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Armoniche
di Tom Shaughnessy, PowerCET Corporation

I Retroscena

Alla fine dell'800 ed agli inizi del 900 la distribuzione dell'energia elettrica era stata sviluppata per incontrare le esigenze delle apparecchiature con una certa tecnologia. I dispositivi che usavano l'elettricità erano i sistemi di illuminazione, i motori e gli elementi resistivi per il riscaldamento. Fino al 1920 gli utilizzatori dell'energia elettrica erano costituiti da apparecchiature poco sofisticate. Distribuzione a più fasi, apparecchiature a più poli, raddrizzatori, controllo dell'angolo di fase attraverso i tubi a vuoto, erano utilizzati dai grandi complessi industriali. I testi degli ingegneri elettrici trattavano principalmente questi tipi di carichi. Il fenomeno della mutua induttanza, le armoniche ed il fattore di potenza, erano elementi ben conosciuti. L'effetto delle armoniche era in genere sentito solo dalle compagnie di distribuzione dell'energia elettrica e dall'industria pesante, come le fonderie e le industrie di lavorazione del metallo. Le aziende commerciali, in genere, avevano carichi costituiti per la maggior parte dagli impianti di illuminazione, i motori e gli elementi per il riscaldamento degli edifici. Questa situazione è rimasta praticamente immutata fino a circa venti anni fa. I carichi ed i cablaggi realizzati durante questi ultimi anni hanno consentito la regolamentazione vigente oggi giorno. Negli ultimi vent'anni si è verificata un'enorme espansione nell'utilizzo di apparecchiature elettroniche e le pressanti iniziative del governo per il risparmio energetico hanno modificato la composizione dei carichi elettrici delle normali aziende commerciali. Le macchine da scrivere sono state sostituite dai personal computer. I regolatori elettronici, i sistemi di illuminazione controllati e gli azionamenti a velocità variabile hanno rapidamente sostituito i semplici motori ad induzione.

Pochi sono stati in grado di prevedere quanto rapidamente e capillarmente i personal computer ed i sistemi controllati da computer potessero influenzare la nostra società. Pochi potevano prevedere l'embargo petrolifero ed il conseguente sforzo da parte del governo di ridurre la dipendenza degli Stati Uniti dai produttori stranieri di petrolio. Anche se potenzialmente efficienti e/o potenti, i carichi elettrici moderni non funzionano come i tradizionali carichi e non assorbono corrente allo stesso modo dei carichi tradizionali. Il raddrizzamento ed il controllo dell'angolo di fase, sebbene essenziali per progettare le moderne apparecchiature, provocano armoniche di corrente. Mentre i carichi moderni prolificano all'interno delle aziende, le armoniche diventano rapidamente un concetto generalmente conosciuto sia per le grandi che per le piccole industrie. Tra i problemi che possono essere generati dalle armoniche troviamo : un funzionamento errato delle apparecchiature, pagamento di penali all'azienda elettrica, surriscaldamento dei trasformatori e campi elettromagnetici di forte intensità. In alcuni casi, le compagnie di distribuzione dell'energia elettrica hanno dovuto imporre delle penali a causa del basso fattore di potenza generato dai carichi armonici. In futuro, aumenterà sicuramente la frequenza di queste penali, in quanto aumenterà la competitività tra le aziende di distribuzione.


Le Sorgenti di Armoniche

Quando l'elettricità viene generata dall'azienda elettrica, la forma d'onda della tensione è sinusoidale. I carichi di tipo tradizionale, come le lampade ad incandescenza ed i riscaldatori, collegati ad una sorgente di tensione sinusoidale, assorbono corrente sinusoidale. Quando la forma d'onda della corrente è uguale alla forma d'onda di tensione (ed entrambe sono sinusoidali) non si hanno armoniche. Infatti, una forma d'onda puramente sinusoidale non contiene armoniche. Al contrario, la corrente assorbita dai carichi moderni non assomiglia per niente alla forma d'onda sinusoidale della tensione.
La figura 1 mostra una forma d'onda di tensione e la forma d'onda di corrente non sinusoidale assorbita dall'alimentatore di un personal computer. La corrente viene assorbita in un periodo molto breve, che costituisce un picco di assorbimento. Anche se non si hanno armoniche di tensione (perché la tensione è sinusoidale) si hanno armoniche di corrente di ordine dispari. Nella figura 1 si vede la fondamentale, la terza e la quinta armonica che costituiscono l'impulso di assorbimento di corrente. Nel punto in cui la fondamentale e tutte le armoniche sono concordi (tutte sono al loro valore massimo o al loro valore minimo) la somma delle loro ampiezze crea l'impulso che caratterizza la forma d'onda. Negli altri punti, la differenza di fase fa in modo che le ampiezze tendano a cancellarsi vicendevolmente, per cui l'assorbimento è praticamente nullo. Le armoniche sono multipli interi della frequenza di base e le forme d'onda non lineari sono ricche di componenti ad alta frequenza. Per forme d'onda a 50Hz le armoniche dispari sono la 3° (150Hz) la 5° (250Hz) la 7° (350Hz) e così via. Nei normali ambienti commerciali le sorgenti di armoniche di corrente sono i computer (personal, mini e mainframe) le apparecchiature video, gli UPS, i regolatori elettronici, i forni a microonde, i sistemi di illuminazione controllati da SCR/Triac, i motori a velocità variabile e i montacarichi. In ambiente medicale sono presenti tutte queste sorgenti oltre a strumenti specializzati che forniscono altre correnti armoniche : macchinari per i raggi-X, per la tomografia assiale computerizzata e per la risonanza magnetica generano grandi quantità di armoniche. Una macchina per i raggi X che effettua da 15 a 30 esposizioni al secondo, provoca un assorbimento impulsivo asimmetrico e ripetitivo ogni ciclo o ogni quattro cicli. Questo tipo di corrente è veramente molto difficile da fornire e le sorgenti di energia più leggere (come i gruppi elettrogeni o gli UPS standby) possono manifestare problemi sia nella regolazione della tensione che nella stabilità della frequenza. Alcuni ambienti elettrici contengono una incredibile quantità di apparecchiature che generano armoniche di corrente. Ad esempio, le industrie produttrici di semiconduttori utilizzano molta energia. Le apparecchiature al loro interno usano in genere alimentatori controllati ad angolo di fase a 6 impulsi, alimentatori raddrizzati a 6 impulsi sdoppiatori di tensione e motori a velocità variabile.
In breve, la gran parte delle apparecchiature elettroniche sono sorgenti di armoniche di corrente. Quando la concentrazione di queste apparecchiature aumenta, aumenta anche la loro influenza sul sistema di distribuzione elettrico interno all'azienda. Quando le armoniche di corrente raggiungono un'ampiezza sufficiente, si ha un fenomeno di interazione con il sistema di distribuzione interno e con altre apparecchiature installate nell'azienda.


Interazioni all'Interno di un'Azienda

Il fatto che siano presenti delle armoniche in un sistema di distribuzione, non è un problema di per se. I problemi sorgono perché le armoniche di corrente interagiscono con l'impedenza del sistema di distribuzione creando distorsioni della tensione e perdite. Quando queste distorsioni di tensione raggiungono livelli eccessivi, si possono verificare diversi problemi alle apparecchiature. Se un picco di tensione viene tagliato, l'alimentatore di un computer può non essere in grado di immagazzinare energia sufficiente e si ha un sag momentaneo. In modo analogo, se un picco di tensione viene amplificato, i rilevatori di overvoltage possono attivarsi e togliere l'alimentazione al carico. Altri problemi possono essere : eccessive vibrazione/calore nei motori ad induzione, eccessivo rumore/calore nei trasformatori, errori di frequenza dovuti a più attraversamenti dello zero in uno stesso ciclo, livelli elevati di tensione tra neutro e terra e presenza di campi magnetici elevati vicino ai trasformatori e alle cabine elettriche.
La Figura 2 rappresenta una forma d'onda di corrente e di tensione all'interno di un'azienda con un'elevata concentrazione di carichi non lineari e un'impedenza apprezzabile del sistema di distribuzione elettrica. La forma d'onda di tensione è leggermente distorta. La distorsione armonica totale (THD) della forma d'onda di tensione è del 15%. Il THD della forma d'onda di corrente è del 68%. Il THD è una misura dello scostamento di una forma d'onda dalla forma sinusoidale pura. Quando la distorsione della tensione raggiunge livelli elevati, è necessario identificarne le cause e assicurarsi che gli effetti delle armoniche non influenzino negativamente altre apparecchiature o i componenti del sistema di distribuzione (ad esempio il cablaggio ed i trasformatori) interno. Ironia della sorte, aumentando la distorsione della tensione , il THD associato alla forma d'onda di corrente diminuisce. Questo si verifica perché la distorsione della tensione spesso forza un aumento dell'assorbimento della corrente. Quando la corrente assorbita aumenta da due o tre millisecondi a quattro o cinque millisecondi, la forma d'onda della corrente diventa più sinusoidale, per cui il THD diminuisce. Se l'impedenza non fosse dominante in Figura 2, il THD della forma d'onda di corrente sarebbe di circa 90%. Quando sono presenti le armoniche, in genere, le componenti dispari sono dominanti, mentre quelle pari, se esistono, sono molto più piccole. Le armoniche pari, hanno un impatto completamente diverso a quello delle armoniche dispari, in quanto creano una componente continua nelle apparecchiature magnetiche (motori trasformatori, ecc). Le norme IEEE519 (Pratiche Consigliate e Regolamentazioni per il Controllo delle Armoniche nei Sistemi di Alimentazione Elettrica) specificano un limite massimo di 25% di armoniche pari e vietano l'uso di convertitori a mezza onda per evitare condizioni di offset in continua che possano diventare pericolosi. In carichi collegati a stella all'interno di una fabbrica, un particolare tipo di armoniche viene molto temuto : si tratta delle armoniche multiple di tre. Queste si sommano e ritornano esclusivamente attraverso il neutro. Quando l'ampiezza della corrente risultante di ritorno supera di 1.73 l'ampiezza della corrente di fase, il neutro si trova a trasportare più corrente di quanto possa. Inoltre, la corrente sul neutro interagisce con l'impedenza del cablaggio provocando elevate tensioni tra neutro e terra. La Figura 3 illustra questa condizione.
L'ampiezza della corrente di neutro interagisce con l'impedenza del conduttore creando una elevata tensione tra neutro e terra. L'induttanza (sia quella mutua sia l'auto induttanza) è la causa dell'impedenza. Il fatto che l'induttanza sia la parte predominante dell'impedenza, può essere visto come se lo sfasamento tra la corrente di neutro e la tensione tra neutro e terra è di 90°.


Come Risolvere il Problema delle Armoniche

I problemi legati alle armoniche devono essere risolti in modo pianificato. Quando viene aggiunto un carico in un'azienda, deve essere eseguita un'analisi del suo impatto con l'impianto. Poche comunque sono le aziende che intraprendono queste misure, per cui spesso ci si concentra nel controllo delle armoniche, anche perché i problemi di interazione sono diventati preoccupanti o perché la compagnia di distribuzione dell'energia ha imposto delle penali a causa del basso fattore di potenza. La definizione del problema è fondamentale per rendere efficace un programma di controllo :
¨ I conduttori di neutro sono molto caldi e trasportano troppa corrente ?
¨ I trasformatori sono caldi e rumorosi ?
¨ I motori ad induzione presenti nell'azienda si guastano spesso o si scaldano molto ?
¨ I condensatori di filtro all'uscita dell'UPS si guastano molto spesso ?
¨ L'UPS in standby opera male o fornisce solo il 50-60% della potenza massima ?
¨ Il distributore di energia ha minacciato di applicare delle penali a causa del basso fattore di potenza ?
¨ Gli orologi elettrici si fermano spesso ?

Le soluzioni ai problemi delle armoniche possono essere :
¨ Usare alimentatori con controllo interno delle armoniche e correzione del fattore di potenza.
¨ Bilanciare i tipi di carichi armonici all'interno dell'azienda in modo da 'comporre' una corrente sinusoidale.
¨ Aggiungere impedenza (reattori di linea) sulle sorgenti armoniche in modo da ridurre le armoniche di corrente.
¨ Aggiungere filtri passivi per ridurre o eliminare il fattore di potenza e le armoniche.
¨ Usare speciali trasformatori capaci di tollerare l'effetto delle armoniche (trasformatori a fattore-K).
¨ Usare speciali trasformatori in grado di spostare la fase delle armoniche e di controllare la posizione del passaggio per lo zero in modo da tenere sotto controllo l'ampiezza delle armoniche.
Le norme IEEE519 (Pratiche Consigliate e Regolamentazioni per il Controllo delle Armoniche nei Sistemi di Alimentazione Elettrica) forniscono alcune linee guida utili sia per le società di distribuzione dell'elettricità sia per i loro clienti. Implementando le norme IEEE519 all'interno di una azienda si rende più semplice il controllo delle armoniche e si evitano penali a volte molto costose.

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