Introduzione alla power quality

Sommario

Negli ultimi anni l’attenzione verso la Power Quality (qualità dell’energia elettrica) è cresciuta in molti settori industriali. Da un lato, gli utenti finali richiedono al fornitore di energia un certo livello di qualità, dall’altro i carichi elettrici interni possono degradare essa stessa la qualità dell’alimentazione, riducendone drasticamente le prestazioni. Pertanto, un’azienda che voglia ottenere energia elettrica ottimale deve analizzare il proprio impianto e attuare interventi di miglioramento della Power Quality.

Una scarsa qualità dell’energia ha conseguenze negative su più fronti: incide sull’efficienza e la disponibilità dei sistemi, sull’affidabilità dei macchinari, sulla sicurezza operativa e aumenta i costi di gestione. Per qualità dell’energia si intendono sia la continuità dell’alimentazione (assenza di interruzioni del servizio) sia la qualità della forma d’onda di tensione e corrente (valori di ampiezza e frequenza stabili, senza disturbi o variazioni anomale).

Numerosi fattori influenzano la Power Quality. Vi sono cause imputabili al distributore elettrico (ad esempio configurazione, gestione e manutenzione della rete) e cause dipendenti dall’utilizzatore (come guasti interni all’impianto o disturbi generati da apparecchiature installate). Esistono inoltre eventi esterni, ambientali o atmosferici, che possono provocare problemi di qualità a prescindere dalle responsabilità di entrambe le parti. La diffusione capillare di dispositivi elettronici a microprocessore e di elettronica di potenza negli impianti industriali ha aumentato il livello di disturbi elettrici presenti nelle reti, rendendo la Power Quality una sfida sempre più importante.

Poiché i problemi di Power Quality possono essere molteplici, la guida descrive i principali fenomeni, spiegandone cause e sintomi, così da capire come individuarli e risolverli.

Problemi tipici di Power Quality

I principali problemi di Power Quality includono vari fenomeni elettrici, ciascuno con cause specifiche e sintomi caratteristici:

Fattore di potenza e rifasamento: Un fattore di potenza non ottimale indica un eccesso di potenza reattiva circolante; ciò comporta correnti inutilmente elevate e cadute di tensione lungo le linee elettriche. Le conseguenze includono maggiori perdite per effetto Joule, sovraccarico di trasformatori e cavi, e persino la necessità di sovradimensionare impianti e apparecchiature per far fronte a queste correnti in eccesso.
Armoniche: Le armoniche sono disturbi periodici di tensione e corrente a frequenza multipla rispetto a quella fondamentale (esempio tipico: 150 Hz, 250 Hz, ecc. in un sistema a 50 Hz) che deformano la sinusoide di alimentazione. Sono generate da carichi non lineari (convertitori statici, azionamenti a velocità variabile, saldatrici, alimentatori elettronici, ecc.) e producono numerosi effetti indesiderati: surriscaldamento del conduttore neutro e dei trasformatori, riduzione del rendimento complessivo del sistema elettrico, sollecitazione degli isolamenti e malfunzionamenti di varie apparecchiature.
Variazioni di frequenza: Le fluttuazioni della frequenza di rete consistono in deviazioni del valore di 50 Hz rispetto al nominale. In Europa la frequenza dovrebbe mantenersi entro ±1% del valore nominale per almeno il 95% del tempo di fornitura, e non superare mai variazioni di +4% o –6%. Scostamenti anomali sono generalmente dovuti a guasti nei sistemi di generazione o trasmissione (ad esempio lo sgancio improvviso di un grande generatore) e si manifestano con variazioni di velocità nei motori elettrici e possibili anomalie di funzionamento in apparecchiature elettroniche sensibili.
Transitori: I transitori sono variazioni impulsive o oscillatorie di tensione di brevissima durata, dovute a disturbi improvvisi come fulmini o manovre elettriche (ad esempio l’accensione o lo spegnimento brusco di grossi carichi, la commutazione di condensatori, ecc.). Anche se il loro picco dura pochi microsecondi, questi sovraccarichi possono causare diversi problemi: blocco di computer e sistemi di controllo, scariche elettriche indesiderate e danneggiamento dell’isolamento o dei componenti interni delle apparecchiature.
Flicker: Il flicker è un fenomeno dovuto a variazioni rapide e ripetitive della tensione, percepibile ad esempio come sfarfallio delle lampade e dell’illuminazione. È tipicamente causato da carichi di grande potenza il cui assorbimento varia nel tempo: inserzione o disinserzione frequente di grosse utenze, avviamento di motori, funzionamento di forni ad arco o macchinari pesanti (es. frantumatori industriali), utilizzo di saldatrici o di convertitori elettronici di potenza, ecc..
Squilibrio di tensione: Uno squilibrio (asimmetria) di tensione in un sistema trifase si verifica quando le tre fasi non sono caricate uniformemente, così che almeno una fase presenta una tensione significativamente inferiore alle altre. Tali squilibri, spesso sottovalutati, possono causare gravi danni alle apparecchiature elettriche: i trasformatori e motori trifase alimentati con tensioni asimmetriche subiscono surriscaldamenti, vibrazioni e rumorosità anomale, andando incontro a guasti prematuri. Anche squilibri modesti (ad esempio del 2–3% in tensione) possono generare sbilanciamenti di corrente superiori al 20%, con incrementi di temperatura oltre i 30 °C nei motori.
Cali e sbalzi di tensione: I cali di tensione (sag) sono riduzioni improvvise dell’ampiezza della tensione al di sotto di circa il 90% del valore nominale (fino a un minimo del 10%; al di sotto di tale soglia si parla di interruzione completa). Sono gli eventi di Power Quality più comuni, responsabili della maggior parte dei problemi riscontrati negli impianti. I sintomi di un calo di tensione includono l’attenuazione dell’illuminazione (luci incandescenti che si affievoliscono), l’arresto o il riavvio indesiderato di computer e dispositivi elettronici sensibili, la perdita di dati in controllori logici programmabili (PLC) e gli scatti intempestivi di relè di protezione. In presenza di cali ripetuti, si suggerisce di monitorare i carichi dove si manifestano i primi sintomi e, se necessario, effettuare misure a monte dell’impianto fino a individuare la causa originaria del problema. Gli sbalzi di tensione (surge), al contrario, sono aumenti della tensione oltre il 110% del nominale. Pur essendo meno frequenti dei cali, gli sbalzi possono provocare danni immediati alle apparecchiature – spesso bruciando componenti elettronici di alimentazione – oppure sollecitare i componenti elettrici in modo da causare guasti prematuri dopo ripetuti eventi di sovratensione. Le principali cause degli sbalzi sono lo spegnimento improvviso di grossi carichi oppure manovre anomale nei sistemi di rifasamento a condensatori.

Soluzioni tecniche consigliate

Per ogni categoria di problema di Power Quality esistono soluzioni tecniche specifiche. In generale, è fondamentale misurare e analizzare le grandezze elettriche in gioco (tensione, corrente, forma d’onda) per individuare l’origine del disturbo e applicare la soluzione più adatta. Di seguito sono riportati alcuni interventi tecnici comunemente consigliati:

Rifasamento (correzione del fattore di potenza): Installare batterie di condensatori per compensare l’energia reattiva e ottimizzare il fattore di potenza è spesso il primo intervento da considerare. In presenza di armoniche elevate, le apparecchiature di rifasamento devono essere dotate di induttanze di blocco per evitare fenomeni di risonanza.
Filtri armonici: I filtri armonici (passivi o attivi) vengono installati per eliminare o attenuare le componenti armoniche presenti in rete. Dopo aver individuato l’origine dei disturbi armonici, l’installazione di un filtro adeguato permette di ridurre la distorsione armonica totale (THD) entro limiti accettabili, risolvendo i problemi di surriscaldamento e malfunzionamento causati dalle armoniche.
Stabilizzatori di tensione: Gli stabilizzatori elettronici regolano automaticamente la tensione di alimentazione, mantenendola vicina al valore nominale nonostante le fluttuazioni in ingresso. Sono dispositivi efficaci per correggere squilibri di tensione (agendo indipendentemente su ciascuna fase del sistema trifase) e per compensare in tempo reale gli abbassamenti o innalzamenti di tensione dovuti a disturbi sulla rete, garantendo un’uscita stabile per le utenze a valle.
Compensazione dinamica e filtri attivi: Nei casi di carichi altamente variabili che provocano flicker (oscillazioni rapide della tensione), si possono impiegare sistemi di compensazione dinamica della tensione e/o filtri attivi di rete. Queste soluzioni iniettano potenza di compensazione in modo rapido e mirato per smorzare le oscillazioni di tensione; il corretto dimensionamento di un sistema anti-flicker richiede un’analisi preventiva degli andamenti di carico a breve termine (misura della variazione rapida del carico).