Le Armoniche Elettriche
L’elettricità, utilizzata nelle industrie, nella prima metà del XX secolo, è stata prevalentemente utilizzata nei motori, illuminazione e impianti di riscaldamento. Tali forme di utilizzazione di energia elettrica causano scarsi effetti nella forma d’onda fondamentale del sistema a frequenza di 50, fornita dal distributore. Questi sono chiamati carichi lineari, poiché i valori di corrente variano proporzionalmente in relazione alla tensione.
Alcune industrie come quelle siderurgiche e metallurgiche utilizzano l’energia elettrica per l’alimentazione dei forni ad arco e che distorcono la forma d’onda. La distorsione si verifica a causa della forma d’onda di corrente che non è direttamente proporzionale alla tensione. Questi carichi sono detti non-lineari, provocando onde sinusoidali con frequenze multiple intere della fondamentale. Tali forme d’onda di frequenza sono chiamate “armoniche”. Nel caso dell’energia elettrica in Italia la frequenza fondamentale è di 50 Hz (di solito chiamato “frequenza industriale “) e le sue armoniche del 3 °, 5 °, 7 ° e 9 ° ordine, ad esempio, corrispondono, rispettivamente a frequenze di 150 Hz (3x50Hz), 250 Hz (5x50Hz), 350 Hz (7×50 Hz) e 450 Hz (9x50Hz). La combinazione delle armoniche, compresa l’armonica fondamentale, produce una forma d’onda, periodica, non sinusoidale.
Con il tempo e l’avvento delle nuove tecnologie hanno cominciato ad avere un aumento crescente l’uso di questi carichi non lineari a causa dall’elettronica di potenza. Essi hanno iniziato ad avere alcuni problemi nelle installazioni elettriche a causa degli effetti dei componenti armoniche delle correnti e delle tensioni nel sistema elettrico, che non sono state considerate in precedenza. Tra i problemi più comuni sono il surriscaldamento dei cavi, trasformatori motori, le correnti eccessive nel conduttore neutro, fenomeni di risonanza fra gli elementi del circuito e in generale la qualità della fornitura di energia elettrica si è deteriorata dalla distorsione presente nelle tensioni e correnti. Questa situazione può causare malfunzionamenti in molte apparecchiature che sono state progettate per funzionare in condizioni normali, cioè che non possono funzionare su frequenze che non sia quella fondamentale.
Questo cambiamento della forma di onda sinusoidale originale è chiamata “distorsione armonica“.
La qualità di energia elettrica, così come l’efficienza energetica sono due parametri importanti da considerare quando si tratta della gestione di energia, diventando una preoccupazione sempre più comune per le società elettriche e i consumatori in generale e in particolare nel settore industriale.
In questo scenario, si può dire che la qualità dell’energia è correlata ad una serie di modifiche che possono verificarsi nella fornitura di energia elettrica, di forma e livelli di ampiezza di tensione e/o corrente elettrica. L’efficienza energetica è un’attività socio-economica che mira a migliorare il consumo di energia. Questi parametri influenzano direttamente l’efficienza dei processi industriali, che preserva la salvaguardia dell’ambiente e l’economia delle aziende.
È inoltre importante sottolineare la costante evoluzione tecnologica delle apparecchiature elettroniche, sempre più presente nei vari settori di attività industriali o commerciali o di edifici residenziali. Questo sviluppo ha portato ad apparecchiature più sensibili alle perturbazioni elettriche, essendo disturbi generati, principalmente, dall’applicazione di elettronica di potenza nei vari settori dell’industria, come ad esempio per l’automazione dei processi e di conversione di energia (corrente alternata in corrente continua).
Concetto di Armoniche Elettriche
Le armoniche sono note nel sistema elettrico per decenni. Ma anche prima le apparecchiature basate sull’ elettronica di potenza, ad esempio (convertitori statici), gli elementi non lineari dei circuiti elettrici erano relativamente piccoli, rendendo la loro influenza nel sistema trascurabile. Oggi, con la crescita basato sulla elettronica di potenza, la questione delle armoniche preoccupa sempre di più per il suo impatto sul sistema nel suo complesso e questo per tre ragioni:
- la crescente attenzione che è stata data all’efficienza energetica, in particolare nei settori industriali e commerciali, diffondendo informazioni e favorire la realizzazione di misure basate nell’uso dell’energia attrezzature e sistemi più attraenti, come i sistemi di controllo della velocità motori asincroni e reattori (o ballast) elettronica per carichi di illuminazione; è noto che tali misure, pur interessante dal punto di vista elettro- energetico, in molti casi, possono promuovere elevati livelli di distorsione armonica in impianti elettrici e generare una serie di problemi tecnici, se adottate indiscriminatamente.
- un aumento dei livelli di sensibilità di apparecchiature elettriche ed elettroniche, molti dei quali controllati da sistemi a microprocessore e altri componenti elettronici influenzati da molti tipi di disturbi che possono essere generati nella rete elettrica in cui sono inserite.
- La maggiore consapevolezza degli utenti finali di energia elettrica sulla necessità di mantenere un buon rendimento energetico delle loro strutture interne, cercando di ridurre al minimo i tempi di inattività e la riduzione dei problemi causati dagli effetti negativi eventualmente generati da apparecchiature presenti nei propri sistemi.
Queste situazioni sono la base per dedicare notevole attenzione alla qualità di energia elettrica e riconoscere la distorsione armonica come fonte principale della distorsione nella forma d’ onda .
Tecnicamente un’armonica è una componente di onda periodica la cui frequenza è un multiplo intero della frequenza fondamentale. Questo può essere facilmente visualizzato attraverso la figura 1.
La distorsione armonica può essere considerata come un regime permanente di fenomeni. Non deve essere confuso con fenomeni di breve termine, come transitori provocati da fulmini, commutazione dei circuiti, interruzioni di breve e lunga durata, picchi di sovratensione e sotto tensione, ecc, .
Le Figure 1(a) e (b) mostrano rispettivamente il grafico di un’onda sinusoidale normale, senza distorsione e un’altra ondata di valore massimo inferiore, con una componente armonica (di ordine h=5) e l’onda risultante dalla somma delle due curve, dove l’onda di tensione, prima era perfettamente sinusoidale, poi distorta in presenza di armonica di ordine h=5
Tuttavia il contenuto di armoniche può variare su un ampio range di frequenza a seconda del tipo di carico in questione e dalla forma di controllo della tensione e della frequenza applicata.
Distorsione Armonica totale (THD)
È il rapporto tra il valore efficace del totale delle componenti armoniche e il valore efficace corrispondente della componente fondamentale. La distorsione armonica totale, sono quelle che introducono distorsioni per le onde di corrente e di tensione, ma le onde che più dannose per la nostra rete di distribuzione elettrica sono quelle di corrente che hanno come risultato effetti negativi sulla rete elettrica.
Come si può vedere questo fattore è applicabile sia per la corrente che per la tensione. Per la normalizzazione sulla distorsione armonica totale la norma CEI EN 50160 indica che deve essere inferiore o uguale all’8%
Lo scopo della norma anzidetta è consigliare limiti distorsione armonica secondo due diversi criteri:
- Vi è una limitazione della quantità di corrente armonica che un consumatore può iniettare in una rete per evitare la distorsione armonica della tensione di alimentazione
- Una limitazione è posta al livello di tensione armonica tensione che il distributore può fornire al consumatore.
Indicatori chiave della Distorsione Armonica
L’esistenza di indicatori consente di quantificare e valutare la distorsione armonica dell’onda di tensione e di corrente. Questi sono:
· fattore di potenza.
· fattore di cresta.
· potenza di distorsione.
· spettro in frequenza.
· Tasso di distorsione armonica.
Questi indicatori sono essenziali per determinare le azioni correttive richieste.
Fattore di potenza
Il fattore di potenza, FP, è definito come il rapporto tra la potenza attiva P e la potenza apparente S.
Nel settore elettrico, il fattore di potenza viene spesso confuso con il coseno φ (cos φ), la cui definizione è la seguente:
P1 = potenza attiva alla fondamentale;
S1 = potenza apparente alla fondamentale
Di conseguenza il “cos φ” si riferisce solo alla frequenza fondamentale e in presenza di armoniche, è diverso dal fattore di potenza FP.
Fattore di cresta
Esso è definita come il rapporto tra il valore di picco della corrente o tensione (Im o Vm) e il valore efficace.
Fattore di cresta della corrente
Dove: KI = fattore di cresta della corrente
Im = valore di picco della corrente
Irms = Valore efficace della corrente
Fattore di cresta della tensione
Dove: Kv = fattore di cresta di tensione
Vm = valore di picco della tensione
Vrms = Valore efficace della tensione
Per un segnale sinusoidale il fattore di cresta è uguale a 
, per un segnale non sinusoidale il fattore di cresta può avere un valore superiore o inferiore. Questo fattore è particolarmente utile per rilevare la presenza di eccezionali valori di picco rispetto al valore efficace.
Il fattore di cresta tipico di corrente assorbita dai carichi non lineari è molto maggiore di 
, è possibile assumere valori pari a 1,5 o 2, raggiungendo anche 5 in casi critici. Un fattore di cresta molto elevato implica sovraccarichi puntuali importanti. Questi sovraccarichi, rilevato dai dispositivi di protezione, possono essere la fonte di distacchi intempestivi.
Potenza attiva
La potenza attiva P di un segnale distorto alle armoniche è la somma delle potenze attive corrispondenti alle tensioni e correnti dello stesso ordine. La decomposizione della tensione e della corrente nelle sue componenti armoniche può essere scritto come:
essendo φh lo sfasamento tra la tensione e l’intensità dell’armonica di ordine h. Si suppone che il segnale non abbia componente continua. In assenza di armoniche l’equazione P = V1 ∙ I1 ∙ cosφ1 indica la potenza di un segnale sinuosoidale , dove cosφ1 è uguale a cosφ . Se si hanno armoniche di corrente ma la tensione è sinusoidale pura l’espressione (1) è anche espressa come P = V∙ I∙ cosφ1
Potenza reattiva
La potenza reattiva è definita solo per la fondamentale ed è data dalla seguente equazione:
Potenza di distorsione
Spettro in frequenza
Lo spettro armonico è la rappresentazione delle singole armoniche come percentuale del valore fondamentale, questo valore è importante per analizzare i diversi sistemi di trasmissione e distribuzione.
Questo grafico di singole armoniche, è una rappresentazione del valore del contenuto armonico nel dominio della frequenza delle forme d’onda che può essere visto anche con strumenti di misura appropriata. Ciascuna barra rappresenta un armonica rispetto alla fondamentale, che può contenere, di solito, armoniche di ordine dispari.
Lo spettro armonico si raggiunge all’infinito, tuttavia per strumenti di analisi ci si limita al valore massimo per l’armonica di ordine 50, poiché al di sopra di questo ordine di armoniche non hanno un valore significativo che potrebbe disturbare il normale funzionamento di un’installazione o apparecchiature elettrica collegata.
Fig. 1 – Armoniche in percentuale della fondamentale
Tasso di distorsione armonica totale THD
Il THD (Total Harmonic Distortion, THD), dà una misura del grado di distorsione del segnale. In teoria il THD di un segnale sinusoidale puro è uguale a zero. Invece, quando aumentano le armoniche aumenta pure il valore di THD.
Fattore K
Nella stragrande maggioranza dei casi quando un trasformatore alimenta carichi non lineari, questo trasformatore presenta un surriscaldamento anche quando non ha raggiunto il suo valore nominale kVA. Si è stimato che il riscaldamento dei trasformatori a causa delle armoniche è direttamente proporzionale al quadrato dell’armonica moltiplicata per le perdite che si verificano.
Questo fattore K è specificato sulla targhetta dei dati di alcuni trasformatori, che indica la capacità del trasformatore di alimentare carichi non lineari senza superare la temperatura di funzionamento per la quale sono stati progettati, pari a:
La corrente calcolata con questa espressione è la corrente del carico non lineare che sarà o è alimentato dal trasformatore. I più comune fattori K di trasformatori sono 4 e 13, che vengono utilizzati per carichi di potenza che alimentano principalmente raddrizzatori.
Effetti della distorsione armonica
Non tutti i problemi della qualità di alimentazione che può subire un impianto sono dovuti agli effetti delle armoniche. Vi è una grande varietà di fenomeni e aspetti non solo elettrici, che possono influenzare il sistema stesso. Il fenomeno delle armoniche, di cui ci occupiamo, è solo una porzione degli aspetti che non consente al sistema di essere la soluzione ideale in un impianto collegato in rete.
I principali effetti delle armoniche di tensione e di corrente su un sistema di potenza possono essere diversi ma quelli molto importanti sono quelli dovute alle perdite nei vari componenti elettrici.
Dal momento che circola corrente elettrica nei conduttori vi è una caduta di tensione dovuta alla resistenza del conduttore che la conduce. La potenza attiva trasmessa ad un carico dipende dalla corrente di fondamentale. Quando la corrente assorbita dal carico contiene armoniche, il valore efficace della corrente è superiore a quella della fondamentale. Uno degli effetti delle correnti armoniche, è che provocano un aumento delle perdite Joule in tutti i conduttori per cui ci sarà un ulteriore aumento della temperatura nei trasformatori, nei cavi e nelle apparecchiature.
La presenza di armoniche comporta anche un sovrariscaldamento del conduttore di neutro; infatti in un sistema trifase equilibrato, con neutro distribuito, il che significa che nei quattro conduttori con carichi lineari, il componente fondamentale di 50 Hz della corrente che scorre attraverso di ciascuna delle tre fasi, viene annullata nel conduttore neutro poiché queste correnti sono sfasate nel tempo in un terzo del periodo (120º) e quindi è zero la somma di queste tre correnti. Tuttavia, se si tratta di carichi monofase non lineari, alcune armoniche dispari multiple della terza armonica: 3º, 9º, 15º, ecc. non verrà annullate nel neutro ma, al contrario, vengono sommate nel conduttore di neutro.
In sistemi con molti carichi monofase non lineari, la corrente nel neutro può, in pratica, essere maggiore della corrente di ciascuna fase. Il pericolo si pone in queste circostanze è un eccessivo surriscaldamento del neutro poiché non è dotato di un interruttore automatico nel conduttore, che limita la corrente, come con i conduttori di fase. Una corrente di neutro eccessiva può anche causare eccessiva differenza di tensione fra il conduttore di neutro e la messa a terra.
Nella maggior parte dei casi, le soluzioni adottate per eliminare o almeno ridurre al minimo gli effetti indesiderati di distorsione armonica, sono costituite dai seguenti elementi:
1) L’installazione di reattori;
2) installazione di filtri passivi, filtri attivi e ibridi;
3) l’uso di trasformatori di separazione;
4) riposizionamento e / o modifica della potenza condensatori statici;
5) aumentare la capacità del sistema di alimentazione, tra gli altri.