Effetti della qualità dell'alimentazione su trasformatori e motori

Andy Sagl - Product manager 

Nei primi due articoli di questa serie, che è possibile trovare facendo clic qui, abbiamo esaminato i tipi di problemi relativi alla qualità dell'alimentazione e come questi vengono classificati e misurati. Questo articolo continua ad esaminare l'influenza su conduttori, trasformatori e motori di un problema importante della qualità dell'alimentazione, ovvero le armoniche.

Armoniche, calore e conduttori di neutro

Il problema principale associato a una distorsione armonica eccessiva può essere riassunto in due parole: genera calore. Spesso si manifesta come surriscaldamento dei conduttori di neutro, dei trasformatori e dei motori.

Esaminiamo prima i conduttori di neutro. In un sistema in cui tutte le fasi sono bilanciate e non sono presenti armoniche, il conduttore di neutro non trasporta corrente complessiva, poiché le correnti di neutro delle tre fasi si annullano tra loro. Tuttavia, se sono presenti armoniche d sequenza zero, anche dette triplen, le correnti di neutro ad esse associate si sommano invece di annullarsi a vicenda.

Infatti, a parità di tutti gli altri fattori, più sono gli ordini di armoniche triplen presenti, maggiore è il flusso di corrente nel conduttore di neutro. Ad esempio, la presenza della terza armonica in un determinato sistema produrrà un certo livello di corrente di neutro, ma se si aggiungono armoniche triplen del nono ordine, la corrente di neutro aumenterà ulteriormente. Poiché l'effetto di riscaldamento è proporzionale al quadrato della corrente, ciò può portare rapidamente al surriscaldamento o al guasto del conduttore di neutro.

Trasformatori

Le armoniche causano anche effetti di riscaldamento nei trasformatori. Gli effetti di riscaldamento possono essere suddivisi in due tipi principali: riscaldamento dovuto a perdite degli avvolgimenti (note anche come perdite del rame) e riscaldamento dovuto a perdite del nucleo.

A causa della diffusione di carichi non lineari, come l'alimentazione switching, i livelli di armoniche nella rete di fornitura continuano ad aumentare. Questo provoca un rischio sempre maggiore di riscaldamento eccessivo in trasformatori che avevano funzionato senza problemi per un lungo periodo, il che porta nei casi peggiori a guasti costosi e con conseguenze gravi. 

Per iniziare a capire in che modo le armoniche causano il riscaldamento nei trasformatori, partiamo dal semplice fatto che ordini di armoniche più elevati significano frequenze più elevate. Se aumenta la frequenza, aumenta anche la reattanza induttiva di un circuito, il che significa che aumenta anche la sua impedenza totale. Inoltre, nei trasformatori, questo aumento dell'impedenza significa un aumento delle perdite degli avvolgimenti, che porta a una maggiore produzione di calore. 

Maggiore è l'ordine dell'armonica, maggiore è l'entità delle perdite del rame e del nucleo. Ciò si verifica principalmente a causa di correnti parassite, ovvero delle correnti circolanti indotte da campi magnetici alternati all'interno dei conduttori degli avvolgimenti del trasformatore. Le correnti parassite producono dei campi magnetici propri, opposti ai campi che le hanno create. La repulsione tra questi campi opposti aumenta efficacemente la resistenza dell'avvolgimento, con conseguente riscaldamento e perdite di potenza. Maggiore è la frequenza delle armoniche, maggiore è l'energia delle correnti parassite e maggiore è il loro effetto di riscaldamento.

Effetto pelle

Uno dei modi in cui le correnti parassite aumentano la resistenza effettiva di un conduttore è noto come "effetto pelle", ovvero la tendenza della corrente CA che scorre in un conduttore a distribuirsi in modo da creare una densità di corrente maggiore vicino alla superficie del conduttore. Sappiamo che le correnti parassite indotte in un conduttore producono dei campi magnetici opposti ai campi che le hanno generate. All'interno di un conduttore, questi campi di corrente parassita forzano la corrente a fluire verso l'esterno del conduttore, riducendo così l'area di sezione trasversale utilizzabile del conduttore e aumentandone la resistenza. Ciò porta inevitabilmente a delle perdite maggiori e a un aumento del riscaldamento.

A basse frequenze, come la frequenza fondamentale di alimentazione, l'effetto pelle è minimo, ma con l'aumentare della frequenza, la "profondità di pelle" a cui la maggior parte della corrente scorre diventa sempre più piccola, aumentando ulteriormente la resistenza del conduttore e la perdita di avvolgimento.

Effetto di prossimità

L'effetto di prossimità è un altro modo con cui le correnti parassite causano un aumento delle perdite. Si tratta di un fenomeno che si verifica quando una corrente CA passa attraverso un conduttore che si trova in prossimità di un altro conduttore. Un tipico esempio sono le spire adiacenti in un

avvolgimento del trasformatore. 
Quando la corrente CA passa attraverso il primo conduttore, genera un campo magnetico che induce correnti parassite longitudinali nel conduttore adiacente. Le correnti parassite tendono a limitare il flusso di corrente nel secondo conduttore al lato più lontano dal primo conduttore. Questo aumenta ancora una volta la resistenza effettiva e, di conseguenza, anche le perdite aumentano e viene generato più calore.

Perdite del nucleo

La nostra discussione fino a questo punto si è concentrata sulle perdite degli avvolgimenti o del rame nei trasformatori, ma la presenza di armoniche genera perdite anche nel nucleo magnetico. Vi sono due meccanismi alla base di queste perdite: correnti parassite e isteresi.

Le correnti parassite vengono indotte nel materiale (conduttivo) che costituisce il nucleo del trasformatore in modo simile a come vengono indotte negli avvolgimenti. Le correnti parassite circolanti nel nucleo contribuiscono alle perdite e generano calore. Per ridurre al minimo questi effetti, tutti i trasformatori pratici utilizzano nuclei laminati. Il nucleo è composto da sottili fogli di acciaio per trasformatori alternati con materiale isolante.

Le correnti parassite non possono passare attraverso questi strati isolanti, ma l'influenza degli strati isolanti sul campo magnetico dal quale il trasformatore dipende per il suo funzionamento è pressoché nulla. Il risultato complessivo è che le correnti parassite possono circolare solamente all'interno dei singoli fogli di acciaio per trasformatori che costituiscono il nucleo e sono quindi notevolmente ridotte, insieme al loro effetto di riscaldamento.

L'isteresi, il secondo meccanismo che contribuisce alle perdite del nucleo, è associata al comportamento intrinseco dei materiali man mano che vengono magnetizzati e smagnetizzati. Nello specifico, è associata al modo in cui la polarità dei dipoli magnetici all'interno del materiale cambia durante questo processo e al modo in cui i domini magnetici si formano e si riformano. 

Vale la pena notare che, a differenza della maggior parte degli altri meccanismi di perdita nei trasformatori, le perdite di isteresi non sono correlate alle correnti parassite. Tuttavia, le perdite del nucleo totali sono date dalla somma delle perdite di isteresi e delle perdite di corrente parassita. 

Declassamento dei trasformatori

Poiché la presenza di armoniche aumenta le perdite e il calore generati all'interno di un trasformatore, è chiaro che, per evitare surriscaldamenti e guasti, i trasformatori devono essere declassati in base al livello di armoniche che devono gestire. Il parametro utilizzato per questa riduzione di potenza è noto come fattore K. 

In sostanza, il fattore K indica il livello di carico non lineare che un trasformatore può tollerare senza surriscaldarsi. Il calcolo di questo fattore tiene conto dell'effetto delle correnti parassite create negli avvolgimenti del trasformatore ma non delle perdite del nucleo. La base per il calcolo del fattore K è lo standard ANSI C57.110 che fornisce la base accettata per la riduzione di potenza dei trasformatori che operano con carichi non lineari.

Vale la pena notare che sebbene il "fattore K" sia accettato come terminologia standard del settore, questo termine non è mai esplicitamente menzionato nello standard!
Il fattore K tiene conto del fatto che l'effetto di riscaldamento delle armoniche è proporzionale al quadrato della corrente e al quadrato dell'ordine delle armoniche. Un fattore K di 1, che descrive un trasformatore standard, significa che si presume che non siano presenti armoniche di corrente nel sistema di alimentazione. Maggiore è il fattore K, maggiore è il contenuto armonico che il trasformatore può gestire senza surriscaldamento.

Un fattore K di 2, ad esempio, indica che il trasformatore può gestire il doppio delle perdite vaganti dovute a effetti di riscaldamento di un trasformatore standard. In pratica, i trasformatori sono disponibili con una varietà di valori nominali del fattore K, tipicamente 4, 9, 13, 20, 30, 40 o 50. Diversi tipi di carico generano componenti armoniche diverse e il fattore K del trasformatore deve essere abbinato al tipo di carico. Ad esempio, un'apparecchiatura di saldatura può richiedere un trasformatore con fattore K di 4, mentre un trasformatore che alimenta azionamenti a velocità variabile può richiedere un fattore K di 20.

La tabella mostra i fattori K approssimativi per una varietà di carichi, ma è solo indicativa. Prima di scegliere un trasformatore, è sempre necessario eseguire un'analisi completa del fattore K, basata idealmente sulle determinazioni della qualità dell'alimentazione effettuate con un accurato strumento di qualità dell'alimentazione.

Armoniche e motori 

Gli effetti principali delle armoniche sui motori sono il funzionamento inefficiente, il surriscaldamento e l'aumento dei livelli di vibrazioni. Il funzionamento inefficiente è il risultato di armoniche di sequenza negativa. Queste producono campi magnetici all'interno del motore, i quali ruotano in direzione opposta al campo magnetico risultante dalla frequenza fondamentale di alimentazione. Ciò riduce la coppia e aumenta la quantità di corrente richiesta dal motore per azionare un determinato carico.

Gli effetti di riscaldamento delle armoniche nei motori sono simili agli effetti di riscaldamento nei trasformatori. In particolare, le correnti parassite producono gli stessi effetti sia negli avvolgimenti e nei materiali magnetici dei motori che negli avvolgimenti e nei componenti magnetici dei trasformatori. Come per i trasformatori, i componenti magnetici dei motori, ovvero lo statore e i corpi rotore, sono generalmente laminati per minimizzare le perdite dovute alla corrente parassita. Le vibrazioni causate dalle armoniche nei motori sono dovute all'interazione dei campi magnetici prodotti dai diversi ordini di armoniche. Le armoniche di sequenza positiva producono campi magnetici che ruotano nella stessa direzione del campo magnetico prodotto dalla frequenza fondamentale, mentre le armoniche di sequenza negativa producono campi che ruotano nella direzione opposta. L'effetto combinato di questi campi può produrre vibrazioni nell'albero motore. Questo è particolarmente problematico quando la frequenza delle vibrazioni coincide con la frequenza di risonanza meccanica dell'albero. In questi casi, le vibrazioni possono aumentare fino a raggiungere un'ampiezza sufficiente a danneggiare o addirittura distruggere l'albero.

Limiti e raccomandazioni 

A causa degli effetti deleteri delle armoniche su trasformatori, motori e altre risorse, le organizzazioni che si occupano di standard hanno stabilito dei limiti riguardanti i livelli consentiti di armoniche nel sistema di alimentazione.

I limiti della norma EN50160 solitamente adottati in Europa sono riportati nella Tabella 1. Si noti che questi limiti si applicano solo

Non sono previsti limiti per le armoniche di ordine superiore a 25, in quanto queste sono solitamente piccole, sebbene le risonanze possano rendere imprevedibili i loro effetti.

Questi sono i limiti di tensione raccomandati dallo standard IEEE519, solitamente adottati negli Stati Uniti, come descritto nella versione 2014 dello standard. (Tabella 2)

A differenza della norma EN50160, lo standard IEEE519 include raccomandazioni per i limiti di corrente. Queste sono riportate nella Tabella 3:

Dove Isc è la corrente massima di cortocircuito nel punto di accoppiamento comune (PCC) e IL è la corrente massima di carico richiesta (componente di frequenza fondamentale) sul PCC in condizioni di carico normale.

Le armoniche pari sono limitate al 25% dei valori mostrati nella tabella per le armoniche dispari, mentre le distorsioni di corrente che determinano un offset CC, come quelle prodotte da convertitori a semionda, ad esempio, non sono consentite. Tutte le apparecchiature per la generazione di energia sono limitate ai valori della distorsione di corrente mostrati nella tabella, indipendentemente dal valore effettivo di Isc/IL.