Qualità della potenza: oltre i concetti fondamentali

In questo articolo analizzeremo alcuni degli aspetti chiave pratici della misurazione e della valutazione della qualità della potenza. Come suggerisce il titolo, andremo ben oltre i concetti fondamentali, ma per fornire una solida base, iniziamo con una breve revisione di alcune nozioni basilari relative alla potenza e alla qualità della potenza.

Alcune nozioni basilari sulla potenza

La potenza istantanea in un circuito, secondo lo standard IEEE1459, e sicuramente secondo altri standard simili in tutto il mondo, è definita come il prodotto della tensione istantanea e della corrente istantanea nel circuito. La potenza istantanea è costituita da due componenti: potenza attiva e potenza reattiva. La potenza attiva è prodotta dal componente della corrente che è in fase con la tensione e scorre in modo unidirezionale dalla fonte al carico. La potenza reattiva è prodotta dal componente della corrente che è fuori fase con la tensione e, di fatto, oscilla tra la fonte e il carico. Ciò significa che il trasferimento netto di energia dalla fonte al carico dovuto alla potenza reattiva è pari a zero.

Quando si effettuano misurazioni, la potenza attiva è il valore medio della potenza istantanea durante l'intervallo di tempo di osservazione. Ciò può essere espresso matematicamente mediante la formula:

dove P = potenza attiva, T = 1/f in cicli, K = numero intero, ԏ = inizio della misurazione e p = potenza istantanea.

La potenza attiva è una funzione degli elementi dissipativi del circuito, che sono spesso resistenze. La potenza attiva, misurata in Watt, è unidirezionale e il suo valore è sempre positivo. Nei circuiti che presentano forme d'onda sinusoidali di corrente e tensione, la potenza attiva può essere espressa come

dove θ è l'angolo di fase tra la tensione e la corrente.

Osservando la potenza reattiva in modo simile, è una funzione dell'ampiezza della potenza istantanea oscillante misurata nel tempo, che può essere espressa matematicamente mediante la formula:

La potenza reattiva viene misurata in VAR (voltampere reattivo) ed è una funzione della reattanza del circuito. Come già detto, poiché l'energia associata alla potenza reattiva oscilla tra la fonte e il carico, non vi è alcun trasferimento netto medio di energia al carico. Nei circuiti con forme d'onda sinusoidali di corrente e tensione, la potenza reattiva può essere espressa come  

dove θ è l'angolo di fase tra la tensione e la corrente.

Un'altra importante quantità è la potenza apparente. Questa è una funzione dell'impedenza totale del circuito ed è uguale al prodotto del valore quadratico medio (RMS, root-mean-square) della corrente e della tensione. In un sistema sinusoidale senza armoniche, la relazione tra potenza reattiva (relativa alla reattanza), potenza attiva (relativa alla resistenza) e potenza apparente (relativa all'impedenza) può essere espressa graficamente sotto forma di "triangolo di potenza".

L'applicazione del teorema di Pitagora a questo triangolo mostra che la potenza apparente al quadrato è uguale alla somma del quadrato della potenza attiva e del quadrato della potenza reattiva, o, per esprimerlo mediante una formula

Fattore di potenza di spostamento
Considerando il triangolo della potenza, il coseno dell'angolo di fase, ossia l'angolo tra la tensione e la corrente, è definito il fattore di potenza di spostamento (DPF, Displacement power factor). Si noti che il DPF è valido solo per forme d'onda sinusoidali e non tiene conto delle armoniche. Quando la reattanza viene aggiunta a un circuito, l'angolo di fase aumenta e il DPF diminuisce. Ad esempio, in un circuito puramente resistivo, l'angolo di fase è pari a zero e il DPF è pari a 1. Se viene aggiunta una reattanza che aumenta l'angolo di fase a 8º, il DPF scende a 0,992 e, se viene aggiunta una maggiore reattanza per aumentare ulteriormente l'angolo di fase a 26º, il DPF scende a 0,898.

Poiché i carichi reattivi possono essere induttivi o capacitivi, i valori del DPF possono essere positivi o negativi, in quanto i carichi induttivi causano un ritardo della corrente rispetto alla tensione, mentre i carichi capacitivi causano un anticipo della corrente rispetto alla tensione. Quando la corrente è in ritardo rispetto alla tensione, il DPF è positivo e quando la corrente è in anticipo rispetto alla tensione, il DPF è negativo.

I bassi valori del DPF sono indicativi di inefficienza nei sistemi di potenza, poiché il sistema deve supportare l'erogazione di potenza reattiva non necessaria. L'ottimizzazione del fattore di potenza di un sistema consentirà di erogare più energia al carico, riducendo al contempo il carico complessivo su componenti quali cavi e trasformatori. Le ottimizzazioni possono essere sostanziali, come mostrato nell'esempio. 

Un sistema erogava potenza a un carico con un DPF di 0,829. La potenza apparente erogata (ossia il carico totale sul sistema) era pari a 7030 kVA, ossia il 95% della capacità del sistema. La potenza attiva erogata era di 5828 kW e la potenza reattiva di 3931 kVAR. Sono state adottate misure per aumentare il DPF a 0,990, riducendo la potenza apparente erogata a 5960 kVA, equivalente all'80,5% della capacità del sistema. La potenza attiva erogata al carico è rimasta quasi invariata a 5900 kW, mentre la potenza reattiva (sprecata) è stata ridotta a 0,829 kVAR. In altre parole, l'ottimizzazione del DPF da 0,829 a 0,990 ha liberato il 15% della capacità del sistema di potenza.

In pratica, i carichi su un sistema di potenza tendono ad essere induttivi piuttosto che capacitivi, quindi il DPF sarà positivo. In questi casi, il DPF può essere ottimizzato aggiungendo un banco di condensatori che riduce la potenza reattiva e aumenta la potenza attiva. Ecco un esempio di funzionamento:

 

Si può osservare che quando la reattanza del banco condensatori aggiunto al circuito è pari alla reattanza induttiva dei carichi nel circuito, la reattanza totale diventa zero e il circuito si comporta come se fosse un carico puramente resistivo. Nella pratica, è improbabile ottenere una correzione del fattore di potenza così perfetta, ma è possibile avvicinarsi a tale valore.

I banchi di condensatori per la correzione del fattore di potenza sono generalmente classificati in kVAR. I valori principali riportati sulla targhetta sono tensione, frequenza e kVAR. L'impedenza del banco di condensatori può essere calcolata utilizzando la formula

 

dove Q è il valore kVAR del banco di condensatori. Ad esempio, se il banco ha un valore di 10 kV e 150 kVAR, la sua impedenza sarà di 667 ohm.

Fattore di potenza totale
Tornando ora al triangolo della potenza, è importante ricordare che funziona solo con forme d'onda sinusoidali pure: le relazioni al suo interno non sussistono in presenza di distorsione armonica. Questo perché, quando sono presenti armoniche, non spostano l'angolo di fase della corrente come fa un carico induttivo o capacitivo, ma alterano la forma d'onda della corrente. 

Ciò significa che nei circuiti con armoniche presenti, il DPF non è una misura precisa del fattore di potenza, poiché tiene conto solo della variazione di fase e non della distorsione della forma d'onda. Per questo motivo, è necessaria una diversa misura del fattore di potenza nei circuiti con livelli significativi di armoniche. Si tratta del fattore di potenza totale (TPF (total power factor) o talvolta solo PF) e tiene conto della distorsione e della variazione di fase. 

Il TPF è definito come la potenza divisa per la potenza apparente (P/S). Se in un circuito non sono presenti armoniche, il TPF è uguale al DPF. Tuttavia, con l'aumentare del livello di armoniche, aumenta anche la differenza tra TPF e DPF. Un parametro correlato che a volte viene rilevato è il fattore di potenza di distorsione (dPF, distortion power factor), definito come il rapporto tra TPF e DPF (TPF/DPF).

Sistemi di potenza e configurazioni di misurazione

Passiamo ora ad esaminare le configurazioni e le caratteristiche di alcuni pratici sistemi di distribuzione della potenza e il modo in cui è possibile effettuare le misurazioni della potenza su questi sistemi. Il primo è il sistema a Y (a stella) a quattro fili mostrato qui:

I vantaggi di questa configurazione sono: una maggiore sicurezza fornita dal collegamento neutro, sollecitazioni di isolamento inferiori rispetto alla maggior parte delle altre configurazioni di distribuzione della potenza e la possibilità di collegare sia carichi fase-fase che fase-neutro, offrendo una scelta efficace di due diverse tensioni di alimentazione. Gli svantaggi sono che i guasti possono causare la perdita di tensione su una fase e la configurazione è soggetta ad armoniche di sequenza zero. Inoltre, le fasi possono essere sbilanciate e questo, insieme alle armoniche di sequenza zero, può dare origine a correnti neutre elevate. Pertanto, devono essere forniti conduttori neutri con un'adeguata potenza nominale, con conseguente aumento significativo dei costi. 

Una configurazione alternativa è la configurazione delta a tre fili, mostrata qui:

I vantaggi di questa configurazione sono: la soppressione automatica delle armoniche di sequenza zero e l'assenza di perdita di fase a seguito di un guasto. Inoltre, il sistema rimane bilanciato in presenza di carichi monofase non bilanciati, sebbene sia necessario notare che lo sbilanciamento può essere prodotto da variazioni di fase. I costi sono inferiori rispetto al sistema a Y a quattro fili, poiché non è necessario alcun conduttore neutro. Gli svantaggi sono che la perdita di una fase aumenta la corrente nelle fasi rimanenti, il che significa che è necessario un grado di isolamento più elevato. Inoltre, l'assenza di un neutro riduce la sicurezza.

La prossima configurazione da considerare assume vari nomi: red-leg delta, wild-leg delta o il più conosciuto delta a gamba alta. Indipendentemente dal nome, questa configurazione utilizza un trasformatore delta con presa centrale per fornire due fonti da 120 V. I dettagli sono mostrati nel diagramma seguente; osservare in particolare che l'angolo tra le fasi è 90º e non 120º come di consueto nei sistemi trifase.

I vantaggi della configurazione a delta a gamba alta trifase sono: la capacità di fornire tre diverse tensioni di alimentazione (240 V, 208 V e 120 V) e, laddove il carico trifase è ridotto, la possibilità di utilizzare due trasformatori singoli anziché tre, riducendo così i costi. Gli svantaggi sono che questa configurazione può causare sbilanciamento a causa di carichi monofase non bilanciati e la possibilità di collegare solo un carico limitato tra la gamba alta e il neutro. Questa configurazione rende inoltre più complicata la progettazione della rete.

L'ultima configurazione che prenderemo in considerazione è la potenza monofase separata, che viene spesso utilizzata per fornire alimentazioni monofase alle proprietà residenziali.

I principali vantaggi di questa configurazione sono la semplicità e il basso costo. Inoltre, fornisce due tensioni di alimentazione: 240 V e 120 V. Gli svantaggi in questo caso sono la possibilità di sbilanciamento e armoniche di sequenza zero; quest'ultime, insieme a carichi non bilanciati, possono portare a correnti neutre elevate.

Teorema di Blondel e conversioni delta-Y
Per ciascuna configurazione che abbiamo preso in considerazione, i diagrammi includevano collegamenti per wattmetro. Tuttavia, è utile sapere che il teorema di Blondel stabilisce che la potenza totale in un sistema di N conduttori può essere misurata correttamente utilizzando N wattmetri o elementi di misurazione dei watt. Gli N wattmetri sono collegati separatamente in modo che ciascuno di essi misuri il livello di corrente in uno degli N conduttori e il livello di potenziale tra quel conduttore e un punto comune. Se, tuttavia, il punto comune è uno dei conduttori, il wattmetro su quel conduttore può essere rimosso, il che significa che sono necessari solo N-1 wattmetri o elementi di misurazione del watt.

È inoltre utile sapere che le tensioni di fase misurate da linea a linea in un sistema a delta possono essere facilmente convertite in una tensione "virtuale" da linea a neutro semplicemente dividendo i valori da linea a linea per √3. Ciò consente di visualizzare i valori di potenza per canale, ma è importante ricordare che questo calcolo è valido solo se il sistema delta su cui vengono eseguite le misurazioni è bilanciato. Fortunatamente, i sistemi delta di solito rimangono bilanciati anche in presenza di carichi sbilanciati, ma possono diventare sbilanciati quando vengono introdotte variazioni di fase.

Revisione dei dati sull'energia
Durante la revisione dei dati sull'energia raccolti dagli strumenti di qualità della potenza o, di fatto, durante la visualizzazione di tali dati in tempo reale, una delle prime cose da verificare è che la potenza attiva sia positiva. L'inversione dell'energia attiva può verificarsi quando la potenza viene immessa nuovamente in un sistema di alimentazione e la linea utilizza fonti come le energie rinnovabili e i sistemi di generazione distribuiti. La potenza attiva negativa è problematica in quanto può portare a una frequente commutazione delle prese del trasformatore, con conseguente usura eccessiva sui commutatori.

Anche gli istogrammi che mostrano il consumo energetico orario nell'intervallo di test forniscono informazioni preziose. Si consiglia di annotare i momenti in cui il consumo di energia raggiunge il suo picco e di esaminare anche il consumo totale di potenza apparente, attiva e reattiva nell'intervallo di test. 

Si raccomanda inoltre una particolare attenzione ai dati relativi alle correnti neutre, poiché le correnti neutre elevate sono indicative di carichi non adeguatamente bilanciati o problemi armonici, che indicano entrambi la necessità di ulteriori indagini. 

Una differenza significativa tra TPF e DPF è solitamente un indicatore affidabile della presenza di armoniche, ma è necessario comunque prestare attenzione. Se carichi molto bassi sembrano presentare armoniche elevate, ciò potrebbe essere dovuto a un rapporto segnale-rumore scadente nel sistema di misurazione. Questo problema può essere evitato scegliendo in modo appropriato i TC da utilizzare per effettuare le misurazioni. Non utilizzate, ad esempio, un TC da 6000 A per monitorare un circuito con una corrente di carico di 60 A.

Livelli elevati di potenza reattiva sono un altro invito all'azione, poiché spesso è possibile ottenere notevoli risparmi sui costi fornendo una compensazione capacitiva per carichi induttivi di grandi dimensioni, soprattutto se molti gestori di forniture elettriche impongono sanzioni per un fattore di potenza scarso. Tuttavia, anche una compensazione eccessiva può essere problematica ed è sempre importante verificare che il fattore di potenza sia in ritardo piuttosto che in anticipo.

Uno dei motivi è che i carichi con un fattore di potenza in anticipo possono influire negativamente sul funzionamento dei generatori. Il regolatore di tensione in un generatore è progettato per mantenere la tensione in uscita a un valore predeterminato. Quando la corrente fuori fase in ritardo aumenta, diminuisce fino alla forza del campo del rotore. Il regolatore di tensione compensa aumentando la corrente al rotore. 

Se, tuttavia, il generatore eroga un carico con un fattore di potenza in anticipo, man mano che la corrente fuori fase in anticipo aumenta, si aggiunge alla forza del campo del rotore. Il regolatore di tensione riduce la corrente erogata all'elettromagnete per compensare. Inoltre, se la corrente fuori fase in anticipo diventa sufficientemente ampia, il regolatore non eroga corrente, il che può portare a uno scatto per sovratensione.

I carichi con un fattore di potenza di primo livello possono inoltre causare problemi ai gruppi di continuità (UPS). Questi sono dotati di un sistema CC che rettifica la corrente da CA a CC e di un sistema CA che inverte la corrente da CC a CA. Alcuni inverter sono progettati con grandi filtri di uscita capacitivi. La reattanza capacitiva di questi filtri compensa la reattanza dei carichi con un fattore di potenza in ritardo, consentendo all'UPS di erogare quasi tutta la sua potenza nominale. Tuttavia, se il carico ha un fattore di potenza in anticipo, la reattanza dei filtri si aggiunge alla reattanza dei carichi, limitando notevolmente la potenza che l'UPS è in grado di erogare.
 

Esecuzione dei test dell'energia
Ci sono quattro fasi essenziali nell'esecuzione di test dell'energia su un'installazione: analisi comparativa, verifica, modifiche consigliate e ripetizione dei test. Esamineremo ciascuna di queste fasi.

L'analisi comparativa dovrebbe iniziare raccogliendo le bollette energetiche maturate tra uno e tre anni ed esaminando attentamente il consumo energetico storico. È necessario identificare le tendenze annuali: il consumo energetico aumenta, diminuisce o rimane costante? È necessario prendere in considerazione anche le tendenze stagionali. Queste sono normali e prevedibili, ma grandi cambiamenti potrebbero indicare problemi relativi al riscaldamento, all'aria condizionata o ai sistemi di controllo dei processi o alla necessità di un migliore isolamento dell'edificio. I piani tariffari dei servizi di pubblica utilità devono essere esaminati attentamente nel caso in cui vi sia la possibilità di ridurre i costi energetici, ad esempio riprogrammando le operazioni con consumo di energia.

L'analisi comparativa deve includere anche l'elenco di tutte le principali apparecchiature a consumo energetico presenti sul sito e l'annotazione delle ore di funzionamento di ciascun componente dell'apparecchiatura. Particolare attenzione deve essere prestata all'illuminazione, poiché l'influenza di questa sul consumo energetico complessivo è spesso sottovalutata. È necessario considerare il tipo di illuminazione e l'adeguatezza dei livelli di illuminazione dell'edificio.

La fase successiva è la verifica, ma prima di procedere bisogna considerare e prestare attenzione alla sicurezza. Controllate il sito per verificare la presenza di rischi per la sicurezza, assicuratevi che tutti i sistemi soddisfino i codici e gli standard pertinenti e verificare la presenza di collegamenti errati; una termocamera può essere utile a tale scopo. Tenete presente che connessioni errate implicano resistenze più elevate, che non rappresentano solo un pericolo per la sicurezza, ma anche uno spreco di energia.

La verifica comporterà la registrazione dell'utilizzo di energia dell'intero impianto per un determinato periodo di tempo, ma è anche essenziale registrare singolarmente l'utilizzo di energia dei principali componenti dell'apparecchiatura che consumano energia. Prima di iniziare la registrazione, tuttavia, è necessario selezionare i trasduttori di corrente appropriati. 

Scegliete trasduttori con l'intervallo corretto: se l'intervallo è troppo basso, il TC potrebbe saturarsi, ma se è troppo alto, la risoluzione risulterà scarsa. Considerate anche il tipo di trasduttore necessario, se flessibile o split-core: si adatta alla posizione in cui deve essere installato e necessita di batterie? Se lavorate in un'area con EMF elevato, un trasduttore split-core è l'opzione migliore e se state registrando la CC, è necessario utilizzare un TC a effetto Hall.

Durante la programmazione dello strumento che eseguirà le registrazioni per la verifica, verificate innanzitutto che sia selezionata la configurazione di potenza corretta, quindi impostate il corrispettivo di potenza allo stesso prezzo del contatore, prestando attenzione se si tratta di un costo fisso o variabile e se si tratta di una tariffa a intervallo di domanda o a corrispettivo di potenza. Assicuratevi di attivare la registrazione armonica

Una volta completate le operazioni preliminari, può iniziare la fase di monitoraggio della verifica. Quando si collega l'analizzatore PQ, utilizzate sempre dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati. Verificate che i cavi di tensione siano collegati correttamente in linea con le istruzioni fornite dal produttore dell'analizzatore, che gli intervalli del TC siano impostati correttamente e che i TC siano collegati nella direzione corretta. Quindi, verificate che la potenza (kW) sia positiva e controllate gli angoli di fase. 

È un grande vantaggio utilizzare uno strumento che verifica automaticamente che la configurazione sia corretta prima di avviare una registrazione a lungo termine. È spiacevole e costoso tornare ad utilizzare uno strumento dopo una settimana e scoprire che la registrazione si è interrotta a causa di un semplice errore. Quando tutto è pronto, assicuratevi che lo strumento sia collegato a massa, eseguite un controllo finale sull'effettiva registrazione in corso, quindi bloccatelo e lasciatelo lavorare. Le registrazioni del consumo energetico totale della struttura e del consumo degli elementi chiave dell'apparecchiatura dovrebbero continuare per almeno una settimana intera.

Alla fine di questo periodo, analizzate i dati, prestando particolare attenzione alla revisione del consumo di energia, all'istogramma del consumo energetico, nonché all'analisi della potenza reattiva, del fattore di potenza di spostamento, del fattore di potenza reale, dello sbilanciamento e delle armoniche. Eseguite questa analisi non solo per l'intero impianto, ma anche per ciascuno dei principali componenti delle apparecchiature a consumo energetico.

Utilizzando le informazioni fornite da questa analisi, sarà quasi sempre possibile individuare cambiamenti che migliorino l'efficienza energetica e riducano i costi energetici dell'impianto. Esempi tipici includono la riduzione dei carichi, lo spostamento dei carichi in ore fuori punta, l'installazione di un'illuminazione più efficiente dal punto di vista energetico, la riduzione dei requisiti di riscaldamento e raffreddamento e il miglioramento dell'isolamento termico. In quasi tutti i casi, il risparmio copre rapidamente il costo della verifica e i miglioramenti necessari più volte. 

A questo punto, resta ancora un'ultima attività. Dopo aver apportato i miglioramenti consigliati, ritornate all'impianto per ripetere la verifica. In questo modo, viene confermata l'efficacia dei miglioramenti e potrebbero anche sorgere ulteriori suggerimenti. L'efficienza energetica è, dopo tutto, un miglioramento continuo piuttosto che una singola soluzione.