Definizione di armoniche elettriche
Le armoniche elettriche, dette anche armoniche superiori, sono componenti d'onda le cui frequenze sono multipli interi della frequenza fondamentale. Nascono soprattutto a causa di carichi non lineari nella rete elettrica, quando tensione e corrente vengono distorte da diversi fattori. Un'armonica sopra la frequenza fondamentale viene chiamata anche armonica superiore.
Punti chiave sulle armoniche elettriche
- Le armoniche elettriche si presentano come multipli interi della frequenza fondamentale.
- Carichi non lineari ed elettronica di potenza moderna possono deformare tensione e corrente.
- Gli strumenti di misura Power Quality scompongono i segnali nelle diverse componenti di frequenza.
- Gli effetti possibili includono disturbi EMC, riscaldamento aggiuntivo, malfunzionamenti e deviazioni di misura.
Cause dei disturbi di rete e delle armoniche nella rete elettrica
Il cambiamento nella tecnologia energetica
Per utilizzare l'energia in modo più efficiente, oggi molti processi vengono controllati tramite elettronica di potenza. Ad esempio, un motore asincrono viene spesso sostituito da un azionamento regolato da convertitore di frequenza. Inoltre, molti dispositivi utilizzano alimentatori switching invece di trasformatori convenzionali.
A differenza delle tecnologie precedenti, questi dispositivi moderni spesso non assorbono più corrente sinusoidale dalla rete. Per questo motivo, gli strumenti di misura della qualità dell'energia scompongono questa corrente nello spettro di tutte le frequenze. Nella misura della Power Quality, i disturbi vengono quindi suddivisi in armoniche, interarmoniche e, più recentemente, supraarmoniche.
Nel contesto della misura, le armoniche sono definite come multipli della frequenza fondamentale. Ad esempio, 250 Hz corrispondono alla 5ª armonica in una rete con fondamentale a 50 Hz. Se invece le frequenze si trovano tra due multipli interi della fondamentale, si parla di interarmoniche. Nella tecnologia di misura Power Quality e nelle norme, le interarmoniche di un intervallo vengono spesso riassunte in un unico valore. Ad esempio, tutte le frequenze tra >350 Hz e <400 Hz rientrano nella 7ª interarmonica.
Termini sinonimi
In elettrotecnica, diversi termini vengono utilizzati per descrivere le armoniche elettriche:
- Armonica
- Armonica di rete
- Correnti armoniche
- Armoniche superiori
Importanza delle armoniche in relazione alla EMC
Dal punto di vista EMC, le armoniche sono frequenze indesiderate che si sovrappongono alla forma d'onda fondamentale e producono un andamento distorto. Di conseguenza, queste distorsioni possono causare interferenze elettromagnetiche e compromettere la compatibilità elettromagnetica (EMC). Questo aspetto è particolarmente rilevante nella fornitura di energia, perché le armoniche possono influire sull'efficienza e sulla vita utile di dispositivi e sistemi elettrici.
La norma IEC 61000-2-2 definisce per la rete pubblica i limiti fino a 150 kHz. In questo modo è possibile valutare se un utilizzatore immette nella rete livelli di disturbo troppo elevati oppure se un dispositivo disturbato presenta un'immunità insufficiente. La tecnologia di misura corretta consente inoltre di dimostrarlo. Se il livello di disturbo resta sotto i limiti e un utilizzatore viene comunque influenzato negativamente, l'immunità ai disturbi è probabilmente troppo bassa. Se invece il limite viene superato, è molto probabile che la sorgente causi un'eccessiva retroazione sulla rete.
Cause ed effetti
Nella rete in corrente alternata, le armoniche sono onde con frequenze superiori alla frequenza fondamentale della rete. Di conseguenza, esse distorcono la sinusoide di corrente e tensione e rappresentano una forma di inquinamento elettromagnetico della rete elettrica. Queste distorsioni vengono espresse in percentuale e sono note anche come distorsione armonica totale (THD). Il valore descrive il rapporto tra le armoniche di corrente o tensione e la frequenza fondamentale, di norma 50 Hz.
Cause tipiche e relative frequenze di commutazione o intervalli di frequenza dei disturbi di rete nelle reti elettriche moderne:
- Azionamento con convertitore di frequenza: 4 kHz - 20 kHz
- Inverter solare (400 V): 16 kHz - 22 kHz
- Impianto eolico (rete MT): 2 kHz - 6 kHz
- Stazione di ricarica per veicoli elettrici: 10 kHz - 80 kHz
- Filtri attivi di rete: 8 kHz - 20 kHz
- Sistemi UPS: 15 kHz - 25 kHz
- Apparecchi di illuminazione con alimentatore elettronico: 20 kHz - 200 kHz
- Alimentatori switching: 30 kHz - 300 kHz
In sintesi, le armoniche elettriche sono un fattore critico per la qualità dell'alimentazione. In genere, sono causate da utilizzatori e generatori che producono distorsioni della tensione elettrica. Inoltre, possono essere descritte in relazione a interarmoniche e supraarmoniche. I loro effetti sull'efficienza e sulla stabilità delle reti elettriche e dei dispositivi collegati sono rilevanti e non devono essere sottovalutati.
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Tutto sulla misura e sull'analisi della Power Quality per rilevare armoniche elettriche e altri disturbi di rete, come transitori, flicker e asimmetrie di tensione.
Cambiamenti nella tecnologia energetica in ottica Power Quality - Parte 1
Questo articolo, realizzato in collaborazione con il portale Schutztechnik.com, tratta i cambiamenti attuali nella tecnologia energetica. Esamina inoltre gli effetti dei disturbi di rete e il loro impatto sugli strumenti di misura utilizzati per rilevare i guasti nella rete.
Cambiamenti nella tecnologia energetica in ottica Power Quality - Parte 2
Le norme svolgono un ruolo importante nelle misure Power Quality. Per questo motivo devono essere adattate alle nuove condizioni della tecnologia energetica. Nella seconda parte della serie vengono analizzate le norme attuali nel campo della Power Quality e la loro interpretazione rispetto alle alte frequenze di commutazione.
Misure Power Quality:
conduttore di neutro e armoniche elettriche
Nelle misure Power Quality vengono spesso superati i limiti di armoniche dispari come la 15ª, la 21ª e la 27ª. Ma che cosa sono le armoniche, come si formano e quale influenza hanno sul conduttore di neutro? Questo articolo risponde a queste domande.
Misure Power Quality:
la terza armonica nella pratica
Il rapporto “Il conduttore di neutro e le armoniche” spiega le particolarità delle armoniche divisibili per 3 e il motivo per cui si sommano sul conduttore di neutro. Questo esempio applicativo illustra il fenomeno con una misura tipica nella rete e mostra cosa considerare nelle misure Power Quality.
Quattro modi per misurare la corrente
Questo video presenta diversi metodi per misurare la corrente. Vengono spiegati l'utilizzo di analizzatori di potenza e pinze amperometriche e le differenze tra shunt, pinze tradizionali, sensori a effetto Hall e bobine Rogowski. Vengono inoltre trattati possibili errori di misura.
Determinazione dell'angolo delle armoniche di tensione e corrente
Chi causa le armoniche: il cliente o il fornitore di energia? È possibile determinarne la direzione? Jürgen Blum, Product Manager PQMobil e inventore della PQ-Box di A. Eberle, risponde a queste domande nel video.
Cos ϕ e fattore di potenza λ - Teoria
Questo rapporto tecnico illustra la differenza tra fattore di potenza e coseno phi. Il coseno phi, in passato spesso inteso come rapporto tra potenza attiva e apparente, oggi ha un significato diverso per molti utilizzatori.
Cos ϕ e fattore di potenza λ - Pratica
Questo secondo rapporto tecnico sul tema della potenza reattiva, in particolare della potenza reattiva di distorsione, completa l'articolo teorico. L'esempio mostra tensione e corrente di una lampada a incandescenza misurate online con un analizzatore di rete PQ-Box 200.
Consigli pratici 1 - usare correttamente gli strumenti Power Quality
L'articolo fornisce consigli per eseguire misure Power Quality. Spiega quali errori di collegamento possono verificarsi e quali aspetti considerare prima di utilizzare uno strumento di misura.
Consigli pratici 2 - evitare errori tipici nelle applicazioni Power Quality
Questo tema è suddiviso in due articoli. La seconda parte continua con ulteriori indicazioni pratiche per l'impiego degli strumenti di misura Power Quality.
Tipi di armoniche elettriche
Quando un'onda è armonica e quando non lo è?
In questo contesto, le armoniche sono onde che si presentano come multipli della frequenza fondamentale. Un'oscillazione armonica esiste quando il movimento del corpo oscillante corrisponde alla proiezione di un moto circolare uniforme e può essere descritto con una funzione seno o coseno. In alternativa, un'oscillazione può essere considerata armonica quando la forza di richiamo è opposta allo spostamento ed è proporzionale alla deviazione dalla posizione di riposo.
Le oscillazioni non armoniche, invece, non soddisfano queste condizioni. Inoltre, oltre alle armoniche, esistono altri tipi di disturbi di rete che possono essere rilevati con una tecnologia di misura adatta.
I transitori sono picchi improvvisi e di breve durata di tensione o corrente. In genere, possono essere causati da fulmini, manovre di commutazione o variazioni rapide del carico.
Inoltre, il flicker indica fluttuazioni rapide e ripetute della tensione di rete che possono provocare lo sfarfallio dell'illuminazione.
Infine, le asimmetrie di tensione si verificano quando la tensione in una rete trifase non è distribuita uniformemente. Ciò può causare carichi non equilibrati sulle fasi e possibili surriscaldamenti.
Prima, seconda, terza e n-esima armonica
La forma d'onda fondamentale è detta prima armonica. In questo caso, la prima armonica ha la stessa frequenza della fondamentale. La seconda armonica ha frequenza doppia, mentre la terza armonica ha frequenza tripla. Questo prosegue fino alla n-esima armonica, la cui frequenza è n volte la frequenza fondamentale.
Interarmoniche e supraarmoniche
Invece, le interarmoniche si verificano quando le frequenze si trovano tra multipli interi della frequenza fondamentale. Possono essere causate da carichi non lineari e generare ulteriori interferenze nella rete elettrica.
Infine, le supraarmoniche sono componenti con frequenze superiori al campo armonico tipico. Anche queste possono contribuire a interferenze elettromagnetiche.
In sintesi, le oscillazioni armoniche sono caratterizzate da frequenze che sono multipli interi della fondamentale. Al contrario, le oscillazioni non armoniche non soddisfano questa condizione. Di conseguenza, armoniche, interarmoniche e supraarmoniche devono essere considerate in modo distinto nella valutazione della qualità dell'energia.
Origine ed effetti delle armoniche elettriche
Come e dove si formano le armoniche elettriche?
Nella pratica, le armoniche elettriche si formano nelle reti a causa di dispositivi e apparecchiature non lineari. Questi elementi distorcono la forma sinusoidale delle curve di corrente e tensione. Idealmente, la tensione dovrebbe seguire una sinusoide perfetta. Nella pratica, però, questa condizione oggi è raramente presente.
Cause delle armoniche elettriche
- Apparecchiature non lineari: dispositivi come trasformatori e lampade fluorescenti possono avere curve caratteristiche non lineari.
- Elettronica di potenza: raddrizzatori, triac e tiristori possono generare oscillazioni che disturbano la rete.
- Alimentatori switching: sono diffusi in televisori, computer e illuminazione alogena e possono generare correnti armoniche.
Questi fattori alterano l'assorbimento lineare di corrente e generano armoniche. Allo stesso tempo, il problema è noto fin dalle prime reti di distribuzione elettrica. Tuttavia, con l'aumento dell'uso di convertitori di frequenza nei dispositivi moderni, le distorsioni sono diventate più rilevanti.
Quali effetti negativi hanno le armoniche elettriche?
Di conseguenza, le armoniche elettriche possono influire negativamente sulle reti e sui dispositivi collegati. I principali rischi includono:
Riscaldamento aggiuntivo
Ad esempio, le armoniche provocano riscaldamento aggiuntivo in motori e generatori trifase o in corrente alternata. Questo può ridurre efficienza e vita utile.
Riduzione della vita utile
Inoltre, dispositivi come lampade e componenti elettrici possono usurarsi più rapidamente a causa di temperature più elevate.
Malfunzionamenti e sovraccarichi
Anche lampade fluorescenti e condensatori associati possono essere disturbati o sovraccaricati dalle armoniche.
Danneggiamento dei dispositivi
In particolare, picchi di corrente elevati causati dalle armoniche possono provocare uno spostamento del punto neutro. In particolare nei sistemi trifase, ciò può danneggiare i dispositivi.
Disturbi e limitazioni funzionali
Inoltre, le armoniche possono causare malfunzionamenti dovuti allo spostamento degli attraversamenti dello zero o alla presenza di attraversamenti multipli.
Influenza sui dispositivi di protezione e misura
Allo stesso tempo, i dispositivi di protezione, come protezione distanziometrica, protezione da sovracorrente o protezione differenziale, possono essere influenzati dalle armoniche. Anche la precisione dei contatori a induzione può risentirne.
Limitazioni dei ricevitori di telecontrollo
In aggiunta, le armoniche possono compromettere il funzionamento dei ricevitori di telecontrollo, causando malfunzionamenti o guasti.
Disturbi nei sistemi IT
Infine, nei sistemi IT le armoniche possono provocare guasti operativi, arresti di sistema, difetti di interfaccia, perdite di prestazioni e sfarfallio dei display.
In sintesi, le armoniche elettriche rappresentano un rischio per la stabilità e l'efficienza di reti e dispositivi. Inoltre, possono causare riscaldamento, riduzione della vita utile, malfunzionamenti e limitazioni funzionali. Per questo motivo è importante misurarle, valutarle e ridurle in modo mirato.
FAQ - Domande frequenti
Che cosa sono le armoniche elettriche?
In pratica, sono componenti di frequenza che appaiono come multipli della frequenza fondamentale.
Quali sono le cause delle armoniche elettriche?
Di solito, sono causate da carichi non lineari e dall’elettronica di potenza.
Qual è la differenza tra armoniche, interarmoniche e supraharmoniche?
Le armoniche sono multipli interi della fondamentale. Invece, le interarmoniche si trovano tra questi multipli. Le supraharmoniche compaiono in gamme di frequenza più elevate.
Perché le armoniche elettriche sono importanti?
Per questo motivo, sono rilevanti per la Power Quality: possono distorcere tensione e corrente e sollecitare i dispositivi elettrici.
Come si misurano le armoniche elettriche?
Infine, si misurano con strumenti di misura della Power Quality che analizzano tensione e corrente nel dominio della frequenza.
Misurare le armoniche elettriche con strumenti di classe A (IEC 61000-4-30 Ed.3) di A. Eberle
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