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Eliminazione delle armoniche dagli impianti

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Eliminazione delle armoniche dagli impianti
Eliminazione delle armoniche dagli impianti
Sommario
Armoniche ....................................................................... 2
Definizione, origine e tipi di armoniche .................................................2
Valori caratteristici delle armoniche ......................................................5
Effetti delle armoniche ..........................................................................7
Eliminazione delle armoniche ........................................ 10
Strategie di contrasto alle armoniche ...................................................10
Convivere con le armoniche .................................................................11
Soluzioni Schneider Electric per l'eliminazione delle armoniche ..........12
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine .......................................................................... 13
Procedura di implementazione della compensazione attiva .................19
Schneider Electric
Edizione 09/2015
pag. 1
Armoniche
Definizione, origine e
tipi di armoniche
Armoniche
Le armoniche sono correnti o tensioni sinusoidali con frequenza pari a un multiplo
intero (k) della frequenza del sistema di distribuzione, denominata fondamentale (50
o 60 Hz).
Se sommate, rispettivamente, alla corrente o alla tensione fondamentale sinusoidale,
le armoniche distorcono la forma d'onda della corrente o della tensione (vedere fig.
3.1).
Solitamente le armoniche sono indicate con Hk, dove k ne rappresenta l'ordine.
• IHk e VHk indicano il tipo di armonica (corrente o tensione).
• IH1 (o VH1) designa la corrente (o la tensione) sinusoidale a 50 o 60 Hz presente
quando non ci sono armoniche (la corrente o la tensione fondamentale).
H1 (50 Hz)
H3 (150 Hz)
H1 + H3
Fig. 3.1. Distorsione di H1 (fondamentale) provocata da H3 (armonica di ordine 3).
Carichi non lineari come causa scatenante
La causa principale delle armoniche sono le apparecchiature con un'elettronica di
potenza. Per fornire l'alimentazione CC a queste componenti, l'apparecchiatura è
dotata di un alimentatore a commutazione con un raddrizzatore all'ingresso che
assorbe le correnti armoniche.
Possibili esempi sono i computer, i variatori di velocità e così via.
Altri carichi distorcono la corrente a causa del proprio principio di funzionamento, che
genera delle armoniche.
Possibili esempi sono le lampade a fluorescenza, le lampade a scarica, le saldatrici
e i dispositivi con un nucleo magnetico che può essere saturato.
)Tutti i carichi che distorcono la normale corrente sinusoidale generano armoniche
e si definiscono carichi non lineari.
PC
Variatore di velocità
Lampada a fluorescenza
Fig. 3.2. Esempi di carichi non lineari che generano armoniche.
Carichi lineari e non lineari
L'alimentazione di rete fornisce 50/60 Hz di tensione sinusoidale ai carichi. La forma
d'onda della corrente fornita dalla sorgente in risposta al fabbisogno del carico
dipende dal tipo di carico.
Carichi lineari
La corrente assorbita è sinusoidale e ha la stessa frequenza della tensione. La
corrente può essere spostata (angolo ϕ) rispetto alla tensione.
• La legge di Ohm stabilisce un rapporto lineare tra la tensione e la corrente (V = RI)
con un coefficiente costante, l'impedenza del carico. Il rapporto tra la corrente e la
tensione è lineare.
Possibili esempi sono le normali lampadine, i dispositivi di riscaldamento, i carichi
resistivi, i motori, i trasformatori.
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Edizione 09/2015
pag. 2
Armoniche
• Questo tipo di carico non include componenti elettronici attivi, ma solo resistori (R),
induttori (L) e condensatori (C).
Carichi non lineari
• La corrente assorbita dal carico è periodica, ma non sinusoidale: la forma d'onda
della corrente è distorta dalle correnti armoniche.
• La legge di Ohm che definisce il rapporto tra la tensione e la corrente totali (1) non
è più valida, poiché l'impedenza del carico varia nel singolo periodo (vedere fig. 3.3).
Il rapporto tra la corrente e la tensione non è lineare.
• La corrente assorbita dal carico equivale alla combinazione di:
- una corrente sinusoidale denominata fondamentale, alla frequenza di 50 o 60 Hz;
- armoniche, ossia correnti sinusoidali con un'ampiezza minore di quella della
fondamentale, ma una frequenza che è un multiplo della fondamentale e che
definisce l'ordine armonico (ad esempio, l'armonica di ordine 3 ha una frequenza pari
a 3 x 50 o 60 Hz).
(1) La legge di Ohm si applica a ogni coppia di tensione e corrente del medesimo ordine
armonico, Vk = RkIk, dove Rk è l'impedenza di carico di un dato ordine, ma non è più valida per
la tensione e la corrente totali.
Î Per informazioni su carichi lineari e non lineari, vedere Cap. 1 pag. 11 Qualità
dell'alimentazione UPS.
Un possibile esempio sono i carichi RCD
(Resistenza, Condensatore, Diodo) che si
trovano in gran parte degli alimentatori dei
dispositivi elettronici.
● Il condensatore C, in condizioni stazionarie,
si carica solo quando la tensione di linea
istantanea è maggiore della tensione presente
ai relativi morsetti.
● A partire da quel punto, l'impedenza di
carico è bassa (diodo attivo). Prima
l'impedenza era elevata (diodo disattivo).
● L'impedenza di un carico non lineare,
pertanto, varia a seconda della tensione
presente ai relativi morsetti.
● L'impedenza non è costante; tensione e
corrente non sono più sinusoidali.
● La forma della corrente è più complessa e
può essere rappresentata, ricorrendo al
teorema di Fourier, aggiungendo:
- una corrente con la stessa frequenza f della
tensione, denominata fondamentale;
- altre correnti con frequenze kf (dove k è un
numero intero > 1) denominate armoniche.
● La figura offre un'idea generale della
corrente di carico, con due ordini armonici
soltanto, IH3 e IH5.
Fig. 3.3. Tensione e corrente per carichi non lineari
Tipi di armoniche e aspetti specifici delle armoniche
omopolari
Tipi di armoniche
I carichi non lineari generano tre tipi di correnti armoniche, tutte di ordine dispari
(poiché la sinusoide è una funzione "dispari").
• Armoniche H7 - H13 - … : sequenza positiva.
• Armoniche H5 - H11 - … : sequenza negativa.
• Armoniche H3 - H9 - … : omopolari.
Aspetti specifici delle armoniche omopolari (H3 e multipli)
Le correnti armoniche omopolari (H3 e multipli dispari, scritte 3(2k+1) con k intero) in
sistemi trifase si sommano nel conduttore di neutro.
Ciò è dovuto al fatto che il proprio ordine 3(2k+1) è multiplo del numero di fasi (3),
ossia vanno a coincidere con lo spostamento (un terzo di periodo) delle correnti di
fase.
La figura 3.4 illustra questo fenomeno su un periodo. Le correnti delle tre fasi sono
spostate di un terzo di periodo (T/3), ossia le rispettive armoniche IH3 sono in fase e
i valori istantanei si sommano. Di conseguenza:
• Quando non ci sono armoniche, la corrente nel neutro è uguale a zero:
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pag. 3
Armoniche
IN = I1+I2+I3 = 0
• Quando ci sono armoniche, la corrente nel neutro è uguale a:
I1 + I2 + I3 = 3 IH3 .
Pertanto bisogna prestare particolare attenzione alle armoniche di questo tipo negli
impianti con neutro distribuito (applicazioni commerciali e infrastrutturali).
Fig. 3.4. Le armoniche di ordine 3 e i rispettivi multipli si sommano nel neutro.
Fig. 3.5. Quando ci sono delle armoniche H3 e i rispettivi multipli dispari, la corrente nel neutro
non è più uguale a zero, ma corrisponde alla somma delle armoniche omopolari.
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Armoniche
Valori caratteristici
delle armoniche
Vedere il WP 17
Î
L'analisi delle armoniche di una corrente non lineare consiste nel determinare:
• gli ordini armonici presenti nella corrente;
• l'importanza relativa di ciascun ordine armonico.
Di seguito vengono riportati alcuni valori caratteristici delle armoniche e relazioni
fondamentali utilizzate nell'analisi delle stesse.
Î Per ulteriori informazioni sulle armoniche, vedere Cap. 5 e le spiegazioni del
White Paper 17 Understanding Power Factor, Crest Factor and Surge Factor
(Informazioni su fattore di potenza, fattore di cresta e fattore di sovraccarico).
Valore efficace delle armoniche
È possibile misurare il valore efficace di ciascun ordine armonico, poiché le varie
correnti armoniche sono sinusoidali, ma con frequenze diverse che sono multiple di
quella fondamentale.
• IH1 è la componente fondamentale (50 o 60 Hz).
• IHk è la componente armonica, dove k è l'ordine armonico (k per 50 o 60 Hz).
Per determinare questi valori si ricorre all'analisi delle armoniche.
Corrente efficace totale
Irms = IH12 + IH22 + IH3 2 + ... + IHk 2 + ...
Singole armoniche
Ogni armonica è espressa come percentuale, ossia il rapporto tra il suo valore
efficace e il valore efficace della fondamentale. Questo rapporto è il livello della
singola armonica.
IH
100 k
IH1
Hk% = distorsione dell'armonica k =
Distorsione armonica della tensione e della corrente
I carichi non lineari generano armoniche sia nella corrente sia nella tensione, poiché
per ogni armonica della corrente di carico esiste un'armonica della tensione di
alimentazione con identica frequenza. Di conseguenza, anche la tensione risulta
distorta dall'armonica.
La distorsione di una sinusoide è rappresentata da una percentuale:
rms value of all harmonics
THD* % = distorsione totale = 100 rms value of fundamental
* Distorsione armonica totale (Total Harmonic Distortion).
Vengono definiti i seguenti valori:
• THDV % per la tensione, in base alle armoniche della tensione;
• THDI % per la corrente, in base alle armoniche della corrente.
Il THDI (o il THDV usando i valori VHk) si misura tramite l'equazione:
THDI % = 100
IH22 + IH3 2 + IH4 2 + ... + Hk 2 + ...
IH1
Fattore di cresta
Il fattore di cresta (Fc), utilizzato per caratterizzare la forma del segnale (corrente o
tensione), è il rapporto tra il valore di picco e il valore efficace.
peak value
Fc =
rms value
Di seguito sono riportati alcuni valori tipici per diversi carichi:
• carico lineare: Fc = 2 = 1,414
• mainframe: Fc = da 2 a 2,5
• microcomputer: Fc = da 2 a 3
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Armoniche
Spettro della corrente armonica
Per definire lo spettro di una corrente armonica, è necessario determinare la forma
d'onda della corrente e le armoniche individuali, nonché alcuni valori quali THDI e
Fc.
Singole armoniche
H5 = 33%
H7 = 2,7%
H11 = 7,3%
H13 = 1,6%
H17 = 2,6%
H19 = 1,1%
H23 = 1,5%
H25 = 1,3%
THDI = 35%
Fc = 1,45
Corrente in ingresso di un raddrizzatore trifase.
Spettro armonico e THDI corrispondente.
Fig. 3.6. Spettro armonico della corrente assorbita da un carico non lineare.
Fattore di potenza
Fattore di potenza
Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza attiva (kW) e la potenza apparente S
(kVA) ai capi di un determinato carico non lineare.
P (kW )
λ=
S (kVA )
Non si tratta dello spostamento di fase tra la tensione e la corrente, poiché non sono
più sinusoidali.
Spostamento tra la corrente e la tensione fondamentali
Lo spostamento di fase ϕ1 tra la corrente e la tensione fondamentali, entrambe
sinusoidali, si può definire come:
P1 (kW )
cos ϕ1 =
S1 (kVA )
dove P1 e S1 sono rispettivamente la potenza attiva e la potenza apparente della
fondamentale.
Fattore di distorsione
Il fattore di distorsione si definisce come:
1
v = 1 − 1+THDI
2 =
λ
cos ϕ1
(secondo la definizione in
IEC 60146).
Quando non ci sono armoniche, questo fattore equivale a 1 e il fattore di potenza è
semplicemente cosϕ.
Potenza
Carico lineare
Ai capi di un carico lineare trifase bilanciato, alimentato con una tensione V da fase a
fase e una corrente I, dove lo spostamento tra V e I è ϕ, i valori della potenza sono:
• P apparente = S = VI, in kVA
• P attiva = S cosϕ, in kW
• P reattiva = Q = S sinϕ, in kVAr
S=
P2 + Q2
Carico non lineare
Ai capi di un carico non lineare l'equazione per determinare P è molto più
complicata, poiché V e I contengono delle armoniche. Tuttavia può essere espressa
semplicemente come:
• P = S λ (con λ = fattore di potenza)
Per V1 e I1 fondamentali, spostate di ϕ1:
• P apparente fondamentale = S1 = U1 I1 3
• P attiva fondamentale = P1 = S1 cosϕ1
• P reattiva fondamentale Q1 = S1 sinϕ1
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Armoniche
S=
Effetti delle armoniche
) Nei dispositivi elettrici le armoniche
non generano potenza attiva né
reattiva, ma solo perdite dovute
all'effetto Joule (RI2).
Vedere il WP 26
Î
P12 + Q12 + D2
dove D è la potenza di distorsione, dovuta alle
armoniche.
Perdita di potenza apparente
La figura 3.7 illustra come il prodotto di una tensione alla frequenza fondamentale
senza armoniche moltiplicata per una corrente di terza armonica è zero alla fine di
un periodo. Ciò è vero a prescindere dalla fase e dall'ordine dell'armonica.
S = P12 + Q12 + D2
Questo rapporto si esprime con l'equivalenza
Una parte della potenza apparente viene consumata dalle armoniche, senza
conseguenze.
• Nelle macchine rotanti, la coppia del motore risultante è pari a zero e si registra
solo una coppia pulsante parassita che produce vibrazioni.
• L'unica potenza attiva presente durante un calo di tensione è il riscaldamento
prodotto dalla corrente armonica (IHk) in un conduttore con una resistenza R (R
2
IHk ).
Î Per ulteriori informazioni, vedere il White Paper 26 “Hazards of Harmonics and
Neutral Overloads” (Pericoli delle armoniche e dei sovraccarichi del neutro).
Fig. 3.7. Prodotti V x I delle fondamentali (sopra) e delle fondamentali con armoniche (sotto).
) L'aumento di temperatura dovuto alle
correnti armoniche si somma
all'aumento di temperatura dovuto alla
corrente fondamentale.
Aumento di temperatura nei cavi
L'aumento di temperatura nei cavi si esprime come:
∞
r
Perdite =
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∑IHn
2
n =1
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Armoniche
) Il neutro deve essere
sovradimensionato per poter prendere in
considerazione le correnti di terza
armonica e i relativi multipli.
Corrente nel neutro
Tutte le correnti di terza armonica e i relativi multipli dispari si sommano nel neutro
(vedere fig. 3.8). La corrente nel neutro può raggiungere valori 1,7 volte maggiori che
nelle fasi.
Conseguenze
Perdite significative nel neutro
2
R Ineutro = aumento di temperatura nel neutro.
Fig. 3.8. Le armoniche di ordine 3 e i rispettivi multipli si sommano nel neutro.
Carichi inquinanti
) La distorsione di tensione rispecchia
quella di corrente e aumenta di pari
passo con la somma delle impedenze a
monte del carico non lineare.
La distorsione di corrente THDI, provocata dal carico, genera una distorsione di
tensione THDV causata dalle correnti armoniche che attraversano le varie
impedenze a partire dalla sorgente. La figura 3.9 mostra le diverse forme di
distorsione in un comune impianto elettrico.
Fig. 3.9. Effetti delle armoniche in un impianto.
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Armoniche
Rischio di rottura del condensatore
) In conclusione, maggiore è la
presenza di componenti di ordine
elevato nella tensione, peggiore sarà
la situazione per il condensatore.
Risulta spesso necessario utilizzare
condensatori rinforzati.
Il valore della corrente in un condensatore è pari a:
.I = V C ω
Per una corrente armonica di ordine k, la frequenza angolare è pari a ω = 2π k f, e la
corrente è pari a:
.I = 2 π k f V C
con f = frequenza fondamentale e k = ordine armonico.
Ne consegue che il valore della corrente aumenta con l'aumentare di k.
Inoltre una frequenza armonica può comportare anche una risonanza (1) tra il
condensatore (capacità C) e l'induttanza equivalente (L) della sorgente
(trasformatore, essenzialmente induttivo) in parallelo con quella degli altri carichi
alimentati. Questo circuito risonante (vedere fig. 3.10) amplifica notevolmente la
corrente armonica dell'ordine corrispondente, con conseguente peggioramento della
situazione per il condensatore.
(1) Ciò si verifica se, per un ordine armonico di ordine k, con frequenza fk = k x 50 (o 60) Hz,
2
LCωk ˜ 1, dove ω= 2 π fk.
IH
Source
impedance
(transformer) in
parallel with that
of other loads
supplied
harmonic
currents
L
resonant
LC circuit
C
All
non-linear
loads
Fig. 3.10. Effetti delle armoniche sui condensatori, rischio di risonanza.
Conseguenze
• Rischio di rottura del condensatore.
• Rischio di risonanza dovuta alla presenza di induttori.
È necessario rispettare alcune limitazioni:
• V max = 1,1 Vn
• I max = 1,3 In
• THDV max = 8%
• Scelta del tipo di condensatore, a seconda delle circostanze, ad esempio
standard, classe H (isolamento rinforzato), con induttori armonici.
Declassamento dei trasformatori
) In linea generale, le armoniche
provocano un declassamento della
sorgente inversamente proporzionale
al fattore di potenza del carico, ossia
minore è il fattore di potenza,
maggiore sarà il declassamento della
sorgente.
Numerosi effetti si sommano:
• a causa dell'effetto pelle, la resistenza dell'avvolgimento del trasformatore
aumenta con l'ordine delle armoniche;
• le perdite dovute all'isteresi sono proporzionali alla frequenza;
• le perdite dovute alle correnti di Foucault sono proporzionali al quadrato della
frequenza.
Conseguenze
) In conformità allo standard NFC 52-114, i trasformatori devono essere declassati
applicando un coefficiente k alla relativa potenza nominale, di modo che:
k=
1
n=∞
∑H n
2 1,6
n
1 + 0,1
n=2
Si tratta di un'equazione empirica.
Altri standard nazionali raccomandano un declassamento che sfrutta un simile
fattore k, variabile a seconda del Paese (ad esempio BS 7821 Part 4, IEE 11001992).
Esempio
Un trasformatore da 1000 kVA alimenta un raddrizzatore a ponte a sei impulsi che
assorbe le armoniche seguenti:
H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8%.
Il coefficiente di declassamento è k = 0,91.
La potenza apparente del trasformatore è pertanto di 910 kVA.
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Edizione 09/2015
pag. 9
Armoniche
Rischio di generatori di disturbo
) In pratica il THDI della corrente nel
generatore non deve superare il 20%,
altrimenti è necessario un
declassamento.
Analogamente ai trasformatori, i generatori soffrono perdite maggiori dovute
all'isteresi e alle correnti di Foucault.
• La reattanza subtransitoria X"d aumenta in funzione della frequenza.
• Il campo rotante "armonico" spazza il rotore a una frequenza diversa da quella di
sincronismo (50 o 60 Hz).
Conseguenze
• Creazione di torsione parassita risultante in una minore efficienza della
conversione dell'energia meccanica in elettrica.
• Ulteriori perdite negli avvolgimenti induttori e nello smorzatore del rotore.
• Presenza di vibrazioni e rumori anomali.
Perdite nei motori asincroni
Le armoniche producono i seguenti effetti nei motori asincroni:
• incrementi delle perdite per effetto Joule e nel ferro (perdite nello statore);
• coppia pulsante (perdite nel rotore con un calo dell'efficienza meccanica).
) Per limitare questi fenomeni, il THDV deve essere inferiore al 10%.
Effetti su altre apparecchiature
Le armoniche possono disturbare anche il funzionamento delle seguenti
apparecchiature:
• unità di disinnesto non RMS, con conseguente attivazione indesiderata degli
interruttori di circuito;
• autocommutatori telefonici;
• allarmi;
• apparecchi elettronici sensibili;
• sistemi di controllo a distanza.
Effetto sui sistemi UPS più recenti
I moderni sistemi UPS hanno elevate frequenze di interruzione (PWM) e
un'impedenza di uscita estremamente bassa (equivalente a un trasformatore cinque
volte più potente).
Paragonati a carichi non lineari, questi UPS offrono:
• perdite limitate;
• funzionamento con limitazione di corrente;
• distorsione di tensione estremamente contenuta (THDV < 3%).
) Gli UPS sono ottimi strumenti per alimentare carichi non lineari.
Conclusione
Le armoniche possono avere effetti dannosi sugli impianti elettrici e sulla qualità del
funzionamento.
È per questo che gli standard internazionali definiscono livelli di compatibilità
armonica sempre più precisi per le apparecchiature e impongono dei limiti al
contenuto armonico sugli impianti pubblici di distribuzione.
Î Per informazioni sugli standard relativi alle armoniche, vedere Cap. 5 pag. 28
"Standard UPS".
Le pagine seguenti offrono una panoramica sulle varie strategie relative alle
armoniche e sull'utilità dei compensatori attivi di armoniche AccuSine.
Strategie di contrasto alle
armoniche
Schneider Electric
Ci sono due strategie:
• accettare le armoniche e conviverci, il che fondamentalmente comporta la
necessità di sovradimensionare le apparecchiature per poter tenere sotto controllo
gli effetti delle armoniche;
• eliminare le armoniche, in parte o del tutto, mediante filtri o compensatori attivi di
armoniche.
Edizione 09/2015
pag. 10
Armoniche
Convivere con le
armoniche
Vedere WP 38 Î
Sovradimensionamento dell'apparecchiatura
Dato che gli effetti negativi delle correnti armoniche aumentano con l'impedenza
cumulativa di cavi e sorgenti, la soluzione più ovvia consiste nel limitare l'impedenza
totale al fine di ridurre sia la distorsione di tensione, sia l'aumento di temperatura.
La figura 3.11 illustra i risultati quando le sezioni trasversali dei cavi e la potenza
nominale della sorgente vengono raddoppiate.
Poiché il THDV dipende soprattutto dalla componente induttiva e, pertanto, dalla
lunghezza dei cavi, è chiaro che questa soluzione non è molto efficace e causa
soltanto un minore aumento di temperatura.
La figura 3.12 illustra come per le correnti armoniche più forti (da H3 a H7), il
rapporto Lω/R è pari a 1 per cavi con sezione trasversale di 36 mm². Di
conseguenza, oltre i 36 mm² è necessario ridurre l'impedenza utilizzando cavi
multipolari per creare impedenze parallele.
Î Per i data center, vedere “Harmonic Currents in the Data Center: A Case Study”
(Case study sulle correnti armoniche nei data center).
Fig. 3.11. Cavi con sezioni trasversali maggiori per limitare distorsione e perdite.
Fig. 3.12. Effetto della sezione trasversale dei cavi su Lω/R.
Schneider Electric
Edizione 09/2015
pag. 11
Eliminazione delle armoniche (cont.)
Soluzioni Schneider Electric
per l'eliminazione delle
armoniche
Ci sono soluzioni di vario tipo per eliminare le armoniche.
Î Per informazioni sui filtri, vedere Cap.1 pag. 27 “Selezione di un filtro”.
Filtri passivi
I filtri passivi LC vengono sintonizzati sulla frequenza da eliminare o attenuano una
banda di frequenze. Anche i sistemi di ricombinazione armonica (doppio ponte,
traslazione di fase) possono rientrare in questa categoria.
• Su richiesta, Schneider Electric può integrare questo tipo di filtro nelle proprie
soluzioni.
I filtri passivi presentano due svantaggi principali:
• l'eliminazione delle armoniche è efficace solo per l'impianto specifico, quindi
l'aggiunta o la rimozione di carichi può compromettere il sistema di filtraggio;
• è spesso difficile implementarli in un impianto esistente.
Filtri attivi o compensatori attivi di armoniche
I filtri attivi, detti anche compensatori attivi di armoniche, come AccuSine, cancellano
le armoniche iniettando correnti armoniche esattamente equivalenti nel momento in
cui si verificano. Questo tipo di filtro reagisce in tempo reale (ossia attivamente) alle
armoniche esistenti al fine di eliminarle. Più efficace e flessibile dei filtri passivi, ne
supera gli svantaggi e, al confronto, costituisce una soluzione che:
• offre migliori prestazioni (consente l'eliminazione di tutte le armoniche, fino
all'ordine 50);
• è flessibile, adattabile (l'azione può essere configurata) e riutilizzabile.
Tabella riassuntiva delle possibili strategie di contrasto alle armoniche
Strategia
Vantaggi
Convivere con le armoniche
Aumento dei valori
Riduzione del THDV
nominali delle sorgenti
dell'alimentazione,
e/o delle sezioni
limitando l'impedenza
trasversali dei cavi.
della sorgente.
Riduzione delle perdite
per effetto Joule.
Alimentazione speciale Limita i disturbi ai
per carichi non lineari.
carichi contigui tramite
disaccoppiamento.
Eliminare parzialmente le armoniche
Filtri passivi sintonizzati. Soluzione semplice.
Induttori a monte dei
carichi non lineari.
Riduzione delle
correnti armoniche.
Limita gli effetti delle
sovratensioni
transitorie.
Trasformatori speciali.
Eliminare completamente le armoniche
Compensatori attivi di
Soluzione semplice e
armoniche.
flessibile.
Schneider Electric
Soluzioni Schneider Electric
Svantaggi
Difficile negli impianti esistenti. Soluzione costosa che
si limita alla riduzione della componente resistiva per
sezioni trasversali minori (l'induttanza resta costante).
Richiede cavi in parallelo per le sezioni trasversali più
grandi. Non elimina i disturbi a monte dell'impianto.
Non conforme agli standard.
Come sopra.
Solo per uno o due ordini armonici. I filtri a banda larga Serie di filtri passivi
non sono molto efficaci. Possibilità di risonanza.
Comprende soluzioni a doppio ponte
Necessità di dispendioso lavoro di progettazione.
e a traslazione di fase
Aumento del THDV ai capi del carico.
Eliminazione di determinati ordini armonici soltanto.
Costruzione non standard.
Consente l'eliminazione totale di tutte le armoniche
(fino all'ordine 25), sistema adattabile (configurabilità
dell'azione) e riutilizzabile.
Edizione 09/2015
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine
pag. 12
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine
Compensatori attivi di
armoniche
AccuSine
Caratteristiche di AccuSine
Compensatori attivi di armoniche AccuSine
I compensatori attivi di armoniche AccuSine rappresentano un approccio più
generale al problema delle armoniche. Questi filtri attivi non servono soltanto per le
unità UPS, ma sono progettati per eliminare le armoniche dall'intero impianto.
AccuSine è particolarmente indicato per le applicazioni industriali e infrastrutturali di
media potenza, poiché offre correnti di compensazione da 20 a 480 A in sistemi
trifase con neutro.
Tali soluzioni sono illustrate nella sezione successiva.
La seguente tabella ne riassume le caratteristiche principali.
Serie
Livello
di
potenz
a
Da 20 a
480 A
AccuSine
Sistemi a
50/60 Hz
Caratteristiche
principali
Applicazioni
Da 380 a
415 V
Trifase+N
e trifase
● Filtraggio fino a H25
● Compensazione attiva
Filtraggio di sistemi
commerciali,
infrastrutturali e
digitale con:
- analisi e compensazione industriali di media
potenza, trifase più
di singoli ordini
neutro e trifase,
- tempo di risposta di 40
carichi monofase
ms per le oscillazioni di
carico
Vantaggi della compensazione attiva di armoniche
AccuSine
• Soluzioni a banda larga da H2 a H25 con compensazione individuale di ogni fase.
• È possibile selezionare i singoli ordini armonici da compensare.
• Nessun rischio di sovraccarico, limiti di compensazione alla potenza nominale
massima, anche se la potenza di carico supera detto valore.
• Si adatta automaticamente a tutti i tipi di carico, monofase e trifase.
• Compatibile con tutte le modalità di messa a terra dei sistemi.
• Correzione del fattore di potenza.
• Economicità: il dimezzamento delle armoniche comporta la riduzione a un quarto
delle perdite.
• Può essere riutilizzata in altre installazioni.
• Aggiornabile con unità collegate in parallelo.
• Estremamente compatta.
• Installazione semplice, con trasformatori di corrente a monte o a valle.
Principio di funzionamento
La sorgente fornisce esclusivamente la componente fondamentale (IF) della corrente
di carico.
Il compensatore attivo misura in tempo reale le armoniche (IH) assorbite dal carico e
le alimenta.
A monte del punto A, dove è collegato il compensatore, la corrente fondamentale IF
non è alterata, mentre a valle il carico assorbe la corrente non lineare IF + IH.
IF
IF + IH
A
Source
Injection of
compensation
current
Non-linear
load
IH
Active harmonic
conditioner
Measurement
of load
harmonics
Fig. 3.13. Compensazione armonica di AccuSine.
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Edizione 09/2015
pag. 13
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine (cont.)
Modalità di funzionamento
Modalità digitale, compensazione di singoli ordini
La modalità di funzionamento di base di AccuSine è digitale, con un sensore di
corrente, conversione analogico/digitale delle misurazioni della corrente e calcolo in
tempo reale dello spettro armonico. Queste informazioni vengono fornite all'inverter
per la compensazione dei singoli ordini armonici.
Il tempo di risposta alle oscillazioni di carico è di 40 ms (due cicli).
Schema di funzionamento
La potenza necessaria alla compensazione viene assorbita dal sistema di
distribuzione trifase e immagazzinata nell'induttore L, mentre i condensatori vengono
caricati rispettivamente a +Vm e -Vm (vedere fig. 3.14).
A seconda del segno della corrente armonica richiesta, viene modulata la larghezza
di impulso di un condensatore o dell'altro. Questo significa che è possibile utilizzare
lo stesso collegamento al sistema di alimentazione per assorbire potenza e iniettare
le armoniche.
La potenza inviata al carico dipende da:
• i valori armonici misurati;
• le esigenze dell'utente, definite durante la configurazione del sistema: ordini
armonici da eliminare ed eventuale correzione del fattore di potenza.
Il trasformatore di corrente, unito a un convertitore analogico/digitale, determina lo
spettro (fondamentale e delle armoniche) della corrente che alimenta il carico.
In base a questi valori e al programma di selezione, un processore prepara i
comandi per l'inverter, che li esegue nella fase successiva alle misurazioni.
La correzione del fattore di potenza si ottiene generando una corrente fondamentale
di +90° fuori fase rispetto alla tensione.
Fig. 3.14. Funzionamento di AccuSine.
Opzioni
Su sistemi trifase o trifase più neutro, l'utente può decidere di compensare:
• tutte o solo alcune armoniche fino a H25;
• il fattore di potenza.
) AccuSine è sempre sotto alimentazione trifase, ma può compensare carichi
monofase, come le armoniche omopolari 3k.
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pag. 14
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine (cont.)
Modalità di installazione
Modalità in parallelo
È possibile collegare in parallelo, nello stesso punto dell'impianto, fino a quattro
compensatori attivi di armoniche AccuSine. Ciò comporta un aumento della capacità
di compensazione delle armoniche e/o della disponibilità del sistema.
Per le installazioni in parallelo è necessario un solo gruppo di sensori sul circuito
compensato e si usa un collegamento cablato per inviare ai vari compensatori le
misurazioni della corrente di carico. Se un compensatore si spegne, quelli rimanenti
continuano a compensare le armoniche, entro i limiti della propria capacità nominale
di compensazione.
Fig. 3.15. Funzionamento in parallelo di tre compensatori attivi di armoniche AccuSine.
Modalità a cascata o in serie
Il funzionamento a cascata o in serie è possibile, ma richiede delle particolari
impostazioni per evitare eventuali interazioni tra i vari compensatori.
In genere il compensatore a valle compensa un carico a elevata potenza. Il
dispositivo a monte compensa altri circuiti in uscita a bassa potenza e, se del caso,
eventuali armoniche residue non eliminate dal primo compensatore.
Fig. 3.16. Compensatori attivi di armoniche AccuSine in modalità a cascata.
Modalità multicircuito
In questa modalità, un singolo compensatore può compensare fino a tre circuiti in
uscita. Per ogni circuito compensato è necessaria una serie di sensori, tutti collegati
ad AccuSine. Questa configurazione è particolarmente utile quando le armoniche si
concentrano su un numero ridotto di circuiti.
Fig. 3.17. Un solo compensatore attivo AccuSine per più circuiti.
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pag. 15
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine (cont.)
Posizione nell'impianto
Compensazione totale (o centralizzata)
Il compensatore attivo di armoniche viene collegato subito a valle delle sorgenti, in
genere a livello del quadro elettrico principale di bassa tensione.
Compensazione parziale
Il condizionatore attivo di armoniche viene collegato a livello del quadro elettrico
principale o secondario e compensa una serie di carichi.
Compensazione locale
Il compensatore attivo di armoniche viene collegato direttamente ai capi di ciascun
carico.
Fig. 3.18. Tre possibili punti di installazione AccuSine, a seconda delle esigenze dell'utente.
Confronto tra le installazioni possibili
Tipo di compensazione
Totale
(a livello del quadro
elettrico principale di
bassa tensione)
Parziale
(a livello del quadro
elettrico secondario)
Locale
(a livello del carico)
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Vantaggi
Economica.
Riduce il lavoro dei generatori
(trasformatori, generatori).
Evita il sovradimensionamento dei
cavi tra i quadri elettrici principale
e secondario.
La ricombinazione di certe
armoniche può consentire la
riduzione del valore nominale del
compensatore.
Elimina le armoniche dove si
verificano.
Riduce le perdite in tutti i cavi, fino
alla sorgente.
Svantaggi
Restano delle armoniche nella
parte a valle dell'impianto.
I cavi devono essere
sovradimensionati.
Restano delle armoniche tra il
quadro elettrico secondario e il
carico non lineare.
Il cavo in uscita per il carico deve
essere sovradimensionato.
Applicazioni
Conforme ai requisiti della rete.
Evita l'iniezione di armoniche a monte
dell'impianto.
Costosa quando sono necessari
molti compensatori.
Per impianti in cui i carichi non lineari sono
pochi e a elevata potenza rispetto agli altri
carichi. Ad esempio, grandi variatori di
velocità, UPS a elevata potenza.
Esempi: alloggiamenti di server,
illuminazione, UPS a elevata potenza,
impianti di illuminazione a fluorescenza.
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Edifici di grandi dimensioni.
Compensazione distanziata regolarmente
su ciascun piano o serie di piani.
Più circuiti che alimentano carichi non
lineari.
pag. 16
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine (cont.)
In pratica
• La compensazione totale non solleva alcun problema di calcolo.
• La compensazione parziale richiede qualche precauzione.
• Per tutti i carichi RCD non compensati (variatori di velocità a elevata potenza
senza induttori per applicazioni a coppia variabile), la compensazione locale può
garantire solo un THDV che non supera certi limiti per assicurare un corretto
funzionamento del carico.
Posizione dei trasformatori di corrente a monte o a valle
Nella maggior parte delle modalità di installazione descritte sopra è possibile usare
due diversi tipi di installazione dei trasformatori di corrente (TC) con AccuSine.
TC a monte del carico
È la situazione più comune.
IH
IF
IF + IH
active harmonic
conditioner
CT to measure load
harmonics
non-linear
load
Fig. 3.19. Installazione con un TC a monte del carico.
Installazione con un TC a monte di AccuSine e un TC sulla linea in
ingresso del quadro elettrico
Questa configurazione semplifica le cose quando è difficile installare un TC sulla
linea subito a monte del carico. I due TC devono avere caratteristiche compatibili e
complementari. La differenza tra le correnti misurate determina la corrente di
compensazione necessaria.
CT1 to measure
source current
IH
IF
CT2 to measure
conditioner current
IF + IH
information on current to be
reinjected
(différence CT1 - CT2)
active harmonic
conditioner
non-linear
load
Fig. 3.20. Installazione con due TC, uno sulla linea in ingresso del quadro elettrico e l'altro a
monte del compensatore.
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pag. 17
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine (cont.)
Vantaggi di AccuSine
Eliminazione delle correnti armoniche compensate
AccuSine è progettato per fornire un percorso alle correnti armoniche selezionate
teoricamente privo di impedenza rispetto a quello della sorgente, eliminandone così
il flusso a monte verso la sorgente.
La figura 3.21 mostra AccuSine tra due sezioni di linea, ZL1 e ZL2, che alimentano
un carico RCD standard monofase o trifase (alimentatore a commutazione o
variatore di velocità).
Le correnti armoniche IHn, che prima attraversavano le impedenze Zs e ZL1 a
monte del punto di installazione di AccuSine, vengono eliminate.
Ora dalla sorgente arriva esclusivamente la corrente fondamentale If.
È AccuSine a fornire le correnti armoniche IHn al carico, misurando costantemente
le armoniche assorbite dal carico.
Fig. 3.21. AccuSine modifica la corrente a monte del relativo punto di installazione.
Riduzione del THDV al punto di installazione
A monte di AccuSine, le correnti armoniche IHn selezionate (tutte o solo alcune delle
armoniche fino all'ordine 25) vengono eliminate.
La distorsione armonica totale a monte del punto di installazione è calcolata così
(vedere Cap. 4 pag. 49):
∞
∑ UH
n
THDU % = 100
2
n=2
UH1
dove VHn è il calo di tensione corrispondente all'armonica IHn.
L'eliminazione della corrente armonica di un dato ordine annulla la tensione
armonica dello stesso ordine (1).
Ne risulta una notevole riduzione del THDV, selezionando le armoniche più
significative.
Dato che le singole armoniche di ordine superiore a 25 sono trascurabili, il THDV è
praticamente pari a zero e la distorsione viene completamente eliminata se si decide
di compensare tutte le armoniche fino alla venticinquesima.
(1) Siccome VHn e IHn sono componenti sinusoidali con frequenza nf (dove f è la frequenza
della fondamentale), esse sono correlate dalla legge di Ohm, prendendo in considerazione il
valore delle impedenze coinvolte (Zs e ZL1) con una frequenza angolare nω.
Pertanto:
VHn = (Zs(nω) + ZL1(nω)) IHn.
Per tutte le armoniche compensate, IHn = 0 e, di conseguenza, VHn = 0.
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pag. 18
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine (cont.)
Procedura di
implementazione della
compensazione attiva
Conclusioni sulla compensazione attiva
Per calcolare precisamente la compensazione occorrono:
• conoscenza dettagliata e approfondita dell'impianto (sorgenti, linee e metodo di
installazione);
• conoscenza dettagliata dei carichi (curve armoniche e di spostamento dipendenti
dall'impedenza della sorgente);
• speciali strumenti di calcolo;
• analisi e simulazione.
Nuovi impianti
Restano in vigore le normative standard in materia di impianti elettrici, ma è
necessaria una valutazione della distorsione di tensione (THDV) dove si verificano
correnti armoniche.
Questa valutazione è estremamente complessa e richiede un software di calcolo
apposito, nonché una conoscenza approfondita dei carichi non lineari, in particolare
della distribuzione delle armoniche in funzione dell'impedenza a monte.
Schneider Electric dispone degli strumenti di simulazione necessari per effettuare tali
calcoli.
Impianti esistenti
Per gli impianti esistenti, una valutazione dettagliata del sito è un requisito
indispensabile per qualsiasi azione correttiva. Il rapporto matematico tra la
distorsione di corrente e quella di tensione è complicato e dipende dalle varie
componenti dell'impianto.
Il controllo dei fenomeni armonici impone conoscenze pratiche ed esperienza,
nonché strumenti e software specialistici (analizzatore di spettro, software di calcolo
per la distorsione nei cavi, software di simulazione e così via).
D'altro canto, anche se ogni soluzione è specifica per un determinato sito, tecniche
professionali adeguate e metodi rigorosi garantiscono la massima probabilità di un
corretto funzionamento dell'impianto.
Metodologia
Schneider Electric conosce perfettamente l'intera processo di eliminazione delle
armoniche e propone un approccio in tre passaggi:
1. Ispezione del sito
2. Individuazione della soluzione più adatta
3. Installazione del sistema e verifiche
1. Ispezione del sito
Schema dell'impianto
Prima di avviare una serie di misurazioni, consigliamo di tracciare uno schema
semplificato dell'impianto, indicando quanto segue.
• Tipi di apparecchiature
- Generatori: tipo, potenza nominale, tensione, Vcc, X"d (gruppo elettrogeno
motore).
- Trasformatori di isolamento: tensione, potenza nominale, tipo, Vcc, accoppiamento.
- Distribuzione: tipo di cavi, lunghezza, sezione trasversale, metodo di installazione.
- Carichi: potenza nominale, tipo.
- Modalità di messa a terra del sistema nei diversi punti dell'impianto.
• Modalità di funzionamento
- Alimentazione di rete.
- Gruppi elettrogeni motori (alimentazione di attesa o cogenerazione).
- UPS.
• Modalità di funzionamento ridotto
- Senza ridondanza.
- Alimentazione da gruppo elettrogeno motore.
Questo schema dovrebbe permettere di individuare i diversi punti di misurazione e
identificare le fasi critiche del funzionamento (per una valutazione tramite
simulazione o calcolo).
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pag. 19
Compensatori attivi di armoniche
AccuSine (cont.)
Misurazioni
In seguito all'imprescindibile passaggio precedente, può iniziare la fase di
misurazione, preferibilmente a partire dalla sorgente e scendendo a valle verso i
carichi che assorbono le armoniche, al fine di limitare il numero di misurazioni.
La qualità delle misurazioni è più importante della relativa quantità e semplifica il
passaggio successivo.
Studio preliminare dell'impianto
Il primo passaggio si conclude con uno studio preliminare dell'impianto:
• punti di installazione dei compensatori;
• condizioni dell'impianto per gli interruttori di circuito di protezione;
• installazione dei sensori (in condizioni di alimentazione attiva o non attiva);
• possibilità di arrestare il carico;
• spazio disponibile;
• evacuazione delle perdite (ventilazione, climatizzazione e così via);
• vincoli ambientali (rumore, CEM e così via).
2. Individuazione della soluzione più adatta
I precedenti elementi concorrono a determinare la soluzione ottimale attraverso:
• l'analisi dei risultati delle misurazioni;
• la simulazione di soluzioni diverse per il problema riscontrato;
• l'individuazione della soluzione più adatta;
• la stesura di un documento di riepilogo delle soluzioni proposte.
3. Installazione del sistema e verifiche
L'ultimo passaggio comprende:
• implementazione delle soluzioni selezionate;
• verifica del livello delle prestazioni in relazione ai risultati garantiti;
• stesura di un documento di avviamento del sistema.
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Edizione 09/2015
pag. 20
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