Il condensatore di rifasamento negli impianti elettrici industriali

Il condensatore di rifasamento negli impianti elettrici industriali
Significato del fattore di potenza (cos )
Premessa
I circuiti elettrici, per quanto concerne il rifasamento, si possono dividere in tre gruppi:
- Circuiti ohmici
- Circuiti induttivi
- Circuiti distorcenti
Circuiti Ohmici (resistenze)
Assorbono dalla rete quasi esclusivamente energia attiva (= corrente attiva x tensione x tempo di funzionamento).
Questa energia viene trasformata in calore (resistenze di riscaldamento).
La corrente attiva assorbita è in fase con la tensione (cos
1) e quindi non è necessario il rifasamento.
Circuiti Induttivi (motori)
Assorbono dalla rete energia attiva (corrente attiva) e energia reattiva (corrente reattiva).
Esempio tipico di circuito induttivo è il motore asincrono che sfrutta per il suo funzionamento il principio delle azioni elettromagnetiche che si esercitano tra il
campo magnetico e le correnti.
La corrente attiva in fase con la tensione dà origine alla potenza attiva assorbita dalla rete (P= U + I + cos ).
Questa potenza espressa in kW viene trasformata, dedotte le perdite, in potenza meccanica all’albero del motore.
La corrente reattiva è sfasata in ritardo di 90° elettrici sulla tensione.
Questa corrente, denominata magnetizzante, è necessaria a produrre il campo magnetico e dà origine alla potenza reattiva espressa in Kvar (Q= U + I + sen ).
La corrente reattiva (energia reattiva) viene assorbita e restituita alla rete due volte in un periodo e non costituisce un vero e proprio assorbimento ma tuttavia
rappresenta un carico supplementare sulla rete che determina maggiori perdite e obbliga i fornitori di energia elettrica a sovradimensionare i generatori.
Per questo scambio alterno di energia reattiva che non viene fatturata, la società erogatrice applica un sovrapprezzo sull’energia attiva registrata dai contatori.
La corrente risultante dalla sommatoria vettoriale tra corrente attiva e la corrente reattiva magnetizzante, è sfasata in ritardo sulla tensione di un angolo " " .
Da questa corrente risultante deriva la potenza apparente espressa in KVA
(Pa = U + I) che è superiore a quella trasformata in lavoro.
Per evitare il pagamento delle penalità è necessario rifasare l’impianto e cioè compensare la corrente reattiva magnetizzante con una corrente reattiva di
segno opposto.
A questo scopo si impiegano i condensatori di rifasamento che vengono collegati in parallelo al carico induttivo nelle immediate vicinanze dello stesso.
La particolarità dei condensatori è quella di assorbire una corrente reattiva capacitiva in anticipo di 90° elettrici sulla tensione che si contrappone alla corrente
reattiva magnetizzante in ritardo di 90° elettrici sulla tensione.
Il condensatore si comporta come un generatore di corrente reattiva che "scarica" le centrali e le linee elettriche dal trasporto di energia reattiva e così il flusso
alterno di scambio di energia reattiva avviene tra il campo elettrico del condensatore e il campo magnetico del motore.
In questo modo la rete di alimentazione deve convogliare quasi esclusivamente
l’energia attiva.
Gli enti erogatori di energia elettrica non impongono che tutta l’energia reattiva sia prodotta sul posto dai condensatori (che corrisponderebbe a cos = 1)
ma richiedono che il cos medio mensile sia uguale a 0,9; quest’ultimo si ottiene dalla registrazione dei contatori di energia reattiva e di energia attiva.
Il cos istantaneo assume perciò un’importanza relativa nei confronti del rifasamento; questo significa che è accettabile per brevi intervalli di tempo un cos
inferiore a 0,9 se compensato da intervalli con cosj superiore a 0,9 ma 1.
Rappresentazione Vettoriale della tensione U e delle correnti
Senza rifasamento
Con rifasamento (triangolo retinato)
U=
Tensione stellata o di fase
Ia=
I + cos = Corrente attiva
Im=
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
Senza rifasamento
Con rifasamento (triangolo retinato)
Qc =
Potenza reattiva capacitiva del condensatore per rifasare da cos a cos 1
Q1 =
Pa1 =
Q – Qc = Potenza reattiva magnetizzante con rifasamento
Potenza apparente con 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 cosj = 0,65 (vedere tabelle di equivalenza)
La potenza reattiva capacitiva necessaria per rifasare a cosj 1 = 0,9 che corrisponde a tangj 1 = 0,48 è data dalla formula Qc = P × (tangj - tangj 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 ³ 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 (cosj).
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
cosj 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