Sulle reti pubbliche, in bassa e media tensione, è compito del Distributore fare in modo che il fattore di distorsione totale della tensione
THDu non superi l’8%.
Qualsiasi onda periodica non sinusoidale può essere rappresentata tramite una somma di onde sinusoidali ciascuna con frequenza multipla
intera della fondamentale secondo la relazione:
dove:
V0 = Valore medio di v(t)
V1 = Ampiezza della fondamentale di v(t)
Vk = Ampiezza della k-esima armonica di v(t)
Nel caso della tensione di rete la fondamentale ha frequenza 50Hz, la seconda armonica ha frequenza 100Hz, la terza armonica
ha frequenza 150Hz e così via. La distorsione armonica è un problema costante e non deve essere confuso con fenomeni di breve
durata quali picchi, diminuzioni o fluttuazioni. Si può osservare come nella Figura 1, l’indice della sommatoria vada da 1 a infinito.
Figura 1 - Effetto della somma di 2 frequenze multiple
Quello che accade in realtà è che ogni segnale non ha un numero di armoniche illimitato: esiste sempre un numero d’ordine oltre il
quale il valore delle armoniche è trascurabile.
La normativa EN50160 suggerisce di troncare la sommatoria nell’espressione (1) alla 40° armonica. Un indice fondamentale per rilevare
la presenza di armoniche è il parametro Distorsione Armonica Total THD% (valore percentuale) definito come:
Tale indice tiene conto della presenza di tutte le armoniche ed è tanto più elevato quanto più è distorta
la forma d'onda di tensione o corrente.
Cause della presenza di armoniche
Qualsiasi utilizzatore che alteri l'onda sinusoidale o usi soltanto una parte di detta onda causa distorsioni alla sinusoide
e quindi armoniche. Tutti i segnali di corrente risultano in qualche modo virtualmente distorti.
La più comune è la distorsione armonica causata da carichi NON LINEARI quali elettrodomestici, personal computer o regolatori
di velocità per motori. La distorsione armonica genera correnti significative a frequenze che sono multipli interi della frequenza
di rete. Le correnti armoniche hanno un notevole effetto sui conduttori di neutro degli impianti elettrici. Nella maggior parte
dei paesi la tensione di rete in uso è trifase 50/60Hz erogata da un trasformatore con primario collegato a triangolo e secondario
collegato a stella. Il secondario generalmente produce 230VAC tra fase e neutro e 400VAC fase e fase. Equilibrare i carichi per
ciascuna fase ha sempre rappresentato un rompicapo per i progettisti di impianti elettrici.
Fino a qualche decina di anni or sono, in un sistema ben equilibrato, la somma vettoriale delle correnti nel neutro era zero o
comunque piuttosto bassa (data la difficoltà di raggiungere l’equilibrio perfetto). Le apparecchiature collegate erano lampade
a incandescenza, piccoli motori ed altri dispositivi che presentavano carichi lineari. Il risultato era una corrente essenzialmente
sinusoidale in ciascuna fase ed una corrente con valore di neutro basso ad una frequenza di 50/60Hz. Dispositivi “moderni” quali
televisori, lampade fluorescenti, apparecchi video e forni a microonde normalmente assorbono corrente solo per una frazione di
ciascun ciclo causando carichi non lineari e di conseguenza correnti non lineari. Ciò genera strane armoniche della frequenza di
linea di 50/60Hz. Per questo motivo, allo stato odierno, la corrente nei trasformatori delle cabine di distribuzione contiene non
solo una componente 50Hz (o 60Hz) ma anche una componente 150Hz (o 180Hz), una componente 250Hz (o 300Hz) e altre componenti
significative di armonica fino a 750Hz (o 900Hz) ed oltre.
Il valore della somma vettoriale delle correnti in un sistema correttamente bilanciato che alimenta carichi non lineari può essere
ancora piuttosto basso. Tuttavia la somma non elimina tutte le correnti armoniche. I multipli dispari della terza armonica
(chiamati i “TRIPLENS”) si sommano algebricamente nel neutro e quindi possono causare surriscaldamenti del medesimo anche con
carichi bilanciati.
Valori limite per le armoniche di tensione
La Normativa EN50160 fissa i limiti per le tensioni Armoniche che l'Ente fornitore può immettere nella rete .In condizioni
normali di esercizio, durante qualsiasi periodo di una settimana, il 95% dei valori efficaci di ogni tensione armonica,
mediati sui 10 minuti, dovrà essere minore o uguale rispetto ai valori indicati in nella Tabella 1.
La distorsione armonica globale (THD) della tensione di alimentazione (includendo tutte le armoniche fino al 40° ordine)
deve essere minore o uguale all’8%.
Tabella 1 - Valori di riferimento armoniche di tensione secondo la EN50160
Questi limiti, teoricamente applicabili solo per gli Enti fornitori di energia elettrica, forniscono comunque una serie
di valori di riferimento entro cui contenere anche le armoniche immesse in rete dagli utilizzatori.
Conseguenza della presenza di armoniche
In generale le armoniche d'ordine pari, 2a, 4a ecc. non sono causa di problemi.
Le armoniche triple, multipli dispari di tre, si sommano sul neutro (invece di annullarsi) creando così una situazione di surriscaldamento
del conduttore stesso potenzialmente pericolosa. I progettisti devono considerare i tre punti di seguito elencati nella progettazione
di un sistema di distribuzione di energia contenente correnti di armoniche:
- Il conduttore del neutro deve essere sufficientemente dimensionato.
- Il trasformatore di distribuzione deve avere un sistema di raffreddamento ausiliario per continuare il funzionamento alla sua capacità nominale
se non è adatto alle armoniche.
Ciò è necessario perché la corrente armonica nel neutro del circuito secondario circola nel primario collegato a triangolo. Questa corrente di
armonica in circolazione porta ad un surriscaldamento del trasformatore.
- Le correnti armoniche della fase vengono riflesse sul circuito primario e ritornano alla fonte. Ciò può causare distorsione dell’onda di
tensione in modo tale che qualsiasi condensatore di rifasamento sulla linea può essere facilmente sovraccaricato.
La 5a e l'11a armonica si oppongono al flusso della corrente attraverso i motori rendendone più difficile il funzionamento limitandone la vita media.
In generale più è elevato il numero d'ordine della armonica e minore è la sua energia e quindi minore l'impatto che avrà sulle apparecchiature
(fatta eccezione per i trasformatori).