Approfondiamo le armoniche

Armoniche – Incrementiamo il gradiente

Bene, se non ti ha soddisfatto la trattazione leggera e scanzonata delle precedenti pagine, ora si fa sul serio (sempre rispettosamente e con garbo)…

Se non sei un tecnico sarà meglio che ti munisca di santa pazienza, perché, pur tentando di rimanere leggibile, andrò giù un po’ pesante. Uomo avvisato!

Definizione e tipi di armoniche

Le armoniche sono correnti o tensioni sinusoidali con frequenza pari a un multiplo intero (k) della frequenza del sistema di distribuzione, denominata fondamentale a 50 Hz

Le armoniche distorcono la forma d’onda della corrente o della tensione

Distorsione Armonica

Solitamente le armoniche sono indicate con H seguito da un numero “k”, dove “k” ne rappresenta l’ordine.

Per ordine si intende di quante volte la frequenza dell’armonica è superiore alla fondamentale: H1 è la fondamentale e H3 è una armonica con frequenza H1 x 3.

La prima curva è la tua corrente o tensione, quella che compri dal tuo fornitore, La seconda è una armonica di terzo ordine e l’ultima curva è la corrente o la tensione che usi sul tuo impianto elettrico. Questa è data dalla unione della fondamentale con l’armonica. Come vedi la risultante e ben diversa dall’originale acquistata in primo luogo…

Tutto chiaro per ora?

 

Le armoniche possono verificarsi sia sulla corrente che sulla tensione: IHk e VHk indicano il tipo di armonica I per la corrente e V per la tensione.

IH1 e VH1 designano la corrente e la tensione sinusoidale fondamentale.

 

Carichi non lineari, la causa.

La causa principale delle armoniche sono le apparecchiature con un’elettronica di potenza.

Per fornire l’alimentazione a queste componenti, l’apparecchiatura è dotata di un alimentatore a commutazione con un raddrizzatore all’ingresso che assorbe (e produce) le correnti armoniche.

Possibili esempi sono i computer, i variatori di velocità, gli inverter etc etc.

Altri carichi producono distorsioni di corrente a causa del loro principio di funzionamento, che genera delle armoniche.

Possibili esempi sono le lampade a fluorescenza, a scarica e a Led, le saldatrici e i dispositivi con un nucleo magnetico che può essere saturato.

Tutti i carichi che distorcono la naturale forma d’onda sinusoidale, generano armoniche, e si definiscono carichi non lineari.

 

Carichi lineari

Nei carichi lineari la corrente assorbita è sinusoidale e ha la stessa frequenza della tensione. La corrente viene però spostata di un angolo φ (fi) rispetto alla tensione.

La legge di Ohm stabilisce un rapporto lineare tra la tensione e la corrente: V = R*I con un coefficiente costante, l’impedenza del carico.

Il rapporto tra la corrente e la tensione è lineare cioè il loro rapporto non varia mai durante il funzionamento del dispositivo.

Possibili esempi sono le normali lampadine, i dispositivi di riscaldamento, i carichi resistivi, i motori (senza inverter), i trasformatori.

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 non è più valida(*), poiché l’impedenza del carico varia durante il singolo periodo.

 

Carico non lineare

 

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 a 50 Hz
  • armoniche, nella immagine di esempio, due armoniche, una di terzo ordine 3 x 50 Hz,  e una di quinto ordine 5 x 50 Hz

NOTA BENE La forma della corrente risultante è più complessa di come è stata rappresentata nel disegno e può essere calcolata, ricorrendo al teorema di Fourier, ma non è questa la sede adatta. Se vorrai “farti del male”, torna a visitare queste pagine tra un po’, chissà che non mi venga in mente di scrivere qualcosa a riguardo. 🙂

(*) La legge di Ohm si applica a ogni coppia di tensione e corrente del medesimo ordine armonico in un determinato istante, Vk = Rk x Ik, dove Rk è l’impedenza di carico di un dato ordine, ma non è più valida per la tensione e la corrente totali in quanto Rk varia continuamente durante il periodo.

 

Fattore di potenza e armoniche

Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza attiva P (kW) e la potenza apparente S (kVA) ai capi di un determinato carico non lineare.

Fattore di Potenza (λ) = P/S

Non si tratta dello spostamento di fase tra la tensione e la corrente, poiché non più sinusoidali: che siano in fase o meno, è la distorsione stessa a determinare un abbassamento del fattore di potenza.

Il cosϕ, calcolato o misurato sulla sola frequenza fondamentale è un dato utile come potrebbe esserlo un grissino per scassinare una cassaforte, vediamo perché…

 

Potenza

Carico lineare

Ai capi di un carico lineare trifase bilanciato, alimentato con una tensione V 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=Radice(P quadro + Q quadro)

 

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 così:

P = S λ (con λ = fattore di potenza come visto sopra)

Appare adesso evidente che il fattore di potenza, in assenza di armoniche sia semplicemente cosϕ, ma quando, nel mondo reale, troviamo una condizione di assenza totale di armoniche? Mai…

Conclusioni

Quindi, se il tuo rifasatore non è in grado di farti risparmiare quanto pensavi, sappi che non è colpa sua, lui rifasa, cioè riduce il cosϕ sulla fondamentale (avvicina le sinusoidi di corrente e tensione), ma trascura e tralascia la presenza di armoniche che di fatto deformano l’onda andando a creare una perdita significativa, talvolta anche maggiore di quella prodotta dal semplice sfasamento della fondamentale.

Le armoniche possono avere effetti dannosi sugli impianti elettrici e sulla qualità del funzionamento delle apparecchiature e sulle apparecchiature stesse.

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.

Cosa fare in caso di armoniche (tranquillo, tante o poche le hai anche nel tuo impianto)

Puoi scegliere di convivere con le armoniche, il che  comporta la necessità di sovradimensionare le apparecchiature e le cablature. E comporta ovviamente, il mettere in conto lo spreco di una buona parte dell’energia acquistata (bello vero?).

Oppure puoi eliminare le armoniche, in parte o del tutto (quasi del tutto), mediante appositi dispositivi.

Un check-up gratuito del tuo impianto ti darà una visione completa del quadro d’insieme e ti fornirà una risposta a quale sia la strada migliore da seguire…

Prenotalo adesso!