Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti

Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (seconda parte)
Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali
(seconda parte)
Pubblicato il: 23/09/2006
Aggiornato al: 23/09/2006
di Gianfranco Ceresini
1. Effetti (negativi) delle armoniche sugli impianti
•
Sovraccarico del neutro. Come è noto, in un sistema trifase a stella a 4 fili, nel conduttore di neutro
non dovrebbe scorrere corrente poiché le tre correnti di fase, essendo sfasate di 120° tra di loro, si
elidono. Una minima corrente in realtà vi scorre ugualmente a causa del fatto che i carichi non sono
mai completamente equilibrati. Quanto descritto avviene però in assenza di armoniche, ma se le
armoniche esistono, la situazione è completamente diversa: alcune armoniche, quelle chiamate
omopolari (armoniche di ordine dispari multiple di tre, cioè la 3a, la 9a, la 15a, la 21a, la 27a, etc.)
invece di annullarsi si sommano nel conduttore di neutro perché non sono sfasate di 120°, ma sono
fra di loro in fase (figura 15). Il risultato è che nel neutro potrebbero esserci correnti addirittura
superiori a quelle presenti sulle fasi e che non vengono nemmeno interrotte vista l’assenza di
dispositivi di protezione sul neutro.
Figura 15 – Andamento della terza armonica in un sistema trifase a stella con neutro
(analogo andamento lo si ha anche per tutte le armoniche omopolari, 9^, 15^, 21^, etc.)
Questo comporta degli ovvi problemi di surriscaldamento del conduttore di neutro, che spesso inoltre
è sottodimensionato rispetto ai conduttori di fase. Inoltre, le correnti eccessive sul neutro
potrebbero causare eccessive cadute di tensione su di esso e portare a tensioni elevate tra
neutro e terra nei sistemi a 230 V (in condizioni normali, tra neutro e terra vi sono pochi volt).
Ovviamente nei sistemi trifase privi di conduttore di neutro non possono circolare armoniche di
corrente omopolari e le armoniche presenti sono altre dispari (5a, 7a, 11a, 13a, etc.). Un’altra
considerazione interessante che origina dalla osservazione delle armoniche omopolari (figura 15) è
che, non essendoci differenza né di modulo né di sfasamento tra le fasi rossa, gialla e blu, non
circolerà nessuna corrente (di terza armonica e più in genere omopolare) in un’impedenza collegata
fra due qualsiasi delle tre fasi. Sulla problematica del dimensionamento del neutro torneremo
approfonditamente più avanti.
•
Aumento delle perdite nei trasformatori. Le armoniche provocano un aumento delle perdite nel
ferro (aumentano col quadrato dell’ordine armonico) e delle perdite nel rame (a causa
dell’incremento dell’”effetto pelle”). Entrambi questi effetti aumentano il riscaldamento del
trasformatore, tanto da doverli spesso declassare quando alimentano carichi armonici. Esistono
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Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a
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Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono
possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
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degli algoritmi per calcolare il fattore di declassamento di un trasformatore che alimenta carichi
armonici (in genere potrebbe essere intorno al 70% della potenza nominale). I trasformatori, però
possono anche rivelarsi utili nella lotta alle armoniche, in particolare quelle omopolari; queste ultime,
come già sappiamo, sono in fase e quindi in presenza di un avvolgimento trifase a triangolo, le
relative correnti armoniche circolano negli avvolgimenti, rimanendovi per così dire, intrappolate. Un
trasformatore con uno dei due avvolgimenti collegati a triangolo, può fare quindi da sbarramento per
le armoniche omopolari, anche se bisogna sottolineare che tutte le altre passano ugualmente.
•
Aumento delle perdite nei motori. Il campo magnetico rotante che viene creato attraverso gli
avvolgimenti di statore in un motore asincrono trifase è legato alla frequenza di alimentazione. E’
allora evidente che, se il motore venisse alimentato con una tensione distorta, contenente
componenti armoniche, si verrebbero a creare non un solo campo magnetico rotante, ma tanti campi
magnetici quanti sono le armoniche, ed ognuno di loro tenderebbe a far ruotare il motore ad una
velocità differente. Tutto ciò porterebbe ad un aumento significativo delle perdite e quindi ad un
tracollo del rendimento.
•
Intervento intempestivo dei dispositivi di protezione. Possono nascere problemi sia per gli
interruttori magnetotermici che per i differenziali. Se il dimensionamento delle protezioni
magnetotermiche viene effettuato in base a calcoli e valutazioni che non prendono in considerazione
le armoniche, può accadere di avere sulle linee correnti molto più elevate di quelle ipotizzate, con
conseguente scatto da parte degli interruttori; inoltre se si utilizzano protezioni di tipo elettronico,
sensibili al picco della corrente, potrebbero scattare prematuramente con una bassa corrente,
essendo
il
picco
della
corrente
armonica
maggiore
del
normale.
Gli interruttori differenziali, invece, potrebbero non sommare correttamente le componenti armoniche
delle correnti e quindi scattare in modo imprevedibile. Oltretutto va ricordato che i carichi
distorcenti hanno un filtro di ingresso (in genere normativamente obbligatorio, come ad
esempio per i PC) che scarica verso terra una piccola corrente (in genere sugli 1,5 mA e
comunque non superiore a 3,5 mA): questa da sola ovviamente non è sufficiente a far scattare il
differenziale, ma un certo numero di questi carichi collegati alla stessa linea (protetta da un unico
differenziale) potrebbe provocare una corrente verso terra superiore alla corrente differenziale di
intervento. E’ per questo motivo che negli uffici, ad esempio, viene caldamente raccomandato di non
collegare ad una linea protetta dallo stesso interruttore differenziale più di dieci computer (un calcolo
semplificato dall’ipotesi di correnti tutte in fase tra di loro ci dà 1,5 x 10 = 15 mA).
•
Surriscaldamento dei conduttori e degli elementi di connessione. Oltre al problema del neutro, già
affrontato, possono presentarsi incognite riguardo all’incremento dell’effetto pelle con la presenza
delle armoniche. L’effetto pelle è quel fenomeno di addensamento della corrente alternata
sulla superficie esterna di un conduttore, dovuto al fatto che il flusso magnetico e di
conseguenza l’impedenza (la parte induttiva) è maggiore al centro del conduttore. Questo
fenomeno è trascurabile a frequenza industriale (50 Hz), ma può diventare significativo a partire
dalla settima armonica (350 Hz) in quanto la reattanza induttiva che concorre a formare l’impedenza
del conduttore, aumenta considerevolmente (XL = 2 π f L, aumenta proporzionalmente alla
frequenza). In presenza di armoniche, quindi l’effetto pelle aumenta riscaldamento e perdite nei
conduttori, nei capicorda, nelle sbarre, nei morsetti, etc. La diminuzione dell’effetto pelle si ottiene
utilizzando conduttori composti da tanti cavi isolati fra di loro in modo da aumentare, a parità di
dimensioni del conduttore, la superficie di addensamento della corrente.
•
Problemi sugli impianti di rifasamento. Al contrario di ciò che accade per le reattanze induttive, le
reattanze capacitive si riducono con l’aumentare della frequenza (XC = 1 / 2 π f C). Accade così che
i condensatori di un impianto di rifasamento presentino una impedenza minore di fronte alle
correnti armoniche (di frequenza più elevata di quella industriale, per la quale sono normalmente
progettate le batterie di rifasamento), le quali riescono in questo modo ad attraversarli facilmente,
determinando correnti complessive spesso troppo elevate per i condensatori che possono a lungo
andare danneggiarsi (figura 16).
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Figura 16 – Correnti armoniche assorbite dai condensatori di rifasamento
Inoltre, essendo presenti condensatori (rifasamento) ed induttanze (impedenze di linea) nasce il
pericolo di incappare in fenomeni di risonanza serie o parallelo (XL = XC). Il primo si manifesta come
un percorso a bassissima impedenza (ad una o più frequenze armoniche) per le armoniche di
corrente, le quali tendono a far circolare correnti elevatissime nei condensatori con conseguente
distruzione. Il secondo si manifesta, all’opposto, con una impedenza elevatissima (ad una o più
frequenze armoniche) ai capi dei condensatori di rifasamento: ciò determina pesanti distorsioni di
tensione anche con piccole correnti armoniche.
•
Risonanza meccanica dei quadri elettrici. I quadri e i relativi sistemi di montaggio delle sbarre,
possono entrare in risonanza meccanica con i campi magnetici generati da correnti armoniche e
provocare così un ronzio alle frequenze armoniche.
•
Distorsione della tensione di alimentazione per i carichi lineari. Come già abbiamo analizzato, le
armoniche di corrente generate da un carico non lineare, finiscono per produrre anche armoniche di
tensione nell’impianto, a causa della caduta di tensione sull’impedenza di linea. Se alcuni carichi
lineari condividono la stessa alimentazione dei carichi non lineari, i primi si vedono arrivare una
tensione distorta e non possono fare altro che assorbire una analoga corrente distorta, quindi affetta
da armoniche (vedi figura 17).
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Figura 17 – Carico lineare che assorbe corrente distorta per colpa del carico non lineare (Lpqi)
La situazione è ancora peggiore, nel momento in cui, a causa di una anomalia di impianto,
intervengono un gruppo di continuità o un gruppo elettrogeno: avendo queste apparecchiature delle
impedenze interne più elevate rispetto all’alimentazione di rete, le cadute di tensione armoniche
aumentano e con loro la distorsione ai carichi. La soluzione alla problematica consiste nel separare i
circuiti che alimentano i carichi distorcenti che generano armoniche, da quelli che alimentano
carichi non distorcenti. In figura 18 i circuiti, separati dal punto di consegna, alimentano i carichi
lineari e non lineari in modo che la distorsione della tensione causata dal carico non lineare non
coinvolga il carico lineare.
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Figura 18 – Separazione dei carichi lineari e non lineari per non “inquinare” i primi (Lpqi)
•
Funzionamento non corretto dei dispositivi che utilizzano diodi controllati. Molti convertitori elettronici
utilizzano diodi controllati come SCR e TRIAC che si “spengono” quando la forma d’onda della
corrente alternata passa per lo zero. Ma se sono presenti armoniche sull’alimentazione, il
passaggio per lo zero diventa multiplo e il malfunzionamento è praticamente assicurato.
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2. Come, quando e perché effettuare un’analisi armonica dell’impianto
Per scovare la presenza di armoniche in un impianto, bisogna essere attenti ad una serie di indizi. Vediamo
come svolgere una indagine armonica, ponendo una serie di quesiti alle quali rispondere anche con misure
strumentali. Se le risposte positive sono almeno il 70% possiamo concludere con ragionevole certezza di
essere di fronte ad un impianto affetto da armoniche.
•
L’impianto ha un numero elevato di carichi del tipo elencato nel capitolo 3 ?
•
I trasformatori sono eccessivamente caldi e rumorosi ?
•
I motori asincroni trifase si scaldano eccessivamente e si guastano spesso ?
•
Il fattore di potenza, cosφ, dell’impianto è molto basso ?
•
I condensatori di filtro all’uscita dell’UPS si guastano molto spesso ?
•
La corrente sul neutro nel quadro principale ha un valore molto più elevato di quello previsto dal
normale squilibrio tra le correnti di fase ?
•
La frequenza della corrente sul neutro nel quadro principale è intorno ai 150 Hz ?
•
I conduttori di neutro dei sottoquadri sono molto caldi ed hanno correnti superiori alla portata dei cavi
?
•
La tensione fra neutro e terra sulle prese a spina è superiore ai 5-10 V ?
•
Le misure di corrente su carichi sospetti, effettuate una con uno strumento a vero valore efficace ed
una con uno strumento a valor medio, forniscono valori significativamente differenti ?
Gli strumenti maggiormente utili per effettuare l’analisi, oltre alla strumentazione di base, sono un
analizzatore di rete e un termometro od una termocamera ad infrarossi.
L’analisi va effettuata preferibilmente con frequenza periodica, oppure quando si ha il sospetto che
l’aggiunta di nuovi carichi o lo spostamento di alcuni carichi già esistenti abbia creato il problema.
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3. Come risolvere o ridurre il problema delle armoniche
Per cercare di eliminare l’inquinamento armonico da un impianto, si possono mettere in atto diverse
tecniche. La più semplice di queste sembrerebbe quella di utilizzare poco i dispositivi non lineari, ma non è
una strada praticamente percorribile. Ecco che allora si battono altre vie come le seguenti:
•
Utilizzo di filtri passivi. Si collegano, generalmente in parallelo ai carichi, dei filtri L-C (figura 19)
che costituiscono un percorso preferenziale a bassa impedenza per le correnti alle frequenze
armoniche. In questo modo le correnti di terza, quinta, settima, etc. armonica generate dal carico
non lineare, invece di propagarsi verso la rete di alimentazione, vengono assorbite dal filtro
impedendo perlomeno la produzione di armoniche di tensione.
Figura 19 – Riduzione della distorsione armonica attraverso l’uso di filtri passivi
I filtri passivi possono essere progettati per eliminare una ben determinata armonica (ed allora
avranno un percorso a bassissima impedenza alla frequenza di 150 Hz se si tratta ad esempio di
eliminare la terza armonica come nel caso di figura 20), o per eliminare un’intera gamma di
armoniche (filtri a banda larga che coprono più frequenze armoniche). E’ ovvio che i filtri passivi
funzionano solo per le frequenze per le quali sono stati costruiti e non permettono un alto grado di
flessibilità nel momento in cui cambiano le condizioni di carico.
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Figura 20 – Efficacia di un filtro omopolare su impianti di illuminazione con lampade a scarica (ICAR)
•
Filtri attivi. Per migliorare l’adattabilità dei filtri ai frequenti cambiamenti del contenuto armonico dei
carichi non lineari, vengono utilizzati spesso dei filtri attivi i quali analizzano, tramite un TA, la
corrente armonica assorbita dai carichi e ne generano una copia esatta. Il risultato è che la rete di
alimentazione a monte del filtro rimane pulita e perfettamente sinusoidale perché a rifornire i carichi
delle componenti armoniche ci pensa il filtro attivo, anche se rimane comunque inquinata la parte di
impianto a valle del filtro (figura 21). Un filtro attivo si adatta velocemente ai cambiamenti armonici
del carico ed anche alle esigenze di eliminazione di una particolare armonica piuttosto che un’altra e
per questo sicuramente è una risposta più raffinata e maggiormente flessibile al problema delle
armoniche. Nelle figure 22 e 23 si vede come un filtro attivo a banda larga agisca nell’eliminazione
delle armoniche prodotte da un azionamento a velocità variabile.
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Figura 21 – Riduzione della distorsione armonica attraverso l’uso di filtri attivi
Figura 22 – Spettro armonico di un inverter privo di filtri (Lpqi)
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Figura 23 – Spettro armonico dello stesso inverter in presenza di filtri attivi.
Il tasso di distorsione armonico totale di corrente si è ridotto dal 124% al 13,4% (Lpqi)
•
Trasformatori di isolamento. Utilizzando per la distribuzione un trasformatore stella-triangolo (o
stella-zig/zag) si ha che nella maglia chiusa del triangolo le componenti fondamentali a 50 Hz
essendo sfasate tra di loro di 120° danno luogo ad una risultante nulla, mentre le componenti
armoniche del terzo ordine a 150 Hz, essendo tra di loro in fase, impongono la circolazione di una
corrente anch’essa a 150 Hz. Ne consegue che la terza armonica e le altre armoniche omopolari
(dispari multiple di tre) non escono dal trasformatore e non sono presenti nell’impianto
utilizzatore. Se il trasformatore avesse invece il collegamento triangolo-stella, è vero che la terza
armonica di tensione viene cortocircuitata nel primario, ma la corrente di terza armonica nel neutro
del secondario, provoca per induzione una corrente di richiamo nel primario che aumenta
considerevolmente le perdite, il surriscaldamento e la percentuale di guasto del trasformatore (figura
24).
Figura 24 – Trasformatore triangolo-stella (Fluke)
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4. L’importanza della lettura del vero valore efficace
Le forme d’onda alternate sinusoidali vengono caratterizzate in ampiezza dal loro valore efficace e non dal
loro valore massimo. Ad esempio, quando si eseguono dei dimensionamenti, dei calcoli o delle misure, la
tensione monofase a 230 V rappresenta il valore efficace della forma d’onda e non il suo valore di picco (che
vale 230 x 1,41 = 325 V). Il motivo di questa scelta risiede nella necessità di confrontare il dispendio
energetico sotto forma di calore dei circuiti in alternata con quelli in continua. Infatti, il valore efficace
di una corrente alternata è quello che si dovrebbe assegnare ad una corrente continua per ottenere la stessa
dissipazione termica all’interno di una resistenza.
Durante le operazioni di misura di correnti potenzialmente distorte, è assolutamente necessario usare
strumenti che leggano il vero valore efficace (TRUE RMS) della forma d’onda; in caso contrario, usando
strumenti che leggono il valor medio, si potrebbero commettere errori che sfiorano anche il 50%: questo
tipo di strumenti misurano infatti il valore medio dell’onda e, partendo dall’ipotesi che sia una sinusoide
perfetta, la moltiplicano per 1,11 che è il fattore di forma di un’onda sinusoidale. Ma se l’onda è affetta da
armoniche e quindi non è sinusoidale, il fattore di forma si discosta dal valore 1,11 e di conseguenza la
misura risulta errata. La foto di figura 25 è a questo riguardo piuttosto chiara; tra la misura di sinistra (True
Rms) e quella di destra (valor medio) c’è una differenza superiore al 30%.
Le conseguenze di un tale errore sono facilmente intuibili, dimensionamenti sottostimati di cavi e condotti
sbarra, diagnosi sbagliate su scatti intempestivi di interruttori, analisi non corrette di anomalie dell’impianto,
etc. La correttezza di misura degli strumenti a vero valore efficace è condizionata però da due elementi:
devono avere una ampiezza di banda larga, cioè devono essere in grado di rilevare le armoniche fino ad
un ordine molto elevato (quaranta-cinquanta) e devono avere un fattore di cresta elevato (almeno
pari a 3). Il fattore di cresta è il rapporto fra il valore massimo ed il valore efficace della forma d’onda; per
un’onda sinusoidale vale 1,41 e quindi un multimetro che riesca a leggere correttamente onde con fattore di
cresta fino a 3 consente di misurare correttamente correnti anche foremente distorte. In figura 26 viene
rappresentato un confronto fra i due tipi di strumenti
Figura 25 – Confronto fra misure a vero valore efficace, a sinistra, e a valor medio, a destra (Lpqi)
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Figura 26 – Confronto fra i due tipi di multimetri in base alle forme d’onda incontrate (Lpqi)
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5. Dimensionamento del neutro
Abbiamo già parlato, nel capitolo 4, del problema che si viene a creare sul conduttore di neutro, nei sistemi
trifase a quattro fili, a causa della somma delle correnti armoniche omopolari ed in particolare delle terze
armoniche che sono le più elevate (figura 15).
In condizioni ideali, carico trifase lineare ed equilibrato, sul conduttore di neutro dovrebbe esserci assenza di
corrente perché le tre correnti di linea, sfasate di 120 gradi tra di loro, si sommano settorialmente
annullandosi (figura 27).
Figura 27 – Carico equilibrato e lineare: corrente nulla sul neutro (Lpqi)
In condizioni più realistiche, carico trifase lineare e non equilibrato, sul conduttore di neutro si trova una
corrente di squilibrio che comunque è decisamente inferiore (se lo squilibrio delle fasi non è esagerato)
rispetto alle correnti di fase (figura 28).
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Figura 28 – Carico non equilibrato e lineare: corrente minima sul neutro (Lpqi)
I guai veri arrivano quando si hanno carichi trifase non lineari, equilibrati o non (paradossalmente è peggio il
caso di carichi equilibrati in quanto le armoniche si sommano meglio), perché sul neutro si sommano le
armoniche omopolari, che risultano in fase tra loro, col risultato di avere una corrente decisamente maggiore
di quella delle fasi (fig. 29).
Figura 29 – Carico equilibrato e non lineare: corrente massima sul neutro (Lpqi)
Come porre rimedio ad una situazione simile ? Una prima soluzione potrebbe essere quella di
abbandonare la classica soluzione del neutro unico condiviso fra le tre linee, per adottare più conduttori di
neutro, uno per ogni linea, impedendo così la somma delle correnti su un unico cavo. Una seconda
soluzione (da praticare eventualmente anche in abbinamento alla prima), è quella di sovradimensionare il
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neutro, anziché sottodimensionarlo, rispetto alla sezione dei conduttori di fase, o comunque dimensionarlo in
relazione alla reale corrente che lo attraversa.
A proposito del dimensionamento del neutro in presenza di armoniche, ci viene in aiuto un passo della bibbia
elettrica, la norma CEI 64-8 che agli articoli 524.2 e 524.3 afferma:
•
L’eventuale conduttore di neutro deve avere almeno la stessa sezione dei conduttori di fase:
o nei circuiti monofase a due fili, qualunque sia la sezione dei conduttori;
o nei circuiti polifase (e nei circuiti monofase a tre fili) quando la dimensione dei conduttori di
fase sia inferiore od uguale a 16 mm2 se in rame od a 25 mm2 se in alluminio.
•
Nei circuiti polifase i cui conduttori di fase abbiano una sezione superiore a 16 mm2 se in rame od a
25 mm2 se in alluminio il conduttore di neutro può avere una sezione inferiore a quella dei conduttori
di fase se sono soddisfatte contemporaneamente le seguenti condizioni:
o la corrente massima, comprese le eventuali armoniche, che si prevede possa percorrere il
conduttore di neutro durante il servizio ordinario, non sia superiore alla corrente ammissibile
corrispondente alla sezione ridotta del conduttore di neutro;
o la sezione del conduttore di neutro sia almeno uguale a 16 mm2 se in rame od a 25 mm2 se
in alluminio.
Un commento a questo ultimo articolo recita così: “Quando gli apparecchi utilizzatori producano correnti
armoniche di forte valore, la sezione del conduttore di neutro non deve essere inferiore a quella dei
conduttori di fase, anche se le potenze degli apparecchi utilizzati sono ripartite in modo uniforme tra le
diverse fasi. Questo è vero in particolare quando gli apparecchi alimentati contengono lampade a scarica”.
Di fatto, però la norma, parlando genericamente di correnti armoniche di forte valore, non fornisce un
criterio di dimensionamento praticamente utilizzabile. Questo criterio esiste invece nell’allegato D della
norma internazionale IEC 60364-5-52 (dalla quale è presa la norma nazionale CEI 64-8, ma nella quale
questo allegato non è presente) e consiste nell’applicare dei coefficienti correttivi alla corrente assorbita da
un carico non lineare (un po’ in modo similare ai più conosciuti coefficienti k1 e k2 per temperature differenti
dai 30 °C e per cavi disposti in fascio o strato) che tengano conto del contenuto armonico sulle fasi (tabella
1).
Corrente di terza armonica
nella fase (%)
0-15
15-33
33-45
>45
Valore selezionato in base
alla corrente di fase
1,00
0,86
-
Valore selezionato in base
alla corrente di neutro
0,86
1,00
Tabella 1 – Fattori di riduzione della portata del neutro in presenza di armoniche
(IEC 60364-5-52 allegato D)
Questi fattori di riduzione sono ritenuti validi se sono soddisfatte le seguenti ipotesi semplificative:
• sistema trifase equilibrato;
• la sola armonica significativa sul neutro sia la terza (le altre omopolari siano trascurabili);
• il cavo sia costituito da quattro o cinque conduttori, con il neutro avente la stessa sezione e lo stesso
materiale dei conduttori di fase.
Come si nota dalla tabella, fino a che il contenuto armonico rimane limitato entro il 15%, non viene apportato
nessun correttivo. Se le armoniche del carico sono comprese tra il 15% ed il 33% deve essere applicato un
correttivo 0,86 alla corrente ipoteticamente assorbita:
• Esempio: corrente teoricamente assorbita dal carico 55 A » armoniche pari al 24% » corrente reale
su cui calcolare la portata del cavo di alimentazione 55/0,86 = 63,9 A.
Se il contenuto armonico supera il 33%, occorre, per il dimensionamento, fare addirittura riferimento alla
corrente sul neutro:
• Esempio: con un contenuto armonico del 40%, la corrente sul neutro risulta pari a 55 (corrente di
fase) x 0,4 (percentuale armonica) x 3 (somma delle terze armoniche) = 66 A » corrente reale su cui
calcolare la portata del cavo di alimentazione 66/0,86 = 76,7 A
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possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (seconda parte)
6. Dimensionamento del neutro
Uno dei tipici problemi provocati dalle armoniche è quello del sovraccarico causato sui condensatori.
Ricordiamo infatti che la reattanza dei condensatori si riduce con l’aumentare della frequenza, e che di
conseguenza si prestano ad essere facilmente attraversati dalle correnti armoniche. Il problema maggiore
si presenta però nel caso di risonanza parallelo tra la batteria di condensatori e l’impedenza di linea.
Ipotizzando di rifasare un carico non lineare e quindi generatore di armoniche, la situazione potrebbe essere
schematizzata, come in figura 30, come se il carico non lineare generasse una corrente armonica, assorbita
in parte dalla impedenza di rete ed in parte dai condensatori di rifasamento.
Figura 30 – Circuito equivalente che mostra la distribuzione delle correnti armoniche in un impianto rifasato
Alla particolare frequenza per la quale avviene che la reattanza induttiva della linea è uguale alla reattanza
capacitiva dei condensatori, si ottiene il fenomeno della risonanza parallelo, ovvero l’impedenza
complessiva ZT assume il minimo valore possibile (RL) e la corrente, sia nei condensatori che nella linea di
alimentazione, subisce un aumento notevole e pericoloso.
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7. Interarmoniche
Mentre le armoniche sono tensioni o correnti con una frequenza che è un multiplo intero della fondamentale
le interarmoniche sono tensioni o correnti con una frequenza che è un multiplo non intero della
fondamentale.
La conoscenza dei disturbi associati alle interarmoniche è ancora in fase di evoluzione, anche se c’è
moltissimo interesse su questo fenomeno in aumento a causa dello sviluppo dei convertitori di frequenza e
apparecchi di controllo similari.
In analogia con quanto avviene per le armoniche, l'ordine di un'interarmonica è dato dal rapporto fra la
frequenza interarmonica e la fondamentale. Se il valore ottenuto è inferiore all'unità, allora si parla di
subarmoniche. L'ordine delle interarmoniche è denotato dalla lettera “m”. Ci sono due meccanismi di base
per la generazione delle interarmoniche. Il primo è legato alla modulazione in ampiezza e/o fase della
frequenza della tensione di alimentazione. Il secondo meccanismo è la commutazione asincrona (cioè non
sincronizzata con la frequenza di alimentazione) dei dispositivi a semiconduttore nei convertitori statici. Gli
esempi tipici sono cicloconvertitori e convertitori a modulazione di larghezza di impulso (PWM).
Figura 31 – Spettro di un forno ad arco, nel quale si notano armoniche ed interarmoniche (Lpqi)
I carichi che possono provocare interarmoniche sono:
• Carichi basati sull’arco elettrico, quali saldatrici e forni ad arco
• Azionamenti elettrici
• Convertitori statici
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8. Caso pratico
Da un documento della Fluke, azienda leader nella produzione di strumenti di misura, prendiamo in prestito
un esempio di analisi e diagnosi di risoluzione per un problema di armoniche all’interno di un’azienda in cui
erano presenti molti carichi non lineari, precisamente dei computer.
Situazione
Un moderno complesso di uffici dedicato principalmente allo sviluppo di software informatico conteneva un
numero elevato di personal computer ed altre apparecchiature elettroniche per ufficio. Questi carichi
elettronici erano alimentati da un trasformatore a bassa tensione configurato con un primario a triangolo ed
un secondario a stella. I PC erano distribuiti abbastanza bene all'interno dell'edificio, ad eccezione di una
grande stanza che conteneva numerose macchine. I PC in questa stanza, utilizzati esclusivamente per il
collaudo, erano serviti da numerosi circuiti in derivazione.
II trasformatore ed il quadro degli interruttori erano situati in un locale elettrico al piano terreno. L’ispezione di
questo locale ha rivelato immediatamente due sintomi di correnti armoniche elevate:
• II trasformatore generava una quantità anomala di calore;
• II quadro principale emetteva un ronzio udibile. II suono non era la vibrazione normalmente
associata ad un interruttore difettoso, ma piuttosto un ronzio risonante profondo il quale indicava che
le parti meccaniche del quadro stesso stavano vibrando.
Condotti installati direttamente sopra il trasformatore permettevano di eliminare in parte l'eccesso di calore,
per mantenere la temperatura ambiente entro limiti ragionevoli.
Conduttore
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Neutro
Multimetro a vero valore
efficace (A)
410
445
435
548
Multimetro a valore
medio (A)
328
346
355
537
Corrente di picco
istantanea (A)
804
892
828
762
Tabella A – Correnti misurate sul secondario del trasformatore
Definizione del problema
Sono state eseguite misure di corrente (tabella A) sul neutro e su ogni fase del secondario del multimetro a
vero valore efficace, sia una strumento a valore medio. Ad ogni strumento è stato collegato un accessorio
trasformatore di corrente a pinza da 600 A per permettere la lettura di correnti elevate. II trasformatore di
corrente era terminato con un resistore da 1 ohm e collegato ad un oscilloscopio con memoria per catturare
le forme d'onda di corrente illustrate nelle figure A e B.
Figura A – Corrente di fase (Fluke)
La presenza di armoniche era ovvia prima ancora di utilizzare l’oscilloscopio. Come è indicato nella tabella
A, la corrente del neutro era sostanzialmente più elevata di qualsiasi corrente di fase, nonostante le correnti
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Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (seconda parte)
di fase fossero relativamente bene equilibrate. Lo strumento a valore medio ha eseguito coerentemente
letture inferiori del 20% su tutte le fasi. Le letture della corrente di neutro erano inferiori solo del 2%.
Figura B – Corrente di neutro (Fluke)
Le forme d'onda sull'oscilloscopio spiegano la discrepanza. Le correnti di fase erano brutalmente distorte da
grandi quantità di corrente di terza armonica, mentre la corrente di neutro era quasi un'onda sinusoidale pura
alla frequenza di terza armonica. Le letture delle correnti di fase elencate nella tabella A dimostrano
chiaramente perché è richiesta una capacità di misura a vero valore efficace per determinare la presenza
delle correnti armoniche.
La fase successiva consisteva nel calcolare il “fattore di riduzione per le armoniche” (HDF). I risultati
indicavano che, con il livello di armoniche presente, sarebbe stato necessario un derating, cioè un
declassamento, del trasformatore al 72,3% del suo valore nominale di 225 kVA, ossia a 162,7 kVA. II carico
effettivo è stato calcolato in 151,3 kVA. Nonostante questo valore fosse molto minore del valore nominale di
targa, il trasformatore funzionava in prossimità della sua capacità dopo il declassamento.
Successivamente, è stato esaminato anche un sottoquadro che alimentava i circuiti in derivazione per le
prese a 240 V. E' stata misurata e registrata la corrente in ogni neutro (tabella B).
Numero del conduttore neutro
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Corrente (A)
5
11,3
5
13,1
12,4
15 (*)
1,8
11,7
4,5
11,8
9,6
11,5
11,3
6,7
7
2,3
2,6
Tabella B – Correnti di neutro nei circuiti in derivazione del sottoquadro
Quando è stato identificato un conduttore marginale o sovraccarico, sono state misurate anche le correnti di
fase associate e la tensione fra neutro e massa sulla presa.
Quando una verifica del neutro nr. 6 ha rilevato 15 A in un conduttore avente una portata nominale di 16 A,
sono state misurate anche le correnti di fase dei circuiti (nr. 25, nr. 27 e nr. 29) che condividevano quel
neutro (tabella C). Si noti che ciascuna delle correnti di fase di questi tre circuiti in derivazione era
sostanzialmente minore di 15 A e che, inoltre, gli stessi conduttori di fase avevano significative cadute di
tensione fra neutro e massa.
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Numero del circuito
Corrente di fase (A)
25
27
29
7,8
9,7
13,5
Caduta di tensione fra neutro e
massa sulla presa (V)
3,75
4
8,05
Tabella C – Correnti di fase e tensione tra neutro e massa per il neutro n.6
Nei circuiti in derivazione che avevano una corrente di neutro elevata, la relazione fra le correnti di neutro e
di fase era simile a quella sul secondario del trasformatore. La corrente del neutro era più elevata di
qualsiasi corrente di fase associate. Il pericolo, in questo caso, è che i conduttori possano sovraccaricarsi e
non offrire i segni di avvertimento degli interruttori che sono scattati.
Raccomandazioni finali
1. Astenersi dall'aggiungere carichi addizionali al trasformatore delle prese, a meno che vengano
eseguiti passi per ridurre il livello di armoniche.
2. Aggiungere neutri addizionali ai circuiti in derivazione che sono fortemente carichi con una certa
regolarità.
3. Tenere sotto controllo le correnti di carico utilizzando apparecchiature di test in grado di misurare il
vero valore efficace.
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