Guida alle armoniche negli azionamenti in c.a.

Guida tecnica N. 6Guida tecnica N. 6

Guida alle armoniche negli azionamenti in c.a.

2 Guida tecnica N.6 - Guida alle armoniche negli azionamenti in c.a.

3Guida tecnica N.6 - Guida alle armoniche negli azionamenti in c.a.

1. Introduzione.................................................... 5

2. Nozioni di base sul fenomeno delle armoniche 6

3. Fonti ed effetti delle distorsioni armoniche ... 8

4. Un esempio di calcolo di distorsione armonica 9

4.1 Calcolo delle impedenze a livello della sorgente edella potenza di cortocircuito ................................. 9

4.2 Calcolo dell'effetto della commutazione ............... 104.3 Tabella: Coefficienti di correzione .......................... 104.4 Calcolo della distorsione di tensione .................... 104.5 Tabella: Correnti e tensioni armoniche in

corrispondenza del lato a 22 kV ............................ 114.6 Tabella: Correnti e tensioni armoniche in

corrispondenza del lato a 415 V ............................ 11

5. Le normative che stabiliscono i limiti dellearmoniche ............................................................................... 12

5.1 EN61800-3 (IEC 1800-3) Sistemi di azionamentoelettrico a velocità variabile ................................... 12

5.2 IEC1000-2-2, Compatibilità elettromagnetica (EMC) 135.3 IEC1000-2-4, Compatibilità elettromagnetica (EMC) 135.4 IEC1000-3-2, Compatibilità elettromagnetica (EMC) 135.5 IEC1000-3-4, Compatibilità elettromagnetica (EMC) 135.6 IEEE 519, IEEE Procedure consigliate e requisiti

per il controllo delle armoniche negli azionamentielettrici ..................................................................... 14

6. Valutazione delle armoniche .............................. 16

7. Come ridurre le armoniche attraversomodifiche strutturali del sistema diazionamento in c.a. .............................................. 17

7.1 Fattori presenti nell'azionamento in c.a. con effettosulle armoniche ....................................................... 17

7.2 Tabella: Elenco dei vari fattori e dei relativi effetti 187.3 Utilizzo di un raddrizzatore a diodi a 6 impulsi ..... 187.4 Utilizzo di un raddrizzatore a diodi a 24 impulsi

e a 12 impulsi .......................................................... 197.5 Utilizzo di un raddrizzatore a tiristori con controllo

di fase ...................................................................... 19

Indice


7.6 Utilizzo di ponti IGBT .............................................. 207.7 Utilizzo di un'induttanza maggiore in c.a. o in c.c. 21

8. Altri metodi di riduzione delle armoniche....... 24

8.1 Filtro passivo tarato a braccio singolo .................. 248.2 Filtro passivo tarato a bracci multipli .................... 248.3 Filtro esterno attivo ................................................. 25

9. Attenuazione delle armoniche: Riepilogo ....... 26

9.1 Raddrizzatore a 6 impulsi senza induttore ............ 269.2 Raddrizzatore a 6 impulsi con induttore ............... 269.3 Raddrizzatore a 12 impulsi con trasformatore

polycon ..................................................................... 269.4 Trasformatore a 12 impulsi con avvolgimento

doppio ..................................................................... 269.5 Raddrizzatore a 24 impulsi ..................................... 269.6 Raddrizzatore attivo IGBT ...................................... 27

10. Definizioni ....................................................... 28

11. Indice analitico ............................................... 30


Generalità

Capitolo 1 - Introduzione

La presente guida si aggiunge alla serie di guide tecnicheABB e si occupa del problema delle distorsioni armoniche,delle relative fonti e dei possibili effetti, oltre che del calcoloe della valutazione di tali distorsioni. E' stata data particolareattenzione ai metodi di riduzione delle armoniche negliazionamenti in c.a.


Le correnti e le tensioni armoniche sono determinate da carichinon lineari collegati al sistema di distribuzione di potenza. Ladistorsione armonica è una forma di inquinamentodell'impianto elettrico che può determinare problemi se lasomma delle correnti armoniche supera certi limiti.

Tutti i convertitori di potenza elettronici utilizzati nei sistemielettronici di vario tipo, possono disturbare i disturbi daarmoniche mediante l'introduzione di correnti armonichedirettamente nella griglia. La Figura 2.1 mostra come learmoniche di corrente (ih) presenti nella corrente di ingresso(is) di un convertitore elettronico di potenza possonomodificare la tensione di alimentazione (ut).

Figura 2.1 Impianto dotato di carico del convertitore,trasformatore di rete e altri carichi

La corrente di linea di un raddrizzatore può esserecalcolata a partire dalla corrente di uscita direttautilizzando la seguente formula.

is(t) = i1(t) + Σ ih(t)Carico del

convertitore

Altricarichi

PCC (Point of CommonCoupling, Punto di

accoppiamento comune)Trasformatore di rete

Rs Lsu(t)

la corrente di linea fondamentale e

uscita di corrente diretta dal raddrizzatore.

dove

Capitolo 2 - Nozioni di base sulfenomeno delle armoniche


Nel caso teorico in cui la corrente di uscita sia calcolatacome corrente pulita in c.c., le frequenze della correntearmonica di un raddrizzatore trifase a 6 impulsi sono ugualia n volte la frequenza fondamentale (50 o 60 Hz). I numeridi ordine n sono calcolati con la formula seguente:

mentre i componenti delle armoniche sono evidenziati nellaFigura 2.2.

I valori rms dei componenti delle armoniche sono:

dove

Figura 2.2 Contenuto di armoniche in una corrente rettangolareemessa da un raddrizzatore a 6 impulsi

La Figura 2.3 mostra il principio per il quale i componentidelle armoniche vengono aggiunti alla correntefondamentale, dove viene mostrata solo la 5ª armonica.

Figura 2.3 La corrente totale come somma della correntefondamentale e della 5ª armonica

Ordine del componente dellearmoniche

Correntearmonica (%)

1a

5a

1a+5a

Nozioni di base sui fenomeni delle armoniche


Tra i carichi non lineari più comuni vi sono gli avviatori deimotori, gli azionamenti a velocità variabile, i computer ealtre apparecchiature elettroniche, l'illuminazioneelettronica, i sistemi di saldatura e i gruppi di continuità.

Gli effetti delle armoniche possono essere ilsurriscaldamento di trasformatori, cavi, motori, generatorie condensatori collegati alla stessa alimentazione dipotenza dei dispositivi che generano le armoniche. Sipossono verificare fenomeni di sfarfallio dei displayelettronici e dell'illuminazione, lo scatto di interruttori,guasti ai computer ed errori di lettura degli indicatori dimisura.

Se la causa di questi sintomi non è nota, è opportunoricercare la presenza di distorsioni armoniche del sistemadi distribuzione elettrica dell'impianto. Gli effetti possonomanifestarsi prima a livello dell'impianto dell'utente chenel sistema di erogazione dell'energia elettrica. La presenteGuida tecnica è stata pubblicata per facilitare i clienti nellacomprensione dei problemi di armoniche che possonopresentarsi, per consentire loro di assicurarsi che i livelli didistorsione armonica non siano eccessivi.

Capitolo 3 - Fonti ed effetti delledistorsioni armoniche


Le correnti armoniche causano distorsioni a livello dellatensione di linea. In linea di principio, le armoniche ditensione possono essere calcolate in qualsiasi punto dellarete se le correnti armoniche e le impedenze della sorgentecorrispondente sono note. I diagrammi circuitali nella Figura4.1 mostrano la rete che alimenta il convertitore e altricomponenti essenziali dell'installazione. I dati elettricirilevati dall'installazione necessari al calcolo dellearmoniche sono forniti all'interno della figura. Le fasi dicalcolo e i risultati sono riportati a titolo di esempio nellesezioni da 4.1 a 4.6.

Figura 4.1 La rete di alimentazione di un convertitore difrequenza sulla sinistra e il diagramma equivalente sulla destra

Alimentazione:Sk =150 MVA

U = 22 kV

Trasformatore:S = 400 kVAU

1 = 22 kV

U2 = 415 V

z = 4,5 %

Cavo:Lunghezza = 60 mR = 0,007 mΩ/m

Motore:P = 110 kWIN = 200 A

M3~

S’k

Xk

Xt

X’k

i

4.1 Calcolodelleimpedenze alivello dellasorgente edella potenzadicortocircuito

Capitolo 4 - Un esempio di calcolo didistorsione armonica

L'impedenza di cortocircuito dell'alimentazione è ridottasul lato a 415 V:

Impedenza di cortocircuito del trasformatore dialimentazione:

L'impedenza dei cavi di alimentazione tra il trasformatoree il convertitore:

La potenza di cortocircuito in corrispondenza dei terminalidel convertitore:


Effetto di commutazione con un raddrizzatore a 6 impulsi:

Effetto di commutazione con un raddrizzatore a 12 impulsi:

I coefficienti di correzione della commutazione sonodeterminati dagli angoli. Essi vengono utilizzati permoltiplicare le armoniche teoriche.

n Coefficienti di correzione Coefficienti di correzioneraddrizzatore a 6 impulsi raddrizzatore a 12 impulsi

5 0,98 0,997 0,96 0,9711 0,90 0,9313 0,86 0,9017 0,78 0,8719 0,72 0,9323 0,62 0,7725 0,52 0,73

La corrente armonica In causa una componente dellatensione armonica Un proporzionale alla tensione di lineafondamentale U1 in corrispondenza delle sbarre dialimentazione del convertitore.

La distorsione armonica totale può essere stimatacalcolando la somma di un numero sufficiente di armoniche(di solito 25 o 40).

Un esempio di calcolo di distorsione armonica

4.4 Calcolodelladistorsione ditensione

4.3 Tabella:Coefficienti dicorrezione

4.2 Calcolodell'effettodellacommutazione


I1 = 415 V/22 kV*200 A = 3,77 A

ponte a 6 ponte a 12impulsi impulsi

n In/I1 (%) Un/U1 (%) n In/I1 (%) Un/U1 (%)5 19,60 0,09 57 13,71 0,09 711 8,18 0,09 11 8,45 0,0913 6,62 0,08 13 6,92 0,0917 4,59 0,07 1719 3,79 0,07 1923 2,70 0,06 23 3,35 0,0725 2,24 0,05 25 2,92 0,07

ponte a 6 impulsi ponte a 12 impulsiDistorsione dicorrente totale 27,3 % 11,80 %Distorsione ditensione totale 0,22 % 0,16 %

I1 = 200 A

ponte a 6 ponte a 12impulsi impulsi

n In/I1 (%) Un/U1 (%) n In/I1 (%) Un/U1 (%)5 19,60 1,71 57 13,71 1,68 711 8,18 1,57 11 8,45 1,6313 6,62 1,50 13 6,92 1,5717 4,59 1,36 1719 3,79 1,26 1923 2,70 1,08 23 3,35 1,3525 2,24 0,98 25 2,92 1,28

ponte a 6 impulsi ponte a 12 impulsiDistorsione dicorrente totale 27,3 % 11,80 %Distorsione ditensione totale 4,01 % 2,93 %

Un esempio di calcolo di distorsione armonica

4.6 Tabella:Correnti etensioniarmoniche incorrispondenzadel lato a415 V:

4.5 Tabella:Correnti etensioniarmoniche incorrispondenzadel lato a 22 kV:


Segue una descrizione delle normative più comuni - a li-vello nazionale e internazionale - che stabiliscono limiti perle armoniche.La Figura 5.1 funge da esempio dei limiti per le distorsioniarmoniche.

Parte 3: Norma di prodotto EMC comprendentemetodi di prova specificiI paesi dello Spazio Economico Europeo (SEE) hannoconcordato alcuni requisiti normativi minimi comuni al finedi assicurare la libera circolazione dei prodotti all'internodel SEE. La marcatura CE indica che il prodotto è conformealle direttive valide per lo stesso. Le direttive stabilisconoi principi da seguire. Le normative specificano i requisitiche devono essere assicurati.La norma di prodotto EMC per gli azionamenti elettrici avelocità variabile è la norma EN61800-3. La conformità airequisiti di tale norma è la condizione minima perché siaconsentita la libera circolazione di convertitori elettronici deipotenza all'interno del SEE.

La norma EN61800-3 stabilisce che il produttore è tenutoa fornire, nell'ambito della documentazionedell'azionamento elettrico su richiesta, il livello dellearmoniche di corrente, alle condizioni nominali, inpercentuale sulla corrente fondamentale nominale incorrispondenza della porta di potenza. I valori di riferimentodovranno essere calcolati per ciascun ordine almeno finoalla 25ª. E' opportuno valutare la distorsione armonica dicorrente totale (valori fino al 40 compreso), e la relativadistorsione armonica parziale del componente ad altafrequenza (valori dal 14 al 40 compresi). Per questi calcolistandard, si presume che l'azionamento elettrico siacollegato a un PC con Rsc = 250 e con una distorsione ditensione iniziale inferiore al 1%. L'impedenza interna dellarete va considerata come una reattanza pura.

In una rete di alimentazione pubblica a bassa tensione, ilimiti e i requisiti della norma IEC 1000-3-2 sono applicabiliad apparecchiature con corrente nominale ≤ 16 A. L'utilizzodella successiva normativa IEC 1000-3-4 è consigliabileper apparecchiature con corrente nominale > 16 A.Se l'azionamento elettrico è utilizzato in un impiantoindustriale, sarà opportuno utilizzare un approccioeconomicamente ragionevole, che consideri l'installazionenel complesso. Tale approccio si basa sulla potenzastabilita che l'alimentazione è in grado di produrre in ognimomento. Viene stabilito un metodo di calcolo complessivodelle armoniche dell'impianto, che prevede i limiti della

5.1EN61800-3(IEC 1800-3)Sistemi diazionamentoelettrico avelocitàvariabile

Capitolo 5 - Le normative chestabiliscono i limiti delle armoniche


distorsione di tensione o delle emissioni totali di correntiarmoniche. I limiti di compatibilità stabiliti nella normaIEC1000-2-4 possono essere utilizzati come limiti delladistorsione di tensione.

Parte 2: Ambiente - Sezione 2: Livelli dicompatibilità per disturbi condotti alle bassefrequenze e segnalazione nei sistemi dialimentazione di potenza pubblici a bassa tensioneLa norma stabilisce i limiti di compatibilità per disturbicondotti a bassa frequenza e la segnalazione in sistemi dialimentazione di potenza pubblica a bassa tensione. Ifenomeni di disturbo comprendono le armoniche, leinterarmoniche, le fluttuazioni di tensione, le cadute e le breviinterruzioni di tensione, gli squilibri di tensione, ecc. Si puòaffermare che la norma stabilisca i criteri di progettazionead uso del produttore di apparecchiature, corrispondenti airequisiti minimidi immunità per l'apparecchiatura. La normaIEC1000-2-2 è in linea con i limiti stabiliti dalla normaEN50160, per la qualità di tensione che l'ente erogatore deveassicurare in corrispondenza dei terminali di alimentazionedell'utente.

Parte 2: Ambiente - Sezione 4: Livelli dicompatibilità negli impianti industriali per disturbicondotti a bassa frequenzaLa norma IEC1000-2-4 è simile alla IEC1000-2-2, ma stabiliscei livelli di compatibilità per reti industriali e non pubbliche.Copre le reti a bassa tensione e le alimentazioni a mediatensione, escluse le reti per navi, velivoli, piattaforme off-shore e ferrovie.

Parte 3: Limiti - Sezione 2: Limiti di emissioni dicorrenti armoniche (apparecchiature corrente <16 Aper faseLa norma tratta dei limiti alle emissioni di correnti armonicheper singole apparecchiature collegate a reti pubbliche.La data di implementazione delle norma è il 1 Gennaio 2001,ma è in atto un'intensa attività volta alla revisione dellanorma prima di tale data. Le due ragioni principali per larevisione sono la necessità che la norma vada anche acoprire tensioni inferiori ai 230 V e le difficoltà e lecontraddizioni connesse all'applicazione delle categorie diapparecchiature stabilite all'interno della norma.

La norma è stata pubblicata come Relazione tecnica diTipo II. Sono in corso iniziative per convertirla in norma.Essa stabilisce i limiti alle emissioni di correnti armonicheper le singole apparecchiature con corrente nominalecompresa tra 16 A e 75 A. E' applicabile alle reti pubblichecon tensioni nominali da 230 V monofase a 600 V trifase.

Limiti di armoniche stabiliti dalla normativa

5.5IEC1000-3-4,Compatibilitàelettromagnetica(EMC)





Rete 132 kV

Rete 33 kV

Rete 11 kV

Rete 400 kV

Valori tipici

Min. minRsce

66

120

175

250

350

450

>600

12

15

20

30

40

50

60

10

12

14

18

25

35

40

9

12

12

13

15

20

25

6

8

8

8

10

15

18

2.36

1.69

1.25

1.06

0.97

1.02

<=0.91

I5 I7 I11 I13TENSIONE

%THD

LIMITI FASE 2% I1

CARICOMASSIMO

12p 6p# 6.66 MW (5.0 MW)

# 2.50 MW (5.0 MW)

#

# 4.40 MW (3.3 MW)

# 1.65 MW (3.3 MW)

# 1.11 MW (830 kW)

# 415 kW (830 kW)

# 760 kW (215 kW)

# 108 kW (215 kW)

PCC

(26 MVA presunti)

(100 MVA presunti)

(400 MVA presunti)

(600 MVA presunti) **

La norma stabilisce tre fasi distinte con riferimento alleprocedure di collegamento delle apparecchiature. Laconformità ai singoli limiti di armoniche dello Fase 1consente il collegamento dell'apparecchiatura in qualsiasipunto del sistema di alimentazione. La Fase 2 stabilisce ilimiti per le correnti armoniche e per la distorsione armonicatotale, e la loro controparte alle alte frequenze, laDistorsione armonica parziale ponderata (PWHD). I limitisono classificati e tabulati in base al rapporto dicortocircuito. La terza fase di collegamento prevede unaccordo tra l'utente e l'ente erogatore dell'energia elettrica,in base alla potenza attiva stabilita per l'installazionedell'utente. Se la corrente nominale è superiore ai 75 A, siapplica in ogni caso la Fase 3.

La struttura della norma è generalmente consideratapositivamente, ma si potrebbe giustamente obiettare se leapparecchiature monofase e trifase debbano avere limitidifferenziati allo Stadio 2. E' molto probabile che la normarimanga invariata, ma la versione con lo stato della normaattuale, conterrà limiti diversi per apparecchiature monofasee trifase.

**Contributo ai livelliesistenti di distorsionearmonica totale e PCC

selezionato

La filosofia di sviluppo dei limiti di armoniche all'interno delleprocedure consigliate, consiste nel limitare l'inserimento diarmoniche da parte dei singoli utenti, in modo tale da evitareche provochino livelli inaccettabili di distorsione dellatensione per le caratteristiche normali del sistema e perlimitare la distorsione armonica totale a livello della tensionedi alimentazione fornita dall'ente erogatore. La norma èriconosciuta inoltre come Norma Nazionale Americana edè ampiamente utilizzata negli USA, specialmente a livellodi amministrazioni locali.

Limiti di armoniche stabiliti dalla normativa

5.6 IEEE 519,IEEEProcedureconsigliate erequisiti per ilcontrollo dellearmonichenegliazionamentielettrici

Figura 5.1 Limiti di armoniche nella proposta di norma EN61000-3-4


La norma non stabilisce limiti per le singole apparecchiature,ma per i singoli utenti. Gli utenti sono categorizzati in baseal rapporto della corrente di cortocircuito disponibile (Isc)in corrispondenza della loro massima richiesta di correntedi carico in corrispondenza del punto di accoppiamentocomune. La richiesta totale di corrente di carico è costituitadalla somma non lineare dei carichi lineari. Nell'ambitodell'impianto industriale, il valore PCC è chiaramentedefinito come il punto tra il carico non lineare e gli altricarichi.

Le singole correnti armoniche e la distorsione armonicatotale consentite sono tabulate dal rapporto della correntedi cortocircuito disponibile in corrispondenza delladomanda totale di corrente di carico (Isc/IL) nel punto diaccoppiamento comune. I limiti sono espressi inpercentuale di IL per tutte le armoniche di ordine pari edispari, da 2 all'infinito. La distorsione armonica totale vienedefinita distorsione della domanda totale e dovrebbe esserecalcolata fino all'infinito. Molti autori limitano il calcolo dientrambi i singoli componenti e della distorsione alfabbisogno complessivo (Total Demand Distorsion,TDD) a50.

La tabella 10.3 della norma viene talvolta male interpretatacome se stabilisse i limiti alle emissioni di armoniche di unsingolo apparato utilizzando la Rsc dell'apparecchiaturaanziché la Isc/IL dell'intera installazione. I limiti della tabellanon vanno utilizzati in questo modo, poiché andrebberosempre utilizzati il rapporto tra la corrente di cortocircuitoe la richiesta totale di corrente di carico dell'installazione .

Limiti di armoniche stabiliti dalla normativaLimiti di armoniche stabiliti dalla normativaLimiti di armoniche stabiliti dalla normativaLimiti di armoniche stabiliti dalla normativaLimiti di armoniche stabiliti dalla normativa


La "Guide for Applying Harmonic Limits on Power Systems"P519A/D6 del Gennaio 1999 introduce alcune regole di massimaper la valutazione dei limiti delle armoniche in un impiantoindustriale. La procedura è evidenziata nel diagramma di flussonella Figura 6.1.

FORNITURA

Calcolare la richiesta massimamedia di carico di corrente (IL)

Scegliere PCC

Calcolare la capacità dicortocircuito (SSC, ISC)

Calcolare il rapporto di cortocircuito(SCR=(ISC /IL)

Sì

Sì

No

Sì

No

Esiste o è previsto unacorrezione del fattore di

potenza?

Stadio 1:E' necessario una valutazoine

dettagliata?

No

Calcolare la potenza didisturbo ponderata (SDW) o %

carico non lineare

Stadio 2:L'unità è conforme ai limiti di

armoniche?

Caratterizzare i livelli diarmoniche (misure, analisi)

Prevedere correzione fattorepotenza e/o dispositivi controllo

armoniche (compresarisonanza)

Misure e calcoli (se necessario)

UTENTE

Figura 6.1 Valutazione della distorsione armonica

Capitolo 6 - Valutazione dellearmoniche


La riduzione delle armoniche può essere conseguita siamediante modifiche strutturali del sistema di azionamentosia utilizzando filtri esterni. Le modifiche strutturali possonoconsistere in un rinforzo dell'alimentazione, utilizzandoazionamenti a 12 o più impulsi, nell'utilizzo di un raddrizzatorecontrollato o nel miglioramento del sistema di filtri interniall'azionamento.

La Figura 7.1 mostra i fattori presenti nel sistema diazionamento in c.a. che hanno un certo impatto sullearmoniche. Le armoniche di corrente dipendono dallaconfigurazione dell'azionamento e le armoniche di tensioneequivalgono alle armoniche di corrente moltiplicate per leimpedenze di alimentazione.

Figura 7.1 Elementi del sistema di azionamento con un impattosulle armoniche

7.1 Fattoripresentinell'aziona-mento in c.a.con effettosullearmoniche

Capitolo 7 - Come ridurrele armonicheattraverso modifiche strutturali

del sistema di azionamento in c.a.

LINEA

TRASFORMATORE

AZIONAMENTOIN C.A.

CARICO

Potenza di cortocircuito

Potenza e impedenzanominali

Tipo di raddrizzatore

A DIODI, TIRISTORI, INVERTER:

MVA

MVA

%

mH

PWM;CSI

kW

%

6-p, 12-p, 24-p

Induttanza

Tipo di Inverter

Potenza e cariconominali

Inverter

Motore

Alternativa


CausaPiù grande è il motore…Più elevato è il carico del motore…Maggiore è l'induttanza in c.a. o in c.c.…Maggiore è il numero di impulsi nelraddrizzatore…Più lungo è il cavo di alimentazione…Più grande è il trasformatore…Più bassa è l'impedenza del trasformatore…Più alta è la capacità di alimentazione

di cortocircuito…

Nella Figura 7.2 sono illustrati i collegamenti per diversesoluzioni di raddrizzatore. Il circuito di raddrizzatore piùcomune negli azionamenti in c.a. trifase è un ponte a diodia 6 impulsi. Comprende sei raddrizzatori o diodi privi dicontrollo e un induttore, che, uniti a un condensatore inc.c., formano un filtro passa-basso per il livellamento dellacorrente in c.c. L'induttore può essere sul lato in c.c. o inc.a., oppure completamente esterno. Il raddrizzatore a 6impulsi è semplice ed economico, ma genera un livelloelevato di armoniche di basso ordine (5ª, 7ª e 11ª)specialmente in presenza di una bassa induttanza dilivellamento.

La Figura 7.2. mostra la forma d'onda della corrente. Se lamaggior parte del carico consiste in convertitori conraddrizzatore a 6 impulsi, il trasformatore di alimentazionedeve essere sovradimensionato e può essere difficileassicurare la conformità ai requisiti delle normative. Spessoè necessario vedere a filtri per le armoniche.

Figura 7.2 Armoniche nella corrente di linea con diverseconfigurazioni di raddrizzatore

Come ridurre le armoniche attraverso modifiche strutturali del sistema di azionamento in c.a.

7.3 Utilizzodi unraddrizzatorea diodi a 6impulsi

7.2 Tabella:Elenco deivari fattori edei relativieffetti

Raddrizzatore a 6impulsi


Forma d'onda dellacorrente





Effettomaggiori sono le armoniche di correntemaggiori sono le armoniche di correnteminori sono le armoniche di corrente

minori sono le armoniche di correntemaggiori sono le armoniche di tensione

minori sono le armoniche di tensioneminori sono le armoniche di tensione

minori sono le armoniche di tensione


InI1

Il raddrizzatore a 12 impulsi viene costituito collegando idue raddrizzatori a 6 impulsi in parallelo per alimentare unbus comune in c.c. L'ingresso in corrispondenza deiraddrizzatori è fornito da un trasformatore a tre avvolgimentio da due trasformatori a due avvolgimenti. In entrambi icasi i secondari del trasformatore sono sfasati di 30°. Ilvantaggio di questa configurazione è che in corrisponden-za del lato alimentazione alcune armoniche si trovano nel-la fase opposta, e pertanto vengono annullate. In teoria lacomponente armonica alla frequenza più bassa identifica-ta in corrispondenza del primario del trasformatore è la 11ª.

Gli svantaggi principali sono la necessità di trasformatorispeciali e un costo più elevato a fronte del raddrizzatore a 6impulsi.

Nella Figura 7.3 viene inoltre illustrato il principio delraddrizzatore a 24 impulsi. Comprende due raddrizzatori a12 impulsi in parallelo con due trasformatori a treavvolgimenti, con gli avvolgimenti del primario sfasati di30 o. Il vantaggio è che praticamente tutte le armoniche dibassa frequenza vengono eliminate, con lo svantaggio diun costo elevato. Nel caso di un azionamento unico dipotenza elevata o di installazioni più estese con piùazionamenti, un sistema a 24 impulsi può costituire la solu-zione più economica per minimizzare le distorsioni armo-niche.

Figura 7.3 Componenti delle armoniche con diversi tipi di raddrizzatore

Un raddrizzatore con controllo di fase si ottiene sostituen-do i diodi di un raddrizzatore a 6 impulsi con tiristori. Poi-ché i tiristori necessitano di un impulso di accensione peril passaggio dallo stato non conduttivo a quello conduttivo,è possibile ritardare l'angolo di fase in cui i tiristori inizianoa essere conduttivi. Ritardando l'angolo di accensione dioltre 90 o, la tensione del bus in c.c. diventa negativa. Que-sto consente un flusso rigenerativo di potenza dal bus inc.c. di ritorno all'alimentazione di potenza.


7.5 Utilizzodi unraddrizzatorea tiristori concontrollo difase

7.4 Utilizzodi unraddrizzatorea diodi a 24impulsi e a 12impulsi

Ordine della armoniche

raddrizzatore a 6 impulsi raddrizzatore a 12 impulsi raddrizzatore a 24 impulsi


Figura 7.4 Distorsione di varie tipologie di unità di alimentazione.I valori possono variare nei singoli casi.

L'introduzione di un ponte raddrizzatore, composto di com-ponenti auto-commutati, apporta vari vantaggi e possibilitàa fronte di quelli a commutazione di fase. Come unraddrizzatore a commutazione di fase, questo dispositivoconsente sia il raddrizzamento che la rigenerazione, ma con-sente di controllare il livello di tensione in c.c. e il fattore disfasamento di potenza separatamente, indipendentementedalla direzione del flusso di potenza.

I vantaggi principali sono:- Funzione di sicurezza in caso di interruzioni dell'alimen-

tazione di rete.- Dinamica elevata del controllo dell'azionamento anche

nel range di indebolimento di campo.

Le configurazioni standard del bus in c.c. e dell'inverternon consentono un cambio di polarità della tensione in c.c.,ed è più frequente collegare un altro ponte a tiristoriantiparallelo rispetto al primo per consentire l'inversionedella polarità di corrente. In questa configurazione il primoponte è conduttivo in modo raddrizzamento e l'altro inmodo rigenerazione.

Le forme d'onda della corrente dei raddrizzatori con controllodi fase sono simili a quelle del raddrizzatore a diodi a 6impulsi, ma poiché attingono potenza con un fattore disfasamento alternato, il fattore di potenza totale a caricoparziale è piuttosto scarso. Il basso fattore di potenzadetermina un'elevata corrente apparente e le correntiarmoniche assolute risultano più elevate rispetto a quelleconnesse a un raddrizzatore a diodi.

Oltre a questi problemi, i convertitori con controllo di fasedeterminano micro-interruzioni di commutazione nellaforma d'onda della tensione erogata. La posizione angolaredelle micro-interruzioni varia in base all'angolo diaccensione.

Tipo dialimentazione

Raddrizzatorea 6 impulsi

Raddrizzatorea 12 impulsi

Unità dialimentazione

IGBT

CorrenteTDH (%)

30

10

4

TensioneTDH (%)RSC=20

10

6

8

TensioneTDH (%)RSC=100

2

1.2

1.8

Forma d'ondadella corrente

La distorsione è in % sui valori RMS


7.6 Utilizzo diponti IGBT


- Possibilità di generare potenza reattiva e di compensarele correnti armoniche dei carichi paralleli.

- Corrente di alimentazione quasi sinusoidale con bassocontenuto di armoniche. La Figura 7.5 illustra i risultatimisurati per un azionamento. Confrontandoli con quellidella Figura 7.3 si nota una chiara differenza. L'IGBT haun bassissimo contenuto di armoniche alle frequenze piùbasse, ma un po' più elevato a frequenze più alte.

- Capacità di incremento di tensione. In caso di bassatensione di alimentazione, la tensione in c.c. può essereincrementata per mantenere la tensione del motore piùalta rispetto alla tensione di alimentazione.

Lo svantaggio principale consiste nel costo elevatoconnesso al ponte IGBT e alla necessità di altri filtri.

Figura 7.5 Armoniche nell'unità di generazione di linea IGBT dellacorrente di linea

Le armoniche di un azionamento in c.a. della sorgente ditensione possono essere notevolmente ridotte collegandoun'induttanza di dimensioni sufficienti in corrispondenzadell'ingresso in c.a. o del bus in c.c. Si è riscontrata unatendenza a ridurre le dimensioni del convertitore, mentrel'induttanza è stata rimpicciolita e, in alcuni casi, eliminata.L'effetto di tali iniziative si può notare nelle forme della curvadella Figura 7.4.

Figure 7.6 L'effetto dell'induttanza sulla corrente di linea


7.7 Utilizzo diun'induttoremaggiore inc.a. o in c.c.

induttore senzacorrente

induttorecon corrente

Unità di generazione di linea

3~

Unità di generazionedi linea

Ordine delle armoniche

InI1


Dis

tors

ione

to

tale

di

tens

ione

arm

oni

ca (%

)

Induttore grande,6 impulsi

Induttore grande,12 impulsi

Induttore piccolo,6 impulsi

Nessun induttore, 6 impulsi

La tabella nella Figura 7.5 mostra l'effeto delle dimensionidell'induttanza in c.c. sulle armoniche. Per i primi cinquecomponenti di armoniche, la distorsione armonica totaleteorica minima è pari al 29%. Tale valore si raggiungepraticamente quando l'induttanza è pari a 100 mH divisoper i kW motore o 1 mH per un motore da 100 kW (415 V, 50Hz). Non è opportuno selezionare induttanze maggiori, macirca 25 mH divise per i kW motore da una distorsionearmonica totale approssimativa del 45%. Questo equivalea 0,25 mH per un motore da 100 kW.

Figura 7.7 La corrente armonica in funzione dell'induttanza in c.c.

La distorsione di tensione con alcune distorsioni di correntedipende dal Rapporto di Cortocircuito Rscdell'alimentazione. Più elevato è il rapporto, più basso è ladistorsione di tensione, come si può rilevare dalla Figura7.8.

Induttanza in c.c./mH = Tabella/kW motore

Figura 7.8 Distorsione totale di tensione armonica per tipo diazionamento in c.a. e dimensioni del trasformatore

Carico 60 A, potenza trasformatore 50-315 kVA, livello errore di linea 150 MVA


415 V, 50 Hz

5a

7a

11a

13a

17a

19a

23a

25a

THD

Co

rren

te a

rmo

nica

(p

u)

Rapporto di cortocircuito


La Figura 7.9 illustra un semplice nomogramma per ilcalcolo delle tensioni armoniche. Nel grafico sottoriportato, selezionare da prima i chilowatt motore, poi i kVAdel trasformatore, quindi muoversi orizzontalmente versola linea diagonale, e a questo punto salire e fermarsi sullacurva corrispondente all'applicazione. Girare a sinistraverso l'asse delle ordinate e leggere la distorsione totaledi tensione armonica.

Figura 7.9 Nomogramma della distorsione armonica totale

La Figura 7.10. illustra i risultati di prove di laboratorioeseguite su azionamenti di diversi produttori.L'azionamento A con un'induttanza in c.c. di grandidimensioni, presenta la distorsione di corrente armonicapiù bassa, gli azionamenti senza induttanza installatiproducono la massima distorsione.

Figura 7.10. Correnti armoniche con diverse induttanze in c.c.


A = Induttanza in c.c. grandeB, C = Induttanza in c.c. piccolaD, E = Nessuna induttanza in c.c.

Esempio: Un motore da 45 kW è collegato a ”untrasformatore da 200 kVA. ”Distorsione armonicatotale = circa 3% con un “Azionamento ainduttanza grande” e circa 11% con un“Azionamento senza induttanza”

Dis

tors

ione

di t

ensi

one

arm

oni

cato

tale

Dati immessi per i calcoli:Motore nominale perazionamentoCarico coppia costanteTensione 415 VEfficienza azionamento = 97%Impedenza alimentazione =10% dell'impedenza deltrasformatore

Trasformatorealimentazione

(kVA)

STOP GIRARE SX

START

GIRARE SX

SALIRE

kW motore

Nessun induttorein c.c., 6 impulsi

Induttore in c.c.piccolo, 6 impulsi

Induttore in c.c.grande, 6 impulsi

Induttore in c.c.grande, 12impulsi


Questa tipologia di filtri comprende una serie di induttori con unbanco di condensatori, e la posizione ideale del filtro passivo è inprossimità dei carichi che generano le armoniche. Questasoluzione normalmente non viene utilizzata per nuove installazioni.

Il principio di questo filtro è illustrato nella Figura 8.2. Il filtro presentadiversi bracci tarati su uno o più componenti di armoniche, chedovrebbero corrispondere alle frequenze armoniche significativepiù basse del sistema. Il filtro multiplo è caratterizzato da un miglioreassorbimento delle armoniche rispetto a quello a braccio singolo.

L'uso di filtri è un metodo per ridurre le armoniche negli impiantiindustriali quando la distorsione armonica è aumentatagradualmente, oppure come soluzione globale in un nuovoimpianto. Vi sono due metodi principali: filtri attivi e passivi.

La Figura 8.1. illustra il principio di base dei filtri passivi taratia braccio singolo. I filtri passivi tarati a braccio singolo devonoessere applicati al singolo componente di armonica più ridottoin corrispondenza del quale si verifichi una significativagenerazione di armoniche all'interno del sistema. Per sistemiche alimentano principalmente un carico industriale, con ogniprobabilità si tratterà della quinta armonica. Al di sopra dellafrequenza tarata, le armoniche vengono assorbite, mentre aldi sotto di tale frequenza possono essere amplificate.

Starato - Frequenza di taratura unicaArmoniche assorbite sopra la frequenza di taraturaPossibilità di amplificazione delle armoniche sotto lafrequenza di taraturaLimitazione della riduzione delle armoniche attraverso KVAr e rete

Capacitiva al di sotto della frequenza di sintonizzazione/induttiva al di sopraMigliore assorbimento delle armonicheI criteri di progettazione devono considerare le armonicheamplificate attraverso il filtroLimitazione attraverso KVAr e rete

8.1 Filtropassivotarato abraccio singolo

8.2 Filtropassivo taratoa braccimultipli

Capitolo 8 - Altri metodi di riduzionedelle armoniche

Figura 8.2 Filtro tarato passivo a bracci multipli

Figura 8.1 Filtro passivo tarato a braccio singolo


Figura 8.3 Diagramma di principio di un filtro attivo esterno

Il filtro attivo compensa le armoniche generate dai carichinon lineari, generando gli stessi componenti di armonichenella fase opposta, come illustra la Figura 8.4. I filtri attiviesterni sono i più adatti in caso di piccoli azionamentimultipli. Sono relativamente costosi a fronte di altri metodi.

I filtri passivi a bracci multipli vengono spesso utilizzati perinstallazioni di azionamenti in c.c. di grandi dimensioni, doveun trasformatore dedicato alimenti l'intera installazione.

I filtri tarati di tipo passivo introducono nuove risonanzeche possono determinare ulteriori problemi di armoniche.Le più recenti tecnologie di potenza di tipo elettronicorealizzano prodotti in grado di controllare la distorsionearmonica in modo attivo. Tali filtri di tipo attivo, illustratinella Figura 8.3, assicurano una compensazione per icomponenti di armoniche presenti sul sistema di erogazionedell'energia basati sulla generazione attuale di armonichein un qualsiasi momento.

Filtroattivo

Figura 8.4 Forme d'onda e armoniche di un filtro attivo esterno

Altri metodi di riduzione delle armoniche

8.3 Filtroesterno attivo

Solo fondamentale idistorsione

icompensazione

Carico

Forme d'onda della corrente

Alimenta-zione

Correntealimentazione

pulita

Correntecarico

Correntefiltro attivo

Fo

rme

d'o

nda

del

lear

mon

iche


Esistono svariate possibilità di 'attenuazione dellearmoniche, sia all'interno del sistema di azionamento cheal suo esterno. Tutte presentano vantaggi e svantaggi, condiverse implicazioni di costo. La soluzione migliore dipendedal carico totale, dall'alimentazione e dalla distorsionemassima.Le seguenti tabelle forniscono una comparazione tradiverse soluzioni interne a fronte di un sistema di base privodi induttore. Il contenuto di armoniche considera un caricoal 100%. I costi si riferiscono ad azionamenti di piccoledimensioni. Per i sistemi dotati di più azionamenti, lasoluzione a 12 impulsi risulta molto più economica.

Costo di produzione 100%Componenti tipici delle correnti armoniche.

Fondamentale 5a 7a 11a 13a 17a 19a

100% 63% 54% 10% 6,1% 6,7% 4,8%

Costo di produzione 120%. Aggiunta d'induttanza in c.c. oin c.a.Componenti tipici delle correnti armoniche.


100% 30% 12% 8,9% 5,6% 4,4% 4,1%



100% 11% 5,8% 6,2% 4,7% 1,7% 1,4%



100% 3,6% 2,6% 7,5% 5,2% 1,2% 1,3%

9.4Trasformatorea 12 impulsicon avvolgi-mento doppio

9.3Raddrizzatorea 12 impulsicon trasforma-tore polycon

9.2Raddrizzatorea 6 impulsicon induttore

9.1Raddrizzatorea 6 impulsisenzainduttore

Capitolo 9 - Attenuazione dellearmoniche: Riepilogo


9.6Raddrizzatoreattivo IGBT



100% 4,0% 2,7% 1,0% 0,7% 1,4% 1,4%

Costo di produzione 250%. Non significativo se è in ognicaso necessaria la frenatura elettrica.Componenti tipici delle correnti armoniche.


100% 2,6% 3,4% 3,0% 0,1% 2,1% 2,2%

Attenuazione delle armoniche: riepilogo

9.5Raddrizzatorea 24 impulsi


dove I1 è il valore rms della corrente di frequenzafondamentale. La tensione d'ingresso THD può esserecalcolata in modo simile. Segue un esempio per icomponenti della 25ª armonica più bassa con valori teorici:

S: Potenza apparente

P: Potenza attiva

Q: Potenza reattiva

Rsc: Short circuit ratio (Rapporto di cortocircuito) èdefinito come la potenza di cortocircuitodell'alimentazione in corrispondenza del Punto diaccoppiamento comune alla potenza nominaleapparente dell'impianto considerato.Rsc = Ss / Sn.

ω1: Frequenza angolare della componente fondamentaleω1 = 2*π*f1, dove f1 è la frequenza fondamentale(p. es. 50Hz o 60Hz).

n: N intero = 2, 3, ... ∞. Frequenze armoniche definitecome wn = n*ω1.

In: Valore RMS della ennesima componente armonicadella corrente di linea.

Zn: Impedenza alla frequenza n*ω1.

%Un: Componente di tensione armonica in percentualesulla tensione fondamentale (linea).

THD: Total Harmonic Distortion (Distorsione armonicatotale) è la corrente in ingresso definita come:

Capitolo 10 - Definizioni


PWHD: Partial weighted harmonic distortion (Distorsionearmonica parziale ponderata), definita come:

PCC: Point of Common Coupling (Punto di accoppiamentocomune) è definito nel presente testo come un puntodell'alimentazione fornita che può essere comuneall'apparecchiatura in questione e ad altreapparecchiature. Vi sono varie definizioni di PCCall'interno delle norme, e ancora più numerose sonole interpretazioni di tali definizioni nell'ambito delladocumentazione tecnica. La definizione utilizzata èconsiderata la più valida in termini tecnici.

PF: Power Factor (Fattore di potenza) si definisce comePF = P/S (potenza/tensione - ampere) = I1 / Is * DPF(Con corrente sinusoidale PF uguale a DPF).

DPF: Displacement Power Factor (Fattore di potenza disfasamento) è definito come cosφ1, dove φ1 è l'angolodi fase tra la corrente a frequenza fondamentaleassorbita dall'apparecchiatura e il componente difrequenza fondamentale della tensione dialimentazione.

Definizioni


Capitolo 11 - Indice analitico

AABB 6aliimentazione pubblica 12American National Standard14Anti-parallelo 20armonica teorica 10Attenuazione 5, 26Avviamento motore 8azionamenti a velocità variabile8azionamento 12

BBus comune in c.c. 19

CCalcolo 5, 9, 10, 11, 12, 15, 16,23Calcolo della distorsione 5, 6Carico del convertitore 6Carico non-lineare 6, 8, 15, 16cavo di alimentazione 9, 18Coefficiente di correzione 10Compatibilità elettromagnetica(EMC) 22Componenti delle armoniche7, 19, 22, 24, 25, 28Computer 8Condensatore in c.c. 18Convertitore 6, 9, 10, 12, 18, 20,21Corrente in c.c. 18corrente rettangolare 7Correnti armoniche 6, 7, 9, 10,11, 12, 13, 15, 20, 21, 22, 23, 26,27Correnti di linea 6, 18, 21Costo di produzione 26, 27

DDisplay elettronico 8Dispositivo elettronico 8Distorsione armonica 6, 8, 9,10, 11, 12, 14, 15, 16, 19, 23, 25,28Distorsione armonica parziale12

Distorsione armonica totale10, 12, 14, 15, 22, 23, 28distorsione della domandatotale 15distorsione totale di corrente11distorsione totale di tensione11distribuzione di potenza 6EEffetto 5, 6, 8, 17, 18, 21, 22Effetto di commutazione 10ente erogatore 14

Ffattore di potenza 16, 20, 29Fattore di potenza disfasamento 20, 29Fenomeni delle armoniche 6, 7Filtri 17, 18, 21, 24Filtri esterni 17Filtro attivo 5, 24, 25Filtro passa-basso 18Filtro passivo 24, 25Filtro passivo a bracci multipli5, 24, 25filtro passivo tarato a bracciosingolo 24Frequenza 9, 12, 13, 14, 19, 24,28, 29Frequenza fondamentale 7, 28,29

Ggruppi di continuità 8

IIlluminazione elettronica 8impedenza di corto circuito 9impedenza di sorgente 4, 9incremento di tensione 21Indicatore di misura 8Induttanza 17, 18, 22, 23Induttanza in c.a. 21Induttore 5, 18, 21, 22, 23, 24,26Installazione 9, 12, 14, 15, 19,24, 25


Indice analitico

Installazione dell'utente 14Installazione industriale 12Interruttore 8Interruzione di commutazione20

LLimite delle armoniche 12, 13,14, 15, 16Limite di compatibilità 12, 13

MMarcatura CE 12modifica strutturale 17, 18, 19,20, 21, 22, 23modo raddrizzamento 20modo rigenerazione 20

NNomogramma della distorsione23norma 12, 13, 14, 15, 18, 20, 29Norma prodotto EMC 12

PPonte IGBT 20, 21porta di potenza 12Potenza apparente 28Potenza attiva 14, 28potenza di corto circuito 9, 14,16, 17, 28potenza reattiva 21, 28Prove di laboratorio 23punto di accoppiamentocomune 15, 29PWHD 14, 28

QQuinta armonica 7

Rraddrizzatore 5, 6, 7, 10, 17,18, 19, 20, 26, 27Raddrizzatore a 12 impulsi 10,18, 19, 20Raddrizzatore a 24 impulsi 18,19

Raddrizzatore a 6 impulsi 7,10, 18, 19, 20Raddrizzatore a commutazionedi fase 20Raddrizzatore trifase a 6 impulsi7rapporto di corto circuito 22,28Riduzione delle armoniche 17,24, 25

Ssistemi di saldatura 8sorgente 6, 8, 9, 21Spazio Economico Europeo 12Surriscaldamento 8

TTDD 15tensione 6, 9, 10, 11, 12, 13,14, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23Tensione armonica 10, 23, 28tensione di alimentazione 6, 21,29tiristore 17, 19, 20trasformatore a dueavvolgimenti 19trasformatore a tre avvolgimenti19trasformatore di alimentazione9, 18Trasformatore di rete 6

VValutazione delle armoniche16


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Guida alle armoniche negli azionamenti in c.a.

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