Filtro attivo: come migliorare il Power Quality di un impianto industriale

Uno dei problemi più comuni negli impianti elettrici di potenza, sia del terziario che industriali, è la distorsione delle correnti

Ormai molte utenze di potenza sono non-lineari, ovvero assorbono corrente non sinusoidale (distorta) anche se sono alimentate con tensione perfettamente sinusoidale. A loro volta le correnti distorte possono essere causa di conseguenze non gradite: distorsione della tensione; surriscaldamento di cavi/sbarre/trasformatori per perdite joule aggiuntive; vibrazioni; risonanze; riduzione della vita utile dei componenti più sensibili; interventi intempestivi delle protezioni…

Negli impianti elettrici di potenza la distorsione della corrente può essere un problema molto fastidioso.

Ci sono diversi metodi per affrontare la problematica delle correnti armoniche in impianto: uno dei quali è il filtraggio attivo, che è sicuramente un metodo, elettrotecnicamente parlando, molto elegante e che consiste nel cancellare

 

Ambiti di utilizzo

 

Sono molti gli ambiti di possibile utilizzo dei filtri attivi, perché oltre alle utenze non lineari anche quelle sensibili sono sempre più diffuse negli impianti di potenza (pensiamo a Industria 4.0), ed in molti di essi il Power Quality è un aspetto prioritario.

Sono molte le realtà industriali che hanno utenze elettroniche di potenza come ad esempio l’ambito broadcasting, industrie ad alta automazione, infrastrutture, trattamento acque, ospedali, food&beverage, automotive…

Oggi il filtraggio attivo viene utilizzato soprattutto come rimedio in impianti che manifestano problemi; ma tendenzialmente diventerà sempre più un elemento previsto già in sede progettuale allo scopo di garantire un buon livello di Power Quality delle correnti e di conseguenza anche delle tensioni.

 

Cos’è e come funziona un filtro attivo

 

Il filtro attivo è anch’esso una apparecchiatura elettronica di potenza che possiamo considerare come un generatore ideale di corrente in grado di generare simultaneamente correnti con frequenza differente (tipicamente nel range tra 50Hz e 2500Hz), ciascuna con modulo e angolo opportuno.

E’ un elemento che si collega in derivazione all’impianto, allo stesso modo di un rifasatore, con il quale nel seguito faremo qualche similitudine in termini di strategia di posizionamento.

Il filtro attivo, tramite TA esterni montati nel punto dell’impianto dove si vuole effettuare la riduzione della distorsione della corrente:

• Misura le correnti armoniche
• Inietta correnti armoniche uguali, per modulo e frequenza, a quelle misurate; le inietta però con angolo di 180°, ovvero in controfase

In questo modo, per il principio di Kirchhoff applicato al nodo fittizio N rappresentato dal punto di connessione di potenza del filtro attivo, le correnti armoniche provenienti dalle utenze non lineari situate a valle del nodo saranno annullate, e dunque a monte di N sarà presente solo la componente a frequenza di rete.

 

 

Criteri di scelta e dimensionamento

 

Il filtro attivo viene dimensionato in termini di corrente, ed in particolare di corrente efficace armonica che bisogna iniettare nel punto dell’impianto prescelto, per annullare le correnti armoniche che lo percorrono. Bisogna quindi misurare le correnti armoniche, nella condizione di impianto che ci interessa, e calcolare il valore efficace di tutte le armoniche che si vogliono eliminare. Sulla base di questo valore efficace armonico, si sceglie la taglia del filtro attivo, tenendo un po’ di margine per evitare che il filtro lavori al limite delle sue possibilità.

Quindi un filtro attivo con dato di targa 100A significa che può erogare una corrente armonica totale con valore efficace 100A. Non vuole dire che va applicato su un carico da 100A!

Altro elemento importante per la scelta è la presenza di neutro distribuito oppure no nell’impianto: nel primo caso bisognerà scegliere filtri adatti per impianti “a tre fili” mentre nel secondo caso le versioni per impianti “a quattro fili”. Il conduttore di neutro, tra l’altro, è un componente particolarmente a rischio quando le correnti sono molto distorte, poiché le armoniche omopolari, ovvero di rango 3 e suoi multipli, si sommano nel neutro, che può risultare pesantemente sovraccaricato, e finire arrostito in breve tempo.

 

Come si collega alla rete: scelta e posizionamento dei TA

 

Per poter effettuare la sua funzione al variare delle correnti e del loro contenuto armonico, il filtro attivo necessita di essere collegato a 3 TA installati sulla linea da filtrare.

I TA possono essere collegati “a valle” del punto in cui il filtro inietta la sua corrente (in questo caso si parla di connessione in anello aperto) oppure “a monte” (in questo caso si parla di connessione in anello chiuso).

 

La corrente primaria del TA deve essere scelta in funzione della corrente dell’impianto, che in genere è quella che fluisce a pieno carico, ma a volte vanno fatte scelte diverse.

Ad esempio, se la situazione in cui si vogliono filtrare le armoniche è quella relativa all’avviamento di un grosso carico, il primario dei TA deve essere scelto in funzione del valore della corrente di spunto, viceversa i TA potrebbero andare in saturazione e fornire al filtro attivo un segnale impreciso e fuorviante.

E’ importante valutare la precisione dei TA (consigliata almeno classe 1), ed il collegamento con il filtro attivo, che deve essere realizzato con cavo di sezione generosa e di lunghezza limitata, allo scopo di non avere un’impedenza eccessiva collegata al secondario del TA.

Si consiglia inoltre che l’errore del TA in valore assoluto sia inferiore del 10% della corrente di targa del filtro attivo. Ad esempio, se il TA è 2000/1 in classe 1, il suo errore assoluto è 20A e dunque lo si può utilizzare per un filtro di taglia maggiore di 200A. Se si deve installare un filtro da 100, bisognerà utilizzare un TA 2000/1 almeno in classe 0,5.

 

Come definire il posizionamento nello schema dell’impianto

 

Qui utilizzo il confronto con il ruolo del rifasatore, apparecchiatura (tipicamente passiva) che deve correggere il comportamento di una o più utenze che impegnano troppa potenza reattiva. L’insieme virtuale “carico + rifasatore” viene visto, dalla rete a monte, come un carico più virtuoso. Questo però è vero solo a monte del punto di connessione del rifasatore, a valle la situazione è rimasta invariata.

In questo senso dal punto di vista tecnico, il miglior rifasamento è quello “distribuito”, ovvero ottenuto installando un rifasatore per ciascun carico da rifasare: in nessuna sezione di impianto circola inutile corrente reattiva.

In alternativa, i carichi possono essere rifasati “per gruppi”, ovvero installando un rifasatore in ogni “sottoquadro”. Si semplificherà il lavoro installando meno rifasatori, però nei conduttori a valle del rifasatore, tra i carichi ed il relativo sottoquadro, continuerà a circolare corrente induttiva.

Infine, si può realizzare un rifasamento “centralizzato” installando un unico rifasatore appena a valle del trafo MT/bt. Si installerà una sola apparecchiatura, ma tutto l’impianto, tranne il trafo, dovrà essere in grado di sopportare le correnti induttive.

Ritorniamo al filtro attivo e chiudiamo l’esempio: anche il filtraggio attivo può essere effettuato

• Distribuito: appena a monte di ogni carico fastidiosamente distorto installiamo un filtro attivo
• Per gruppi: a bordo di ogni sottoquadro installiamo un filtro attivo, in grado di compensare le correnti armoniche di tutti i suoi carichi a valle
• Centralizzato: un unico sistema di filtraggio attivo posizionato a valle del trafo MT/bt, per compensare le correnti armoniche di tutto l’impianto

Chiaramente la scelta deve essere fatta sulla base dello scopo che si vuole ottenere, e della localizzazione dei carichi sensibili di cui si vuole garantire il funzionamento. E sicuramente bisogna fare le opportune valutazioni tecnico/economiche.

Ove possibile, preferire il filtraggio distribuito: è il più efficace dal punto di vista del miglioramento del Power Quality dell’impianto.

 

Filtri attivi in parallelo

 

Anche i filtri attivi possono essere parallelati. Alcuni costruttori prevedono funzionamento “master-slave” con cablaggio di comunicazione tra le diverse unità. Dove questa funzione non è disponibile, è comunque possibile parallelare due o più macchine, con un escamotage: si collegano le due macchine alle rispettive terne di TA (che devono avere lo stesso primario) e poi in fase di parametrizzazione si dichiara ad entrambi i filtri attivi un primario pari alla metà di quello reale. In questo modo ciascun filtro attivo si prenderà in carico la metà delle correnti armoniche, senza rimbalzi o pendolazioni.

 

Quali sono i nemici del filtro attivo

 

Il filtro attivo teme l’eccessiva distorsione della tensione ed in particolare il notching, ovvero quel fenomeno che provoca la presenza di “intagli” nella tensione con durata pari a qualche ms o anche meno (https://www.linkedin.com/pulse/una-malattia-esotica-della-tensione-il-notching-silvano-compagnoni/?trackingId=q8j0kboSUdv%2B8h%2BEXHmY%2Bw%3D%3D).

In genere i filtri attivi sopportano il notching per come definito dalla IEEE519. Il notching va misurato accuratamente: alla condizione di massimo carico e quindi di massimo stress del trasformatore MT/bt bisogna fare una fotografia della forma d’onda della tensione con un oscilloscopio o con strumento analizzatore di power quality che abbia una velocità di campionamento equiparabile all’oscilloscopio. Viceversa il fenomeno potrebbe non essere “visto” o potrebbe essere sottostimato.

Il filtro attivo inoltre non ama essere installato in una maglia bt in cui sono presenti rifasatori standard: in questo caso dovranno essere sostituiti con apparecchiature detuned.

 

Altre funzioni dei filtri attivi

 

Macchine versatili, possono effettuare alcune altre funzioni, interessanti: equilibratura dei carichi (limitatamente alla componente induttiva), riduzione del flicker, rifasamento extrarapido (funzione che torna molto utile per carichi particolarmente veloci e fastidiosi quali le puntatrici…).

Per sfruttare queste funzionalità bisogna tenerne conto nei calcoli di dimensionamento, soprattutto nel caso le si voglia utilizzare contemporaneamente alla funzione di filtraggio: la taglia del filtro dovrà essere opportunamente aumentata calcolando il valore efficace totale della corrente che il filtro potrà trovarsi a dover erogare quando le diverse funzioni fossero necessarie simultaneamente, e nella peggiore condizione di impianto.

 

Il filtro attivo è un’apparecchiatura di efficientamento energetico dell’impianto elettrico?

 

In teoria sì: eliminando le correnti armoniche riduce il valore efficace della corrente, e di conseguenza riduce le perdite joule nei cavi, nelle sbarre, nel trasformatore…

Tuttavia questa riduzione solitamente non è tale da giustificare, da sola, l’investimento. A mio avviso il filtro attivo è un’apparecchiatura di Power Quality; al massimo possiamo dire che ha un “retrogusto” di efficienza energetica, ma nulla di più.

 

Limiti di utilizzo del filtro attivo

 

I problemi di Power Quality di un impianto possono essere molti, e misurare le correnti armoniche è abbastanza semplice: la tentazione di tracciare velocemente un nesso causa-effetto tra le correnti armoniche ed i problemi è forte. Ma non è sempre così: il filtro attivo non è una bacchetta magica che risolve tutto. Bisogna utilizzarlo con oculatezza.

E dove la tensione risulta eccessivamente distorta spesso il problema è il trafo MT/bt, inadeguato a quel carico, in termini di valore di corrente e sua armonicità.

Nei casi più gravi è meglio armarsi di coraggio e sostituirlo, con uno adatto allo scopo, piuttosto che sperare di metterci una toppa con un filtro attivo…

 

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