1.5 Il problema delle armoniche

La presenza di utilizzatori di tipo elettromagnetico come motori, elettromagneti, induttanze e di componenti elettronici a comportamento non lineare implica la circolazione di correnti armoniche nella rete elettrica. Tali correnti, attraverso l'impedenza di linea, si traducono in tensioni aventi una frequenza multipla della fondamentale. Queste tensioni si sovrappongono alla fondamentale determinando una distorsione della forma d'onda finale che, risultando non più sinusoidale, crea disturbi alla rete elettrica. Dalla teoria è noto che qualsiasi forma d'onda periodica può sempre ricondursi alla sovrapposizione di un'onda sinusoidale della stessa frequenza denominata “onda fondamentale” e di altre onde sinusoidali di frequenza doppia, tripla,ecc.. In figura 1.5.1 è rappresentata una tensione di 3^a armonica (V_n3) sovrapposta ad una fondamentale (V_n1) anche se in realtà sono presenti più armoniche di ampiezza rilevante.

Fig. 1.5.1 - La corrente aumenta con la presenza delle armoniche.

La presenza di armoniche in un impianto ne riduce il suo rendimento, a causa della potenza armonica che non produce lavoro ma solo perdite. Inoltre collegando un condensatore ad un impianto inquinato da armoniche si avrà l'assorbimento di una corrente per ciascuna armonica presente. Poiché la corrente risulta essere proporzionale alla frequenza le armoniche in corrente possono diventare rilevanti anche se non lo sono in tensione. Nell'esempio in figura 1.5.1 la corrente di terza armonica triplica rispetto alla fondamentale anche se la V_n3 è molto più piccola della V_n1 . La distorsione armonica della tensione può perciò tradursi in sovracorrente per il condensatore. Le armoniche generalmente non creano particolari problemi, se si esclude un certo aumento delle perdite addizionali nelle macchine elettriche. I condensatori invece sono particolarmente sensibili a questo tipo di fenomeno perché la loro impedenza decresce in modo proporzionale all'ordine delle armoniche presenti. Se la frequenza di risonanza dell'insieme rete-condensatore è prossima alla frequenza delle armoniche presenti in rete, le armoniche verranno amplificate dando luogo a sovratensioni. Come conseguenza si avrà una corrente risultante che provocherà il riscaldamento del condensatore e dei cavi di alimentazione e il conseguente intervento del termico dell'interruttore di protezione. A causa della presenza di armoniche è bene dimensionare i condensatori con una maggiorazione della corrente nominale di circa il 30%. Oltre a questo, in considerazione delle tolleranze sui dati nominali, è opportuna una ulteriore maggiorazione del 10%. Il dimensionamento dei componenti in serie col condensatore dovrà quindi essere pari a 1,43 volte la corrente nominale del condensatore. A protezione dalle sovratensioni si possono utilizzare condensatori sovradimensionati in tensione (ad esempio 440V per reti a 400V) e filtri antiarmoniche (si tratta di speciali reattori posti in serie ai condensatori e con questi opportunamente accordati che hanno lo scopo di rendere induttiva la reattanza totale), opportunamente dimensionati in funzione dello spettro di armoniche presenti nella rete. Per verificare se esiste il pericolo di insorgenza di risonanze pericolose si deve confrontare la potenza di corto circuito della rete con la potenza della batteria di condensatori, applicando la seguente formula approssimata:

dove:

f₁ = frequenza della fondamentale ;

f_r  = frequenza di risonanza; 

P_cc = potenza di corto circuito nel punto in cui sono installati i condensatori di rifasamento; 

Q_c = potenza di rifasamento.

Dalla stessa si può ottenere l'ordine dell'armonica f_r/f₁:

Nel caso di rifasamento automatico la verifica andrà ripetuta per tutti i valori possibili di Q_c

I condensatori sono caratterizzati da un coefficiente di amplificazione d'armonica (k) che varia caso per caso e il cui andamento è riportato in figura 1.5.2. Per questo motivo non è sufficiente che il valore di h non coincida con quello di un'armonica esistente per escludere il pericolo di risonanza ,ma che le armoniche esistenti cadano dentro la curva di amplificazione perché si creino situazioni pericolose. Utilizzando opportuni filtri si può stringere la curva riducendo l'intervallo entro cui possono innescarsi le risonanze (figura 1.5.3)

Fig. 1.5.2 - Coefficiente di amplificazione di armonica in funzione dell'ordine di armonica

Fig. 1.5.3 - Effetto del reattore sul coefficiente di amplificazione di armonica

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