricavo il relativo valore del cos φ. Per esempio Se il valore del cos φ è inferiore a 0,9 occorre rifasare P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 6

7 Devo rifasare!! Ora? DEVO scegliere la macchina più indicata per rifasare. DO per scontato che la macchina sarà del tipo AUTOMATICA. Il tipo di rifasamento sarà del tipo CENTRALIZZATO Ora mi si presentano 2 strade: 1. Effettuo un dimensionamento della stessa con l ausilio delle fatture di energia elettrica; 2. Effettuo un dimensionamento effettuando delle misure (scelta migliore); P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 7

8 Tipologie rifasamento Centralizzato Distribuito Per gruppi P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 8

9 Dimensionamento con fattura e.e. Nel sito di installazione DEVONO essere verificare ad appurate le seguenti condizioni: 1. NON DEVONO essere presenti motori con INVERTER, oppure possono ESSERE presenti motori con inverter SOLO di piccola potenza; 2. NON DEVONO essere presenti apparecchiature / macchine dotate di elettronica, oppure possono ESSERE presenti apparecchiature / macchine dotate di elettronica in quantità LIMITATA; 3. NON DEVONO essere presenti macchine funzionanti in corrente continua, oppure possono ESSERE presenti macchine funzionanti in corrente continua ma SOLO di piccola potenza. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 9

10 Dimensionamento con fattura e.e Se le condizioni esposte nella pagina precedente SONO TUTTE SODDISFATTE, allora è possibile procedere con un dimensionamento della nuova apparecchiatura di rifasamento, fermo restando che lo stesso, sicuramente non risulterà essere ottimale in quanto che alcuni parametri verranno solo stimati e non misurati. Prendo nota quindi dei seguenti dati dalla fattura di e.e.: Consumo energia reattiva (kvarh); Consumo energia attiva (kwh); Potenza attiva (kw); Fattore di potenza (se presente altrimenti lo valuto con la tabella presente a pag.7 o seguente). P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 10

11 Dimensionamento con fattura e.e Definito il cos φ dell impianto vado a trovare il coefficiente K moltiplicativo della potenza attiva misurata dal contatore di e.e. (vedi tabella pagina seguente). P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 11

12 Dimensionamento con fattura e.e Incrocio i dati al fine di trovare il coefficiente K (per rifasare a cos φ 0,92 o 0,94) moltiplicativo della potenza attiva. Moltiplicando il valore di P per il coeff. K trovo la potenza necessaria per rifasare, riferita alla tensione di rete. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 12

13 Dimensionamento con fattura e.e Se nel sito: NON sono presenti INVERTER, AZIONAMENTI, ALIMENTATORI IN C.C. Si sceglieranno apparecchiature di rifasamento con tensione nominale pari a 400 V. SONO PRESENTI in quantità limitata INVERTER, AZIONAMENTI, ALIMENTATORI in c.c. Si sceglieranno apparecchiature di rifasamento con tensione nominale superione (indicativamente, ma dipende dalle case costruttrici, a 420 V o 440 V). P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 13

14 ESEMPIO Dimensionamento con fattura e.e P= 43 kw ER= kvarh EA= kwh Cos φ= 0,691 ER/EA= RA = 1,04 cos φ= 0,69 P = 43 kw K ----> da tabella precedente da cos φ 0,691 a cos φ 0,94 = 0,69 Q = P * K = 43 * 0,69 = 29,67 kvar Pot. Rifasamento a 400 V circa 30 kvar Pot. Rifasamento a 440 V circa 38 kvar (Q a 400 V * /400 2 ) P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 14

15 Dimensionamento con misura E il metodo migliore in quanto si possono misurare tutti i parametri elettrici necessari al fine del dimensionamento corretto dell apparecchiatura di rifasamento automatica, quali: 1. Tensione di rete; 2. Potenza assorbita reale; 3. Fattore di potenza medio e massimo; 4. Livello di armoniche presenti; 5. Ecc. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 15

16 Dimensionamento con misura Lo strumento di misura DEVE essere collegato subito a valle del contatore di energia elettrica oppure a monte del quadro elettrico generale, inoltre: 1. DEVE essere verificato l esatto inserimento (esatta corrispondenza tra pinza amperometrica e puntali di tensione); 2. Senso ciclico corretto; 3. Rapporti di trasformazione per TA aggiuntivi corretti; 4. Ecc. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 16

17 Dimensionamento con misura A questo punto è possibile iniziare la misura. La stessa dovrà avere una durata tale da misurare situazioni di funzionamento differenti, per esempio: 1. A basse potenza attive assorbite, con alti valori di fattore di potenza; 2. Ad alte potenza attive assorbite, con bassi fattori di potenza; 3. Misura di armoniche presenti; 4. Ecc. Indicativamente la durata di una misura può essere compresa tra 1 ora circa fino ad un massimo anche di alcuni giorni. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 17

18 Dimensionamento con misura A seconda dello strumento / analizzatore di rete utilizzato, vengono rilasciati report di tipo cartaceo o su supporto informatico; a seguito di ciò posso analizzare gli stessi e ricavare: Tensione di rete trifase (media); Fattore di potenza (medio); Potenza attiva reale (media) Distorsione armonica complessiva (TDH%). P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 18

19 ESEMPIO Dimensionamento con misura Dai dati misurati sono emersi i seguenti valori: P= 253 kw U= 385 V Cos φ= 0,75 TDH%I= 5 % TDH%V= 1 % P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 19

20 ESEMPIO Dimensionamento con misura PASSO N 1 P = 253 kw K ----> da tabella precedente (pag. 13) da cos φ 0,75 a cos φ 0,94 = 0,52 Q = P * K = 253 * 0,52 = 131,567 kvar Potenza rifasamento a 385 V circa 132 kvar PASSO N 2 Verifico sul catalogo del quadro di rifasamento automatico, la tensione nominale dei condensatori per un TDH%I pari al 5% P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 20

21 ESEMPIO Dimensionamento con misura PASSO N 3 Ricalcolo la potenza reattiva necessaria a rifasare l impianto (prima calcolata a circa 132 kvar) alla tensione di riferimento del quadro di rifasamento. PASSO N 4 In base al catalogo e al TDH% stabilisco che la tensione di riferimento del quadro di rifasamento sarà pari a 440 V. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 21

22 ESEMPIO Dimensionamento con misura Q quadro= Q * ( U rif2 / U rete2 ) = 131 * ( / ) = 131 * ( / ) = 131 *1,306 = 171 kvar PASSO N 5 Il quadro di rifasamento che si andrà a scegliere dovrà avere una potenza reattiva pari a 180 kvar con condensatori aventi tensione nominale di 440 V adatto per TDH% inferiori al 5 %. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 22

23 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Quando in una rete elettrica in c.a. tensione e correnti non sono più sinusoidali a causa della presenza di circuiti magnetici in saturazione o impedenze non lineari, i loro andamenti nel tempo, possono essere considerati come ottenuti dalla somma di un onda sinusoidale detta fondamentale e da più onde sinusoidali a frequenze più alte dette armoniche. La presenza di armoniche in una rete con condensatori, provoca sul condensatore stesso un sovraccarico di valore: I t = I 12 + I I h 2 Dove It è la corrente totale, I 1 è la corrente a 50 hz, I 2 è la corrente dell armonica di secondo ordine, I h è la corrente dell armonica di ordine h. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 23

24 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 24

25 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 25

26 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento La situazione peggiore, si ha quando si è una condizione di risonanza parallelo. La frequenza di risonanza, è la frequenza per cui la reattanza induttiva della rete è uguale alla reattanza capacitiva dei condensatori di rifasamento. Pertanto quando la frequenza della corrente armonica coincide con quella che porta in risonanza il sistema condensatore-rete, la corrente nel circuito elettrico aumenta anche se la tensione resta costante. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 26

27 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Gli inconvenienti che si possono riscontrare sono quindi i seguenti: Sovraccarichi nei condensatori delle batterie di rifasamento; Sovraccarico nell eventuale condensatore di neutro; Perdite addizionali nei trasformatori e nei motori; Errori di misura; Interventi intempestivi nei relè di protezione; Disturbi nella apparecchiature elettroniche; Ecc. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 27

28 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Nel momento in cui viene eseguita una misura, ci si rende conto del livello armonico presente nel tempo nell impianto elettrico, si DEVE tener conto comunque che l inserimento nella rete elettrica di condensatori, porterà il sistema, irrimediabilmente a modificarsi e quindi ogni variazione futura di uno dei due parametri (capacità e induttanza), potrà portare il sistema ad entrare in risonanza con tutte le problematicità sopra elencate. (vedi grafico seguente) P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 28

29 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Avanzamento dopo misura P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 29

30 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Per meglio definire se un impianto di rifasamento necessita di accorgimenti per ridurre il rischio di risonanza nella pagina seguente è stato riportato un flow chart da seguire, fermo restando la possibilità di definire i carichi potenzialmente distorcenti. (vedi grafico seguente) Dove: At è la potenza del trasformatore MT/BT Qr è la potenza del quadro di rifasamento adottato TDH% è l indice di distorsione armonica nel punto di installazione del QE di rifasamento (in caso di mancanza di questo dato, moltiplicare per 30 il rapporto tra la potenza dei carichi distorcenti e la potenza di tutti i carichi) P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 30

31 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 31

32 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Quindi: Per impianti con contenuto armonico da basso ad alto ma in assenza di risonanza è sufficiente utilizzare condensatori aventi tensione nominale sempre maggiore: 400 V; 420 V: 440 V; 500 V; ecc. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 32

33 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Invece: Per impianti con contenuto armonico elevato ed in presenza di pericolo di risonanza o risonanza accertata già al momento di misura, è necessario adottare quadri di rifasamento con bobine di disaccoppiamento o di antirisonanza: 420 V + bobina; 500 V + bobina; ecc. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 33

34 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Ecco come è una bobina di disaccoppiamento o antirisonanza P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 34

35 Armoniche cosa sono e come gestire il rifasamento Ecco cosa può succedere ad una bobina antirisonanza sottodimensionata P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 35

36 Rifasamenti fissi (NON AUTOMATICI) Alcune apparecchiature è necessario rifasarle con impianti di rifasamento fissi al fine di ridurre le perdite a vuoto, un esempio classico sono i trasformatori MT/BT. P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 36

37 Termine presentazione P.I. MB 16/06/2011 Per. Ind. Borgonovo Roberto 37