Nei moderni impianti industriali e negli interventi di retrofit su quelli datati, la scelta della soluzione più efficiente ed economica per migliorare la power quality, riducendo le distorsioni armoniche, è un aspetto sempre più considerato dai progettisti.
Negli stabilimenti industriali e, in generale, negli edifici caratterizzati da significativi carichi attivi come data centers, ospedali, aeroporti, ecc., la presenza di apparecchi in grado di variare la tensione e/o la frequenza rispetto alle condizioni nominali ha un impatto sulla power quality, ovvero sulla qualità dell’energia fornita ai carichi.
Questo problema è strettamente connesso alle distorsioni armoniche della forma d’onda, ovvero a disturbi a bassa frequenza che possono produrre cali di tensione, transitori, sovratensioni, basso fattore di potenza e malfunzionamenti in apparecchi sensibili. In generale un impianto dotato di convertitori di frequenza è molto sensibile al tema della power quality.
Gli inverter risultano spesso strettamente correlati con le armoniche e ne determinano la creazione o l’abbattimento. Nelle applicazioni HVACR, infatti, generalmente questi dispositivi sono al servizio di componenti che rappresentano una quota significativa della potenza e dei consumi complessivi.
Per migliorare la power quality si può ricorrere al sovradimensionamento delle apparecchiature elettriche, per proteggere i dispositivi sensibili, ma esistono soluzioni più efficaci dal punto di vista tecnico, più efficienti sotto il profilo energetico e, anche, più economiche: dai filtri attivi e passivi ai drive a 6 e 12 impulsi di diverse tipologie, fino ai più performanti drive trifase con front-end attivo.
Il problema delle distorsioni armoniche
Marco Spoladore è Business Development manager di ABB:
«In generale qualsiasi impianto che utilizza motori elettrici comandati da inverter è soggetto a distorsione armonica. Si tratta infatti di carichi non lineari che influenzano la forma d’onda sinusoidale e che producono problemi tecnici, dal malfunzionamento di alcuni componenti all’aumento dei consumi fino all’immissione in rete delle armoniche, causando perciò anche un incremento dei costi operativi.
I sistemi di rifasamento e di filtrazione attiva e passiva sono soluzioni molto utilizzate per minimizzare il problema, ma a loro volta comportano ulteriori complessità sia per quanto attiene i costi di acquisto, installazione e manutenzione, sia per quanto riguarda il consumo energetico. In alternativa sono oggi disponibili soluzioni più efficaci ed economiche, fra cui i dispositivi definiti Ultra Low Harmonic Drives (ULHD)».
Quali sono le tipologie di impianti più esposti alle distorsioni armoniche?
«Nel caso di un impianto equipaggiato con componenti elettronici, questi ultimi sono normalmente degli elementi disturbanti verso la rete elettrica – afferma Stefano Cossu, HVAC/R Business Development manager di ABB. Se la rete è opportunamente dimensionata l’impianto potrebbe non risentirne, ma sono molto frequenti i casi in cui i problemi sono evidenti e impattanti, dal duplice punto di vista tecnico ed economico.
È il caso dei data center che, per l’alimentazione degli apparati IT, utilizzano prevalentemente apparati di continuità (UPS, ecc.). Altri grandi edifici come ospedali, aeroporti, stabilimenti industriali, centri commerciali, ecc. sono altrettanto esposti. Personal computer, fotocopiatrici, apparecchi elettromedicali ed elettrodomestici sono altri esempi di dispositivi che producono e risentono delle distorsioni armoniche, ma in generale, ogni componente elettrico non lineare è fonte di armoniche. La casistica è comunque molto ampia e interessa anche gli interventi di retrofit, su impianti utilizzati in una pluralità di applicazioni».
Soluzione mininvasiva
Come si può individuare la fonte di questi problemi?
«Inverter e attuatori sono fra gli apparecchi che, normalmente, creano le variazioni di forma d’onda che portano alla distorsione armonica – spiega Marco Spoladore. Solitamente i componenti dell’impianto controllati da inverter e con potenza più elevata sono le fonti più probabili del disturbo, che spesso è esteso anche alle apparecchiature circostanti».
«In generale – riprende Stefano Cossu – maggiore è la potenza del singolo carico disturbante rispetto al totale delle potenze in gioco in un impianto, maggiore sarà il suo contributo alla creazione di distorsione armonica. Per questa ragione le normative sull’argomento (IEC 61000-3-12; IEEE519, G5/4) considerano il dato della potenza complessiva dell’impianto per regolamentare i disturbi immessi in rete.
Un altro caso frequente è quello di impianti esistenti rinnovati inserendo inverters e che, dopo l’intervento, iniziano a manifestare malfunzionamenti e/o problemi con la rete di distribuzione. Che si tratti di un impianto di nuova realizzazione, perciò tecnologicamente evoluto, oppure di un retrofit, una progettazione consapevole consente di prevenire le distorsioni armoniche, con soluzioni mininvasive come i drive Ultra Low Harmonic».
Qual è il contributo di ABB rispetto al tema della power quality?
«L’impiego di apparecchiature per l’elettronica di potenza è abbastanza recente e risponde fra l’altro all’obiettivo di ridurre i consumi energetici aumentando l’efficienza degli impianti. D’altra parte, i convertitori di frequenza creano distorsioni armoniche che, oltre ai problemi prima accennati, comportano disturbi alla rete e, anche, un incremento dei consumi.
La soluzione sviluppata da ABB consiste nella tecnologia Active Front End (AFE) degli Ultra Low Harmonic Drives (ULHD) che garantiscono la drastica riduzione della distorsione armonica, ai livelli minimi, oltre a vantaggi quali semplicità di installazione, design compatto e cablaggi puliti. Il risultato è un power factor unitario, che restituisce il pieno controllo dell’impianto nelle migliori condizioni operative».
Grazie a questa combinazione la tecnologia AFE di ABB offre una distorsione di corrente fra il 3÷5% e, per questo motivo, gli azionamenti sono denominati “ad armoniche ultrabasse” (ULHD). Poiché il fattore di potenza è unitario, questi dispositivi utilizzano la minor quantità possibile di corrente reattiva. Gli azionamenti AFE offrono inoltre prestazioni armoniche eccellenti ai carichi parziali e, grazie al controllo attivo del front-end IGBT, sono meno soggetti agli sbilanciamenti di tensione rispetto a qualsiasi altra soluzione di riduzione delle armoniche. Per l’installazione è sufficiente collegare l’apparecchiatura mediante i morsetti di ingresso linea e di uscita motore, senza necessità di ulteriori elementi esterni.
Applicazioni HVACR
Si tratta di una soluzione particolarmente adatta agli impianti termomeccanici?
«Le unità HVACR sono un carico ohmico-induttivo che assorbe una grande quantità di potenza reattiva e che comporta una maggiore corrente di linea, con conseguente rischio di surriscaldamento dei cavi. Questo può condurre al sovradimensionamento di cavi e dispositivi elettrici, che comporta un basso fattore di potenza ed espone il committente ai costi per il rifasamento.
La tecnologia AFE e gli inverter ULHD sono stati sviluppati per operare in impianti senza rifasatori né filtri passivi e attivi, per compensare la potenza reattiva. Gli impianti HVACR contemporanei – che fanno ampio uso di inverters in gruppi frigoriferi e pompe di calore, UTA e ventilatori, torri evaporative, elettropompe, centrali antincendio, compressori, ecc. – sono sicuramente un campo d’applicazione ideale per questi inverter innovativi».
Qual è, in sintesi, il metodo più indicato per una corretta progettazione, per un impianto nuovo e per un intervento di retrofit?
«In entrambi i casi è fondamentale conoscere le caratteristiche della rete alla quale è connesso l’impianto, del trasformatore e dei carichi potenzialmente disturbanti. Si tratta perciò di valutare se questi ultimi presentano complessivamente un contenuto armonico disturbante (THD: Total Harmonic Distorsion) superiore a una determinata soglia percentuale.
In questo modo è possibile scegliere la soluzione più adatta, di tipo centralizzato (uso di un sistema di filtrazione e conseguente sovradimensionamento dei componenti impiantistici) o decentralizzato (tecnologia AFE che elimina il contenuto armonico localmente, grazie a inverters ULHD opportunamente distribuiti nelle apparecchiature con carichi maggiori)».
I vantaggi dell’AFE
Facciamo un esempio…
«Prendiamo il caso degli impianti di un data center, perciò di un’applicazione con caratteristiche critiche che necessita di un’elevata power quality. Nel confronto fra le due alternative quella decentralizzata presenta numerosi benefici, fra cui:
- nessun sovradimensionamento di cavi e componenti elettrici;
- nessun danneggiamento di componenti elettrici a cause delle armoniche;
- nessuno spreco di energia non necessaria;
- nessun rischio di sovraccarico in rete per rottura dei filtri attivi o passivi.
Si tratta di vantaggi tecnici ed energetici significativi, ai quali si sommano sostanziali risparmi economici per il contenimento dei costi di acquisto e installazione di trasformatori, generatori ausiliari, cavi elettrici, ecc.. In un data center, come anche in un grande edificio terziario o industriale, la scelta della tecnologia AFE comporta normalmente risparmi evidenti sui costi di costruzione e gestione.
Il ricorso a sistemi di filtrazione esterna – constata Stefano Cossu – è diffuso negli interventi di retrofit, quando la sostituzione degli inverters con nuovi di tipo ULHD risulta difficilmente praticabile e a condizione di disporre dello spazio necessario. In tutti gli altri casi, specie per gli impianti di nuova realizzazione, utilizzare la tecnologia AFE è la soluzione più efficace, economica e pratica, perché elimina alla fonte la causa delle distorsioni armoniche».
«I convertitori di frequenza Ultra Low Harmonic di ABB consentono di contenere il THD entro il 5% – conclude Marco Spoladore. A fronte di un investimento leggermente superiore rispetto a un inverter standard, il risparmio in termini di spazio nei locali tecnici e di costi per la compensazione delle distorsioni immesse in rete è normalmente sempre conveniente, già nel breve-medio termine».
La tecnologia AFE trova applicazione negli inverter ULHD delle gamme ACH580-31 (3 modelli con potenze da 4 a 110kW) e ACH580-34 (1 modello da 132 a 355 kW), i cui prodotti sono adatti per applicazioni che richiedono compatibilità con le norme IEEE519 e G5/4. Gli inverter ULHD assicurano THDi < 3% e Power Factor = 1, anche ai carichi parziali.
Sono particolarmente consigliati nel caso di impianti in cui gli azionamenti sommano più del 30% della capacità dei trasformatori, per l’installazione sui drive con potenza maggiore, in abbinamento ad azionamenti a 6 impulsi con impedenza del 5%, per i drive di potenza inferiore.
Estremamente compatti nelle dimensioni ed equipaggiati con tutte le funzionalità necessarie alle applicazioni HVACR, gli inverters ULHD stabilizzano la tensione applicata al motore anche in applicazioni con tensione instabile e, negli interventi di retrofit, limitano il sovraccarico del trasformatore, restituendo un significativo risparmio sul Total Cost of Ownership anche grazie alla notevole semplicità d’installazione.
