In cosa consiste una distorsione armonica.

Le armoniche sono tensioni e correnti che hanno componenti di frequenza che sono multiple della frequenza fondamentale e che rappresentano una sorta di ‘inquinamento’ della forma d’onda sinusoidale fondamentale.

Le armoniche sono componenti introdotte da apparecchiature elettroniche di potenza quali gli inverter a velocità variabile, i gruppi di continuità, i dimmer utilizzati negli impianti di illuminazione, televisori ed in generali tutti i carichi di tipo elettronico, i sistemi di saldatura. Gli inverter a velocità variabile sono utilizzati

Queste componenti non sinusoidali  interagiscono con l’alimentazione di rete e distorcono la tensione. Una forma d’onda distorta porta ad un valore efficace, ovvero all’energia effettivamente disponibile agli utilizzatori, inferiore con conseguente aumento dei consumi.

Tipicamente, gli inverter a velocità variabile sono impiegati per assicurare la capacità del sistema di fare fornte a forti variazioni di potenza richiesta (20-100%) ed allo scopo di ridurre i consumi.

Le distorsioni armoniche: perchè sono un problema

Una distorsione armonica eccessiva dell’alimentazione di rete implica che la sorgente non trasmette solo frequenze di 50 o 60 Hz ma anche componenti di frequenze più alte.

Questi componenti non possono essere utilizzati dagli utilizzatori elettrici  e gli effetti negativi possono essere gravi ed includere in particolare:

• Limitazioni sulla fornitura e sull’utilizzo della rete
• Aumento delle perdite, alcune correnti armoniche si sommano nel neutro e sono quindi non utili
• Aumentato il riscaldamento del trasformatore, dei motori e dei cavi
• Tempo di vita dell’attrezzatura ridotto
• Arresti di produzione non intenzionali e costosi
• Malfunzionamenti del sistema di controllo con errori degli strumenti di misura
• Coppia pulsante e riduzione del motore
• Rumore udibile

In parole povere, le armoniche riducono l’affidabilità e aumentano i costi operativi. In figura si può notare l’effetto della distorsione armonica su una forma d’onda sinusoidale.

Come le condizioni della rete influenzano l’inquinamento armonico?

Il fattore più importante nel determinare l’inquinamento armonico di una rete di alimentazione è l’impedenza del sistema. L’impedenza del sistema dipende principalmente dalle dimensioni del trasformatore in relazione al consumo totale di energia dei carichi installati. Maggiore è il dimensionamento del trasformatore, in relazione al carico non sinusoidale, minore è l’inquinamento armonico nel sistema.

La rete elettrica è un sistema interconnesso di alimentatori ed i consumatori di energia sono tutti collegati tramite trasformatori. Molti degli utilizzatori introducono una corrente non sinusoidale che contribuisce all’inquinamento della rete elettrica non solo a bassa tensione ma anche a livelli di tensione più elevati.

Inoltre poiché non tutti gli apparecchi utilizzatori utilizzano corrente trifase, il carico su ciascuna fase è dissimile. Ciò porta a valori di tensione non uguali su ciascuna fase causando squilibrio di fase.

Siamo quindi in presenza di distorsioni armoniche e squilibrio delle fasi. Per ottenere una ottimale diagnosi rispetto a tali problemi deve essere quindi attentamente valutato sia il grado di inquinamento armonico che lo squilibrio delle fasi.

Nella tabella, una sintesi delle relazioni causa-effetto sul problema delle armoniche

Possibili soluzioni al problema dell’efficienza del sistema.

Come noto i costi legati ai consumi elettrici sono determinati dall’efficienza generale del sistema. Il grado di efficienza è a sua volta influenzato dai singoli fattori di potenza degli apparecchi. La migliore soluzione al problema dell’efficienza del sistema è rappresentato dalle soluzioni mediante filtri attivi, che sono indipendenti dalle variazioni sia del carico che della rete. Il sistema calcola ed inietta la stessa armonica che deve essere soppressa, shiftata di 180 gradi in modo che la somma sia zero. Allo stesso tempo è possibile correggere il fattore di potenza.

Per sua natura il filtro si comporta in maniera adattiva, modificando la sua risposta in relazione alle variazioni che si verificano sul carico.