Lo studio delle forme d’onda reali rende necessario l’utilizzo di uno
strumento di acquisizione, che consenta il monitoraggio delle grandezze in
esame.
Il tool è quindi realizzato in ambiente LABVIEW della National
Instruments, che introduce il concetto innovativo di strumento virtuale ( V I ),
il cui scopo è l’implementazione di uno strumento reale su un computer
general-purpose. Il pregio di questo sistema di acquisizione-programmazione
consiste nell’uso di un linguaggio grafico immediato ( linguaggio G ) per
creare programmi similmente distribuiti come flow-chart e nello sviluppo di
algoritmi di controllo che rispecchiano l’implementazione pratica su
microprocessore .
Nel presente lavoro LABVIEW è stato utilizzato sia per l’acquisizione
dei dati che per l’analisi del loro comportamento, attraverso l’azione simulata
di filtraggio di tipo attivo tramite differenti tecniche di controllo.
Dopo una panoramica iniziale sui sistemi di filtraggio di tipo attivo e
passivo, in cui si effettuano confronti e si sottolinea la superiorità del primo tipo di
filtraggio rispetto al secondo( capitolo I ), verrà analizzato il sistema costruito per
l’acquisizione della forme d’onda ( capitolo II ). Nel III capitolo sarà studiato
l’insieme dei blocchi costituenti il sistema di controllo, in cui alloggiano i tre
controllori implementati e che sono singolarmente analizzati nei capitoli successivi.
Nei diversi blocchi sono inclusi anche quelli che consentono l’analisi spettrale e
della frequenza di commutazione.Nei tre capitoli successivi saranno analizzati i
controlli usati per pilotare gli interruttori dell’inverter nell’applicazione del
filtraggio attivo, che in ordine di presentazione sono: controllo a isteresi ( capitolo
IV ), controllo dead-beat ( capitolo V: rappresenta l’argomento più innovativo con
cui si è partecipato all’EuroPES 2001 ( IASTED Internetional Conference/Power
and Energy Systems ) con l’articolo : “A Novel Dead-beat Current Control for Shunt
Active Power Filters”), controllo con regolatori standard ( capitolo VI ). Per ogni
controllo sarà effettuata l’analisi teorica, analizzata l’implementazione e
visualizzati e commentati i risultati simulativi. Nell’ultimo capitolo ( capitolo
VII ) saranno effettuati dei confronti sui parametri qualitativi e tratte le
conclusioni.
1
CAPITOLO I
DISTORSIONE ARMONICA NELLE
RETI ELETTRICHE: EFFETTI E
PROVVEDIMENTI DI FILTRAGGIO
INTRODUZIONE
Nel seguente capitolo iniziale verrà trattato il problema
dell’inquinamento armonico e dei provvedimenti atti al filtraggio delle
forme d’onda distorte. Il filtraggio classico è quello passivo, collaudato,
ma, al contempo, limitato non solo perché non riesce ad eliminare tutti i
problemi, ma anche perché il suo dimensionamento risulta alquanto
complicato e i suoi componenti soggetti all’usura del tempo. Il filtraggio
che si è affacciato in ambito sperimentale ed industriale negli ultimi
anni è quello attivo: esso consente di risolvere tutti i problemi del
filtraggio passivo anche se comporta problemi di natura economica e
tecnologica spesso ancora invalicabili.
2
1.1 Inquinamento armonico
Nella descrizione dei sistemi elettrici, delle reti elettriche, dei
circuiti di potenza si suppone sempre che le grandezze in gioco siano
sinusoidali: ovvero siano presenti forme d’onda sinusoidali di tensione
di alimentazione e carichi tali da consentire correnti sinusoidali in
presenza di quella tensione. Ovviamente non esistono dispositivi o
apparati che generino forme d’onda perfettamente sinusoidali: le forme
d’onda saranno sempre affette da una certa distorsione, che, se limitata,
non provoca alcun problema riguardo l’implementazione concreta del
modello matematico cui si fa riferimento nel contesto di progettazione di
un sistema elettrico. Ovviamente, quanto maggiormente ci si discosta
dall’andamento ideale, tanto peggiore sarà il comportamento del nostro
sistema. I problemi fondamentali derivano quindi da carichi non lineari,
o che, connessi alla rete, provocano fenomeni di risonanza a frequenza
diversa dalla fondamentale. La frequenza fondamentale è pari a 50 Hz in
Italia: l’inquinamento armonico consiste quindi nella generazione di
forme d’onda di tensione e/o di corrente a frequenze differenti dalla
fondamentale, ovvero multiple, sovrapposte alla forma d’onda ideale.
Inoltre, nel caso in cui siano anche presenti sorgenti armoniche a
3
frequenze non multiple della frequenza di rete, saranno presenti anche
componenti interarmoniche.
L’avvento dell’elettronica di potenza ha contribuito ad
aumentare l’apporto di armoniche nella rete: la maggior parte dei
dispositivi di potenza consente infatti di mantenere quasi inalterata
l’alimentazione in tensione, ma necessita, per il suo funzionamento, di
correnti distorte: gli apparati di filtraggio si basano quindi
fondamentalmente sulla riduzione delle armoniche di corrente; sono
presenti comunque anche apparati che deformano le forme d’onda di
tensione quali i forni ad arco.
L’analisi di Fourier consente di studiare le forme d’onda reali
di tensione e di corrente scomponendole nelle varie componenti in cui si
distinguono la fondamentale a 50 Hz e le armoniche. La generica forma
d’onda può quindi essere individuata dalla seguente sommatoria:
in cui Un è il valore di picco della n-esima componente e ϕ n è
la fase di ogni componente della sommatoria. Gli effetti delle non
linearità sulle forme d’onda di tensione e corrente ideali possono essere
quindi determinati tramite misure e calcoli. Vi è quindi anche la
possibilità di poter costruire un modello matematico del sistema
∑
=
+=
N
n
nnftUnU
1
);2sin(* ϕπ
4
distorcente ed utilizzarlo quale generatore di armoniche: ad esempio i
carichi in cui sono presenti dispositivi di potenza sono rappresentati
come generatori di correnti armoniche con impedenze elevate, mentre i
forni ad arco e le saldatrici sono generalmente rappresentate come
generatori di tensioni armoniche.
1.2 Cause dell’inquinamento armonico
La presenza e quindi l’uso di dispositivi non lineari in sistemi
industriali e apparecchi domestici determina la produzione di armoniche
indesiderate di tensione e di corrente che, diffondendosi nella rete di
distribuzione elettrica, generano problemi di distorsione armonica.
Le cause di perturbazione possono essere molteplici:
generalmente i carichi che generano forme d’onda non sinusoidali sono
classificati in carichi identificati e carichi non identificati. Carichi
identificati sono quelli ad alta potenza presenti nelle industrie quali
raddrizzatori a diodi o a tiristori, cicloconvertitori, forni ad arco: di
questi carichi è infatti nota la collocazione fisica, la potenza assorbita, il
livello ( misurato nel PCC: punto di connessione utente-rete ) di
distorsione iniettata in rete. Carichi non identificati sono invece tutti i
carichi di medio-bassa potenza diffusi al livello di utenza domestica,
5
quali apparecchi televisivi o personal computer, dotati di raddrizzatori di
tensione che generano correnti armoniche di entità notevole: nonostante
tali armoniche siano di trascurabile potenza generano disturbi dovuti alla
loro massiccia presenza in rete.
Altra suddivisione dei disturbi viene effettuata in funzione
della provenienza di tali perturbazioni: interne alla rete di distribuzione o
interne all’utenza. In genere le perturbazioni sono dovute all’utenza, vi
sono però casi in cui è la rete la causa di disturbi; ciò avviene ad
esempio nel caso di interruzioni dell’alimentazione, di sovratensioni di
natura atmosferica, di avarie nelle cabine primarie, di eventi occasionali
per lavori.
6
Fig.1.1 . Rappresentazione delle principali perturbazioni.
7
Le perturbazioni di tipo condotto più diffuse nel sistema
elettrico sono di seguito riportate ed illustrate nella figura 1.1:
• variazioni di frequenza;
• variazioni di ampiezza della tensione;
• variazioni di forme d’onda della tensione ;
• dissimmetrie tra le tensioni di un sistema polifase;
• vuoti di tensione;
• interruzioni accidentali o programmate.
La rete elettrica può essere schematizzata come in figura 1.2 in
cui Vl è la tensione di linea in una rappresentazione tipo Thevenin, Zl è
l’impedenza di linea, Z1..Zn sono i carichi lineari e Zd è il carico
distorcente con la corrente distorta da esso generata e pari ad un
generatore indipendente di corrente Id(t).
Vl Z1 Z2 Zn Zd Id(t)
Fig 1.2. Schematizzazione di una rete di trasformazione.
8
Allorquando l’impedenza di linea risulti trascurabile, la
corrente distorta generata dal carico non lineare, pur circolando
nell’impianto, non influenza la tensione di linea che si può supporre,
nella maggior parte dei casi, sinusoidale.
Nel caso in cui l’impedenza della linea sia non trascurabile le
correnti distorte generano anche componenti armoniche di tensione
differenti dalla fondamentale che provocano distorsione di tensione nel
punto di fornitura.
Quindi quanto più confrontabile è l’impedenza di linea rispetto
a quella di carico tanto più dannosi sono i disturbi che si sviluppano
nella rete di distribuzione: è quindi necessario limitare l’ampiezza delle
correnti armoniche in maniera tanto più efficace quanto più tale
situazione si presenti.
9
1.3 Effetti dell’ inquinamento armonico nei
sistemi elettrici
La distorsione armonica è studiata fondamentalmente per gli
effetti negativi da essa derivanti.
La distorsione di tensione può provocare l’aumento del valore
di picco e l’incremento del valore efficace di corrente che circola nei
dispositivi connessi alla rete. Essa è generalmente trascurabile e
comunque minima se confrontata con la relativa distorsione di corrente
in quanto molto più diffusa per la presenza di un gran numero di carichi
non lineari presenti in rete.
La distorsione di corrente presenta diversi effetti dannosi che
di seguito sono elencati:
• nelle macchine sincrone e asincrone le armoniche di
corrente generano coppie alternative spurie che riducono la coppia
motrice della fondamentale; le medesime coppie possono
determinare oscillazioni meccaniche indesiderate e dannose che
provocano un precoce deterioramento della macchina;
• in generale la distorsione di corrente provoca
surriscaldamento dovuto all’aumento delle perdite nel ferro e nel
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rame: anche tale situazione provoca una riduzione della resistenza
della macchina e della sua relativa vita media;
• gli interruttori nei passaggi per lo zero possono
presentare un elevato valore di derivata di corrente dovuto alla
presenza di armoniche, riducendo il loro potere di interruzione;
• nei contatori di energia ad induzione, le armoniche
generano coppie che incrementano la velocità di rotazione del
disco, falsando le misure;
• se le armoniche di corrente si generano in un sistema
in cui sono presenti gruppi di rifasamento accoppiati con filtri
passivi, possono far andare in risonanza il sistema provocandone
un cattivo funzionamento se non la sua distruzione;
• nei cavi elettrici le armoniche di corrente provocano un
incremento della corrente nominale in valore efficace, tali effetti
sono maggiormente evidenti alle alte frequenze poiché interviene
il fenomeno di effetto pelle: questo provoca un aumento della
resistenza dei cavi perché determina una riduzione della densità di
corrente nella sezione del cavo procedendo dall’esterno verso
l’interno.
11
1.4 Aspetti normativi
Con l’avanzare del problema dell’inquinamento armonico è
stato necessario intervenire anche a livello normativo. Le due normative
internazionali cui si fa costantemente riferimento in ambito sperimentale
e industriale sono quelle sviluppate dalla IEC, in Europa e dall’IEEE
negli USA. La differenza tra i due sistemi consiste nel fatto che le norme
IEC stabiliscono delle limitazioni per l’emissione armonica prodotta
dall’apparecchio, mentre le IEEE stabiliscono i limiti di emissione nel
punto di accoppiamento alla rete. La normativa di riferimento per la
distorsione armonica è analizzata i livelli di compatibilità per le reti di
distribuzione pubblica in BT, MT, AT e per i limiti di emissione e
immunità.
I livelli di compatibilità sono stati stabiliti in particolari
ambienti ( reti pubbliche, impianti civili… ) : essi rappresentano la
capacità di un apparecchio di funzionare in maniera corretta all’interno
di un particolare ambiente elettromagnetico. In BT è in vigore da tempo
la normativa IEC 1000-3-2.
I livelli di emissione rappresentano i valori limite di distorsione
che un apparato può immettere in rete (IEC 555-:1, definizioni; 2,
armoniche; 3, fluttuazioni di tensione ).
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I livelli di immunità rappresentano i livelli di distorsione che
un dato sistema deve poter sopportare continuando a funzionare in
maniera corretta (CENELEC EN 50082- EN 50093 ).
La normativa IEC che si riferisce ad apparecchi con corrente
nominale minore di 16 A, la 1000-3-2, ( per completezza si ricorda che
le apparecchiature con corrente nominale > 16 A fanno riferimento alla
IEC 1000-3-4 ) è di seguito riportata e considera i livelli massimi di
corrente ammissibili per gli ordini armonici fondamentali: vengono
riportati in tabella solo i valori relativi agli equipaggiamenti industriali
di nostro interesse ( escludendo sistemi portatili, commutatori di luci,
equipaggiamenti speciali ).
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Ordine armonico ( n ) Corrente armonica massima ammessa
Armoniche dispari
3 2,30
5
1,14
7 0,77
9 0,40
11 0,33
13 0,21
15 ≤ n ≤ 39
2,25/n
Armoniche pari
2 1,08
4 0,43
6 0,30
8 ≤ n ≤ 40
1,84/n
Tab 1.1 . Limiti per apparecchiature con corrente nominale <16 A.
L’ente distributore dell’energia elettrica ha il dovere di
assicurare un servizio con limitati livelli di distorsione: generalmente
esso tende a fornire una tensione con distorsione armonica alquanto
limitata, mentre la limitazione delle armoniche di corrente è affidata agli
utenti.
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