Armoniche nei moderni sistemi energetici: definizione, cause e soluzioni

Comprendere le Armoniche: Una Preoccupazione Crescente nei Sistemi Elettrici

Con i rapidi progressi nell'elettronica di potenza, i moderni sistemi elettrici si stanno evolvendo, ma un problema è diventato sempre più critico, sebbene spesso trascurato: le armoniche. L'integrazione di dispositivi a semiconduttore ad alta potenza come tiristori, MOSFET e IGBT ha portato a un aumento significativo dei carichi non lineari nelle reti elettriche. Questi carichi distorcono la natura sinusoidale delle forme d'onda di corrente e tensione, con conseguenti armoniche — una sfida importante per la qualità dell'energia che non può più essere ignorata.

Nei sistemi precedenti, dominati da carichi lineari, la qualità dell'energia era in gran parte responsabilità dell'azienda elettrica. Tuttavia, poiché gli utenti di energia di oggi adottano apparecchiature più diverse e sofisticate, gli indicatori di qualità dell'energia come le armoniche, lo sfarfallio di tensione e lo squilibrio sono ora fortemente influenzati dal lato utente. Una chiara comprensione delle armoniche è essenziale per chiunque sia coinvolto nella progettazione, nel funzionamento o nella risoluzione dei problemi del sistema.

1. Cosa sono le Armoniche?

Secondo lo standard nazionale cinese GB/T 24337 (Qualità dell'energia - Interarmoniche nelle reti elettriche pubbliche), le armoniche sono definite come le componenti di un segnale elettrico le cui frequenze sono multipli interi della frequenza fondamentale del sistema.

In Cina, la frequenza di rete standard è di 50Hz. Le armoniche a 100Hz, 150Hz, 200Hz, ecc., sono quindi indicate come la 2a, 3a, 4a armonica e così via. Le armoniche possono essere classificate in due modi principali:

Per sequenza: Sequenza positiva, sequenza negativa e sequenza zero.

Per multiplo di frequenza:

• Armoniche di ordine dispari (3a, 5a, 7a, ecc.)
• Armoniche di ordine pari (2a, 4a, 6a, ecc.)

Le armoniche dispari sono più comunemente riscontrate nella pratica e possono essere monitorate tramite dati back-end del sistema o strumenti di analisi della forma d'onda.

2. Cosa causa le Armoniche?

Le armoniche originano tipicamente quando tensioni sinusoidali vengono applicate a carichi non lineari. Le fonti comuni includono:

• Apparecchiature elettroniche di potenza: azionamenti a frequenza variabile (VFD), raddrizzatori e inverter, che generano armoniche dominanti di 3°, 5°, 7° e di ordine superiore.
• Macchinari industriali: forni ad arco, illuminazione fluorescente e riscaldatori a induzione.

Questi dispositivi interrompono la relazione lineare tra tensione e corrente, causando distorsione della forma d'onda e l'iniezione di correnti armoniche nel sistema. Nel tempo, ciò può portare a surriscaldamento, guasto dell'isolamento, malfunzionamento delle apparecchiature, falsi sganci e persino instabilità diffusa del sistema.

Negli ultimi anni, la crescita dei sistemi di energia rinnovabile (ad esempio, fotovoltaico ed eolico) ha introdotto più inverter e convertitori nella rete, aumentando l'impronta armonica e ponendo maggiori esigenze sul controllo dei moderni sistemi elettrici.

3. Come mitigare le Armoniche: Una Strategia Multi-Prong

Un'efficace mitigazione delle armoniche richiede una combinazione di progettazione proattiva, selezione strategica delle apparecchiature e tecnologie correttive. Gli approcci chiave includono:

(1) Controllo lato sorgente: Il metodo più economico e completo. Ottimizzando la progettazione del carico e selezionando dispositivi a bassa armonica, la generazione di armoniche può essere minimizzata alla sorgente.

(2) Protezione delle apparecchiature: Per i dispositivi sensibili, applicare strategie di isolamento o di mitigazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) per ridurre l'impatto delle armoniche.

(3) Soluzioni di filtraggio:

• Filtri passivi: Economici e adatti per filtrare armoniche specifiche a frequenza fissa.
• Filtri attivi: Più versatili ed efficaci in ambienti dinamici, ma con un costo più elevato.

Nota: l'implementazione del filtro deve essere valutata attentamente per evitare potenziali risonanze con la rete.

Conclusione

La distorsione armonica è un problema sempre più urgente nei moderni sistemi elettrici. Man mano che le infrastrutture energetiche diventano più complesse, l'identificazione, l'analisi e la mitigazione delle armoniche devono diventare una pratica standard per ingegneri e professionisti dell'energia. Con le giuste conoscenze e strumenti, la qualità dell'energia può essere salvaguardata, garantendo affidabilità ed efficienza nella prossima generazione di reti elettriche.

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