I sistemi elettrici hanno un gran numero di carichi non lineari che generano, a partire dalla forme d’onda sinusoidali e con la frequenza della rete, altre onde di frequenze diverse, che a loro volta causano il fenomeno noto come “armoniche”.
Le armoniche sono un fenomeno che genera problemi sia per gli utenti che per l’ente distributore di energia elettrica e causano vari effetti dannosi sulle apparecchiature di rete. Vediamo in dettaglio quali problemi e quali danni provocano.
Rete elettrica: caratteristiche delle armoniche
Una tensione armonica è una tensione sinusoidale la cui frequenza è un numero intero multiplo della frequenza fondamentale della tensione di alimentazione.
In generale, le armoniche sono prodotte da carichi non lineari, che significa che la sua impedenza non è costante (è una funzione della tensione). I carichi, inoltre, nonostante siano alimentati con una tensione sinusoidale, assorbono una corrente non sinusoidale, causando la compensazione della corrente di un angolo φ rispetto alla tensione. Per semplificare il calcolo, si considera che i carichi non lineari si comportano come fonti di intensità che iniettano armoniche nella rete.
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I componenti che di solito originano le armoniche sono: variatori di velocità, reattori elettronici, apparecchiature informatiche e in generale qualsiasi tipo di carico con componenti attivi, come diodi, transistor, tiristori, ecc.
Le caratteristiche che definiscono le armoniche sono le ampiezze di ciascuna armonica e l’ordine dell’armonica.
Ordine dell’armonica
L’ordine dell’armonica è l’intero numero di volte in cui la frequenza di quell’armonica è maggiore di quella della componente fondamentale. Ad esempio, l’armonica di ordine 3 è quella la cui frequenza è 3 volte più alta di quella del fondamentale, o che è la stessa cosa, se la fondamentale è 50 Hz l’armonica di ordine 3 avrebbe una frequenza di 150 Hz. L’armonica fondamentale è considerata di ordine 1.
Le armoniche possono essere di due tipi: dispari e pari. Le armoniche dispari sono quelle che si trovano comunemente negli impianti elettrici degli edifici industriali e commerciali. Le armoniche di ordine pari esistono solo quando c’è un’asimmetria nel segnale dovuto alla componente continua. Qualsiasi segnale che circola attraverso l’impianto elettrico, corrente o tensione, e la cui forma d’onda non è sinusoidale, può causare danni ad essa o all’apparecchiatura ad essa collegata.
Riscaldamento (conduttori, filo neutro e altri dispositivi)
Il riscaldamento è uno degli effetti più importanti delle armoniche. Si può produrre negli avvolgimenti di trasformatori, motori, conduttori in generale e specialmente nel conduttore neutro.
A causa dell’effetto pelle, all’aumentare della frequenza della tensione o della corrente, questa tende a circolare all’esterno del conducente, sprecando parte del sezione, il che significa che la resistenza del cavo aumenta. Questa maggiore resistenza, unita alla circolazione dall’esterno, fa aumentare la temperatura del cavo, con il conseguente pericolo di danneggiarne l’isolamento e, in alcuni casi, generare una fonte di incendio, specialmente se il cavo non è protetto. I conduttori neutri sono particolarmente danneggiati perché in genere sono dimensionati con una sezione pari alla metà della sezione dei conduttori di fase, e quando il sistema è bilanciato, la corrente attraverso il neutro dovrebbe essere zero.
Intervento delle protezioni
I segnali con armoniche possono avere un valore efficace RMS molto piccolo e tuttavia raggiungere un valore di picco molto grande. Questo fatto provoca, nei dispositivi di protezione, dispositivi magneto-termici e differenziali, un loro intervento.
Risonanza
Un condensatore in parallelo con una bobina forma un circuito risonante, capace di amplificare i segnali di una certa frequenza. Questo circuito risonante può amplificare certe armoniche, essere in grado di rendere gli effetti di questi ancora più dannosi, fino ad arrivare a bruciare i banchi di condensatori.
Vibrazioni e accoppiamenti
Le alte frequenze di armoniche e gli alti e bassi di segnali distorti possono provocare interferenze elettromagnetiche che possono essere irradiate o condotte. Le interferenze elettromagnetiche possono causare: vibrazioni nei quadri elettrici e trasformatori e/o collegamenti in reti di comunicazione quali il telefono o di reti di computer.
Il deterioramento di forma d’onda di tensione (appiattimento)
Quando in un impianto elettrico si ha un gran numero di armoniche, la corrente distorta generata dai carichi può causare una deformazione della forma dell’onda di tensione, arrivando a presentare appiattimento nella parte superiore e inferiore della forma d’onda quando la distorsione è importante. Questo appiattimento fa sì che il segnale non raggiunga il valore di picco appropriato, causando il malfunzionamento dei ponti a diodi, che si trovano nelle alimentazioni di potenza, o nei convertitori di frequenza, che assorbono corrente quando il segnale di tensione raggiunge il suo valore massimo.
Tensione tra neutro e terra diversa da zero
La circolazione di corrente attraverso il conduttore neutro provoca una caduta di tensione tra neutro e terra, poiché la resistenza del cavo neutro non è zero. Questo sottolinea che la qualità della rete può avere effetti dannosi sull’impianto. Pertanto, oltre a mantenere la tensione tra neutro e terra a zero, è consigliabile avere un buon impianto di terra e fare in modo che le connessioni delle apparecchiature non formino collegamenti tra loro per impedire la circolazione di correnti parassite e ridurre il rischio di danni alle apparecchiature.
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Componenti collegati alla rete elettrica
Le conseguenze delle armoniche
Motori asincroni
La circolazione di correnti armoniche attraverso gli avvolgimenti del motore causano il riscaldamento in loco, mettendo in pericolo l’isolamento termico dell’avvolgimento. Ci può anche essere una perdita di prestazioni e riduzione della vita del motore.
Cavi
I cavi hanno un’impedenza che dipende dalla maggiore frequenza, maggiore è l’impedenza del cavo, peggiore sarà quindi la qualità dell’alimentazione che può produrre un eccesso di riscaldamento.
Condensatori
La presenza di armoniche riducono la loro impedenza con la frequenza, tanto minore quanto maggiore è la frequenza, e maggiori sono le possibilità di correnti parassite, accoppiamenti tra cavi, malfunzionamento di protezioni e relè. C’è il pericolo di sovraccarico dovuto all’effetto della risonanza.
Trasformatori
Le armoniche producono vari effetti sui trasformatori. Riscaldano l’avvolgimento, aumenta l’impedenza della sorgente di alimentazione e produce perdite dovute alle correnti di Foucault. L’impedenza del trasformatore aumenta con la frequenza, portando la distorsione armonica totale di tensione (THDV) ad aumentare.
Impatto economico delle armoniche
Perdite di energia
L’effetto Joule, indotto dalle correnti armoniche nel conduttori e apparecchiature, causa ulteriori perdite di energia.
Costi aggiuntivi nella potenza contrattuale
La presenza di correnti armoniche fa aumentare il livello di potenza contrattuale e, di conseguenza, il costo dell’abbonamento contrattuale. Inoltre, i distributori di energia tenderanno a penalizzare in futuro chi produce disturbi armonici.
Sovradimensionamento dei componenti
La presenza delle fonti di energia (generatori, trasformatori) implica un loro sovradimensionamento. I componenti devono essere dimensionati tenendo conto della circolazione delle correnti armoniche. Poiché le frequenze delle armoniche sono maggiori di quella della fondamentale, le impedenze presentate per queste correnti sono più alte. Per evitare perdite eccessive dovute all’effetto Joule, è necessario sovradimensionare i conduttori. La circolazione di correnti armoniche nel conduttore neutro implica una maggiore sezione.
Errore di misurazione
La presenza di armoniche influisce gravemente sulla lettura del strumenti, il che obbliga a prendere varie precauzioni durante l’esecuzione di una lettura.
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