Correzione del Fattore di Potenza
e Armoniche
(soluzioni passive con componenti induttivi)
V02/08
Tipi di fattori di potenza
Ci sono due tipi di fattori di potenza:
-
-
Displacement Power Factor (fattore di potenza dovuto allo sfasamento) che è dovuto all’induttanza
di un carico elettrico che fa in modo che la corrente assorbita sia in ritardo rispetto alla tensione
applicata
Harmonic Power Factor (fattore di potenza dovuto alle armoniche) che è causato da commutazioni
non lineari della tensione applicata come nel caso di rettificatori o semiconduttori di potenza
Il vero fattore di potenza è una combinazione di entrambi.
La potenza apparente (kVA) fornita a un carico elettrico è sempre molto
maggiore della potenza che viene utilizzata (kW). Per questo motivo
una apparecchiatura elettrica deve essere dimensionata per i kVA.
Essendo la corrente molto maggiore della corrente di targa del carico, i
cavi di alimentazione, i dispositivi di protezione e i trasformatori devono
essere sovradimensionati di conseguenza.
Definizione di distorsione armonica
La distorsione armonica creata da un carico viene ottenuta misurando la corrente a ogni frequenza armonica
(multipla della frequenza della rete di alimentazione che normalmente è 50 Hz o 60 Hz per la rete di
alimentazione pubblica). Per ogni armonica viene poi calcolato il rapporto fra la corrente armonica e la
corrente totale.
La distorsione armonica totale (THD = Total Harmonic Distortion) è il rapporto tra il valore quadratico
medio delle armoniche (in questo contesto correnti armoniche In di ordine n) e il valore quadratico medio
della fondamentale.
La distorsione armonica parziale ponderata (PWHD = Partial Weighted Harmonic Distortion) è il rapporto
tra il valore quadratico medio di un gruppo di armoniche selezionato di ordine elevato (qui partendo dalla
quattordicesima armonica) e il valore quadratico medio della fondamentale.
Nota: la distorsione armonica parziale ponderata viene utilizzata per assicurare che gli effetti delle correnti
armoniche di ordine superiore sui risultati siano sufficientemente ridotti e che non sia necessario specificare
limiti individuali.
La distorsione armonica in tensione (THDV) è causata principalmente da alti livelli di distorsione armonica
in corrente (THDI) e il livello THDV dipende fortemente dall’impedenza del generatore. Impedenza del
generatore più elevata significa un livello THDV più alto.
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Problemi associati alle armoniche
1) Distorsione della tensione di rete
La forma d’onda della corrente fondamentale è
rappresentata in colore nero e le forme d’onda della
terza e della quinta armonica sono rappresentate
rispettivamente in colore rosso e blu.
La forma d’onda risultante della corrente, in colore
verde, è distorta e può avere qualunque aspetto a
seconda delle frequenze e delle ampiezze delle
armoniche predominanti.
2) Perdite di energia elettrica
In ogni carico induttivo la componente reattiva
dell’impedenza ha come azione quella di impedire
alla corrente di scorrere e così l’effetto risultante è
che la forma d’onda della corrente è in ritardo
rispetto alla forma d’onda della tensione. Di
conseguenza, essendo P = V x I ed essendo in
alcuni intervalli di tempo questi valori di segno
negativo, una quota di potenza viene fatta tornare
verso la rete. Maggior potenza viene quindi richiesta
in aggiunta alla potenza utile. La potenza restituita
genera perdite nei circuiti e nei componenti e così
parte della potenza viene sprecata. Esiste un fattore
di potenza associato ad ogni armonica.
3) Aumento della potenza apparente e sovradimensionamento delle sorgenti di alimentazione
Come spiegato al punto (2) la potenza apparente aumenta e così aumenta anche la corrente fornita. Per
questo motivo in presenza di armoniche i conduttori e i componenti devono essere dimensionati per correnti
molto più elevate di quelle che dovrebbero essere e ciò porta di conseguenza ad un aumento dei costi di
installazione. Un errato potenziamento dei cavi può portare a sovraccarichi di corrente, a ulteriori
riscaldamenti e in casi estremi persino a incendi.
4) Danni ai condensatori
La rete elettrica viene in genere considerata di tipo induttivo e la sua impedenza cresce all’aumentare della
frequenza. Viceversa l’impedenza dei condensatori diminuisce all’aumentare della frequenza e così le
correnti armoniche a frequenze più elevate con molta probabilità fluiscono attraverso i condensatori collegati
al circuito. Le correnti di valore aumentato generano tensioni più elevate sul dielettrico dei condensatori e ciò
può portare a sollecitazioni eccessive e a guasti prematuri.
5) Risonanza armonica
Poiché i condensatori lavorano in maniera opposta agli induttori – favoriscono infatti il flusso di corrente
anziché opporsi ad esso – essi vengono spesso utilizzati come una soluzione per la correzione del fattore di
potenza. La forma d’onda della corrente di un condensatore che si carica e si scarica è in anticipo rispetto
alla forma d’onda della tensione applicata. Quindi inserendo il corretto valore di capacità in un circuito che ha
un cattivo fattore di potenza a causa della reattanza induttiva, è possibile modificare il fattore di potenza in
modo tale che Cos Φ sia approssimativamente uguale a 0.95 (diventa progressivamente sempre più costoso
approssimarsi al valore 1 e ciò non sempre può essere giustificato – inoltre le aziende fornitrici di energia
elettrica non desiderano avere reattanza capacitiva collegata alla rete di distribuzione per vari motivi).
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La risonanza armonica è in genere
causata dalla risonanza parallela tra
i condensatori per la correzione del
fattore di potenza collegati al carico
e il trasformatore che alimenta quel
carico. Quando più sorgenti di
correnti armoniche iniettano correnti
nel circuito di alimentazione e la
frequenza di una di queste
armoniche coincide con la frequenza
di risonanza della combinazione del trasformatore di alimentazione e dei condensatori per la correzione del
fattore di potenza, il sistema entra in risonanza e viene provocata la circolazione di una corrente armonica di
valore elevato fra questi componenti. Il risultato di ciò è che una corrente di valore elevato scorre nel
trasformatore di alimentazione, col risultato di un elevato livello di distorsione armonica in tensione che può
causare malfunzionamenti delle apparecchiature, perdite nel trasformatore dovute a maggior riscaldamento,
interferenze con i sistemi di comunicazione, guasti prematuri dei motori e dei condensatori per la correzione
del fattore di potenza.
6) Sovraccarico del trasformatore e del conduttore neutro dovuto a correnti a fase nulla eccessive
La maggior parte dei carichi monofase come i personal computer e apparecchi simili che utilizzano
alimentatori switching e che sono connessi tra una fase e il neutro, generano correnti armoniche dispari
multiple di tre, come la 3a , la 9a e la 15a - dette tripleN o armoniche di terza - che hanno il ritorno attraverso il
conduttore neutro. Queste armoniche di terza non si annullano l’un l’altra ma anzi si sommano tra loro.
Questo è il motivo per il quale la maggior parte delle sale computer per servizi di Information Technology (IT)
e degli insediamenti quali i Computer Integrated Building (CIB) richiedono che la sezione del conduttore
neutro sia maggiorata (double-rated).
7) Perdite nei conduttori (effetto pelle)
La resistenza di un conduttore cresce all’aumentare della
frequenza a causa di un fenomeno noto come effetto pelle.
Tale fenomeno fa si che la corrente si concentri nella sezione
più esterna del conduttore e così la sezione non ha più
densità di corrente uniforme. La profondità di pelle è la
profondità al di sotto della superficie di un conduttore alla
quale la densità di corrente è ridotta al valore 1/e del valore
che ha in superficie (approssimativamente 1/3).
Nel caso del rame, ad esempio, a 150 Hz (3a armonica) la
profondità di pelle è 9 mm mentre a 1.050 Hz (21a armonica)
è solamente 2 mm. Per questo motivo in presenza di
armoniche i conduttori perdono efficienza e generano calore.
8) Sequenze di rotazione negative nei motori
Lo statore fisso posto nella parte esterna di un motore asincrono ha avvolgimenti che vengono alimentati
con corrente alternata al fine di generare un campo magnetico rotante che viene inseguito dal rotore. Alcune
armoniche, in particolare la 5a, l’11a e la 17a creano una sequenza negativa che si oppone alla rotazione del
campo. Ciò può generare perdite elevate all’interno del motore con possibili surriscaldamenti che conducono
a guasti prematuri.
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9) Surriscaldamento dei trasformatori
Gli avvolgimenti dei trasformatori subiscono un aumentato auto riscaldamento I2R (perdite nel rame) dovuto
sia alla presenza delle correnti armoniche circolanti sia all’aumentato valore di resistenza alle frequenze più
elevate dovuto all’effetto pelle. Inoltre i valori delle correnti armoniche nei conduttori neutri dei trasformatori
risentono del fenomeno di accumulo delle armoniche (in particolare le armoniche di terza o TripleN) e tali
valori possono raggiungere 2,1 volte i valori delle correnti di fase.
Un effetto simile all’effetto pelle nei conduttori, fa aumentare le perdite per correnti parassite nei nuclei di
ferro-silicio dei trasformatori di alimentazione quando la frequenza aumenta, causando un aumento delle
perdite per correnti parassite per un dato trasferimento di potenza che ci si sarebbe aspettato dal valore
quadratico medio (true RMS) delle correnti.
Speciali trasformatori - detti “trasformatori a fattore K” - vengono utilizzati nelle applicazioni dove sia nota
l’esistenza di correnti armoniche.
10) Falsi interventi
Forme d’onda distorte dalle armoniche possono provocare interventi di protezione contro i surriscaldamenti,
di fusibili, interruttori automatici e altri dispositivi di protezione di sovracorrente e ciò accade nonostante essi
siano correttamente calcolati per il valore del carico, assumendo però una forma d’onda per la tensione di
alimentazione puramente sinusoidale. Per questo motivo devono essere inseriti dispositivi di protezione
sovradimensionati, che sono più costosi e cosa più importante ancora, possono non essere in grado di
prevenire un danno alle apparecchiature che si suppone siano protette o possono non prevenire un rischio di
incendio.
11) Rumore al passaggio per lo zero
Molti sistemi di controllo e molti circuiti di generazione dei tempi si basano sul passaggio per lo zero della
sinusoide di rete per il sincronismo e la temporizzazione, così ad esempio le unità di comando e controllo
con controllo a parzializzazione di fase, i regolatori di tensione automatici e i raddrizzatori trifase per motori
DC. Alcune combinazioni di armoniche possono fare in modo che si presentino più passaggi per lo zero
all’interno del ciclo e possono disturbare fortemente il funzionamento di apparecchiature elettriche che
richiedono temporizzazioni legate alla frequenza fondamentale.
12) Malfunzionamento dei gruppi elettrogeni di emergenza
Le armoniche possono causare problemi imprevisti quando si passa dalla rete ai gruppi elettrogeni di
emergenza come ad esempio nel caso degli ospedali.
Fonti di armoniche
Qualunque carico non lineare che include commutazioni genera armoniche sulla rete di distribuzione e la
forma d’onda associata a un carico può essere analizzata e scomposta per fornire lo spettro delle
armoniche. Gli esempi che seguono sono solo alcuni casi di apparecchi e sistemi che generano armoniche:
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Gruppi statici di continuità (UPS)
Motori, ventilatori e pompe
Server (in particolare i blade-server che hanno un fattore di potenza rilevante)
Personal computer, monitor, stampanti e fotocopiatrici
Lampade fluorescenti, lampade a risparmio energetico
Illuminazione a bassa tensione con trasformatori elettronici
Ascensori e scale mobili
Azionamenti a velocità variabile e alimentatori switching
Raddrizzatori, convertitori di potenza e unità di comando e controllo a tiristori
Refrigeratori industriali (chiller), compressori, freezer e forni a microonde
Apparecchi per la climatizzazione, il riscaldamento e la ventilazione (HVAC)
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Soluzioni passive
Ci sono più soluzioni disponibili per limitare e attenuare le armoniche. Le tecniche seguenti utilizzano
componenti passivi che vengono selezionati per attenuare particolari armoniche piuttosto che per attenuare
l’intero spettro e questo è in generale un approccio più conveniente dal punto di vista economico.
1) Utilizzo di trasformatori a fattore K, cavi
sovradimensionati e dispositivi di protezione di
maggior grandezza per gestire correnti di valore
più elevato: le armoniche non vengono rimosse,
molto costoso.
2) Reattanza induttiva di linea: progettata per
ridurre tutte le armoniche (THD).
3) Filtro accordato: attenua le armoniche alla
frequenza di accordo, efficace se alcune
armoniche
hanno
valore
particolarmente
elevato.
4) Trasformatori con collegamenti diversi: limitano
le armoniche TripleN, cioè le armoniche dispari
multiple di tre (3a, 9a, etc.).
5) Trasformatori con avvolgimenti secondari
stella/triangolo utilizzati con raddrizzatori a sei
impulsi: attenuano la 5a e la 7a armonica (dodici
impulsi attenua 11a e 13a), la distorsione
armonica totale (THD) viene ridotta al 12%-13%.
6) Configurazione trasformatori alternativa per un
raddrizzatore a sei impulsi: attenua la 5a e la 7a
armonica.
7) Filtro accordato (es. filtro REO di assorbimento
armoniche CNW 897) in combinazione con un
trasformatore stella/triangolo e un raddrizzatore
a sei impulsi: può ridurre la distorsione armonica
totale (THD) al di sotto del 5%.
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Limiti di emissione
Nella Comunità Europea esistono ora due norme per i limiti di emissione, che sono richiamate dalla direttiva
EMC 2004/108/EC:
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EN 61000-3-4 che è per apparecchiature con corrente di ingresso fino a 16 A per fase
EN 61000-3-12 che è per apparecchiature con corrente di ingresso maggiore di 16 A
per fase e fino a 75 A per fase (entrata in vigore il 1° Febbraio 2008).
In queste norme sono prescritti i limiti di emissione che si applicano ai sistemi che vengono allacciati alla rete
di alimentazione 230/400V, 50Hz. Le due tabelle che seguono sono estratte dalla norma EN 61000-3-12.
Negli Stati Uniti d’America la norma di riferimento è la IEEE519 – riferita più al punto di connessione o punto
di accoppiamento comune (PCC = point of common coupling) – punto nella rete pubblica il più vicino
all’utilizzatore in oggetto e al quale punto gli altri utilizzatori sono o possono essere collegati.
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Train Technologies Nieke Division
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