Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti
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Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Pubblicato il: 23/09/2006 Aggiornato al: 23/09/2006 di Gianfranco Ceresini 1. Introduzione generale Quando il matematico francese Jean Baptiste Fourier, a cavallo del 1800, teorizzò l’analisi armonica delle onde, certamente non immaginava che sarebbe stata utilizzata a due secoli di distanza per affrontare e risolvere problematiche di tipo elettrico, ma questo è spesso il destino delle grandi idee, quello di nascere senza riscontri pratici immediati e venire ripescate a distanze di tempo secolari perché funzionali ad una nuova situazione tecnologica (voi che usate il computer, mandate ogni tanto un pensiero al vecchio George Boole). E’ proprio grazie alla teoria di Fourier che oggi siamo in grado di analizzare l’assorbimento distorto dei carichi elettrici e (soprattutto) elettronici, facendo uno spezzatino della forma d’onda, senza il quale non riusciremmo a capire gran che di ciò che succede in un qualsiasi impianto industriale. Prima di entrare nel vivo della questione, consentiteci un ultima provocazione. Qualcuno di voi ha mai visto di persona un’armonica (non fate battute sulle armoniche a bocca, troppo facile) ? Nel senso che se con uno strumento di misura visualizziamo la forma d’onda della corrente assorbita da un carico non lineare, vediamo uno sgorbio simile a quello di figura 1; sì insomma quella è la realtà circuitale che abbiamo davanti, nessuna traccia delle bellissime ed eleganti onde sinusoidali messe in ordine come tante matrioske, che costituiscono le armoniche. Figura 1 – Misura di una forma d’onda di corrente distorta assorbita da un carico non lineare (Fluke) E allora? Allora possiamo concludere che le armoniche sono solo all’interno della nostra mente, sono solamente uno strumento da noi utilizzato per meglio interpretare la realtà, ma non esistono affatto. Un paradosso? Si e no, si perché le armoniche esistono eccome e procurano diversi ed ingenti danni “reali” agli impianti, no perché usare una sorta di cacciavite matematico è quello che spesso ci consente di aprire la scatola del sapere (d’altronde nessuno di voi si stupisce quando vede tensioni e correnti alternate ritratte 1 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) come vettori, anche se sapete benissimo che la vera e “reale” forma d’onda è sinusoidale come potete ammirare in figura 2). Figura 2 – Misura di una forma d’onda di corrente non distorta assorbita da un carico lineare (Fluke) 2 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) 2. Cosa sono le armoniche Quando alimentiamo una apparecchiatura elettrica in corrente alternata, sappiamo che la tensione di alimentazione è di forma sinusoidale e ci aspetteremmo che la corrente assorbita dal nostro carico sia anch’essa sinusoidale. Questo è purtroppo vero solo per alcuni tipi di carichi, quelli definiti lineari, cioè quelli nei quali la relazione tra ingresso ed uscita (tensione e corrente) è rappresentata da una retta (figura 3): si tratta dei dispositivi classici dell’elettrotecnica, quelli formati dai tre mattoncini elementari Resistenza, Induttanza e Capacità; stiamo parlando in concreto di lampade ad incadescenza, motori elettrici, dispositivi di riscaldamento a resistenza. Mentre questa tipologia di apparecchi elettrici costituivano la maggioranza schiacciante del parco elettrico fino al primo dopoguerra, negli ultimi cinquanta anni, l’utilizzo elettrico si sta sempre più progressivamente spostando verso un’altra tipologia di carichi, definiti non lineari, nei quali la relazione tra tensione e corrente non è più rappresentata da una retta (figura 4): si tratta dei dispositivi contenenti componenti elettronici, quali diodi, transistor, SCR, TRIAC, etc. Figura 3 – Caratteristica voltamperometrica di una resistenza elettrica (lineare) 3 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Figura 4 – Caratteristica voltamperometrica di un diodo a giunzione (non lineare) La logica conseguenza di ciò, è che la corrente da loro assorbita è tutt’altro che sinusoidale, come si può notare in figura 5, dove si osserva una tipica forma d’onda affetta da armoniche, cioè una forma d’onda periodica, la cui risultante può essere pensata come la somma di tante sinusoidi a frequenze che sono multipli interi della frequenza chiamata fondamentale o armonica di primo ordine (50 Hz). Figura 5 – Forma d’onda della corrente assorbita da un personal computer (Lpqi) 4 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Esistono così armoniche di secondo ordine (100 Hz), di terzo ordine (150 Hz), di quarto ordine (200 Hz), di quinto ordine (250 Hz) e così via. Non esiste un limite teorico all’ordine massimo di una armonica, ma ne esiste uno pratico: infatti più si sale nell’ordine e più l’ampiezza dell’armonica si riduce e quindi il contributo delle armoniche di ordine elevato (in genere superiore alla nona) diventa di fatto trascurabile. La somma della fondamentale e delle armoniche determina una forma d’onda risultante periodica, ma non di forma sinusoidale. Se non ci fossero armoniche, esisterebbe solo la fondamentale, cioè una perfetta onda sinusoidale a 50 Hz. In figura 6, si vede la scomposizione di una forma d’onda periodica (in colore rosso) in fondamentale, terza e quinta armonica. Non vi sarà sfuggito il salto delle armoniche di ordine pari (si può a ragion veduta, parlare di salto a piè pari): ebbene sarà sempre così, perché le onde distorte causate dalle apparecchiature non lineari, quali ad esempio il PC, mantengono comunque la simmetria, (cioè il semiperiodo positivo è uguale ed opposto a quello negativo, come risulta evidente dalla figura 5) e per questo tipo di onde, che sono quelle con le quali abbiamo a che fare noi, tutte le armoniche pari sono nulle. Le armoniche di ordine pari, se eccezionalmente presenti, sono la sentinella di anomalie nei circuiti di alimentazione, quali ad esempio malfunzionamenti di raddrizzatori o di variatori di velocità. Figura 6 – Scomposizione di un’onda periodica nella somma di prima, terza e quinta armonica (Comar) 5 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Per misurare il livello di distorsione di una forma d’onda, in altre parole la quantità di armoniche da cui è affetta, si utilizza sia per le forme d’onda di corrente che di tensione, un fattore chiamato tasso di distorsione armonica totale (THD) espresso in percentuale (figura 7) che tiene in considerazione l’effetto di tutte le armoniche o perlomeno di quelle significative. 6 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) 3. Armoniche di corrente e armoniche di tensione Ci viene spontaneo ora chiederci in quale modo si generano le armoniche, e cercare di capire la distinzione fra armoniche di corrente e armoniche di tensione, dove si trovano le une e dove le altre. Quando alimentiamo un carico non lineare, questo assorbe corrente distorta e quindi sul carico abbiamo delle armoniche di corrente. La situazione è schematizzabile, immaginando che un carico non lineare sia formato da una impedenza lineare (che non distorce) più diversi generatori di corrente che producono la terza, la quinta, la settima, etc. armonica (vedi figura 8). Figura 8 – Schematizzazione dell’effetto di un carico non lineare Questi generatori (virtuali, perché in realtà è sempre l’alimentazione a fornire la corrente di cui necessita un carico, che sia sinusoidale o meno) inviano corrente a 150, 250, 350 …. Hz sulla rete di alimentazione del carico, provocando, a causa dell’impedenza di rete, delle cadute di tensione a 150, 250, 350, .… Hz, cioè delle armoniche di tensione. Per esempio una corrente armonica di 5 A, assorbita attraverso un’impedenza di rete di 0,2 ohm, darà luogo ad una tensione armonica di 1 V. Quindi se l’impedenza della rete di alimentazione è bassa, di conseguenza anche le armoniche di tensione saranno basse e viceversa. Nel caso di impedenze di linea basse, potrebbe accadere che, anche in presenza di armoniche di corrente elevate, la caduta di tensione armonica sia trascurabile e la tensione di alimentazione dell’intero impianto (tensione di partenza meno la caduta di tensione armonica) rimanga praticamente sinusoidale. 7 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Figura 9 – Confronto tra le forme d’onda provocate da un carico lineare ed uno non lineare dove si nota la nascita delle armoniche di tensione (IIR) Nel caso invece di impedenze di linea elevate, tutti i carichi (lineari e non) che condividono il circuito di alimentazione con un carico fortemente affetto da armoniche, possono essere influenzati dalle armoniche di tensione generate (figura 10). Ovviamente il discorso può essere esteso anche oltre la singola rete aziendale, per essere portato a livello di rete di distribuzione: il meccanismo è identico e può portare ad avere tensioni distorte che alimentazione un’azienda, a causa delle armoniche di tensione immesse sulla rete di distribuzione (che è in comune a tutti) da altre aziende. Un indice interessante per capire se in un punto di un circuito (con armoniche) siamo in presenza di distorsione della tensione, è la corrente di cortocircuito in quel punto. Infatti a correnti di cortocircuito elevate (quindi basse impedenze) corrispondono distorsioni minime, mentre a correnti di cortocircuito basse (quindi elevate impedenze) corrispondono distorsioni consistenti. 8 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Figura 10 – Come nascono le armoniche di tensione Per terminare cerchiamo di riassumere nel modo più semplice possibile: alimento con una tensione sinusoidale un carico non lineare, la sua corrente ha componenti armoniche che vengono inviate lungo il circuito di alimentazione, queste correnti provocano cadute di tensione distorte che vengono sottratte dalla tensione di alimentazione sinusoidale provocando così una tensione distorta agli altri carichi dell’impianto che condividono lo stesso circuito di alimentazione, ed è inutile ricordare che un carico alimentato da tensione distorta assorbirà corrente distorta. In definitiva la generazione di armoniche causata da un carico elettronico, purtroppo non ha conseguenze solo su se stesso, ma spesso determina pesanti effetti collaterali sulle altre parti dell’impianto. 9 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) 4. Quali tipi di carico provocano le armoniche Abbiamo fino ad ora addossato la responsabilità della nascita delle armoniche a generici carichi non lineari (carichi elettronici), ma possiamo fare di meglio approntando un elenco, il più completo possibile, di quali sono queste apparecchiature: Apparecchiature che utilizzano alimentatori switching, quali Personal Computer, stampanti, fotocopiatrici, decoder, apparecchiature video, etc. Gli alimentatori switching, infatti prelevano dalla rete impulsi di corrente che contengono armoniche importanti fino al nono ordine (figura 11); Figura 11 – Spettro armonico della corrente assorbita da un alimentatore switching (Lpqi) Trasformatori. La corrente di magnetizzazione di un trasformatore, legata alla curva di magnetizzazione del ferro, tipicamente non lineare, è affetta da componenti armoniche (soprattutto la terza); UPS. Anche i gruppi di continuità assorbono corrente sotto forma di impulsi; Sistemi di illuminazione elettronica (lampade fluorescenti). Le lampade fluorescenti compatte (dette anche elettroniche) presentano numerosi vantaggi rispetto alle tradizionali ad incadescenza, quali la maggior durata e il minor consumo a parità di intensità luminosa, ma il loro alimentatore elettronico genera armoniche (figura 12). In ambienti con un numero elevato di questo tipo di lampade (es. alberghi, ristoranti) potrebbero nascere alcuni problemi; 10 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Figura 12 – Spettro armonico della corrente assorbita da una lampada fluorescente compatta (Lpqi) Sistemi di illuminazione a incadescenza controllati da TRIAC. Anche le classiche lampadine a filamento possono produrre armoniche se alimentate attraverso regolatori di luminosità (dimmer): questi infatti inviano alle lampade una corrente distorta; Azionamenti a velocità variabile (inverter, soft-starter, convertitori AC/CC e CC/AC, chopper, etc.). Il tipico circuito di ingresso di questi dispositivi è costituito da un raddrizzatore trifase realizzato a ponte di diodi. Il raddrizzatore, realizzato a 6, 12 o 24 impulsi (a seconda del numero di impulsi per ogni periodo sul lato in continua) produce armoniche di intensità minore con l’aumentare degli impulsi (figure 13 e 14). In questi ponti non esistono le terze armoniche; Impianti galvanici. Questi impianti che vengono utilizzati per zincare, anodizzare, stagnare, dorare, etc. alcuni metalli, sono realizzati attraverso raddrizzatori che erogano corrente in forma impulsiva; Forni a microonde. Questi apparecchi hanno trasformatori e raddrizzatori per ottenere alte tensioni ad alte frequenze; Apparecchiature medicali (risonanza magnetica, TAC, raggi X, etc.). Anche queste macchine assorbono corrente impulsiva. Saldatrici, forni a induzione e forni ad arco. 11 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 socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. 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. Guida alle problematiche delle armoniche negli impianti industriali (prima parte) Figura 13 – Spettro armonico della corrente assorbita da ponti trifase a 6, 12 e 24 impulsi (ABB) Figura 14 – Forma d’onda della corrente assorbita da diverse tipologie di raddrizzatori (ABB) 12 Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. 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