Cosa causa le armoniche nei sistemi elettrici?

Gli armonici nei sistemi elettrici sono causati da carichi non lineari che producono forme d'onda di corrente o tensione non sinusoidali nei sistemi a corrente alternata. Gli armonici sono componenti di onde sinusoidali con multipli interi di frequenze diverse dalle frequenze fondamentali. I seguenti sono alcune delle principali cause degli armonici nei sistemi elettrici:

Carico non lineare

I carichi non lineari sono quelli in cui la corrente non è linearmente correlata alla tensione. Questo tipo di carico è comune nel sistema di potenza, e le principali fonti includono:

• Raddrizzatore: Un dispositivo utilizzato per convertire la corrente alternata in corrente continua, come un adattatore di alimentazione, un convertitore di frequenza, ecc.

• Alimentazione a commutazione: L'alimentazione comunemente utilizzata nelle moderne apparecchiature elettroniche, come le alimentazioni dei computer, i caricabatterie dei telefoni cellulari, ecc.

• Inverter: Un dispositivo utilizzato per convertire la corrente continua in corrente alternata, comunemente trovato nei sistemi fotovoltaici solari, stazioni di ricarica per veicoli elettrici, ecc.

• Driver a frequenza variabile: un dispositivo utilizzato per controllare la velocità di un motore, ampiamente utilizzato nel campo dell'automazione industriale.

• Macchina da saldatura a elettrodo: La corrente non lineare viene generata durante il processo di saldatura.

• Lampade a scarica di gas: come le lampade fluorescenti, le lampade a sodio ad alta pressione, ecc., produrranno armonici durante l'avvio e l'operazione.

Apparecchiature elettroniche di potenza

Le apparecchiature elettroniche di potenza ampiamente utilizzate nei moderni sistemi di potenza sono anche importanti fonti di armonici:

• Convertitore di frequenza: utilizzato per controllare la velocità e la coppia del motore CA, il suo principio di funzionamento produrrà armonici.

• UPS (Uninterruptible Power Supply): Gli armonici vengono generati quando si passa alla modalità alimentata a batteria.

• Convertitore: Un dispositivo utilizzato per cambiare la frequenza della corrente alternata, come un convertitore utilizzato nella generazione di energia eolica.

Motori e trasformatori

Anche nei tradizionali motori e trasformatori, possono verificarsi leggeri armonici a causa di fattori come gli effetti di saturazione magnetica:

• Motori: Specialmente nella fase di avviamento, gli armonici possono essere generati a causa dell'influenza delle curve di magnetizzazione non lineari.

• Trasformatore: Quando il trasformatore lavora nell'area di saturazione, produrrà anche armonici.

Problemi con la rete stessa

• Carico non bilanciato: Un carico non bilanciato in un sistema trifase può causare la presenza di armonici nella corrente neutrale.

• Trasmissione a lunga distanza: Nel processo di trasmissione a lunga distanza, gli effetti di induttanza e capacità della linea possono portare all'amplificazione degli armonici.

Altri fattori

• Invecchiamento delle apparecchiature di potenza: Le apparecchiature di potenza più vecchie possono produrre armonici aggiuntivi a causa della degradazione dei componenti interni.

• Difetti di progettazione: Sistemi di potenza progettati in modo povero possono portare all'amplificazione o alla generazione di armonici.

Effetto degli armonici

Gli armonici possono causare una varietà di effetti negativi sui sistemi di potenza, tra cui ma non solo:

• Aumento delle perdite delle apparecchiature: Gli armonici possono portare a perdite aggiuntive di motori, trasformatori e altre apparecchiature, riducendo la loro durata di vita.

• Riduzione dell'efficienza del sistema: Gli armonici possono ridurre l'efficienza del sistema e aumentare il consumo energetico.

• Influenza sulla precisione della misurazione: Gli armonici interferiranno con la precisione della misurazione del contatore di energia, risultando in calcoli errati delle spese di energia.

• Interferenza con il sistema di comunicazione: Gli armonici causeranno interferenza al sistema di comunicazione e influenzeranno la qualità della trasmissione del segnale.

• Attivazione della risonanza: In alcuni casi, gli armonici possono risonare con induttori e condensatori nel sistema, causando gravi problemi di qualità dell'energia.

Misure di soppressione degli armonici

Per ridurre l'impatto degli armonici, di solito si prendono le seguenti misure:

• Filtro: Installare filtri passivi o attivi per assorbire o contrastare gli armonici.

• Aumentare l'induttanza del carico: Aumentando l'induttanza del carico per sopprimere gli armonici.

• Migliorare le caratteristiche del carico: Utilizzare un carico con basso contenuto armonico, come un raddrizzatore trifase invece di un raddrizzatore monofase.

• Compensazione dinamica del potere reattivo: Utilizzare dispositivi come SVG (generatore statico di potere reattivo) per la compensazione dinamica del potere reattivo.

Riepilogo

Gli armonici nei sistemi elettrici sono principalmente causati da carichi non lineari, come raddrizzatori, alimentazioni a commutazione, inverter, driver a frequenza variabile, ecc. Gli armonici possono avere un impatto negativo sulle prestazioni e sulla affidabilità del sistema di potenza, quindi è necessario adottare misure appropriate per sopprimere o eliminare gli armonici.