Harmonic & Power Factor

Introduzione
La qualità della rete è diventato un problema molto rilevante per le attuali strutture di trasmissione e di produzione di energia. Le problematiche maggiori oggi derivano dalla presenza di componenti armoniche e componenti reattive in alcuni casi molto elevate.
Sono presenti molti carichi come inverter, servoazionamenti, luci LED, UPS e altri dispositivi che assorbono correnti fortemente distorte con la conseguente generazione di alte correnti armoniche.
Sempre più diventa importante mantenere i livelli di distorsione armonica inferiore a determinati valori facendo riferimento agli standard opportuni, al fine di evitare o limitare tutte le possibili problematiche derivanti dalla presenza di armoniche in impianto.
Le componenti reattive, tipicamnte di carattere induttivo (corrente in ritardo di 90° rispetto alla tensione) possono avere effetti negativi in particolare sulle linee di trasmissione dell’energia elettrica.
Per questo motivo i fornitori di energia possono applicare delle penali nel caso il contenuto di energia reattiva sia troppo elevato (ad esempio cos ϕ> 0.95)

Teoria sulle armoniche
E’ importante capire come vengono generate le armoniche e i problemi derivanti dalla loro distorsione.
La rete elettrica fornisce una tensione sinusoidale e il carico assorbe corrente che è funzione della sua impedenza. Se l’impedenza è lineare, la relazione tra la tensione e la
corrente è costante. Per esempio in un carico resistivo la forma d’onda della corrente sarà identica alla forma d’onda di tensione, ossia la corrente sarà sinusoidale e quindi non
distorta.
Se l’impedenza non è lineare, il rapporto tra tensione e corrente non sarà costante, di conseguenza la forma d’onda della corrente non sarà sinusoidale e quindi distorta.
Una forma d’onda periodica può essere composta come somma di tante sinusoidi aventi frequenza multipla della fondamentale che sono chiamate armoniche.
Un tipico esempio di un carico non lineare è rappresentato dal ponte raddrizzatore di ingresso presente all’interno di dispositivi come alimentatori, azionamenti, inverter e in generale convertitori AC/DC.

Calcolo delle armoniche

I parametri denominati THD e TDD vengono utilizzati per valutare il contenuto armonico.
THD (Total Harmonic Distortion) è espresso in percentuale ed è calcolato in base alla seguente formula:

Dove I1 rappresenta la corrente alla frequenza fondamentale (50 o 60 Hz), I2, I3, … rappresentano le
correnti armoniche in quel preciso momento.

TDD (Total Demand Distortion) viene calcolato nello stesso modo del THD ma anziché far riferimento alla corrente alla frequenza fondamentale, fa riferimento alla corrente Ir, che
è la corrente nominale del carico (full load current) .
Quindi il THD esprime una percentuale riferita alla corrente fondamentale in quell’istante, per cui per avere una indicazione sul valore assoluto di contenuto armonico è necessario conoscere il valore della corrente fondamentale.
Il TDD invece esprime una percentuale riferita alla corrente nominale dell’impianto, per cui da immediatamente una indicazione riferita al valore assoluto comparabile con la corrente per cui è stato proettato l’impianto.

Calcolo delle armoniche

I carichi resistivi assorbono una corrente in fase con la tensione mentre i carichi reattivi (induttanze e capacità) assorbono una corrente sfasata rispetto alla tensione, di 90°
in ritardo o in anticipo a in funzione di quando assorbono o rilasciano energia rispetto al valore di tensione.
Nelle applicazioni pratiche vi è sempre una combinazione di questi carichi; la somma vettoriale tra potenza attiva (KW) e potenza reattiva (KVAR) viene denominata potenza
apparente (KVA). Il coseno dell’angolo di sfasamento tra potenza apparente e potenza attiva (cosϕ) rappresenta il fattore di potenza che sarà pari a 1 per carichi puramente attivi e 0 per carichi completamente reattivi.
La presenza di carichi fortemente reattivi provoca problematiche soprattutto nelle linee di trasmissione dell’energia elettrica, questo è il motivo per cui i fornitori di energia elettrica possono imporre delle penali nel caso di cosϕ inferiori a un certo valore.
Tipicamente il carico medio nelle industrie è di tipo induttivo, dovuto alla presenza di motori che costituiscono un carico induttivo; per questo motivo la compensazione può essere fatta intrducendo carichi capacitivi di potenza adatta a compensare la parte induttiva.

Problemi generati dalle armoniche e dal fattore di potenza reattiva

Sia le distorsioni armoniche che la potenza reattiva causano
i seguenti problemi in un’installazione

• Sovrariscaldamento dei conduttori, in particolare quello di neutro in presenza di carichi distorti monofase.
• Sovrariscaldamento dei trasformatori MT/BT
• Distorsione armonica della tensione causata dalla saturazione dei trasformatori MT/BT
• Risonanza con altri componenti reattivi sulla stessa linea elettrica (es. banchi di rifasamento)
• Costi delle bolletta elettrica più elevati dovuti sia alleperdite per armoniche sia ad eventuali penali per elevata energia reattiva
• Perdite sulle linea che causano perdite di energi

Soluzioni per le Armoniche
I prodotti Enerdoor utilizzati per ridurre la distorsione armonica di corrente sono:

• Induttanze DC
• Reattanze di linea
• Filtri per armoniche attivi e passivi

Di seguito sono riportati esempi tipici di un carico distorto e le relative possibili soluzioni.

Enerdoor ha sviluppato una serie di reattanze di linea e di filtri per armoniche attivi e passivi, per soddisfare qualsiasi tipo di necessità in termini di riduzione delle armoniche. Le reattanze di linea e i filtri per armoniche passivi, sono solitamente utilizzati in serie a uno o più inverter e dimensionati in funzione della corrente nominale di carico.
I filtri attivi invece sono collegati in parallelo e sono dimensionati in funzione della corrente armonica da compensare; la corrente viene letta analizzata e compensata in modo attivo, per cui questa soluzione si presta in modo particolare in condizione di carichi fortemente variabili.

Fattore di potenza

La soluzione più comune per compensare dei carichi reattivi di tipo induttivo è costituita da una batteria di condensatori.
La capacità elettrica bilancia i carichi induttivi, facendo fluttuare il fattore vicino a 1.
Il compensatore statico di energia reattiva(SVG) di Enerdoor è un’alternativa di livello superiore rispetto alla soluzione tradizionale. Esso compensa il fattore di potenza utilizzando technologia a transistor (IGBT), invece delle tradizionali batterie di condensatori. Il prodotto è collegato in aprallo alla linea e in modo attivo misura, analizza e compensa l’energia reattiva necessaria a riportare il cosϕ al valore desiderato.
I principali vantaggi del compensatore VAR statico rispetto alle tradizionali batterie di condensatori:

• Non sono influenzati dalle presenza di correnti armoniche in quanto non presentano fenomeni di risonanza
• Compensano sia la potenza reattiva induttiva che capacitiva.
• Il sistema è attivo; le variazioni di tensione e i disturbi non influiscono sul funzionamento di compensazione
• Risposta molto veloce
• Compensazione lineare e non a gradini