1.2.3     Scelta del condensatore

La scelta del condensatore è funzione del tipo di sistema (monofase o trifase) e del tipo di collegamento ( stella o triangolo). Dai dati di targa, le grandezze caratteristiche del condensatore possono essere ricavate dalle seguenti formule:

• per unità monofase, la capacità C della batteria di condensatori è:

e la corrente nominale:

• per ciascuno dei tre condensatori di una unità trifase, si ha invece :

Dove :

U_n= tensione concatenata del sistema di alimentazione,

I_L = corrente di linea,

I_nC= corrente che attraversa il condensatore.

Da quanto sopra esposto si deduce che, a parità di potenza reattiva, la connessione a stella richiede capacità 3 volte maggiori e i condensatori sono sottoposti ad una tensione minore. A parità di capacità invece se il collegamento è a stella la potenza reattiva fornita è tre volte minore (la corrente e la tensione sul condensatore sono minori) che nel caso del collegamento a triangolo.

1.2.4     Metodi di rifasamento

Prima di passare al dimensionamento della batteria di condensatori è necessario sceglierne l'ubicazione nell'impianto. In base a tale scelta è possibile individuare i diversi metodi di rifasamento.

Rifasamento distribuito

Consiste nel rifasare localmente ciascun carico installando una batteria di condensatori dedicata (è il metodo utilizzato dai costruttori per rifasare le lampade fluorescenti). Questa è la soluzione migliore in quanto permette non solo di ridurre la potenza reattiva richiesta alla rete di alimentazione ma anche di migliorare lo sfruttamento dell'impianto, riducendone le correnti e conseguentemente anche le perdite e le cadute di tensione. E' una soluzione piuttosto costosa e risulta solitamente conveniente solo per grossi carichi concentrati. Si preferisce quindi effettuare un rifasamento distribuito per gruppi o per settori dell'impianto.

Fig. 1.2.8 - Rifasamento distribuito 

Rifasamento per gruppi

Quando è possibile suddividere l'impianto in gruppi di utilizzatori con caratteristiche di funzionamento omogenee può risultare conveniente rifasare un gruppo di utilizzatori con un'unica batteria di condensatori. In questo caso è bene ricordare che non c'è miglior sfruttamento dei cavi per tutta la rete a valle del punto di collegamento del condensatore.

Fig. 1.2.9  - Rifasamento per gruppi

Rifasamento centralizzato

E' il metodo in assoluto più economico e consiste nell'installare un'unica batteria di condensatori a monte di tutto l'impianto. Può essere considerato l'opposto del rifasamento distribuito in quanto non determina uno sfruttamento ottimale dell'impianto. E' senz'altro il sistema migliore se installato in impianti in cui si ha un assorbimento pressoché costante di potenza reattiva.

Fig. 1.2.8 - Rifasamento centralizzato

Rifasamento centralizzato con batterie ad inserzione/disinserzione automatica

Negli impianti in cui invece le condizioni di carico sono piuttosto variabili (si ricorda il divieto di abbassare il fattore di potenza al di sotto del valore 0,7 e la convenienza di mantenerlo al di sopra di 0,9, con potenze impegnate superiori a 15 kW, per evitare sovraprezzi. Anche il divieto per l'utente di erogare energia reattiva verso la rete di fornitura è un ulteriore motivo che impone di controllare e regolare il rifasamento in funzione del carico che presenta durante il normale esercizio) vengono impiegati sistemi di rifasamento automatici che, per mezzo di un sistema di rilevamento di tipo varmetrico, permettono l'inserzione o la disinserzione automatica di diverse batterie di condensatori, seguendo in tal modo le variazioni della potenza reattiva assorbita e mantenendo costante il fattore di potenza dell'impianto. Nello schema logico che segue è rappresentato il principio operativo dei quadri di rifasamento automatico: Un opportuno dispositivo (relè di regolazione) confronta il valore desiderato del fattore di potenza a quelli effettivamente assunti dall'impianto durante l'esercizio. In base allo scostamento rilevato comanda l'inserimento o il disinserimento, attraverso opportuni contattori, dei gruppi di condensatori (corrispondenti ai prefissati gradini di regolazione) necessari per mantenere il fattore di potenza al valore prefissato. Il prelievo dei segnali, a monte del punto di installazione della batteria di condensatori, viene effettuato per il segnale amperometrico tramite un trasformatore di corrente (TA) posto su una delle tre fasi e mediante collegamento diretto, o mediante trasformatore di tensione (TV) sulle altre due fasi per il segnale voltmetrico.

Fig. 1.2.9  - Schema di inserzione di un regolatore automatico

Per consentire un funzionamento senza pendolamenti (inserzione e disinserzione continua anche in presenza di piccoli carichi con basso fattore di potenza che potrebbero creare una situazione di instabilità con oscillazioni attorno a valori limite del fattore di potenza e provocare la rapida usura dei contatti e danni ai condensatori) nei regolatori più sofisticati vengono presi opportuni accorgimenti come tempi di risposta ritardati e intervalli di non intervento in funzione del valore della corrente nominale. Al fine di fornire una potenza che sia la più vicina possibile a quella richiesta, l'inserzione dei condensatori avviene a gradini con una precisione di controllo che sarà tanto maggiore quanto numerosi saranno i gradini e quanto più piccola sarà la differenza tra l'uno e l'altro. La potenza complessiva viene frazionata in un certo numero di batterie uguali oppure con potenza che segue la proporzione 1,2,4,8,...2ⁿ-1. Nel primo caso il numero delle combinazioni è uguale al numero di batterie di condensatori mentre nel secondo caso il numero delle combinazioni è molto elevato (2ⁿ-1, essendo n il numero delle batterie di condensatori) permettendo una regolazione dell'energia reattiva più precisa. Se da un lato la regolazione risulta più precisa con questo secondo tipo di batterie è bene però ricordare che in questo caso esiste il problema, in fase di inserzione, della scarica di una batteria sull'altra essendo tanto più problematico quanto più le batterie sono di potenza diversa.

Fig. 1.2.10  - Frazionamento delle batterie di condensatori

Fig. 1.2.11 - Schema logico di funzionamento dei quadri di rifasamento automatici

Rifasamento misto

In pratica si ricorre spesso a un sistema di rifasamento di tipo misto cioè utilizzando tutti o in parte i sistemi visti in precedenza.

1.3 Calcolo pratico della potenza di rifasamento

Per determinare la potenza capacitiva (kvar) necessaria per elevare il fattore di potenza al valore voluto, normalmente 0,9, occorre prendere in considerazione alcune fatture dell'Ente distributore (almeno 3 con esclusione di quelle meno significative come ad esempio quelle dei mesi di agosto e dicembre). Dalla colonna relativa al consumo di energia attiva si rilevano i valori corrispondenti ai consumi dei mesi  presi in considerazione ; il valore che si legge in tale colonna rappresenta l'energia attiva in kWh . Facendone la somma e dividendo il totale per il numero di ore effettivamente lavorate nel corso dei mesi considerati è possibile ricavare la potenza media consumata in questo periodo. Occorre ora calcolare il fattore di potenza medio relativo ai suddetti mesi. Si deve procedere nel seguente modo:

sommare tutti consumi di energia attiva in kWh ;

sommare tutti i consumi dell'energia reattiva ;

fare il rapporto della somma dell'energia reattiva totale e della somma dell'energia attiva totale.

Il rapporto così ottenuto è la media mensile dalla quale, mediante apposite tabelle, è facile ricavare il medio mensile. Qualora nelle fatture dell'ente distributore compaia anche il fattore di potenza mensile si può calcolare il fattore di potenza medio relativo ai mesi considerati facendone la media aritmetica. Questo metodo, pur non corretto dal punto di vista teorico, fornisce comunque un risultato abbastanza prossimo a quello reale. Un altro metodo, per la verità piuttosto laborioso, consiste nel determinare il fattore di potenza direttamente dalla lettura dei contatori della potenza attiva e reattiva. E' necessario disporre di un orologio col quale misurare un determinato intervallo di tempo. Due persone dovranno, in tale intervallo di tempo, contare l'una, il numero dei giri effettuati dal contatore della potenza attiva, l'altra il numero dei giri effettuati dal contatore dell'energia reattiva. Dopo aver rilevato la costante degli strumenti (tali costanti indicano a quanti giri corrisponde un kWh e un kvarh rispettivamente) occorre dividere il numero dei giri effettuati dai due contatori per le rispettive costanti. I valori così calcolati possono essere utilizzati per calcolare la (l'energia reattiva diviso l'energia attiva) e successivamente, come abbiamo visto, il . Il fattore di potenza così calcolato è relativo all'intervallo di tempo preso in considerazione.

1.4 Come rifasare - Suddivisone della potenza capacitiva

A questo punto la potenza reattiva capacitiva calcolata deve, per poter essere correttamente utilizzata, essere opportunamente suddivisa. Per meglio comprendere il problema verranno di seguito sviluppati alcuni problemi di carattere pratico.

1.4.1 Rifasamento dei motori asincroni

Per rifasare un motore asincrono trifase occorre innanzitutto conoscere le caratteristiche elettriche del motore stesso. Dai dati di targa è possibile rilevare alcuni parametri elettrici caratteristici quali la potenza, la tensione nominale, la frequenza, la corrente di avviamento e il numero dei poli che verranno utilizzati per il calcolo della potenza reattiva che ci permetterà di scegliere il condensatore di rifasamento. Il condensatore deve essere collegato alla rete al momento della partenza del motore e disinserito successivamente al momento del suo arresto. Per lo scopo si potrebbe utilizzare un contatto libero del teleruttore di avviamento del motore oppure collegare il condensatore a valle dell'interruttore. In questo caso occorre assicurarsi che il motore non giri troppo a lungo per inerzia dopo l'interruzione dell'alimentazione, perché in tal caso esso, comportandosi come generatore, caricherebbe il condensatore ad esso collegato provocando pericolosi aumenti di tensione.

Fig. 1.4.1 - Esempi di schemi d'installazione dei condensatori di rifasamento

Esempio 1

Si deve rifasare un motore asincrono trifase che presenta le seguenti caratteristiche:

P=100 kW        f=50Hz          V=400V         I₀=50A

Il condensatore sarà direttamente allacciato ai morsetti del motore come rappresentato nella figura (fig 1.4.1.A).

Si vuole evitare che il fattore di potenza risulti in anticipo e quindi si impone che la corrente di rifasamento non sia superiore al 90% della corrente a vuoto I₀ del motore.

La potenza reattiva generata dal condensatore dovrà essere:

Nell'intorno del valore 31,1 kvar è possibile scegliere il condensatore, ad esempio un condensatore di potenza pari a 30 kvar.

Esempio 2

Un motore asincrono presenta le seguenti caratteristiche (fig 1.4.1 A)

P=300kW                            V=550V                                                  f=50Hz

Il condensatore di rifasamento dovrà essere allacciato direttamente ai morsetti del motore. Non essendo conosciuto il valore della corrente a vuoto può essere considerato con buona approssimazione uguale al 30% della corrente nominale del motore per cui:

Si potrebbe impiegare un condensatore da 140kvar alla tensione di 550V

Continua...