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Perché Occuparsi della Qualità della Rete Elettrica

(Bruce Lonie, PowerCET Corporation)

Premessa

Qualsiasi azienda che utilizzi l'energia elettrica è potenzialmente vulnerabile alle diminuzioni di qualità della rete. Questa vulnerabilità può portare a catastrofiche perdite di produttività, al danneggiamento di apparecchiature e a perdite di redditività. Questo articolo, che presenta una panoramica generale dei problemi legati alla qualità della rete, Vi permetterà di comprendere meglio cosa, all'interno della vostra azienda, è a rischio e quali sono i rimedi che potete iniziare a prendere per ridurre o eliminare questi rischi. "Qualità della Rete Elettrica" non è un termine nuovo, anche se è diventato particolarmente importante in questi ultimi tempi da quando molte delle moderne apparecchiature, che vengono installate per aumentare la produttività, sono spesso la causa dei problemi presenti sulla rete di alimentazione, oltre ad esserne loro stesse suscettibili. Molte di queste apparecchiature sono comuni all'interno delle aziende. Parliamo dei Personal Computer, delle macchine fotocopiatrici, delle stampanti laser, degli azionamenti a velocità variabile e dei regolatori di luminosità, solo per citarne alcuni. Anche se avete sempre operato con successo, quando installate nuove apparecchiature o strutture produttive per aumentare la produttività, dovete conoscere il livello di rischio che state affrontando, circa la qualità della rete.

Notizie sull'Autore

Bruce Lonie è il presidente della PowerCET Corporation, uno studio di consulenza indipendente specializzato nella soluzione di problemi legati alla qualità della rete e all'ambiente elettrico in generale. Gli uffici della PowerCET si trovano a Santa Clara, California e a Gainsville, Florida. La PowerCET fornisce consulenza, corsi di aggiornamento e di addestramento relativamente alla qualità della rete e all'ambiente elettrico in generale. Conduce inoltre corsi di addestramento all'utilizzo degli strumenti della Dranetz-BMI per il monitoraggio della rete e l'analisi dei disturbi di rete. Bruce è uno degli autori del libro Field Handbook for Power Quality Analysis della Dranetz-BMI, pubblica regolarmente articoli su diverse riviste di impianti elettrici e di qualità della rete e viene spesso invitato come oratore a conferenze nazionali e internazionali sulla qualità della rete. Gli uffici della PowerCET Corporation si trovano a Santa Clara, California, U.S.A..

In Italia potete contattare: Power Quality Services S.r.l. a Milano, via Viminale 10, Tel: 02-70633305, Fax: 02-70633207

Cosa Dovete Sapere sulla Qualità della Rete Elettrica

Un abbassamento di qualità della rete elettrica può diminuire nella vostra azienda i livelli di affidabilità, di produttività e di remunerabilità. Se non avete già intrapreso un programma di qualità della rete elettrica, è probabile che dovrete farlo prossimamente. Comunque, per prima cosa, dovrete essere consapevoli della situazione che si è creata in modo da mettere a fuoco le strategie da adottare per far fronte alla situazione.

Per anni, l'elettricità è stata una fonte energetica affidabile in grado di alimentare tranquillamente i sistemi industriali e commerciali. In effetti, l'elettricità viene generalmente considerata come si fa con un buon lavoro: è così affidabile che viene data per scontata la sua affidabilità. Comunque, negli ultimi anni, l'ambiente elettrico è cambiato. I carichi tradizionali - sistemi di illuminazione e motori - sono stati aggiornati mediante progetti che dal punto di vista energetico li rendono più efficienti anche se lavorano in modo decisamente diverso e, di conseguenza, interagiscono in modo diverso con il sistema che li alimenta - il sistema di distribuzione elettrico interno dell'azienda.

I sistemi elettronici quali i personal computer, reti locali (reti LAN), ecc. hanno alterato il processo commerciale ed aumentato in modo drammatico la necessità di disporre di un sistema elettrico affidabile. La concentrazione di apparecchiature elettroniche e di sistemi, ha inoltre aumentato il carico sul sistema elettrico di alimentazione dell'azienda e, in alcuni casi, esso non è più in grado di supportare l'aumento del carico. Il risultato è una insufficiente capacità del sistema elettrico, un sovraccarico dei cavi che costituiscono il sistema di distribuzione elettrica all'interno dell'edificio, e un numero insufficiente di punti di allacciamento alla rete che portano a forzare in modo a volte pericoloso le prese esistenti. La definizione dei requisiti di efficienza dello sfruttamento energetico, senza per altro fornire indicazioni di massima per minimizzare l'impatto delle norme sull'azienda, spesso peggiorano le condizioni create dai nuovi carichi elettronici. Oggi le attività commerciali sono sempre maggiormente dipendenti da questi sistemi e apparecchiature elettroniche. Non solo essi influenzano la produttività, ma la redditività delle operazioni è direttamente influenzata dalla loro funzionalità. Un recente studio della Infonetic Reseach Inc. evidenzia il drammatico aumento dell'impatto sulla redditività dei guasti alle reti LAN. Le perdite stimate di redditività dovute ai guasti superano le perdite di produttività come mostrato nella figura seguente.


Qualità della Rete... Cos'è? Sfortunatamente, le industrie non hanno definito in modo definitivo cos'è la qualità della rete, per cui, tale termine può avere un significato diverso a seconda dei casi. Se ritenete di poter fare tutto ciò che desiderate con la situazione energetica di cui disponete, in genere potete considerare la vostra azienda dotata di una buona qualità della rete. La semplice disponibilità di energia, comunque, è solo un elemento per determinare la qualità della rete e, come vedremo più avanti, non è il migliore. La suscettibilità delle apparecchiature, la loro installazione, la messa a terra, le interferenze, l'ampiezza e la frequenza dei disturbi, sono altri elementi determinanti della qualità della rete. Quando i problemi impediscono alle apparecchiature di eseguire i compiti per cui sono state realizzate, si ritiene in genere che si tratti di un malfunzionamento delle apparecchiature stesse, anche se la causa effettiva è spesso dovuta ad un basso livello di qualità della rete. Se la rete con cui vengono alimentate le apparecchiature è di buna qualità, le apparecchiature lavoreranno bene. Contrariamente a quanto pensato da molti, l'energia elettrica fornita dall'Azienda Elettrica è abbastanza "pulita". Ad eccezione di alcuni fenomeni ambientali e problemi accidentali, la gran parte dei problemi legati alla qualità della rete sono creati dagli utenti stessi, in seguito all'utilizzo dell'energia elettrica. Le interazioni tra i carichi collegati alla rete, il sistema di distribuzione interno, e la presenza di carichi con particolari caratteristiche, sono in genere la causa di molti problemi di qualità della rete. Tipicamente, pensando a problemi di rete, si pensa ai surge (innalzamenti), ai sag (abbassamenti), agli spike (transienti), ai brownnout (buchi) e agli autage (mancanze). Questi sono effettivamente dei problemi legati alla qualità della rete, ma spesso i nuovi carichi di tipo elettronico provocano problemi più complessi sotto forma di singole armoniche, interferenze ripetitive e distorsioni totali. L'approccio tradizionale prevede di andare a cercare le cause dei problemi una volta che si sono manifestati; si tratta di un atteggiamento di reazione. Se i problemi non sono frequenti, questo approccio può essere utile, ma potrete diminuire il livello di rischio assumendo un atteggiamento attivo. Per atteggiamento attivo si intende la possibilità di valutare le condizioni dell'impianto elettrico prima che si verifichino i problemi in modo da poter fare le correzioni del caso nelle aree potenzialmente a rischio. Il moderno mondo degli affari prevede l'utilizzo di una grande quantità di apparecchiature elettroniche, con conseguente elevata densità delle medesime e propagazione continua delle interferenze. C'è pertanto una richiesta di monitoraggi continui o periodici per l'identificazione e la correzione dei problemi, prima che assumano proporzioni preoccupanti. Siccome la qualità dell'impianto elettrico di un'azienda ha una profonda influenza sulla buona riuscita delle operazioni all'interno dell'azienda stessa, deve essere riconosciuta la sua importanza e deve essere data un'elevata priorità ai programmi di qualità della rete elettrica. L'impossibilità di controllare l'ambiente elettrico porta all'aumento dei casi di arresto della produzione. La Composite Engineering ha pubblicato una nota, dove si dice che, nel 1980, circa il 3% dei casi di arresto della produzione erano dovuti a inadempienze nella gestione degli impianti e che nel 1990 tale influenza ha raggiunto il 27% ed è destinata a raggiungere il 47% nel 2000. Tutto questo viene riassunto nel grafico che segue.


Ho dei Problemi di Qualità della Rete? Qualsiasi azienda può trarre giovamento da un programma attivo di controllo della qualità della rete. Ciò significa pianificare la crescita, stabilendo quando e come installare nuove apparecchiature, dopo aver monitorato la qualità della rete di distribuzione dell'energia all'interno dell'azienda. Non si tratta di stabilire se c'è un problema di rete, ma di stabilirne la portata e le eventuali conseguenze. Per aggirare i problemi di qualità della rete sono stati installati molti gruppi di continuità. Si sono acquistati UPS di backup sovra dimensionati, si è investito molto per le riparazioni, si sono stabiliti contratti di manutenzione con ditte esterne e definito procedure per riavviare i sistemi e ricaricare le applicazioni. Noi tendiamo ad affrontare il problema in modo più tecnico e meno oneroso, mantenendo la situazione ad un livello di buone prestazioni apportando quelle piccole modifiche che permettono di operare a questo livello. Se si definisce un outage (buco di tensione) al mese come livello di conformità, mentre il sistema si blocca giornalmente, si dovranno effettuare quelle azioni correttive che permetteranno di tornare alla situazione di un guasto al mese... Nessuno però deve pensare di eliminare anche questo singolo guasto mensile! *Segnali che Indicano la Presenza di Problemi di Rete:* Quando aumenta il tempo perso a ricaricare/riavviare il sistema ed il lavoro eseguito durante le interruzioni per provare e programmare le apparecchiature. Quando il personale esterno addetto alla manutenzione spende più tempo nella vostra azienda di quello impiegato normalmente. Quando il budget previsto per la manutenzione aumenta ad una velocità sproporzionata se confrontata con l'aumento delle vendite e del profitto dell'azienda. Quando gli ordini non possono essere evasi o la produttività è in discesa perché il sistema non è attivo. Gestione della Qualità della Rete Riconoscere la qualità della rete come fondamentale è solo il primo passo. Per gestire la qualità della rete, essa deve diventare un obiettivo prioritario con un impegno dei dirigenti ed un punto di allocazione di risorse: tempo, uomini e denaro. Le opportunità che si aprono in seguito all'implementazione di un programma di qualità della rete, vanno dal sostanziale risparmio sull'operatività del sistema, quali la diminuzione della bolletta, la riduzione dei costi di riparazione, un allungamento della vita delle apparecchiature ed una riduzione delle ore lavorative, fino all'aumento della produttività ed una più pronta soddisfazione delle richieste dei clienti. *Cosa Inserire in un Programma di* Qualità della Rete Elettrica Stabilire un gruppo di lavoro per la Qualità della Rete. Questo personale deve revisionare e controllare tutti gli aspetti del processo produttivo e l'impatto della qualità della rete su queste attività. Essi devono stilare il livello accettabile di prestazioni e studiare i "tamponi" applicati durante gli anni passati per compensare il basso livello di qualità della rete. La missione del gruppo di lavoro deve essere semplicemente quella di identificare, avvertire e controllare. Sviluppare una filosofia protezionistica. Molte compagnie affidano questa responsabilità ai singoli addetti. Non sviluppare una comune filosofia è costoso in quanto fa si che si abbiano diversi punti di vista ed una frammentazione del programma di protezione che, quando è necessario, può risultare miseramente inefficace. Sviluppare standard di approvvigionamento per le apparecchiature elettriche ed elettroniche. Spesso alcune semplici ispezioni ai prodotti, possono eliminare apparecchiature progettate male, problemi di costruzione o di sicurezza e prevenire problemi futuri. Insistere negli standard di approvvigionamento sui parametri che enfatizzano il valore e non solo l'abbassamento dei costi. Oggigiorno, molte apparecchiature vengono acquistate in base a criteri di basso costo iniziale, senza tenere conto dei costi maggiori che possono insorgere nel ciclo di vita dell'apparecchiatura. Determinare l'attuale situazione dell'Azienda Prima di decidere quale strategia intraprendere, è importante stabilire a che punto vi trovate.Questo è un punto fondamentale per il successo di qualsiasi programma di qualità della rete. Determinare qual'è la situazione attuale dell'azienda significa... *Valutare i Carichi Elettrici dell'Azienda* Determinare il numero e il tipo di carichi elettrici presenti all'interno dell'azienda, può essere un buon inizio. In questo inventario devono essere compresi sia i carichi di grossa portata (HVAC, illuminazione, ascensori e tutti i motori di grosse dimensioni) sia quelli di modeste dimensioni (PC, workstation, terminali, stampanti laser, ecc.). Per quanto riguarda i carichi piccoli, può essere significativo il loro numero. . . tre o quattrocento personal computer e workstation possono immettere nella rete un significativo contributo di armoniche. Non è necessario andare a contare tutte le lampade da scrivania o i temperamatite, ma si devono considerare i carichi più importanti ed il numero di quelli di minori dimensioni. L'inventario dei carichi deve essere fatto in modo da distinguere i diversi tipi di carico, distinguendoli per tecnologia impiegata e modo con cui assorbono energia dalla rete di distribuzione elettrica interna all'azienda (se in modo lineare o no). Grazie a ciò si è notevolmente facilitati nella determinazione di potenziali sorgenti di armoniche e di problemi dovuti a fenomeni ripetitivi. E' importante comprendere che le caratteristiche dei carichi elettrici stanno cambiando in modo molto rapido. Le figure sopra riportate illustrano i cambiamenti nella forma d'onda dovuti al modo diverso di assorbire corrente da parte dei vari carichi. I tradizionali carichi lineari, i motori e i sistemi di illuminazione, assorbono corrente in modo sinusoidale. I sistemi di alimentazione, esterni o interni all'azienda, sono stati progettati per alimentare questi carichi. Le nuove tecnologie hanno permesso lo sviluppo di apparecchiature elettriche ed elettroniche con prestazioni migliori e più efficienti dal punto di vista energetico, ma ciò ha avuto un prezzo: è cambiato in modo drammatico come questi carichi assorbono corrente. Come mostrato in figura, i nuovi carichi elettronici assorbono corrente in modo non lineare ed in modo del tutto diverso da come assorbono corrente i carichi lineari. La forma d'onda di corrente dei nuovi carichi contiene un elevato contenuto di armoniche (multipli della fondamentale a 50 Hz) che possono reagire in modo imprevisto con il sistema di distribuzione elettrica. Mentre questi nuovi carichi possono offrire un miglioramento di efficienza e di prestazioni, possono anche generare seri problemi introducendo armoniche nel sistema elettrico. Le componenti di energia ad alta frequenza introdotte possono distorcere la forma d'onda di tensione e provocare un comportamento errato delle apparecchiature, sovraccaricarle e aumentare le perdite nei cavi dell'impianto elettrico. Il Profilo della Qualità della Rete Sviluppando un profilo di qualità della rete, si acquisiscono quelle informazioni sullo stato attuale dell'azienda in relazione al tipo e all'importanza delle interferenze presenti. Il profilo viene sviluppato attraverso un programma di monitoraggio, utilizzando uno strumento a più canali come l'Analizzatore di Qualità della Rete della Dranetz-BMI, che è in grado di memorizzare i diversi tipi di disturbi rilevati all'interno dell'impianto elettrico. I tipici luoghi dove effettuare il monitoraggio all'interno dell'azienda sono: L'Ingresso del Sistema di Distribuzione. In questo punto si ottengono i dati sulla qualità dell'alimentazione fornita all'azienda e l'impatto dei carichi di grossa portata presenti nell'azienda - HVAC, ascensori ed altre apparecchiature che assorbono grandi quantità di corrente. I principali punti (carichi) di distribuzione all'interno dell'azienda. Il monitoraggio in questi luoghi permette di ottenere informazioni importanti relative al livello di interferenza generato dai carichi all'interno dell'azienda e alla propagazione sulla rete interna dei disturbi introdotti dalla rete esterna di distribuzione. Apparecchiature Alimentate (Carichi). Il monitoraggio dei singoli carichi e delle loro interazioni con il sistema interno di distribuzione, completa l'insieme delle informazioni permettendo di conoscere: Le interferenze provenienti dal sistema di alimentazione. Il livello di interferenza prodotto da altri carichi presenti all'interno dell'azienda. Il contributo delle interferenze generate dal carico stesso. Il processo di acquisizione delle informazioni sul profilo della qualità della rete può essere ulteriormente approfondito utilizzando più strumenti in modo da monitorare contemporaneamente i diversi punti della rete sopra menzionati. Utilizzando più di una locazione di monitoraggio, non solo si ottengono migliori informazioni, ma si riduce drasticamente il tempo necessario per completare l'intero processo. E' importante che i vostri ingegneri e i vostri tecnici utilizzino i sistemi di monitoraggio migliori, quali l'Analizzatore di Qualità della Rete 658 della Dranetz-BMI o i Power Platform PP1 e PP4300. Entrambi questi strumenti sono in grado di fornire tutte le informazioni necessarie. Li potete trovare presso i principali distributori della Dranetz-BMI nel mondo (per l'Italia rivolgersi alla P.Q.S. S.r.l. di Milano Tel. 02-70633305) Il Profilo dei Consumi Assieme al profilo di qualità della rete, è importante determinare la quantità totale di energia utilizzata all'interno dell'azienda e l'energia utilizzata dai diversi carichi. Questo profilo può essere utilizzato per valutare l'utilizzo che fate dell'energia ed è il punto di partenza per sviluppare un programma di risparmio dell'energia grazie al quale è possibile diminuire drasticamente i costi di produzione. La quantità totale di energia utilizzata viene in genere misurata in kilowatt-ora (kWh). La potenza impegnata è la quantità di carico collegato alla rete in un certo periodo di tempo, e viene espresso in KWatt o in KVolt-Ampere. Queste informazioni possono essere valutate per identificare le zone dell'impianto dove è possibile risparmiare energia, utilizzando investimenti ridotti, mantenendo sostanzialmente inalterata la funzionalità dell'area. Le informazioni sul consumo possono essere acquisite meglio utilizzando un tipo di analizzatore di potenza che misuri i livelli di tensione e di corrente in modo continuato durante tutto il periodo di studio. I Power Platform PP1 e PP4300 della Dranetz-BMI sono strumenti in grado di svolgere efficacemente questo compito, in quanto possono acquisire informazioni sia sulla qualità della rete sia sull'energia consumata. Lo strumento di monitoraggio viene in genere installato all'ingresso della rete di distribuzione per acquisire informazioni sul consumo dell'intera azienda. Come precedentemente spiegato per la qualità della rete, l'utilizzo contemporaneo di più strumenti permette di aumentare la qualità delle informazioni fornendone di più dettagliate su quanta energia stanno consumando i diversi settori dell'azienda. *Analisi delle informazioni sui Consumi* Completato l'inventario dei carichi più grandi, le informazioni sulla qualità della rete e sul consumo possono essere usate per stilare una documentazione sull'impianto elettrico dell'azienda. Queste informazioni possono essere utilizzate per: Identificare le sorgenti di disturbi. Identificare i problemi di dimensionamento dell'impianto. Trovare eventuali opportunità di risparmio energetico e riduzione dei costi. Creare un piano per lo sviluppo dell'azienda e l'installazione di nuove apparecchiature. Se l'azienda non è soggetta a problemi e l'energia distribuita è pulita, allora queste informazioni possono essere la base da utilizzare per future analisi. Si devono considerare queste informazioni come un ECG per l'azienda. Il valore di questi dati risiede nel fatto che possono essere usati per analisi di comparazione nel momento in cui si manifestano dei problemi. In base a questi dati di base, diventa facile e veloce identificare e risolvere i problemi. Il mantenimento di uno "stato di qualità della rete elettrica" deve essere un atteggiamento. Un programma permanente di monitoraggio della qualità della rete e dei consumi, può costituire una ricca fonte di informazioni grazie alle quali è possibile gestire l'impianto elettrico per garantire l'affidabilità e la produttività degli impianti e quindi il profitto. A chi Rivolgersi Il percorso più diretto da seguire per gestire un accettabile livello di qualità della rete della vostra azienda, consiste nel mettere il personale, responsabile del sistema elettrico, nelle condizioni di aumentare il più possibile le sue conoscenze in questo campo. Il primo passo consiste nel recuperare i testi relativi a questo argomento. Molte organizzazioni industriali e alcuni produttori in ambito elettrico offrono articoli informativi, manuali e standard di gestione relativi a questo argomento. Il Dranetz-BMI Field Handbook for Power Quality Analysis è una risorsa di informazioni veramente ottima sia per gli ingegneri sia per i tecnici. Fate riferimento all'ultima pagina per conoscere altre pubblicazioni della Dranetz-BMI. Successivamente, assicuratevi che chiunque sia coinvolto nell'analisi della qualità della rete, o utilizzi strumenti sofisticati di test, sia addestrato in modo professionale al loro utilizzo. Contattate le migliori scuole di addestramento del personale, grazie alle quali i vostri ingegneri e i vostri tecnici potranno seguire corsi intensivi gestiti dai maggiori esperti del settore. Gli insegnanti li istruiranno su come trovare, analizzare e correggere i problemi di qualità della rete, su come applicare praticamente le tecniche di soluzione dei problemi e su come utilizzare in modo corretto gli strumenti. Fate seguire questi corsi al personale di cui avete maggiore fiducia. Per ultimo, è importante conoscere chi contattare per intervenire in casi di emergenza. Negli Stati Uniti, le maggiori società di distribuzione dell'energia sono dotate di un gruppo di esperti in grado di aiutare i loro clienti a decidere la migliore strategia da adottare e a sviluppare il piano di azione migliore. In molti casi eseguono prima uno studio, tramite un monitoraggio della rete per essere sicuri che non sia l'azienda elettrica a distribuire "energia sporca". Se scoprono che il problema risiede nella vostra azienda, potete contattare un qualificato studio di consulenza in ambito elettrico, sempre che non disponiate di tecnici e di ingegneri qualificati in grado di risolvere da soli il problema. Se fate ricorso a consulenti esterni, assicuratevi che siano dotati delle conoscenze e dell'esperienza necessaria in questo settore e che inviino a svolgere il lavoro, del personale qualificato e competente. Alcuni produttori di analizzatori della qualità della rete possono essere delle buone fonti di informazioni. Due Parole sulla Dranetz-BMI... La Dranetz-BMI è l'azienda leader nel settore dell'analisi dell'energia e della qualità della rete da più di 30 anni. I suoi prodotti e servizi vengono usati in diverse industrie e aziende. I loro rappresentanti di vendita, grazie ad una buona preparazione tecnica, sono in grado di eseguire dimostrazioni direttamente nella vostra ditta, dandovi l'opportunità di acquisire le informazioni necessarie per risolvere i vostri problemi di qualità della rete. L'Analizzatore di Qualità della Rete Dranetz-BMI 658 Esegue tutte le misure necessarie per un completo programma di gestione della qualità della rete. Il Dranetz-BMI Power Platform PP1 Esegue sia l'analisi della qualità che l'analisi dei consumi, nonchè l'analisi armonica e delle correnti di spunto. Testi Consigliati per una Migliore Gestione dell'Energia Per aiutare gli utilizzatori della strumentazione prodotta dalla Dranetz-BMI, e tutti coloro che sono interessati alla qualità della rete e all'analisi dei disturbi sugli impianti elettrici, abbiamo pubblicato due manuali informativi. Il Dranetz-BMI Field Handbook for Electrical Energy Management è un manuale di 238 pagine in cui vengono trattati i seguenti argomenti: Tecniche di gestione dell'energia Introduzione allo studio della corrente alternata Come le aziende elettriche americane misurano e valutano l'energia consumata Sistemi di illuminazione e motori Riduzione dei costi dell'energia Tecniche di misura e apparecchiature di monitoraggio Il Dranetz-BMI Field Handbook for Power Quality Analysis ( disponibile anche in versione italiana) è un manuale di 283 pagine in cui vengono trattati i seguenti argomenti: I fondamenti della qualità della rete Casi pratici di problemi di qualità della rete Pianificazione e messa in opera di una campagna di misura per la valutazione della qualità della rete Prontuario delle forme d'onda e della qualità della rete

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