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Armoniche

Articolo n° 20 su 36 del corso "DR plus". Vai all'indice del corso.

Paragrafi dell'articolo:

L'argomento, vasto e complesso, rientra nel quadro generale della qualità dell'energia, e la sua importanza è rapidamente cresciuta con la diffusione massiccia delle apparecchiature elettroniche.

Ogni grandezza periodica è scomponibile in una somma di grandezze sinusoidali di frequenza crescente ed ampiezza decrescente. E' il teorema di Fourier, sorprendente e fondamentale. Sorprendente perché la sinusoide è, come dire?, il "gene" alla base di ogni funzione periodica; fondamentale  per la sua capacità di dipanare una qualsiasin matassa di segnali comunque aggrovigliati.

Tutte le sinusoidi componenti hanno frequenze multiple della fondamentale, che è la sinusoide principale avente la stessa frequenza della grandezza originaria. Sono queste le armoniche. La figura mostra la scomposizione di un'onda quadra, con valore medio diverso da zero, evidenziando, oltre al valore medio, costante, la fondamentale e le armoniche terza e quinta.

Se la grandezza originaria è una perfetta sinusoide non ci sono armoniche. Dal punto di vista della qualità dell'energia, la situazione ideale si ha con tensione e corrente perfettamente sinusoidali. La tecnica costruttiva delle grandi unità delle centrali elettriche, consente di produrre una tensione praticamente ideale. Affinché anche la corrente erogata abbia sempre la forma di una perfetta sinusoide, i carichi devono essere lineari, cioè assorbire correnti sempre proporzionali alla tensione. La loro caratteristica tensione-corrente è, in tal caso, rappresentata da una retta passante per l'origine. Carichi lineari sono le pure resistenze, le induttanze in aria, le capacità. Quando la caratteristica tensione-corrente non è una retta, la corrente assume una forma diversa dalla sinusoide, quindi contiene armoniche in quantità più o meno elevata.

L'entità della deformazione di corrente è data da un parametro detto totale distorsione armonica di corrente, fornita dall'equazione:

THDi%=(100/I1)*RadQ(I22+I32+…+In2+…)

dove I1 è il valore efficace della fondamentale ed I2, I3, ecc. i valori efficaci  delle armoniche.

Gli inconvenienti provocati dalle armoniche di corrente sono molteplici:

  • malfunzionamento di apparecchiature elettroniche, quindi dei più svariati sistemi di controllo e protezione; malfunzionamento di componenti elettromeccanici ( es: relé)
  • sovratensioni nella rete di distribuzione;
  • sovracorrenti nei circuiti (es: correnti sul neutro)
  • incremento delle perdite, sia nel ferro che nel rame, degli apparecchi elettromeccanici (motori, trasformatori);
  • interferenze a frequenza acustica;
  • deformazione della tensione di rete (per la quale verrà definito un THDv% analogamente a quanto fatto per la corrente)

Ognuno di questi fenomeni richiede un'analisi approfondita per essere compreso. Soffermiamoci su uno dei più comuni: le sovracorrenti nel neutro. Le armoniche di ordine tre ed i loro multipli, in un sistema trifase sono in fase: costituiscono, come si dice, terne omopolari. Nei sistemi a quattro fili le terne omopolari, ciascuna di ampiezza Io,  si sommano aritmeticamente ed il neutro è percorso da una corrente: Ino=3*Io. Quindi, ad esempio, una componente di terza armonica che abbia un'ampiezza del 33% della fondamentale, produce nel neutro una corrente esattamente uguale alla fondamentale. La corrente in questo conduttore può facilmente superare quella di fase. E' dunque indispensabile conoscere bene la natura dei carichi per dimensionare correttamente il neutro.

Le cause delle armoniche di corrente sono, come detto, i carichi non lineari. Quindi, ad esempio

  • convertitori per motori c.c. e c.a.
  • raddrizzatori;
  • lampade fluorescenti;
  • saldatrici;
  • computer;
  • UPS.

I principali riferimenti normativi sono:

CEI – EN 6055-1 "Disturbi nelle reti di alimentazione prodotti da apparecchi elettrodomestici e da equipaggiamenti elettrici simili" (1997)

Compatibilità elettromagnetica (EMC)

CEI – EN 61000 –3-3 Limiti delle fluttuazioni di tensione per apparecchiature con corrente nominale minore od uguale  a 16 A (1997)

CEI – EN 50160 "Caratteristiche della tensione fornita dalle reti pubbliche di distribuzione dell'energia elettrica" (2000)

CEI – EN 55014 – 1 Prescrizioni per gli elettrodomestici, gli utensile elettrici e gli apparecchi similari" (2001)

CEI – EN 61000 3-4:  Limiti per le emissioni di armoniche di corrente in apparecchiature con corrente nominale minore od uguale a 16 A. (2002)

CEI – EN 61000 2-4 (EMC) Livello ammesso per i disturbi in bassa frequenza negli impianti industriali (2003)

Un ottimo sito per questi problemi è accessibile a questo link:

http://www.electroyou.it/vis_resource.php?section=Link&id=3538

Molto utile anche il seguente

http://www.electroyou.it/vis_resource.php?section=Link&id=1834

 

Scomposizione di una forma d'onda quadra

 

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Commenti e note

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di ,

Hai capito bene

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di fato,

Molto interessante per i profani Ma quindi determinate armoniche,possono portare ad un innalzamento dell'usuale valore di corrente o comunque del valore che avesse in assenza di armoniche? Cioè se non ho capito male si possono avere problemi di amplificazione di corrente e tensione in un impianto con armoniche? Grazie

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di giuseppe-dep,

argomento molto interessante...prima di leggere questo documento non ero a conoscenza delle "cosiddette armoniche" ne sentivo parlare e non capivo cosa stava a significare. Adesso credo di essermi fatto una vaga idea! grazie giuseppe

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