condensatore di
fasamento negli
mpianti elettrici
ndustriali
ignificato del fattore di
otenza (cos)
emessa
rcuiti elettrici, per quanto concerne il rifasamento,
ossono dividere in tre gruppi:
rcuiti ohmici
rcuiti induttivi
rcuiti distorcenti
cuiti Ohmici (resistenze)
sorbono dalla rete quasi esclusivamente energia attiva
corrente attiva x tensione x tempo di funzionamento).
esta energia viene trasformata in calore
sistenze di riscaldamento).
corrente attiva assorbita è in fase con la tensione
s1) e quindi non è necessario il rifasamento.
cuiti Induttivi (motori)
sorbono dalla rete energia attiva (corrente attiva) e energia
ttiva (corrente reattiva)
empio tipico di circuito induttivo è il motore asincrono che
utta per il suo funzionamento il principio delle azioni
ttromagnetiche che si esercitano tra il campo magnetico
e correnti.
corrente attiva in fase con la tensione dà origine alla
enza attiva assorbita dalla rete
= U · I · cos).
esta potenza espressa in kw viene trasformata, dedotte
perdite, in potenza meccanica all’albero del motore.
corrente reattiva è sfasata in ritardo di 90° elettrici sulla
sione.
esta corrente, denominata magnetizzante, è necessaria
rodurre il campo magnetico e dà origine alla potenza
ttiva espressa in Kvar (Q= U · I · sen ).
corrente reattiva (energia reattiva) viene assorbita e
tituita alla rete due volte in un periodo e non costituisce
vero e proprio assorbimento ma tuttavia rappresenta un
ico supplementare sulla rete che determina maggiori
dite e obbliga i fornitori di energia elettrica a
radimensionare i generatori.
questo scambio alterno di energia reattiva che non
ne fatturata, la società erogatrice applica un sovrapprezzo
’energia attiva registrata dai contatori.
corrente risultante dalla sommatoria vettoriale tra corrente
va e la corrente reattiva magnetizzante, è sfasata in ritardo
a tensione di un angolo "" .
questa corrente risultante deriva la potenza apparente
pressa in KVA (Pa = U · I) che è superiore a quella
sformata in lavoro.
evitare il pagamento delle penalità è necessario rifasare
pianto e cioè compensare la corrente reattiva magnetizzante
n una corrente reattiva di segno opposto.
uesto scopo si impiegano i condensatori di rifasamento
e vengono collegati in parallelo al carico induttivo nelle
mediate vicinanze dello stesso.
particolarità dei condensatori è quella di assorbire una
rente reattiva capacitiva in anticipo di 90° elettrici sulla
sione che si contrappone alla corrente reattiva
gnetizzante in ritardo di 90° elettrici sulla tensione.
ondensatore si comporta come un generatore di corrente
ttiva che "scarica" le centrali e le linee elettriche dal
sporto di energia reattiva e così il flusso alterno di scambio
energia reattiva avviene tra il campo elettrico del
ndensatore e il campo magnetico del motore.
questo modo la rete di alimentazione deve convogliare
asi esclusivamente l’energia attiva.
enti erogatori di energia elettrica non impongono che tutta
ergia reattiva sia prodotta sul posto dai condensatori
e corrisponderebbe a cos = 1) ma richiedono che il cos
dio mensile sia uguale a 0,9; quest’ultimo si ottiene dalla
istrazione dei contatori di energia reattiva e di energia attiva.
osj istantaneo assume perciò un’importanza relativa nei
nfronti del rifasamento; questo significa che è accettabile
brevi intervalli di tempo un cos inferiore a 0,9 se
mpensato da intervalli con cos superiore a 0,9 ma 1.
ppresentazione Vettoriale della tensione U e delle correnti
Con rifasamento (triangolo
Senza rifasamento
retinato)
U=
Ia=
Im=
Tensione stellata o di fase
I · cos = Corrente attiva
I · sen = Corrente reattiva
magnetizzante
I=
Corrente risultante senza
rifasamento
Im1 I1 · sen 1 = Corrente reattiva
=
magnetizzante con
rifasamento (= Im – Ic)
Ic= Corrente del condensatore
I1= Corrente risultante con
rifasamento (I1< I)
= Angolo di sfasamento iniziale
(senza rifasamento)
1= Angolo di sfasamento finale
(con rifasamento)
Rappresentazione vettoriale delle Potenze
Con rifasamento (triangolo
Senza rifasamento
retinato)
Potenza reattiva capacitiva
Qc = del condensatore per rifasare
da cos a cos1
Q1 = Q – Qc = Potenza reattiva
magnetizzante con
rifasamento
Potenza apparente con
Pa1 rifasamento (Pa1 < Pa) =
=
= Potenza attiva in kw
= Potenza reattiva in Kvar
(magnetizzante)
= Potenza apparente in Kva
Qc = (P · tang ) - (P · tang 1) = P× (tang – tang 1)
Il cos rappresenta il rapporto esistente tra la potenza attiva
e la potenza apparente dell’impianto.
Cos = 0,9 significa che la Potenza attiva "P" rappresenta
il 90% della potenza "Pa" e che la Potenza reattiva assorbita
"Q1" è pari a 0,48 · P (inferiore al 50% della potenza attiva"P")
Esempio di calcolo di un rifasamento
Supponiamo che dalla lettura mensile dei contatori di energia risulti:
A tangj = 1,17 corrisponde un cos = 0,65 (vedere tabelle di
equivalenza)
La potenza reattiva capacitiva necessaria per rifasare a
cos 1 = 0,9 che corrisponde a tang 1 = 0,48 è data
dalla formula Qc = P × (tang - tang 1).
La potenza attiva "P" si ricava dalla formula:
dove 200h equivale a 20 giorni lavorativi di 10h ciascuno.
Si avrà perciò:
Qc = 500 · (1,17 – 0,48) = 500 · 0,69 = 354Kvar
Questo esempio teorico vale per carichi costanti durante il
periodo considerato (1 mese).
Un calcolo più preciso del cos medio si ottiene dalla
lettura dei due contatori di energia reattiva e attiva
effettuato in un intervallo di 1 ora con inserito il massimo
carico induttivo.
Agli stessi risultati di calcolo si può giungere considerando
altri parametri, per es. attraverso formule che interessano
la potenza apparente "Pa" oppure attraverso tabelle o grafici
che semplificano la procedura di calcolo.
Circuiti distorcenti
Sono costituiti prevalentemente da convertitori statici per
azionamento motori in corrente continua (AC – DC) e in
corrente alternata (regolatori di velocità a frequenza variabile)
– gruppi di continuità (UPS) ecc.
Questi carichi non assorbono correnti sinusoidali ma distorte
e questo è dovuto alla loro retroazione sulla rete di
alimentazione; si comportano come dei veri e propri generatori
di correnti armoniche, normalmente sono presenti la 5°
armonica pari a 250 Hz, la 7° armonica pari a 350Hz e
la 11° armonica pari a 550Hz di ampiezza e fase differenti.
Dette armoniche si sovrappongono alla fondamentale deformando
sia l’onda di corrente che l’onda di tensione.
In presenza di armoniche, la capacità "C" del condensatore e
l’induttanza "L" del complesso trasformatore–linea può dar luogo
a fenomeni di risonanza parallelo con conseguenti sovratensioni
e sovracorrenti che danneggiano sia l’impianto che i condensatori.
Per ovviare a questo inconveniente si adottano due provvedimenti:
1 – Rifasamento con condensatori e reattanze (induttanze)
di sbarramento
In serie ad ogni gruppo di rifasamento (corrispondente ad un
gradino nel caso di rifasamento centralizzato), si inserisce
una induttanza in modo da costituire un circuito oscillante.
La frequenza di risonanza del gruppo L–C deve essere
inferiore alla frequenza della prima armonica presente
sull’impianto (es. 189Hz se è presente la 5° armonica di 250Hz).
Dato che le frequenze armoniche generate dall’azionamento
sono decisamente superiori alla frequenza di risonanza serie,
le armoniche saranno respinte in linea senza amplificazioni
mentre una piccola percentuale viene assorbita dai condensatori.
Il gruppo rifasante L–C per frequenza a 250Hz (5° armonica)
si comporta come un circuito ad alta impedenza induttiva senza
pericoli di risonanza.
Ai valori inferiori della frequenza di risonanza si comporta come
un circuito capacitivo la cui impedenza raggiunge il suo massimo
valore in corrispondenza della frequenza di rete.
Il rifasamento con reattanza di sbarramento è necessario quando
il carico distorcente rappresenta almeno il 20% del carico totale.
2 – Rifasamento con condensatori e reattanze (induttanze)
di assorbimento
Se viene richiesta una riduzione delle armoniche in rete,
queste possono essere assorbite quasi completamente
dimensionando i gruppi L–C accordati ciascuno sulla
frequenza armonica che si vuole attenuare.
Si realizzeranno tanti gruppi risonanti serie che presentano
una impedenza approssimativamente nulla alla frequenza
di armonica esistente.
Nel caso di un’impianto con presenza di 5° - 7° - 11°
armonica saranno realizzati tre gruppi accordati
rispettivamente a 250Hz – 350Hz – 550Hz.
Per valori superiori e inferiori alla frequenza di accordo
o di risonanza si comportano in maniera simile ai gruppi
con reattanze di sbarramento mentre alla frequenza di
50Hz si comportano come un circuito capacitivo.
In taluni casi possono coesistere i due tipi di rifasamento
mentre è da evitare un rifasamento tra condensatori muniti
di reattanze (di filtro o di assorbimento) con un rifasamento
sprovvisto delle reattanze.
Analizzati i tre circuiti: ohmici, induttivi e distorcenti
esaminiamo i due principali sistemi di rifasamento che si
applicano agli impianti industriali.
Rifasamento singolo
I condensatori sono allacciati in parallelo a ciascun motore
o direttamente sui morsetti del motore oppure inseriti a
mezzo contattore protetto da fusibili.
Il cavo di alimentazione motore viene "scaricato" dalla
corrente reattiva.
Rifasamento Centralizzato
È di gran lunga il più diffuso.
I condensatori di rifasamento, suddivisi in gruppi o gradini
di pari potenza (es. 1 – 1 – 1 o di potenza diversa 1 – 2 –
2 o 1 - 2 – 4 ecc.), vengono concentrati normalmente nel
quadro generale di distribuzione o in quadro separato ma
derivato dalle sbarre principali e provvedono al rifasamento
di tutti i carichi alimentati dall’impianto.
I vari gradini vengono inseriti e disinseriti automaticamente
in funzione del carico reattivo attraverso un regolatore del
fattore di potenza (cos).
Il regolatore riceve il segnale amperometrico da un riduttore
di corrente inserito in un punto dove confluisce tutta la
corrente assorbita dall’impianto (es. sulla fase L3) e un
segnale voltmetrico (es. derivato sulle fasi L1 – L2).
In tal modo il regolatore, che calcola il cosj istantaneo,
inserisce o disinserisce dopo un certo tempo e in modo
graduale i vari gradini per mezzo delle sue uscite che
pilotano i contattori di potenza.
Dal lato economico non è detto che il rifasamento
centralizzato debba essere più costoso rispetto al
rifasamento singolo poiché negli impianti industriali
l’inserzione delle utenze non avviene mai
contemporaneamente (il fattore di contemporaneità si
aggira su valori di 0,7 – 0,8) e per tale motivo si risparmia
sulle batterie di condensatori da installare.
Un rifasatore fisso, proporzionato alla potenza
magnetizzante del trasformatore a vuoto, viene
collegato a monte del riduttore di corrente che alimenta
il regolatore automatico.
Componenti necessari ad un rifasamento centralizzato
Trascurando il rifasamento di impianti con presenza significativa
di armoniche che compete ai costruttori di condensatori e ai
quadristi specializzati in questo particolare settore, i
componenti principali di un rifasamento centralizzato sono
i seguenti:
1 – Contenitore
Armadio generalmente metallico munito di feritoie
di aerazione da utilizzare solo per ambienti poco
polverosi.
Armadi stagni con ventilatori di aspirazione e/o di
espulsione e griglie con filtri sull’aspirazione per impedire
sia l’ingresso della polvere che il raggiungimento di
temperature troppo elevate all’interno del quadro
(temperature controllabili da termostati di comando
ventilatori e di blocco impianto); questi ultimi contenitori
sono da preferire in locali particolarmente polverosi.
2 – Interruttore – sezionatore generale
Normalmente con maniglia interbloccata con la porta
dell’armadio per impedire l’accesso agli apparecchi
con quadro in tensione.
Viene dimensionato termicamente per la massima
corrente dei condensatori e per il potere di interruzione
del massimo carico capacitivo (salvo che non sia dotato
di un contatto ausiliario di preapertura che provoca
l’apertura anticipata dei contattori)
3 – Strumentazione di controllo
Costituita da uno o più amperometri per il controllo
dell’assorbimento complessivo dei condensatori ed
eventualmente anche da un voltmetro.
4 – Trasformatore ausiliario
Per l’alimentazione dei circuiti ausiliari come le
bobine dei contattori – lampade di segnalazione ecc.
5 – Fusibili di potenza
Vengono impiegati i fusibili gG a monte di ogni gradino e
dimensionati per 1,8 – 2In (In = corrente nominale del
condensatore)
6 – Contattori
Per una adeguata scelta dei contattori di rifasamento
è necessaria una premessa.In un impianto elettrico,
la presenza contemporanea della capacità "C" del
condensatore, della induttanza "L" e della resistenza
"R" del sistema trasformatore di
potenza + linea + fusibili + contattore, da luogo a un
circuito oscillante smorzato che si manifesta
indipendentemente dalla presenza di armoniche.
A causa del circuito oscillante, con la chiusura del
contattore che inserisce un gradino di rifasamento,
si verifica un picco di corrente che può raggiungere
30In se nell’impianto esiste solo quel gradino ma che
può arrivare a 160 – 200In se altri gradini sono già
collegati alla rete contribuendo in tal modo con la loro
energia immagazzinata al raggiungimento di tali valori.
Si tratta di un fenomeno transitorio di durata brevissima
(2ms circa) in cui la corrente ad alta frequenza
(1-15kHz) si aggiunge alla "In" del condensatore e può
provocare delle microsaldature ai contatti principali.
Per ovviare a questi inconvenienti si possono impiegare
contattori speciali equipaggiati con resistenze limitatrici
denominate anche resistenze di precarica che dimezzano
il valore di tali correnti.Per questi motivi è preferibile
l’impiego di questi contattori per gli impianti centralizzati
quando non sussistono problemi armonici di livello
significativo.
I contattori standard potranno essere utilizzati in questi casi:
a) Per rifasamento singolo
b) Per rifasamento centralizzato con significativa presenza
di armoniche congiuntamente alle reattanze di
sbarramento o di assorbimento
c) Per rifasamento centralizzato senza armoniche quando,
con la conoscenza di tutti i parametri elettrici del circuito
(non sempre possibile) e a seguito di calcoli piuttosto
laboriosi, si possano escludere a priori il superamento
delle correnti di cresta ammissibili per i contattori.
d) Per rifasamento centralizzato senza armoniche quando
il superamento delle presunte massime correnti di cresta
ammissibili venga impedito inserendo induttanze
limitatrici o viceversa scegliendo contattori di taglia
superiore.
N.B. Per i punti a-c-d prevedere le resistenze per la scarica
rapida dei condensatori.
Per una buona scelta dei contattori per il rifasamento
altrettanto importante tenere conto della portata termica
"Ith" riferita alla temperatura ambiente del luogo di lavoro.
La "Ith" del contattore deve essere ³ a 1,43 × In ("In"
rappresenta la corrente nominale del condensatore).
Questo fattore di maggiorazione tiene conto del
sovvraccarico armonico, della tolleranza sulla tensione
di alimentazione e della tolleranza sulla capacità
nominale del condensatore.
Negli ultimi anni i contattori speciali di rifasamento
vengono sempre più utilizzati per inserzione nel circuito
a triangolo dove la corrente è ridotta al 58% rispetto a
quella di linea mentre sui poli viene ad agire la tensione
concatenata anziché la stellata.
Questa configurazione consente di ridurre la taglia del
contattore con conseguenti vantaggi economici ma
viene a mancare il sezionamento del condensatore a
contattore aperto.
Contattore di rifasamento
Condensatori
Per una scelta del tipo di condensatore è importante
consultare i cataloghi dei costruttori che forniscono una
serie di informazioni utili a realizzare un rifasamento affidabile.
In generale bisogna tenere presente che la potenza reattiva
in Kvar di un condensatore corrisponde la quella di targa
se alimentato con la propria tensione nominale "Un",
mentre in caso di sottoalimentazione si riduce con il
quadrato della riduzione: es. condensatore da 10Kvar
450V se alimentato con rete 400V la potenza resa
diventa 7,9Kvar.
Qr = Qn · (Ue/Un)² = 10 · (400/450)² = 7,9 Kvar
Il sovradimensionamento in tensione consente l’impiego
dei condensatori anche in impianti con basso contenuto
armonico.
È importante tenere in considerazione le massime
temperature di impiego poiché da queste dipende la vita
del condensatore.
N.B. La loro inserzione può avvenire quando sono
completamente scarichi o con tensione residua
ridottissima.
Regolatore di rifasamento
Rappresenta il cuore del sistema; un regolatore ben
progettato consente, con un software "intelligente",
di ridurre al minimo il numero di manovre per raggiugere
il cos impostato aumentando così la durata di tutti i
componenti.
I requisiti principali di un buon regolatore sono i seguenti:
- Controllo e regolazione digitale a microprocessore
- Programmazione e regolazione frontali con tastiere a
membrana- Accurata e affidabile misura di cos
- Misura del vero valore efficace di corrente (RMS)
anche in presenza di armoniche
- Sensibilità di intervento regolabile (C/K automatico)
- Ritardo alla reinserzione del medesimo gradino regolabile
- Uniformità di utilizzo dei vari gradini
- Visualizzazione su display dei seguenti valori reali:
Tensione
Corrente
Cos
Kvar
6 allarmi (Tensione alta –bassa; corrente alta-bassa;
sovra e sottocompensazione)
- Visualizzazione su display dei parametri impostati
- Memorizzazione dei parametri in memoria EEPROM
- Segnalazione di funzionamento con Led
- Possibilità di inserzione manuale dei gradini
- Autoselezionabilità della frequenza di funzionamento
(50 o 60Hz)
- Possibilità di disporre di un relè interno con contatto
pulito programmabile NA o NC per allarmi a distanza
Regolatore di rifasamento a 5 gradini
