Dossier armoniche Masterpact NT / NW

dossier armoniche

2

1 Generalità 31.1 Definizioni e origini delle armoniche 31.2 Effetti causati dalle armoniche 7

2 Gli indicatori della distorsione armonica e pricipi di misura 82.1 Il fattore di potenza PF 82.2 Il fattore di cresta k 82.3 Potenza e armoniche 92.4 Spettro in frequenza e tasso d’armonicità 102.5 Tasso di distorsione armonica (THD) 112.6 Considerazioni sui singoli indicatori 13

3 La misurazione degli indicatori di armonicità 143.1 Le apparecchiature 143.2 Procedimenti di analisi 143.3 Azioni preventive 14

4 Principali effetti delle armoniche sugli impianti 154.1 La risonanza 154.2 Perdite aggiuntive 164.3 Sovraccarico 174.4 Perturbazione di carichi sensibili 194.5 Impatto economico 19

5 Disposizioni normative 205.1 Norme di compatibilità reti elettriche/prodotti 205.2 Norme sulla qualità delle reti 205.3 Norme prodotto 205.4 Valori massimi accettabili 20

6 Le soluzioni da attuare per l’attenuazione delle armoniche 226.1 Soluzioni di base 226.2 Azioni correttive 23

dossier armoniche

3

1 Generalità

1.1 Definizioni e origini delle armoniche

.1..1.1. Deformazione di un segnale sinusoidale

Il teorema di Fourier afferma che una qualsiasi funzione periodica y(t) di periodo T può essererappresentata con una sommatoria (“serie”) di:§ Una sinusoide con lo stesso periodo T (“fondamentale”)§ Delle sinusoidi con frequenza pari a multipli interi della fondamentale (“armoniche”)§ Un’eventuale componente continua Y, se la funzione y(t) ha valore medio non nullo nel periodo T.

L’armonica che ha frequenza pari a n volte quella della fondamentale si chiama armonica di ordine n.

La scomposizione armonica secondo Fourier della funzione è dunque:

∑∞=

=−+=

n

nnn tnsinYYty

1

)(2)( ϕω

dove:Y è il valore della componente continua, solitamente nulla (e tale si considererà in seguito)Yn è il valore efficace dell’armonica di ordine nω=2πf è la pulsazione della frequenza fondamentaleϕn è lo sfasamento dell’armonica di ordine n rispetto alla fondamentale

Ad esempio, eseguendo l’analisi armonica sulla funzione tensione v(t) di un impianto, la fondamentaleavrà frequenza pari a 50 Hz, l’armonica di ordine due avrà una frequenza di 100Hz e così via.

Un segnale deformato può quindi essere considerato come la somma di un insieme di armoniche.

La presenza di armoniche in rete è indice di deformazione della corrente o della tensione.Ciò significa che la distribuzione dell’energia elettrica avviene con qualità non ottimale.In tal caso le utenze più sensibili possono essere soggette a malfunzionamenti e l’intero impiantoessere chiamato a sollecitazioni aggiuntive.

dossier armoniche

4

Figura 1 esempio di corrente distorta e sua scomposizione in armoniche di ordine 1 (fondamentale), 3 (terzaarmonica), 5, 7, 9.

Rappresentazione delle armoniche : lo spettro in frequenza

Lo spettro in frequenza è una delle rappresentazioni classiche del contenuto armonico di unagrandezza periodica: si tratta di un istogramma in cui ogni armonica presente è rappresentata in valorepercentuale della fondamentale.Permette dunque di capire, a colpo d’occhio, quali armoniche sono presenti nel segnale e con qualeincidenza.

Ad esempio, nel seguito è riportato lo spettro in frequenza del segnale presentato in figura 1.

Icresta

Segnale

Fondamentale

Terza armonica

Quinta armonica

Settima armonica

Nona armonica

I cresta

dossier armoniche

5

Figura 2 spettro del segnale riportato in fig 1

.1..1.2. Origine delle armoniche

I dispositivi che danno luogo ad armoniche sono presenti sia nel settore industriale che nel terziario chein ambito domestico: le armoniche sono dovute, essenzialmente, a carichi non lineari ovvero quelli chedanno luogo ad assorbimento di corrente con andamento differente dalla tensione di alimentazione.

L’esempio classico è l’elettronica di potenza (raddrizzatori, invertitori, ecc), ma anche le saldatrici, i forniad arco, i variatori di velocità, le apparecchiature da ufficio quali il fax e il PC, la TV, ecc.Ancora, i dispositivi affetti da saturazione (trasformatori) possono dare luogo ad armoniche.

Le perturbazioni causate dai carichi non lineari : correnti e tensioni armoniche

L’alimentazione dei carichi lineari provoca la comparsa di correnti armoniche circolanti nell’impianto.A loro volta le correnti armoniche, attraversando le impedenze del circuito di alimentazione(trasformatori e linee), causano la deformazione della tensione di rete.

Figura 3 schema unifilare del circuito di alimentazione “visto” dall’armonica di ordine h

Ora, l’impedenza di un conduttore aumenta all’aumentare della frequenza della corrente che loattraversa (ciò è dovuto all’effetto pelle) e dunque ogni armonica di corrente “vedrà” un’impedenza Zndiversa del circuito di alimentazione.

La corrente armonica di ordine n causerà quindi una caduta di tensione Vn =In x Zn ai capidell’impedenza del circuito di alimentazione e di conseguenza, a fronte di una tensione in A nonarmonica (supponendo ideale il circuito a monte di A), in B si avrà una tensione con contenutoarmonico.Anche il valore dell’impedenza del circuito di alimentazione ha influenza sulla qualità dell’energiaottenuta dall’utenza.

Carico nonlineare

dossier armoniche

6

Circolazione delle armoniche in rete

Per una migliore comprensione del fenomeno delle armoniche, possiamo considerarle iniettate in retedal carico non lineare verso la sorgente.

A tutti gli effetti, possiamo scomporre in due circuiti differenti: uno in cui circola solo la componentefondamentale (perfettamente sinusoidale, fig 4a) ed uno in cui circolano le armoniche, in assenza ditrasformatore di alimentazione; l’effettiva situazione nell’impianto, in termini di correnti e tensioni, è datadalla somma delle correnti e delle tensioni nei due circuiti così individuati (principio di sovrapposizionedegli effetti).

Figura 4a circuito in cui non si tiene conto delle armoniche

Figura 4b circuito in cui si considerano solo le armoniche

Generalizzando quanto detto sopra, un impianto anche complesso con più carichi non lineari puòessere studiato valutando singolarmente gli effetti delle correnti armoniche iniettate da ciascun carico esommandone gli effetti.

Vi sono poi determinati carichi che si comportano in modo opposto, ovvero funzionano da assorbitori diarmoniche: questi saranno utilizzati per realizzare dei filtri.

Carico nonlineare

Carico nonlineare

Tensione armonica

dossier armoniche

7

1.2 Effetti causati dalle armoniche

.1..2.1. Le perturbazioni causate dalle armoniche

Le armoniche che circolano nell’impianto provocano un generale peggioramento della qualitàdell’energia nonché:§ Un sovraccarico della rete di distribuzione (aumenta il valore efficace della corrente)§ Sovraccarico nel conduttore di neutro (nel quale circola la somma delle correnti di terza armonica)§ Sovraccarico, vibrazioni e invecchiamento precoce di alternatori, trasformatori, motori§ Sovraccarico e invecchiamento precoce dei condensatori di rifasamento§ Deformazione della tensione di alimentazione con possibile malfunzionamento delle utenze più

sensibili§ Disturbi alle linee di comunicazione (telefono)

.1..2.2. L’impatto economico delle armoniche

Dal punto di vista economico, l’impatto delle armoniche può essere gravoso:§ L’invecchiamento precoce porta ad una vita utile inferiore dell’impianto a meno di

surdimensionamenti§ Il sovraccarico della rete si traduce in contratti più gravosi e perdite supplementari§ La deformazione della corrente può causare interventi intempestivi degli organi di protezione, con

conseguenti perdite per mancata produzione

.1..2.3. Conseguenze via via più gravose

L’attenzione al fenomeno delle armoniche è iniziata negli anni ’80, poiché fino ad allora l’utilizzodell’elettronica di potenza era estremamente limitato. Tuttavia, poiché il suo utilizzo è via via più diffuso,la necessità di valutare l’impatto armonico sul proprio impianto sarà sempre più sentita.

.1..2.4. Limitare le analisi allo stretto necessario

Normalmente, le utenze non lineari causano la presenza di armoniche di ordine dispari; e comunqueun’analisi armonica che si spinga oltre l’ordine di armonicità 50 è superflua: si ottiene già un buon gradodi precisione analizzando fino all’armonica di ordine 30.Normalmente, gli enti di distribuzione dell’energia elettrica controllano le armoniche di ordine 3, 5, 7, 11,13.E’ dunque vitale prevedere sistemi di compensazione che considerino almeno tali armoniche per nonessere costretti al pagamento di penali, comunque è bene compensare le armoniche fino alla 25a.

dossier armoniche

8

2 Gli indicatori della distorsione armonica e pricipi di misura

2.1 Il fattore di potenza PF

.2..1.1. DefinizioneE’ definito come il rapporto tra la potenza attiva P e la potenza apparente S assorbite da un utenza o daun impianto:

SPPF =

Spesso viene confuso con il cosϕ, che invece è dato dalla relazione

1

1cosSP=ϕ

dove P1 e S1 sono rispettivamente la potenza attiva e apparente che si avrebbero ipotizzando nullo ilcontenuto armonico: PF e cosϕ sono uguali solo in caso di assenza di armoniche.

.2..1.2. Interpretazione del fattore di potenza PFSe il fattore di potenza PF differisce dal cosϕ (e non può esserne che inferiore), siamo in presenza diarmoniche.

2.2 Il fattore di cresta k

.2..2.1. DefinizioneE’ il rapporto tra il valore di cresta ed il valore efficace. Ad esempio per una corrente:

eff

cresta

II

k =

Per un segnale sinusoidale puro, tale rapporto è pari a 2 , in caso di segnali distorti può assumerevalori inferiori o superiori.Il calcolo del fattore di cresta è importante quando le armoniche presenti portano ad una forma d’ondaparticolarmente lontana dalla sinusoide.

.2..2.2. Interpretazione del fattore di crestaIl fattore di cresta, in casi particolari, può assumere valori anche superiori a 5. Se il fattore di cresta èmolto elevato significa che l’utenza è chiamata a sopportare un sovraccarico istantaneo ad ognisemionda, e ciò potrebbe dare origine anche ad interventi intempestivi degli organi di protezione.

dossier armoniche

9

2.3 Potenza e armoniche

.2..3.1. Potenza attivaLa potenza attiva P, in caso di presenza di armoniche, è la somma delle potenze attive dovute acorrenti e tensioni dello stesso ordine:

∑∞

==

1

cosn

nnn IUP ϕ

essendo cosϕn lo sfasamento tra le armoniche di ordine n di corrente e tensione.

Nb: tale formula è valida in caso siano nulle le componenti continue di corrente e tensione.

.2..3.2. Potenza reattivaLa potenza reattiva è definita solo per la fondamentale:

111 ϕsinIUQ =

.2..3.3. Potenza di distorsione DLa potenza apparente S, che è data dal prodotto dei valori efficaci di corrente e tensione, può esserescritta anche come:

∑ ∑∞

=

∞

==

1 1

222 ))((n n

nn IUS

in presenza di armoniche dunque la classica relazione S2 =P2 +Q2 non è più valida, bisogna introdurreun nuovo termine che definisce appunto la potenza di distorsione D: S =P2+Q2+D2.

222 QPSD −−=

dossier armoniche

10

2.4 Spettro in frequenza e tasso d’armonicità

.2..4.1. PrincipiCiascun tipo di apparecchio “inquinante” è caratterizzato dalla generazione di un determinato tipo dispettro armonico: è dunque importante analizzare i disturbi in rete per risalirne alla causa.

.2..4.2. Tasso armonico individualeE’ definito come il rapporto tra la singola componente armonica e la fondamentale:

1

100(%)II

i nn =

.2..4.3. Spettro in frequenzaE’ la rappresentazione dell’ampiezza di ogni armonica, rapportata alla componente fondamentale, sottoforma di istogramma (analisi spettrale).La figura seguente fornisce un esempio di analisi spettrale di un segnale di tensione rettangolare.

Figura 5 scomposizione di un’onda quadra di tensione

.2..4.4. Valore efficaceIl valore efficace di una grandezza periodica, in funzione del valore delle sue armoniche, si calcolacome:

∑∞

==

1

2

nneff YY

dove Yn è il valore della n-esima armonica

dossier armoniche

11

2.5 Tasso di distorsione armonica (THD)

.2..5.1. Definizione di THDPer un generico segnale periodico, il tasso di distorsione armonica THD è definito dalla formula:

1

2

2

Y

YTHD n

n∑∞

==

Tale definizione è data dalla norma IEC 1000-2-2

.2..5.2. THD in corrente e in tensioneSe il segnale considerato è una corrente, la formula diventa:

1

2

2

I

ITHD n

n

i

∑∞

==

Nel caso si conosca il valore efficace della corrente, si può utilizzare la seguente formula, equivalente:

1)( 2

1

−=I

ITHD eff

i

Nel caso si stia considerando un segnale in tensione:

1

2

2

U

UTHD n

n

u

∑∞

==

.2..5.3. Il THFIn alcuni paesi il calcolo del tasso di distorsione armonica viene calcolato con una formula differente.Per maggiore chiarezza, chiameremo questa grandezza THF:

eff

nn

Y

YTHD

∑∞

== 2

2

Tale valore coincide con il THD in caso disegnale poco perturbato, ma se ne discosta anchesensibilmente per segnali molto perturbati (il THF non può mai essere maggiore di 1, il THD sì).

dossier armoniche

12

.2..5.4. Relazione tra fattore di potenza PF e tasso di distorsione armonica THDSe si ha a che fare con una tensione sinusoidale o pressochè tale, possiamo supporre

1111 cosϕIUPP ==

E quindi si ha che

effIUIU

SPPF

1

111 cosϕ==

Essendo

2

1

1

1

ieff THDII

+=

si ha che

2

1

1

cos

iTHDPF

+= ϕ

relazione che permette di rappresentare in forma grafica il rapporto tra la grandezza PF/cosϕ infunzione del THDi:

Figura 6 andamento del valore PF/cosϕ in funzione del tasso di distorsione armonica in corrente

dossier armoniche

13

2.6 Considerazioni sui singoli indicatori

Il THD in tensione caratterizza la deformazione della forma d’onda della tensione. Se tale indice havalore è inferiore al 5%, valore da considerarsi normale, non è necessario prendere alcunprovvedimento.Se il suo valore è compreso tra il 5 e l’8%, significa che l’impianto è caratterizzato da una fortearmonicità e con molta probabilità vi sono dei malfunzionamenti, nell’impianto.Se il valore supera l’8%, è necessario prendere provvedimenti (sistemi di compensazione) per evitaremalfunzionamenti.

Il THD in corrente caratterizza la deformazione della forma d’onda della corrente. Se il suo valore èinferiore al 10% si è nell’ambito della normalità; se invece si è tra il 10 e il 50% significa che si è inpresenza di un impianto con una sensibile armonicità che potrebbe causare surriscaldamenti: puòrendersi necessario il sovradimensionamento dei conduttori.Se il THD in corrente è maggiore del 50% siamo in presenza di un impianto fortemente perturbato chepuò avere malfunzionamenti significativi: è necessario procedere ad un’analisi dell’impianto perrealizzare le opportune contromisure.

Il fattore di potenza PF permette di valutare il sovradimensionamento necessario.

Il fattore di cresta k è utilizzato per capire se la corrente assorbita dell’impianto possa dare problemiall’alimentazione (ad esempio gli alternatori possono avere problemi a fornire correnti con elevatofattore di cresta: necessitano un declassamento). Ad esempio le utenze di tipo informatico sonocaratterizzate da correnti assorbite che presentano un fattore di cresta anche pari a 5.

Lo spettro in frequenza è utilizzato per avere un’indicazione visuale della deformazione del segnale(corrente, tensione… ) considerato.

dossier armoniche

14

3 La misurazione degli indicatori di armonicità

3.1 Le apparecchiature

.3..1.1. SceltaSono da preferire gli analizzatori numerici poiché, per loro stessa costituzione, permettono unavalutazione precisa e affidabile dei singoli indicatori.Oscilloscopi e analizzatori numerici di rete, utilizzati in passato, sono da considerarsi superati.

.3..1.2. FunzionalitàGli analizzatori di rete sono in grado di valutare tasso di distorsione armonica THD, fattore di potenzaPF, fattore di cresta k, potenza di distorsione D; sono altresì in grado di realizzare delle funzionicomplementari (gestione delle misure, comunicazione, visualizzazione, elaborazione delleinformazioni… ) e possono anche realizzare l’analisi spettrale dei segnali considerati.

3.2 Procedimenti di analisi

L’analisi armonica di un impianto può essere effettuata per avere sotto controllo lo stato della rete, perindividuare la provenienza di eventuali problemi legati alla armoniche, per valutare l’efficacia delle azionicorrettive intraprese.Per effettuare correttamente l’analisi armonica dell’impianto si valuta l’armonicità delle grandezzefondamentali di rete (corrente e tensione) in corrispondenza del punto di alimentazione dell’impianto epoi via via verso le utenze, in modo da appurare la fonte delle eventuali perturbazioni presenti.Affinchè l’analisi sia significativa, deve essere corredata dai dati relativi alla configurazione/topologiadell’impianto, che permettono di interpretare i risultati dell’analisi stessa.Con i risultati ottenuti si potrà:§ Nel caso di armonicità sostenuta, valutare i declassamenti (o, analogamente, i

sovradimensionamenti) da applicare ai componenti dell’impianto.§ Impostare i sistemi di compensazione da installare in impianto, e decidere in quale punto

dell’impianto collegarli.§ Confrontare i valori dei vari indicatori con quelli ritenuti accettabili dall’ente distributore dell’energia,

per mettere in atto le necessarie azioni correttive.

3.3 Azioni preventive

L’analisi armonica di un impianto può essere realizzata continuativamente, con strumenti collegati inpermanenza, oppure temporaneamente (intervento di esperti oppure strumenti collegati solotemporaneamente).E’ sicuramente da preferire la prima soluzione: si ha una visione globale del comportamento anche infunzione delle sue configurazioni e delle diverse condizioni di funzionamento (condensatori dirifasamento collegati o no, ad esempio), nonché del mutamento causato da eventuali carichi aggiuntivi.I dati così raccolti, opportunamente valutati e elaborati da esperti, permetteranno di mettere in atto leopportune azioni correttive, quando necessario.In particolare, i moderni dispositivi di monitoraggio e misura integrati nelle apparecchiature didistribuzione, permettono di ottenere tutte le informazioni necessarie senza l’ aggravio di ulterioridispositivi e collegamenti.

dossier armoniche

15

4 Principali effetti delle armoniche sugl i impianti

4.1 La risonanza

La presenza, in una stessa rete elettrica, di elementi induttivi e capacitivi, può dar luogo al fenomenodella risonanza, che dà luogo a valori di impedenza equivalente estremamente ridotti o elevati che aloro volta influenzano le correnti e le tensioni di rete.La risonanza può essere dovuta a fenomeni di tipo serie o parallelo: considereremo solo questi ultimi,giacché i più frequenti.

Esemplifichiamo il fenomeno considerando la schematizzazione di un impianto alimentato tramitetrasformatore e che alimenta sia carichi lineari che non lineari, in presenza di una batteria dicondensatori di rifasamento.

Figura 7 rappresentazione semplificata di un impianto con carico non lineare

Ai fini dell’analisi armonica dell’impianto, lo schema diventa

Carico non lineare Carico lineareCondensatori dirifasamento

dossier armoniche

16

Figura 7 rappresentazione dell’impianto “visto” dal carico non lineare

Dove Ls è l’induttanza complessiva rete-trasformatore, C è la capacità della batteria di condensatori, Rla resistenza del carico lineare e Ih la corrente armonica di ordine h generata dal carico non lineare.Trascurando la resistenza R, l’impedenza equivalente del sistema è

CLLj

Zs

s21 ω

ω−

=

Tale valore assume il suo valore massimo quando il denominatore tende a zero cioè

01 2 =− CLsω

cosa che avviene per CLs

1=ω

e cioè in corrispondenza della frequenza CL

fs

r π21=

che verrà detta frequenza di risonanza del sistema.In corrispondenza di tale frequenza la tensione sarà dunque particolarmente distorta con conseguentesovraccarico per i condensatori e, di conseguenza, per la rete di alimentazione.

4.2 Perdite aggiuntive

.4..2.1. Nei conduttoriLa potenza attiva assorbita da un carico dipende dalla sola componente fondamentale della corrente.Se però il carico è distorcente, il valore efficace della corrente risulterà maggiore del valore dellafondamentale.Infatti, essendo:

1)( 2

1

−=I

ITHD eff

i

otteniamo la relazione

21 1 ieff THDII +=

che dimostra quanto appena detto.

dossier armoniche

17

La figura seguente rappresenta l’andamento, in funzione del tasso di distorsione armonica THD:§ Del valore efficace della corrente (tratteggiato)§ Delle perdite per effetto Joule (continuo).

Si può vedere che la presenza di armoniche causa perdite aggiuntive con conseguentesurriscaldamento dei conduttori e delle apparecchiature.

.4..2.2. Nelle macchine asincroneLe tensioni armoniche applicate alle macchine asincrone vi provocano la circolazione di armoniche negliavvolgimenti rotorici, con conseguenti perdite aggiuntive proporzionali a Un

2/n.

A titolo di esempio, una tensione di alimentazione rettangolare provoca un aumento del 20% delleperdite rotoriche.

.4..2.3. Nei trasformatoriLe correnti armoniche che percorrono gli avvolgimenti del trasformatore causano sia perdite aggiuntivenegli avvolgimenti per effetto Joule, che nel ferro per correnti di Foucault. La tensioni armoniche sonoinvece responsabili di perdite aggiuntive nel ferro per isteresi magnetica.Per considerazioni di massima, si può assumere che le perdite negli avvolgimenti sono proporzionali alquadrato del THDi mentre quelle nel ferro sono proporzionali al THDv.

Valori di armonicità ritenuti accettabili possono comunque causare perdite aggiuntive nei trasformatoridi distribuzione anche dell’ordine del 10-15%.

.4..2.4. Nei condensatoriLe tensioni armoniche applicate ai condensatori vi provocano la circolazione di correnti proporzionaliall’ordine di armonicità, che causano perdite aggiuntive.

Ad esempio un THDv pari al 10% può causare un 40% in più di perdite nei condensatori.

4.3 Sovraccarico

.4..3.1. AlternatoriGli alternatori che alimentano carichi non lineari devono essere declassati a causa delle perditesupplementari causate dalle correnti armoniche. Tale declassamento è nell’ordine del 10% se il 30% delcarico totale è costituito da utenze non lineari: di qui la necessità di un sovradimensionamento.Si individua allora un coefficiente di declassamento, che ha definizione differente da quella delcoefficiente di declassamento per un trasformatore (quest’ultimo è meno gravoso).

.4..3.2. Gruppi staticiCome accennato, i dispositivi informatici hanno assorbimento di corrente caratterizzata da un elevatofattore di cresta, che può tradursi in un sovraccarico per i gruppi statici, se non opportunamentedeclassati.

dossier armoniche

18

.4..3.3. TrasformatoriIl declassamento da applicare, in funzione della percentuale di carico non lineare, è visualizzato nelgrafico seguente.

Figura 8 andamento del carico percentuale che può sopportare un trasformatore in funzione della percentuale dicarico non lineare

Ad esempio se il carico del trasformatore è costituito, al 60%, da utenze non lineari, bisogna applicareun declassamento del 50%.

La norma francese UTE C15-112 propone una formula per calcolare il fattore di declassamento kd infunzione del contenuto armonico della corrente fornita al carico:

))((1,01

1

240

2 1

6,1∑=

+=

n

nd

II

n

k

Questa formula fornisce ad esempio un fattore di declassamento kd pari a 0,86 nel caso di ondarettangolare.

Le norme ANSI, caratteristiche del mondo anglosassone, definiscono invece un fattore

∑∑

∑ ∞

=∞

=

∞

= ==1

22

1

2

1

22

)(n eff

n

nn

nn

nII

I

nIK

.4..3.4. Macchine asincroneLa norma CEI 60892 definisce un THDv limite oltre il quale è necessario declassare la macchina. Nellapratica, una semplice regola è il non superare, per la tensione di alimentazione della macchina, untasso di distorsione armonica del 10%.

Carico non lineare

dossier armoniche

19

.4..3.5. CondensatoriLa norma impone che il valore efficace della corrente che circola nel condensatore non deve esseresuperiore ad 1,3 volte la sua corrente nominale.

.4..3.6. Conduttore di neutroPoiché le correnti delle tre fasi si sommano nel neutro, è necessario porre particolare attenzione nelcaso ci siano armoniche (quali la terza) che si sommano aritmeticamente nel neutro, potendo così darevita a sovraccarichi in tale conduttore.

4.4 Perturbazione di carichi sensibili

.4..4.1. Effetti causati dalla deformazione della tensione di alimentazioneUna tensione di alimentazione deformata può essere foriera di malfunzionamenti anche gravi: nel casovi siano, nell’impianto, dispositivi sensibili alla qualità della tensione, è necessario tenere sotto controllola forma d’onda della tensione e, se è il caso, prendere le opportune contromisure. Esempi diapparecchi sensibili sono: dispositivi di regolazione elettronica, materiale informatico, dispositivi dicontrollo quali i relè di protezione.

4.5 Impatto economico

.4..5.1. Perdite supplementariLa perdite per effetto Joule causate nei conduttori vanno a pesare sui costi d’impianto. Ciò puòcomportare inoltre la necessità di sottoscrivere dei contratti più gravosi con l’ente distributore; è inoltreda considerare il fatto che gli enti distributori sono orientati a penalizzare con tariffe più gravose gliimpianti “produttori” di armoniche.

.4..5.2. SovradimensionamentiLa presenza di armoniche di corrente nell’impianto possono costringere a sovradimensionare:§ La sorgente di alimentazione§ I conduttori (in determinati casi solo il conduttore di neutro)

.4..5.3. Riduzione della durata di vita dei materialiUna tensione di alimentazione distorta causa una durata di vita minore per le apparecchiature elettriche.Uno studio della Canadian Electrical Association ha dimostrato che una tensione di alimentazione conTHD pari al 10% causa una diminuzione della durata di vita:§ Del 32,5% per gli apparecchi monofase§ Del 18% per quelli trifase§ Del 5% per i trasformatoriPer avere delle apparecchiature che garantiscano la durata di vita necessaria bisogna ricorrere, ancorauna volta, al sovradimensionamento.

.4..5.4. Interventi intempestiviSono un’eventuale ulteriore conseguenza della presenza di armoniche; ciò è fonte di ulteriori perdite perfermo impianto.

dossier armoniche

20

5 Disposizioni normative

5.1 Norme di compatibilità reti elettriche/prodottiQueste norme specificano che il singolo prodotto non deve generare armoniche tali da creare problemiall’impianto e, viceversa, il singolo apparecchio deve garantire un funzionamento corretto anche inpresenza di armoniche, fino ad un determinato valore specificato.Tali norme sono le IEC 1000-2-2 per le reti pubbliche BT e, per le installazioni industriali MT/BT, le IEC1000-2-4.

5.2 Norme sulla qualità delle retiRelativamente a questo argomento, la tendenza è quella di indicare delle caratteristiche minime chedevono avere le reti e gli impianti utilizzatori.La norma EN 50160 indica le caratteristiche che deve avere la tensione fornita dall’ente distributore. Ildocumento IEEE 519 (Reccomended practices for harmonics control in electrical power systems)fornisce dei criteri generali per un approccio congiunto al problema da parte dell’ente distributore edell’utente.

5.3 Norme prodottoSono, rispettivamente:§ La IEC 61000-3-2 per gli apparecchi BT con assorbimento di corrente inferiore a 16A§ La IEC 61000-3-4 per quelli con un assorbimento maggiore di 16A.

5.4 Valori massimi accettabiliUno studio condotto su diversi documenti realizzati dagli enti di distribuzione dell’energia elettrica portaad indicare i seguenti valori massimi accettabili per le singole armoniche.

Armoniche dispari di ordine non multiplo di tre

Ordine n BT MT AT5 6 6 27 5 5 2

11 3,5 3,5 1,513 3 3 1,517 2 2 119 1,5 1,5 123 1,5 1 0,725 1,5 1 0,7

>25 0,2+25/n 25/n 1,1+25/n

Armoniche dispari di ordine multiplo di tre

Ordine n BT MT AT3 5 2,5 1,59 1,5 1,5 1

15 0,3 0,3 0,321 0,2 0,2 0,2

>21 0,2 0,2 0,2

dossier armoniche

21

Armoniche pari

Ordine n BT MT AT2 2 1,5 1,54 1 1 16 0,5 0,5 0,58 0,5 0,2 0,2

10 0,5 0,2 0,212 0,2 0,2 0,2

>12 0,2 0,2 0,2

Tali valori sono da intendersi validi per la maggior parte delle apparecchiature, in caso diapparecchiature particolari bisogna contattare il produttore.

dossier armoniche

22

6 Le soluzioni da attuare per l’attenuazione delle armoniche

6.1 Soluzioni di base

.6..1.1. Posizionamento dei carichi inquinantiLa perturbazione armonica provocata da un determinato apparecchio è tanto maggiore quanto più èbasso il livello di corto circuito del punto dell’impianto in cui viene collegato. Escludendo dunque leconsiderazioni economiche, i carichi inquinanti è bene siano collegati quanto più a monte, in prossimitàdell’alimentazione.

Figura 9 collegamento dei carichi non lineari

Un tale collegamento ridurrà anche le perdite aggiuntive nei cavi.Ancora, è bene raggruppare i carichi inquinanti (ad esempio prevedendo un sistema di sbarre dedicatoper la loro alimentazione). Ciò è vantaggioso anche per il fatto che, così facendo, aumenta la possibilitàche le armoniche prodotte dai diversi apparecchi inquinanti si elidano reciprocamente.

.6..1.2. AlimentazioniPer ottenere dei risultati ancora migliori, si può sdoppiare l’alimentazione dedicando un trasformatore aicarichi inquinanti. Inevitabilmente, questo comporta dei costi impiantistici più elevati.

Figura 10 sdoppiamento dell’alimentazione per diminuire gli effetti dei carichi non lineari

E’ anche possibile utilizzare trasformazioni con particolari gruppi orari (ovvero le modalità dicollegamento degli avvolgimenti) per eliminare determinate armoniche senza ricorrere ad altri sistemi dicompensazione.

Ad esempio:§ Il gruppo orario Dyd arresta le armoniche di ordine 5 e 7§ Il gruppo Dy arresta le armoniche di ordine 3§ Il gruppo orario DZ5 arresta le armoniche di ordine 5

Nella figura seguente si vede l’utilizzo di un trasformatore a tre avvolgimenti realizzato con appositigruppi orari in grado di arrestare le armoniche di ordine 5 e 7.

Caricoinquinante

Caricosensibile

Z1<Z2

Rete MT

Caricoinquinante

Caricolineare

dossier armoniche

23

Figura 11 utilizzo di trasformatori a tre avvolgimenti per limitare l’impatto delle armoniche

.6..1.3. Utilizzo di induttanzeL’utilizzo di induttanze permette di limitare i problemi dovuti alle armoniche. L’inserimento di induttanzein linea permette di limitare l’influenza delle armoniche (l’impedenza globale dell’impianto vieneaumentata); analogamente si utilizzano induttanze per evitare l’assorbimento di elevate correnti, daparte dei trasformatori, quando vi sono armoniche di ordine elevato.

.6..1.4. Schemi di collegamento a terraAnche lo schema di collegamento a terra ha influenza sull’armonicità dell’impianto. Ad esempio, loschema TNC è sconsigliato per un impianto con utenze in grado di generare armoniche: nel conduttorePEN infatti circoleranno le correnti armoniche che potranno dar vita a differenze di diversi volt nelpotenziale di riferimento (massa) visto dai differenti apparecchi e ciò può causare malfunzionamenti nelcaso di apparecchiature elettroniche sensibili.E’ sicuramente da preferire, in questo senso, lo schema di collegamento TNS: le correnti armonichecircoleranno nel conduttore di neutro rimando così sgravato il PE ed evitando così i suddetti problemi.

6.2 Azioni correttive

.6..2.1. Filtri passiviI filtri passivi sono dei circuiti LC dimensionati per offrire un’impedenza quasi nulla nei confrontidell’armonica di corrente che si vuole eliminare: in questo modo essa circolerà integralmente nel filtro enon più nell’impianto. Nel caso si vogliano eliminare diverse armoniche, è necessario installare diversifiltri in parallelo.

Figura 12 utilizzo di filtri passivi

Si utilizzano nei seguenti casi:§ Per ridurre il THD in tensione e/o in corrente§ Per impianti che hanno utenze inquinanti con potenze totali rilevanti (nell’ordine dei 200kVA)

Carico inquinante Filtro

dossier armoniche

24

§ Per impianti che hanno necessità sia di limitare le armoniche che di effettuare compensazionedell’energia reattiva.

.6..2.2. Filtri attiviSono dei dispositivi elettronici di potenza che sono installati in serie o in parallelo al carico inquinante.Tali dispositivi sono in grado di valutare le correnti armoniche generate dall’utenza controllata e iniettarenell’impianto correnti uguali e opposte che le eliminano.

Figura 13 utilizzo di filtri attivi

La corrente armonica Ihar, generata dal carico non lineare, verrà annullata dal compensatore attivomediante iniezione di una corrente Iact uguale e contraria: in questo modo la corrente di impianto Isrisulta perfettamente sinusoidale.

Tale sistema di filtraggio viene utilizzato per impianti con utenze inquinanti di potenza totale più limitata.

Carico inquinante Compensatoreattivo

dossier armoniche

25

.6..2.3. Filtri ibridiSono una via di mezzo dei due sistemi precedenti: il sistema di compensazione è costituito da una partepassiva, accordata sull’armonica più rilevante, e da una parte attiva che permette di adeguare lacompensazione alle diverse situazioni di funzionamento dell’impianto. La presenza della componentepassiva permette un dimensionamento economicamente più leggero della parte attiva.

Figura 14 utilizzo di filtri ibridi

Questo sistema si utilizza in caso si voglia realizzare un sistema di compensazione molto preciso anchein presenza di carichi inquinanti con potenza installata rilevante.

.6..2.4. Criteri di sceltaI filtri passivi sono vantaggiosi quando, oltre alla necessità di una compensazione armonica, vi è quelladi compensare l’energia reattiva dell’impianto.Tale soluzione può però comportare dei problemi: supponiamo infatti che i carichi inquinanti nonrichiedano un’elevata potenza reattiva, mentre quelli lineari siano molto induttivi e rendano necessarial’installazione di condensatori di rifasamento. Per soddisfare le necessità di compensazione dellecorrenti armoniche e della potenza reattiva si può installare un filtro passivo; se però i carichi induttivisono fuori tensione, anche i filtri dovranno essere scollegati con la conseguente impossibilità dicompensare le armoniche.

I filtri passivi permettono una compensazione molto precisa, tuttavia la potenza che sono in grado difornire è limitata: nel caso di impianti con potenze rilevanti i costi diventano molto elevati.

I filtri ibridi riuniscono i vantaggi di entrambe le soluzioni.

Carico nonlineare Filtro ibrido