Introduzione sul perchè del rifasamento

In ambito industriale, ma non solo, il rifasamento assume una posizione di fondamentale importanza, non soltanto per evitare le penali applicate dal distributore per basso cos φ medio mensile (quando lo stesso scende al di sotto del limite fissato nel valore di 0,90), ma soprattutto per ottimizzare i costi degli impianti di distribuzione (trasformatori, conduttori, ecc..) già in fase di progettazione dell' impianto elettrico, evitando di dovere ricorrere a costosi (ed inutili) sovradimensionamenti.

Un valore basso di cos φ implica una maggiore intensità di corrente a parità di potenza attiva assorbita dal carico. E' quindi facilmente intuibile perchè cercare di ridurre lo sfasamento e innalzare il cos φ, ovvero: rifasare.

Il cos φ (o fattore di potenza)

Contrariamente a quanto si possa pensare, il fattore di potenza non è un pacifico contadino lucano, ma bensì un valore trigonometrico, coseno dell' angolo φ (pronuncia: phi, "fi") che esprime lo sfasamento (in un sistema elettrico in corrente alternata) tra corrente e tensione.

Va precisato che fattore di potenza (fdp) e cos φ coincidono solo e se si parla di circuiti in regime sinusoidale puro.

Questa è una (se non l'unica) definizione classica, che tuttavia può risultare poco intuitiva per chi non abbia studi specifici alle spalle.

Per semplificare il concetto, facciamo riferimento alla potenza elettrica ed al suo triangolo rappresentativo (pariamo sempre di sistemi in corrente alternata)

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Escludendo i carichi puramente resistivi, dove il cos φ può essere considerato unitario (nessuno sfasamento corrente/tensione e sola potenza attiva assorbita), la maggior parte degli utilizzatori elettrici ha componenti induttive e/o capacitive.

Nota: E' bene precisare che non ha senso (in questa sede) fare riferimento a carichi che siano resistori ideali, induttori ideali o capacitori ideali; Nella quotidianità abbiamo a che fare con utilizzatori reali che per costruzione e modalità di collegamento alla rete elettrica che li alimenta, vanno visti come una risultante derivata dai fenomeni che li contraddistingono.

Carichi con componenti induttive (induttori)

• Motori elettrici
• Trasformatori

In generale, tutti i componenti elettrici che generano un campo magnetico necessario per il loro funzionamento (effetto magnetizzante).
In questo caso, la corrente induttiva è sfasata in ritardo rispetto alla tensione applicata.

Carichi con componenti capacitive (capacitori)

• Condensatori

In questo caso, si ha il comportamento opposto, ovvero la corrente capacitiva risulta sfasata in anticipo rispetto alla tensione applicata.

Ritornando al nostro triangolo delle potenze (è inutile precisare che queste siano fortemente legate alle rispettive correnti) è facile ora intuire come sia utile giocare con i condensatori, per sopperire allo sfasamento in ritardo provocato dalla maggior parte dei carichi normalmente utilizzati.

Il rifasamento ha proprio questa prerogativa, immettere in rete potenza reattiva capacitiva per compensare (annullare) la potenza reattiva induttiva assorbita dai carichi.

Qualche formula

Riferendoci sempre al triangolo delle potenze, possiamo ricavare le seguenti formule (per sistemi in C.A. monofase):

Potenza apparente (S)

Potenza attiva (P)

Potenza reattiva (Q)

Il fattore di potenza è dato dal rapporto

Ed essendo il triangolo delle potenze, un trigangolo rettangolo, applicando il teorema di Pitagora, si ha che:

e

Come avviene il rifasamento

Comunemente è possibile rifasare utilizzando diverse strategie, questo in funzione della complessità e della dislocazione dei carichi.
Come sempre, bisogna andare alla ricerca del giusto compromesso tra costi e benefici.
Va detto, che a livello economico, quando correttamente dimensionato, l' impianto di rifasamento è quello che per sua natura si ripaga più velocemente di qualsiasi altro impianto.
E' inoltre giusto precisare che è possibile rifasare sia sul lato BT che su quello MT (a scelta).

I principali sistemi per il rifasamento sono:

• distribuito
• per gruppi
• centralizzato

Rifasamento distribuito

Consiste nel dotare ogni singolo utilizzatore (motore o altro) di condensatori di rifasamento direttamente ai suoi morsetti di alimentazione. Questo sistema ha una sua convenienza, quando gli utilizzatori da rifasare non siano molti e si utilizzino pressochè contemporaneamente.
Il vantaggio principale del rifasamento distribuito, consiste nel non dovere sovradimensionare alcuna linea di alimentazione, da quelle di distribuzione a quelle terminali, proprio perchè il carico viene rifasato "sul posto".

Rifasamento per gruppi

Rispetto al precedente, questo sistema è sfruttato, quando ad alimentare un numero maggiore di utilizzatori siano chiamati in causa più sotto quadri di distribuzione. Per ogni quadro si prevedono dei sistemi di rifasamento fissi o ad inserzione/disinserzione automatica controllata.

Rifasamento centralizzato

E' costituito da un sistema centralizzato, normalmente collegato in parallelo al quadro generale BT (bassa tensione) e quindi a monte dei vari impianti.
La sua potenza reattiva totale (kvar) è calcolata in base all' entità dei carichi che si vuole rifasare.
Il sistema viene gestito tramite l'inserzione/disinserzione di più batterie di condensatori (chiamati gradini) controllata da una centralina di regolazione del cos φ (e/o da relè amperometrici) che connette in parallelo alla rete (in tempo reale) una o più batterie in base alla richiesta specifica.

Questo sistema di rifasamento (largamente utilizzato) comporta minori costi iniziali e di manutenzione, ma comporta anche più problemi nel corretto dimensionamento, suo (del quadro di rifasamento) e delle linee che alimentano gli utilizzatori, queste a differenza del rifasamento distribuito, non possono essere sottodimensionate o non tenere conto della corrente maggiorata dal basso cos φ.
Un' altro rischio del rifasamento centralizzato, è l' immissione in rete di potenza reattiva capacitiva. Questo può capitare quando per controbilanciare un dato valore di potenza reattiva induttiva viene inserita una batteria avente capacità maggiore del necessario.
Nei rifasatori modulabili, per ovviare al problema, si cerca di realizzare un maggior numero di gradini (anche di potenza reattiva diversa tra loro) in modo da potere realizzare (attraverso la centralina di controllo) e coprire tutta la scala ed adeguarsi alle condizioni di carico/funzionamento degli impianti.

A solo titolo di esempio, un quadro di rifasamento da 100 kvar, potrebbe essere diviso in 5 gradini con valori di 5,10,20,25,40 kvar, in modo da potere realizzare step intermedi più precisi (5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100) a seconda dei contattori che verrebbero attivati dal modulo di regolazione.

Il quadro di rifasamento

Dopo tanto parlare è arrivato finalmente il momento di... Aprire il quadro
Quello che segue è un quadro di rifasamento da 300 kvar (rifasamento centralizzato) di non recentissima realizzazione (e momentaneamente dismesso poichè completamente da revisionare) composto da 6 gradini (30,30,60,60,60,60).

Carpenteria e targa

fronte quadro

Dati di targa e schema elettrico di connessione alla rete

targa

Connessioni in ingresso

sezionatore di manovra

Centralina di regolazione

fronte pannello regolazioni

fronte pannello regolazioni 2

retro pannello e schema collegamenti

I cassetti con i contattori e i fusibili di protezione

cassetti aperti

Notare le... strane (?) resistenze limitatrici sui contattori

contattori e fusibili

I condensatori

condensatori

In questa foto sono ben visibili le resistenze di scarica dei condensatori

condensatori 2

Conclusioni

Come sempre ripeto nei miei articoli, la trattazione non è di certo eccelsa è più roba da autodidatta e quindi per certi aspetti carente.
In questo momento non avevo ne tempo ne voglia, ma si potrebbe ampliare il discorso, focalizzando l'attenzione sul dimensionamento delle batterie di condensatori in relazione alla potenza e ai carichi installati. Magari lo farò più in la.