Cosa sono le Armoniche

Le Armoniche sono Correnti elettriche o Tensioni elettriche sinusoidali che hanno una frequenza pari a un multiplo intero della frequenza del sistema di distribuzione ( 50Hz in Italia ) , denominata frequenza fondamentale. Esse, sovrapponendosi rispettivamente alla Corrente Fondamentale e alla Tensione Fondamentale provocano la distorsione della forma d’onda.

Quando si alimenta un’apparecchiatura elettrica in alternata, ci si aspetta che essendo la tensione di forma sinusoidale, anche la corrente assorbita dal carico sia sinusoidale; ciò però, purtroppo, è vero solo per alcuni tipi di carichi che sono detti carichi lineari , ovvero quei carichi dove la relazione che lega l’ingresso e l’uscita (e quindi tensione e corrente), sia rappresentata da una retta. Oggi invece, con l’avvento di nuove tecnologie nell'industria , nel terziario e anche in ambito civile , è sempre più diffusa la presenza di un’altra tipologia di carichi, che sono detti carichi non lineari nei quali la relazione tra corrente e tensione non è più rappresentata da una retta.

La causa principale delle armoniche risiede proprio nel fatto che nella maggior parte degli impianti si fa uso di apparecchiature che utilizzano l’Elettronica di Potenza ( Carichi Non Lineari ) , come Inverter , UPS , macchine a controllo numerico. In generale, la rete fornisce un’alimentazione di 50/60 Hz di tensione sinusoidale e la forma d’onda della corrente fornita dalla sorgente in risposta al fabbisogno del carico, dipende dal tipo di carico :

- in caso di carichi lineari, la corrente assorbita è sinusoidale e ha la stessa frequenza della tensione ( può essere al massimo sfasata di certo angolo ø rispetto alla tensione , detto sfasamento e determinando un altro problema di qualità dell'energia elettrica . Lo sfasamento deve essere infatti contenuto entro certi valori : il fattore di potenza , che si calcola come cosø deve essere sopra il valore 0.9 , altrimenti l'ente erogatore può applicare una penale in bolletta ) ; la legge di Ohm stabilisce un rapporto lineare tra la Tensione e la Corrente ( V=R*I ) con un coefficiente costante , ovvero l’impedenza del carico;
- nel caso di carichi non lineari, la corrente assorbita dal carico è periodica ma non sinusoidale: in tal caso la forma d’onda della corrente è distorta dalle correnti armoniche. In questo caso l’impedenza del carico varia nel singolo periodo e il rapporto tra la corrente e la tensione non è lineare. La corrente assorbita dal carico sarà data da una combinazione di :

1.Una corrente sinusoidale denominata fondamentale, alla frequenza di 50/60 Hz

2. Armoniche, ossia correnti sinusoidali con un’ampiezza minore di quella della fondamentale, ma con frequenza che è un multiplo della fondamentale e che definisce l’ordine armonico.

Le armoniche generate dai carichi non lineari generano 3 tipi di correnti armoniche, tutte di ordine dispari ( la sinusoide è una funzione dispari ) ovvero:

1. Armoniche H7-H13 - Sequenza Positiva
2. Armoniche H5-H11 - Sequenza Negativa
3. Armoniche H3-H9 - Omopolari

Importante porre l’accento sul fatto che le correnti armoniche omopolari ( H3 e multipli dispari, scritte 3*(2k+1) con k numero intero ) , nei sistemi trifase si sommano nel conduttore di neutro e ciò è dovuto al fatto che il proprio ordine 3*(2k+1) è multiplo del numero di fasi, ossia coincidono con lo spostamento delle correnti di fase (1/3 di periodo).

Ciò permette di esprimere un’importante considerazione, ovvero che quando non ci sono armoniche la corrente nel neutro è uguale a 0; quando ci sono le armoniche , la corrente nel neutro è uguale a: I1+I2+I3=3 I H3 e per questo nei casi di impianti elettrici con neutro distribuito bisogna prestare particolare attenzione alle armoniche di questo tipo.

[ Autore : Vincenzo Ronca - Perito Industriale Spec. Elettrotecnica e Automazione ]

Che Problemi creano le Armoniche negli Impianti Elettrici

I principali problemi che possono creare le armoniche negli impianti elettrici sono:

• Perdita di Potenza Apparente
• Riscaldamento dei Cavi e delle varie connessioni ( effetto Joule causato dalle singole armoniche di corrente )
• Presenza di Corrente nel Neutro ( Riscaldamento e Perdite )
• Inquinamento nell’Impianto Elettrico: la distorsione in corrente THDI introduce a sua volta una distorsione in tensione THDU; la tensione di sbarra pertanto, risulta deformata - per cui tutte le utenze collegate sono alimentate a loro volta da una tensione deformata con conseguenti malfunzionamenti.
• Rischio di Rottura dei condensatori ; la corrente è pari a: I= UCω; con corrente armonica di classe k avremo: ω=2πkf per cui I= 2πkfUC per cui per una qualsiasi frequenza si può avere un effetto di risonanza tra la capacità C con l’Induttanza L dell’impianto con conseguente aumento della corrente.
• Problemi nei Trasformatori : riduzione della Potenza,aumento delle perdite a vuoto,aumento delle perdite a carico,aumento rumore
• Problemi nei Motori : Aumento delle perdite per Effetto Joule nello Statore , presenza di coppie pulsanti
• Interventi Intempestivi di relè di protezione
• Interventi intempestivi di interruttori
• Allarmi Generici ed immotivati su utenze sensibili
• Disturbo su rete Dati
• Blocco di apparecchiature elettroniche
• Errate misure di grandezze elettriche : particolare attenzione all’utilizzo dei contatori per la misura dell’energia scambiata e dell’energia generata in caso di impianti di produzione da fonti rinnovabili ( fotovoltaico , eolico , biomasse , ecc. )
• Costi aggiuntivi , per tutti i motivi sopra elencati. 

Come si Risolvono i problemi inerenti le Armoniche negli Impianti Elettrici

Le strategie per ridurre o addirittura eliminare le armoniche negli impianti elettrici possono essere di due tipi:

1. Accettare la presenza delle armoniche e quindi sovradimensionare le apparecchiature, in modo particolare raddoppiare la sezione dei cavi e raddoppiare la potenza della sorgente

2. Eliminare parzialmente o totalmente le armoniche utilizzando filtri o compensatori attivi. A tal proposito si possono utilizzare:

A. FILTRI PASSIVI LC

I filtri passivi LC sono dimensionati ( scelta dei valori di L e C ) per essere sintonizzati sulla frequenza da eliminare o  su una banda di frequenze da attenuare. Presentano però due svantaggi ovvero : l’eliminazione delle armoniche è efficace solo per l’impianto specifico, quindi l’aggiunta e la rimozione di carichi potrebbe compromettere il sistema di filtraggio ,  inoltre è spesso difficile implementare tali filtri in un impianto esistente.

B. FILTRI ATTIVI O COMPENSATORI ATTIVI DI ARMONICHE

I filtri attivi, detti anche compensatori attivi di armoniche eliminano le armoniche iniettando correnti armoniche uguali e contrarie nel momento in cui si verifica la presenza di armoniche stesse. Tale tipo di filtro agisce in tempo reale ed è più efficace e flessibile rispetto ai filtri passivi e in più è facilmente adattabile. Trattandosi di un dispositivo complesso ha ovviamente un costo maggiore , soprattutto al crescere della potenza dell'impianto da filtrare ( in foto , i filtri attivi serie Accusine della APC - gruppo Schneider Electric ).

C. FILTRI OMOPOLARI

I filtri omopolari hanno il compito di filtrare le armoniche omopolari di classe 3, permettendo un riequilibrio delle correnti di fase .

[ Autore : Vincenzo Ronca - Perito Industriale Spec. Elettrotecnica e Automazione ]