Il progettista e la Power Quality: regole e accorgimenti tecnici

Nella progettazione di un sistema elettrico affidabile, è fondamentale considerare la qualità dell’energia elettrica fornita. Questa può essere influenzata da vari fattori come ad esempio le interferenze elettromagnetiche, le variazioni di tensione e le distorsioni armoniche.

Il ruolo del progettista risulta fondamentale nel fare le scelte opportune riguardo a materiali e topologia della rete elettrica, nonché nell’assicurazione della corretta alimentazione dei carichi elettrici in un mondo fortemente permeato di apparecchiature elettroniche con stadi di ingresso non lineari. Da non dimenticare, inoltre, che questa materia abbraccia significativamente anche l’ambito relativo all’efficienza energetica.

Qualità dell’energia elettrica

La qualità, secondo una definizione più generale, è «l’insieme delle caratteristiche intrinseche di un oggetto che soddisfano determinati requisiti». Nel caso specifico dell’energia elettrica, le caratteristiche sono quelle relative alla corrente, alla tensione e della frequenza in un dato punto di un sistema elettrico, valutate rispetto a una serie di requisiti, ossia a parametri tecnici di riferimento del sistema e dei carichi collegati a tale sistema elettrico.

La “Power Quality” dunque è una condizione che, in un impianto elettrico, deve essere raggiunta, mantenuta e verificata nel corso del tempo. Esiste un altro approccio alla “Power Quality” in campo elettrico che parte dalle esperienze intraprese nel campo delle telecomunicazioni: si tratta della cosiddetta EMC, ossia la Compatibilità elettromagnetica. La EMC è la capacità di un’apparecchiatura o di un sistema di funzionare in modo soddisfacente nel suo ambiente elettromagnetico senza introdurre disturbi elettromagnetici intollerabili a qualsiasi cosa in quell’ambiente.

PQ ed EMC

Oggi è esperienza comune considerare che gli aspetti di “Power Quality” (nel seguito PQ) e di “Electromagnetic Compatibility” (nel seguito EMC) sono aree strettamente correlate e complementari. Il loro scopo comune è garantire che le apparecchiature elettriche, collegate in un punto del sistema elettrico, siano alimentate con energia elettrica che abbia le caratteristiche previste di qualità e che possano funzionare senza ricevere interferenze elettromagnetiche dall’alimentazione né generarle.

Soddisfare i requisiti EMC standard di singole apparecchiature e di interi sistemi elettrici è un prerequisito fondamentale per il funzionamento congiunto e nor­malizzato di dispositivi e impianti elettrici. Con riferimento alla definizione di qualità, l’oggetto è, nel nostro caso, l’energia elettrica; la sua qualità si può riassumere anche nell’assenza di disturbi elettrici e nella continuità dell’alimentazio­ne a favore di un utente o di un centro di carico.

Gradi di sensibilità

La qualità dell’energia non è dun­que definibile con una serie valo­ri uguali per tutti gli utenti; i ca­richi elettrici, infatti, possono a­vere gradi di sensibilità diversi in ordine alla continuità dell’ali­mentazione e alle diverse carat­teristiche o anomalie della ten­sione e della corrente, quali ad esempio:

• la presenza di buchi di tensione;
• le variazioni del valore della tensione;
• la presenza di sovratensioni (di origine atmosferica o di mano­vra);
• le variazioni della frequenza di rete;
• la presenza di distorsioni armo­niche nella forma d’onda di ten­sione;
• la presenza di distorsioni armo­niche nella forma d’onda di ten­sione;
• lo spostamento del centro stella nel triangolo delle tensioni.

Questa diversa sensibilità è evi­denziata nella tabella 1.

Il ruolo del progettista

Regole tecniche da seguire

Come è ormai noto e fatte le de­bite eccezioni, tutti gli impianti e­lettrici devono essere progettati. Il progetto, inoltre, deve essere redatto a regola d’arte, indipen­dentemente da chi lo pensa pri­ma e redige poi. La regola d’arte prevede poi degli specifici obbli­ghi, una precisa forma e un pre­ciso contenuto.

Troviamo queste regole, la cui osservanza è obbli­gatoria, scritte agli artt. 15, 22 e 81 e nell’allegato “L” del D.Lgs. n. 81/08, all’art. 5 commi 3,4 e 5 del D.M. n. 37/08, all’art. 7 commi 2 e 3 del D.M. n. 37/08, Punto S.10.4 dell’allegato al D.M. 3/8/2015.

La funzionalità degli impianti da garantire

Dal punto di vista della funziona­lità degli impianti, il progettista nella progettazione di un nuovo impianto o nello studio degli in­terventi da effettuare su un im­pianto esistente ha come primo compito quello di raccogliere i dati riguardanti i centri di cari­co e, nell’elenco delle caratteri­stiche ad essi relativi, inserire la sensibilità ai disturbi (o il livello di immunità).

Si ricorda che i distur­bi non solo arrivano dalla rete di fornitura dell’energia elettri­ca ma possono essere anche gli stessi centri di carico a produrre disturbi che andranno poi a influ­ire sugli altri carichi non distur­banti dell’utente. Un elenco non esaustivo dei carichi disturbanti è riportato nella tabella 2.

Tenuto conto di quanto esposto in precedenza, è rilevante osser­vare come i carichi disturbanti in­fluenzino in una certa misura la qualità della fornitura di energia, in particolare le emissioni elet­tromagnetiche di tutte le appa­recchiature collegate alla rete di alimentazione elettrica si vanno a sommare e il cumulo dei feno­meni elettromagnetici rilevanti per le reti elettriche determina la qualità dell’energia, che quindi dipende (CEI EN 50160) dalla po­sizione nella rete di distribuzione e dallo stato operativo della rete.

Norma CEI EN 50160

Nella norma CEI EN 50160 sono specificate le principali caratteri­stiche della tensione ai terminali di alimentazione di un utente di rete nelle reti pubbliche di cor­rente alternata a bassa, media, alta e altissima tensione in nor­mali condizioni di esercizio. Il documento specifica i limiti dei valori e delle caratteristiche di tensione nelle sole reti elettriche pubbliche europee; l’allegato D (informativo) tratta della relazio­ne tra PQ ed EMC.

I livelli di PQ ei livelli di compati­bilità EMC possono trovarsi vicini nei valori ma non sono identici in quanto corrispondono a soggetti diversi. Sebbene i requisiti stan­dardizzati di qualità dell’ener­gia si applichino “solo” al punto di alimentazione (POS), la com­patibilità elettromagnetica de­ve essere garantita ai terminali in cui l’apparecchiatura stessa è collegata alla tensione di alimen­tazione.

Il livello PQ e il livello di compatibilità EMC non devono necessariamente trovarsi nello stesso punto di disturbo, come mostrato schematicamente nel­la figura 1.

Centri di carico

Nella tabella in cui verranno in­seriti i dati dei centri di carico, il progettista dovrà anche inserire l’eventuale caratteristica distur­bante. Un impianto utilizzatore con carichi disturbanti, disturba sé stesso, inquina la rete pubbli­ca e di conseguenza trasferisce i disturbi agli altri utilizzatori col­legati allo stesso PCC. I disturbi trasferiti sono quelli classificati come “condotti”.

Per la Bassa Tensione i distur­bi hanno sempre un riferimen­to preciso all’immunità richiesta per gli apparecchi elettrici ed e­lettronici dettati dalle norme di prodotto. Una volta definite le caratteristi­che di tutti i carichi da considera­re, il professionista sarà in grado di inserire nel progetto gli accor­gimenti per la mitigazione del­le interferenze e per il controllo delle caratteristiche della linea secondo la tabella 3.

Quali sono le tecniche d’intervento?

Prima di prendere in considera­zione alcuni sistemi di limitazio­ne dei disturbi, occorre che nella fase di progettazione (e realiz­zazione) dell’impianto elettrico, vengano realizzati tutti gli accor­gimenti per evitare la promiscu­ità tra circuiti sensibili e circuiti ordinari.

Un altro accorgimento, da non trascurare per evitare l’interru­zione dell’alimentazione dei cari­chi, è la selettività dei dispositivi di protezione. Dalla lettura della tabella 3 rica­viamo che, per la riduzione dei disturbi, bisogna anche ridurre gli squilibri, e quindi ripartire i ca­richi monofase e i carichi bifase in maniera da equilibrare il più possibile l’assorbimento di cor­rente tra le fasi.

Il trasformatore con collegamen­to triangolo-stella (Dy) normal­mente utilizzato nelle cabine di trasformazione MT/BT blocca le armoniche di ordine 3. L’utilizzo di trasformatori Dy in un impianto impedisce la circo­lazione di armoniche di ordine 3, l’utilizzo di trasformatori a tre av­volgimenti triangolo-stella-trian­golo, arresta le armoniche di or­dine 5 e 7, l’utilizzo di un trasfor­matore del tipo Dz5 (primario a triangolo, secondario a zig-zag, tensioni secondarie sfasate di 150° rispetto alle primarie) bloc­ca le armoniche di ordine 5.

Se non sono stati possibili azio­ni di tipo preventivo per la limi­tazione delle armoniche bisogna passare ad azioni di tipo corret­tivo, che consistono nell’installa­zione di filtri attivi e passivi.

I filtri passivi sono in grado di at­tenuare i disturbi armonici ridu­cendo il sovraccarico termico ed elettrico causato dalle corren­ti armoniche in installazioni che comprendono azionamenti a ve­locità variabile, UPS, raddrizza­tori di potenza e altri carichi tri­fasi non lineari mentre i filtri at­tivi, costituiti da apparecchiature elettroniche tengono sotto con­trollo i parametri di rete garan­tendone la qualità.

Per applicazioni in cui è neces­saria un’alimentazione elettrica affidabile, disponibile ed immu­ne dai disturbi nella rete pubbli­ca una soluzione è offerta dall’u­tilizzo di gruppi di continuità UPS (Uninterruptible Power Supply).