I principi di funzionamento di Enerkeeper™

 

Il Rifasamento

Negli impianti elettrici, gli utilizzatori assorbono dalla rete potenza elettrica (attiva) quale fonte di energia di alimentazione (es. PC, stampanti, apparecchiature diagnostiche, ecc.) oppure la convertono in un’altra forma di energia (es. lampade o stufe elettriche) o in lavoro utile (es. motori elettrici).

Affinché ciò avvenga è spesso necessario che l’utilizzatore scambi con la rete (con un consumo netto nullo) energia reattiva principalmente di tipo induttivo.

Tale energia, pur non essendo direttamente convertita in altre forme, contribuisce ad incrementare la potenza totale transitante nella rete elettrica, dai generatori lungo tutte le condutture fino agli utilizzatori.

Per attenuare tale effetto negativo viene effettuato il rifasamento degli impianti elettrici utilizzatori.

Il rifasamento consente quindi una gestione tecnico-economica migliore e più razionale degli impianti stessi.

Inoltre l’attuale diffusione di utilizzatori in corrente continua, quali circuiti elettronici e drivers per azionamenti elettrici, comporta la generazione di armoniche di corrente che si riversano in rete, con il conseguente inquinamento e la distorsione delle forme d’onda su altri carichi allacciati.

 

Cosa è il rapporto di potenza?

Il Fattore di Potenza coinvolge il rapporto tra due tipi di Potenza: la Potenza Attiva e la Potenza Reattiva.

 

La maggior parte dei carichi, negli attuali sistemi elettrici di distribuzione, sono Induttivi: ciò significa che, per funzionare, richiedono un campo elettromagnetico e l’assorbimento dalla Rete di due tipi di Potenza:

• Potenza Attiva che realizza il lavoro della macchina, il calore, la forza, il movimento, ecc.

• Potenza Reattiva che produce soltanto il campo elettromagnetico necessario alla macchina elettrica per funzionare. In altri termini la potenza reattiva che transita sulle linee, impegnando una sezione utile del cavo e generando cadute di tensione, non genera lavoro.

 

La Potenza Attiva si misura in kW mentre la Potenza Reattiva si misura in kvar (kilovolt-ampere-reattivi). La Potenza Attiva e la Potenza Reattiva assieme compongono la Potenza Apparente, che si misura in kVA.

Il Fattore di potenza, che si indica anche come cosf, è il rapporto tra la Potenza attiva e la Potenza apparente, tale rapporto può variare tra 0 ed 1.

Cosf = Potenza attiva (kW) / Potenza apparente (kVA)

 

Rifasare significa agire per incrementare il fattore di potenza fornendo la potenza reattiva necessaria al fine di ridurre, a pari potenza utile richiesta, il valore della corrente e quindi della potenza transitante nella rete a monte.

In questo modo, le linee, i generatori e i trasformatori possono essere dimensionati per un valore di potenza apparente inferiore.

Effettuare il rifasamento rappresenta tuttavia una soluzione che consente di ottenere vantaggi tecnici ed economici; infatti, esercire un impianto con un basso cosϕ comporta un incremento dei costi per il distributore di energia elettrica il quale, di conseguenza, applica un sistema di tariffe che penalizza il prelievo dell’energia con bassi fattori di potenza.

I provvedimenti legislativi esistenti nei vari paesi permettono agli enti distributori nazionali la creazione di un sistema di tariffe più o meno dettagliato; senza scendere nei particolari, tale sistema è strutturato in modo che l’energia reattiva assorbita in eccedenza a quella corrispondente ad un cosϕ uguale a 0.9 deve essere pagata secondo determinati importi che dipendono dal livello di tensione della fornitura (bassa, media o alta) e dal fattore di potenza.

In base al sistema tariffario applicato, l’utilizzatore può determinare gli importi della propria maggiorazione e quindi è in grado di valutare, a fronte del costo di un impianto di rifasamento, il risparmio sul costo delle penali da pagare.

 

Come precedentemente accennato, rifasando un impianto fornendo la potenza reattiva necessaria si riduce, a pari potenza utile richiesta, il valore della corrente e quindi la potenza globale assorbita da monte; ciò comporta numerosi vantaggi tra i quali un migliore utilizzo delle macchine (generatori e trasformatori) e delle condutture (linee di trasmissione e distribuzione).

 

Riduzione delle perdite

Le perdite di potenza in un conduttore elettrico dipendono dalla resistenza del conduttore stesso e dal quadrato della corrente che lo attraversa; dato che a parità di potenza attiva trasmessa, più alto è il cosf, più bassa è la corrente, ne consegue che al crescere del fattore di potenza diminuiscono le perdite nel conduttore posto a monte del punto in cui si effettua il rifasamento

 

Riduzione della caduta di tensione

A parità di potenza attiva trasmessa la caduta di tensione sarà tanto più piccola quanto più grande sarà il fattore di potenza con un rapporto al quadrato.

 

Quando rifasare?

• Quando il fattore di potenza medio mensile è inferiore a 0,7 l’utente è obbligato a rifasare l’impianto

• Quando il fattore di potenza medio mensile è compreso tra 0,7 e 0,9 non c’è l’obbligo di rifasare l’impianto ma l’utente paga una penale per l’energia reattiva

• Quando il fattore di potenza medio mensile è superiore a 0,9 non c’è l’obbligo di rifasare l’impianto e non si paga nessuna quota d’energia reattiva.

 

Problematiche

Altre problematiche causate da un impianto non correttamente rifasato altrettanto significative per l'intero sistema elettrico sono:

• Elevate perdite di potenza nella trasmissione delle linee elettriche

• Elevate cadute di tensione

• Sovradimensionamento degli impianti di generazione, trasporto e trasformazione.

 

Vantaggi economici rifasamento

Si noti che avere un fattore di potenza medio mensile superiore o uguale a 0.9, significa richiedere alla rete energia reattiva inferiore o uguale al 50% dell’energia attiva.

Quindi non si applicano penali se il fabbisogno di energia reattiva non supera il 50% di quella attiva.

Il costo su base annua che l’utente sostiene prelevando l’energia reattiva in eccedenza a quella corrispondente ad un fattore di potenza pari a 0.9

I vantaggi economici sono tanto più consistenti quanto maggiore è il fabbisogno di energia elettrica.

Si hanno inoltre i seguenti vantaggi:

• Aumento della potenza dell'impianto

• Miglioramento della tensione

• Riduzione delle perdite

• Ottimizzazione della gestione dell’impianto elettrico

• Risparmio sulla sostituzione dei conduttori di energia per allungamento

 

Le armoniche negli impianti elettrici

Lo sviluppo tecnologico in campo industriale e domestico ha portato alla diffusione di apparecchiature elettroniche che, a causa del loro principio di funzionamento, assorbono

una corrente non sinusoidale (carichi non lineari).

Tale corrente provoca nella rete a monte una caduta di tensione anch’essa non sinusoidale con la conseguenza che anche i carichi lineari si trovano alimentati da una tensione distorta.

La presenza di armoniche in un sistema elettrico è quindi indice della deformazione della forma d’onda della tensione o della corrente e ciò comporta una distribuzione dell’energia elettrica tale da poter provocare cattivi funzionamenti alle apparecchiature.

 

Le principali apparecchiature che generano armoniche sono:

- personal computer;

- lampade fluorescenti ed a scarica nei gas;

- convertitori statici;

- gruppi di continuità;

- azionamenti a velocità variabili;

- saldatrici;

- forni ad arco e ad induzione.

 

Sovraccarichi

La presenza di armoniche nella rete elettrica può essere causa di malfunzionamenti delle apparecchiature, quali sovraccarichi nel conduttore di neutro, aumento delle perdite nei trasformatori, disturbi nella coppia dei motori, ecc.

In particolare le armoniche rappresentano il fenomeno di cui più pesantemente risentono i condensatori di rifasamento.

Infatti, com’è noto, la reattanza capacitiva è inversamente proporzionale alla frequenza, quindi l’impedenza offerta alle armoniche di tensione diminuisce all’aumentare dell’ordine di armonicità. Ciò significa che, se alimentati da una tensione deformata, i condensatori possono assorbire una corrente di entità tale da poterli danneggiare seriamente.

 

Risonanza

Un problema ancora più importante si verifica quando la distorsione in linea raggiunge valori elevati e diventa consistente il pericolo di risonanze tra il sistema di rifasamento e l’induttanza equivalente della rete.

La risonanza si presenta quando la reattanza induttiva e capacitiva si eguagliano.

Di conseguenza, si parlerà di circuito risonante serie se l’induttanza e la capacità sono connesse in serie o di circuito risonante parallelo se l’induttanza e la capacità sono connesse in parallelo. Una risonanza serie e una risonanza parallelo possono essere presenti nella stessa rete. La risonanza avviene ad una precisa frequenza, detta appunto frequenza di risonanza

Se un circuito risonante serie è alimentato da una tensione alternata con una frequenza prossima alla frequenza di risonanza può verificarsi un’amplificazione della corrente assorbita che può provocare disturbi, sovracorrenti e anche il danneggiamento dei componenti della rete.

Viceversa, qualora un circuito risonante parallelo è alimentato da armoniche di corrente di carichi distorcenti può verificarsi una sovratensione in corrispondenza dell’armonica di risonanza.

In assenza di armoniche e nell’ipotesi che la frequenza di risonanza sia sufficientemente diversa dalla frequenza fondamentale del sistema di alimentazione, non si verificano sovracorrenti nelle linee.

Nel caso in cui fossero presenti delle armoniche, potrebbe verificarsi un’amplificazione della corrente in corrispondenza dell’armonica di ordine prossimo alla frequenza di risonanza.

Per evitare il fenomeno della risonanza, e quindi per evitare di ridurre la vita del condensatore, occorre far sì che la rete abbia una frequenza di risonanza il più possibile diversa da quella delle armoniche presenti.

La soluzione più comune, come illustrato anche nella norma CEI EN 61642, consiste nel connettere opportunamente una reattanza induttiva in serie al condensatore (reattanza di sbarramento); il reattore deve essere dimensionato in modo da ottenere una frequenza di risonanza inferiore alla più bassa frequenza armonica della tensione presente nel circuito.

 

Stabilizzazione della Tensione

L’aumento del numero di apparecchiature sensibili alle variazioni di tensione ha  determinato una richiesta continua di strumenti capaci di garantire la fornitura di una tensione stabile ed indipendente dalle variazioni della rete di distribuzione. Perdita di dati, prodotti difettosi, minore sicurezza, guasti di macchinari, informazioni imprecise sono solo alcuni esempi di possibili problemi dovuti ad una rete instabile.

La stabilizzazione di tensione ha dimostrato di essere una risposta efficace al fine di prevenire potenziali danni dovuti alla fluttuazione della tensione in ingresso e assicurare continuità e qualità di produzione.

I fornitori di energia elettrica assicurano il valore della tensione erogata entro il ± 10% del valore nominale.

Il valore nominale normalizzato per le reti elettriche europee è di 400 V come concatenata (tra 2 fasi) e 230 V come tensione di fase (tra fase e neutro) con una frequenza di 50 Hz.

I costruttori di macchine o apparecchiature, che siano televisori o frigoriferi ecc..., garantiscono il buon funzionamento dei loro prodotti entro i parametri normali della rete; in molti casi, però, per svariati motivi le tolleranze della tensione di alimentazione di alcune apparecchiature sono più ristrette, pertanto se le tensioni raggiungono o il limite inferiore o quello superiore queste apparecchiature possono presentare dei problemi di funzionamento.

In altri casi è la rete che non rimane entro i limiti di norma del ± 10% per cui molti carichi presentano dei seri problemi di funzionamento arrivando in alcuni casi a guastarsi.

Uno dei casi più frequenti di rete molto bassa si verifica quando l'utente è alla fine di una linea elettrica molto lunga; nei momenti di maggior assorbimento le cadute lungo la linea stessa divengono tali che all'utenza non vengono forniti i 400 V ±10%, ma valori molto inferiori.

Le reti elettriche hanno una impedenza, tanto maggiore quanto più queste sono lunghe, la tensione che si presenta all’uscita dei contatori delle utenze è quanto mai variabile.

Le cause possono essere molteplici: la lunghezza delle linee, la non adeguatezza della portata delle linee stesse alle richieste sempre maggiori degli utenti, ai trasformatori delle cabine di trasformazione al limite della loro potenza e tanti altri ancora.

Molti carichi, come ad esempio compressori per frigoriferi, condizionatori, grossi elettromagneti, macchine utensili, pompe sommerse, centraline idrauliche ecc., quando vengono avviati hanno degli assorbimenti di corrente molto elevati fino a 6 volte i valori nominali; questo si tramuta in una caduta di tensione sulla linea d’alimentazione ed un conseguente abbassamento della tensione.

Il fenomeno provoca sovente il mal funzionamento di macchine che non sopportano variazioni elevate della tensione d’alimentazione in particolar modo i controlli elettronici.

Aumenti di tensione oltre i limiti detti (± 10%) si possono verificare se, per ragioni fortuite o di mal funzionamento dei sistemi di rifasamento, rimane inserito un carico capacitivo al trasformatore di distribuzione.

In zone mal servite o in modo molto più vistoso nei paesi in via di sviluppo questo problema è, e diventa ogni giorno di più, un fatto estremamente serio.

L'aumento dell'industrializzazione, l'aumento degli elettrodomestici nelle abitazioni portano ad un aumento delle richieste di energia elettrica superiore alle possibilità della fornitura; l'adeguamento delle linee e della distribuzione non segue l'aumento della domanda se non in tempi estremamente lunghi.

Questo inconveniente si risolve, da parte dell'utilizzatore, in un modo molto semplice, installando un apparecchio di stabilizzazione che, automaticamente, mantenga la tensione entro limiti del ±10% o, di solito, anche più ristretti.

 

Uso dello stabilizzatore di tensione

Un tipico stabilizzatore di tensione è in grado di rispondere ai cambiamenti nei livelli di tensione sulla linea di ingresso provocati da abbassamenti di tensione e sovratensioni. Gli abbassamenti di tensione possono essere causati da linee di distribuzione  sottodimensionate, connessione di grossi carichi alla rete, guasti a terra, ecc.

 

Le sovratensioni possono essere generate dalla disconnessione di grossi carichi, dall’aumento della tensione a livello di generatori, da fenomeni atmosferici, ecc.

La durata di tali eventi dipende dalla causa e non è facilmente prevedibile.

Generalmente gli abbassamenti di tensione sono più comuni, specialmente laddove la distribuzione non è capillare ed efficiente.

Altri disturbi quali picchi, transitori, rumore elettrico ad alta frequenza e distorsioni armoniche devono essere trattati con l’aggiunta di specifici sistemi di filtraggio.

Il buon funzionamento della maggioranza delle apparecchiature elettriche ed elettroniche dipende dalla correttezza e dalla stabilità della fornitura di tensione. Oggi molti utenti industriali e privati sono soggetti a fluttuazioni anche di lunga durata che

possono essere dannose e persino pericolose.