Studi ed indagini statistiche condotti sulle reti elettriche hanno dimostrato che la causa principale dei problemi di Power Quality sono i buchi di tensione.
Oltre il 60% dei costi dovuti ad un basso Power Quality sono conseguenza dei buchi di tensione. Il costo di un buco di tensione è normalmente inferiore a quello di un’interruzione dell’alimentazione di tensione, l’evento in assoluto più “fastidioso”, ma il primo è di gran lunga più frequente. I problemi aumentano con apparecchiature sofisticate ed elettroniche, sempre più diffuse negli impianti elettrici.
Cos’è un buco di tensione (Sag)?
Definizione: riduzione temporanea della tensione nominale al di sotto di una soglia specifica in un punto della linea di alimentazione elettrica (Norma CEI EN 50160).
Un buco di tensione si verifica quando la tensione residua si riduce a valori compresi tra il 90 e il 5 per cento della tensione nominale.
La durata del buco di tensione è considerata tra 10ms fino a 1 minuto. La maggior parte dei buchi di tensione ha una durata inferiore a 1 secondo e una tensione residua superiore al 40% del valore nominale
Durata del buco di tensione: tempo tra l’istante in cui la tensione efficace in un punto particolare di un sistema di alimentazione elettrica cade al di sotto della soglia di inizio e l’istante in cui risale fino alla soglia di fine. La durata di un buco è compresa tra 10ms e 1min compreso. Per gli eventi polifase, un buco inizia quando una tensione cade al di sotto della soglia di inizio del buco e termina quando tutte le tensioni sono uguali o superiori alla soglia di fine del buco.
Soglia di fine del buco di tensione: valore efficace della tensione in un sistema di alimentazione elettrica con lo scopo di definire la fine di un buco di tensione.
Tensione residua del buco di tensione: valore minimo della tensione efficace registrato durante un buco di tensione, secondo la norma EN50160 la tensione residua è espressa in percentuale della tensione di riferimento.
Soglia di inizio del buco di tensione: valore efficace della tensione in un sistema di alimentazione elettrica specificato allo scopo di definire l’inizio di un buco di tensione.
Cause dei buchi di tensione
I buchi di tensione sono generalmente originati da guasti nella rete pubblica o negli impianti degli utenti della rete, in qualche caso dai sovraccarichi transitori dovuti allo spunto di grossi motori o inserzione di grossi carichi.
Sono imprevedibili e largamente casuali, e non sono imputabili né al gestore della rete né al distributore di energia. La frequenza annuale varia principalmente a seconda del tipo di sistema di alimentazione e del punto di osservazione. Inoltre, la distribuzione durante l’anno può essere molto irregolare.
I guasti in rete causano buchi di tensione più profondi se si verificano vicino ai carichi: la profondità del buco è infatti proporzionale all’impedenza di rete vista nel punto in cui avviene il buco.
Secondo uno studio CESI l’incidenza dei buchi di tensione è di gran lunga maggiore in caso di rete MT aerea piuttosto che con cavi sotterranei.
Gli azionamenti dei motori, compresi i variatori di velocità, sono particolarmente sensibili.
Anche le apparecchiature di elaborazione e controllo dati sono molto sensibili ai buchi di tensione e possono subire perdite di dati e tempi di fermo prolungati.
Perché sono importanti i buchi di tensione
I costi causati da un buco di tensione sono inferiori a quelli di un’interruzione, ma i buchi di tensione sono molto più frequenti.
Più l’apparecchiatura è moderna e più elettronica è richiesta, più gravi sono i problemi causati dai buchi di tensione. Con il crescente numero di impianti di generazione a energia rinnovabile, aumentano i buchi di tensione, le fluttuazioni e le deviazioni di frequenza.
Esempi di costi dovuti ai buchi di tensione:
- Costi per personale improduttivo causati dalla discontinuità del ciclo di lavorazione.
- Costi per materie prime irrimediabilmente perse.
- Costi per danni e/o malfunzionamento dei macchinari (riparazione, noleggio temporaneo).
- Penalità causate da conseguenti inadempienze contrattuali.
- Sanzioni per danni all’ambiente.
- Aumento dei costi generali di assicurazione.
Classificazione dei buchi di tensione
I buchi di tensione vengono classificati in base alla tensione residua e alla durata, secondo la norma CEI EN 50160:
Tale classificazione dei buchi è coerente con le normative CEI EN 61000-4-11 e 61000-4-34, che definiscono le classi di immunità delle apparecchiature in funzione della sopportabilità dei buchi di tensione. In particolare:
- i buchi classificabili nelle celle A1, B1, A2, B2 sono sopportabili dalle apparecchiature in classe 2 (da utilizzare negli ambiti industriali e terziario);
- i buchi classificabili nelle celle A1, B1, C1, A2, B2, A3, A4 sono sopportabili dalle apparecchiature in classe 3 (da utilizzare negli ambiti industriali caratterizzati da utenze disturbanti quali saldatrici, puntatrici, sistemi di conversione CA/CC, etc).
I livelli di compatibilità per le reti elettriche industriali sono definiti nella EN 61000-2-4
La maggioranza dei buchi di tensione ha una durata inferiore a un secondo e una tensione residua superiore al 40%.
Quanti buchi di tensione ho?
Come previsto dall’Autorità di Regolazione per Energia Reti e Ambiente (già AEEGSI), il distributore fornisce la tabella di sintesi e quella di dettaglio dei buchi di tensione registrati sulla semi sbarra MT di Cabina Primaria che alimenta il POD del cliente.
Di seguito esempio di tabella di sintesi ottenuta tramite portale di e-distribuzione. Sono evidenziate in arancione le celle corrispondenti all’immunità classe 2, ed in blu quelle corrispondenti all’immunità classe 3:
Immunità delle apparecchiature ai buchi di tensione
Il grafico CBEMA (associazione dei costruttori di dispositivi elettronici di consumo) e ITIC (Information Technology Industry Council) mostra le aree di tollerabilità delle apparecchiature alle variazioni di tensione e le aree problematiche.
Le problematiche nascono:
- sotto il 90% della tensione nominale a partire da una durata di 10 secondi;
- sopra il 110% della tensione nominale a partire da una durata di 0,5 secondi.
Impatto sui processi produttivi
I costi di fermo macchina negli impianti di produzione possono avere un impatto elevato, a volte possono essere anche superiori a quelli associati a realtà non produttive quali istituti finanziari, data center e strutture sanitarie. Inoltre, gli impianti di produzione possono essere sensibili a una gamma più ampia di disturbi elettrici rispetto alle interruzioni che vengono conteggiate nelle tradizionali statistiche di affidabilità dell’ente distributore.
Buchi di tensione di durata inferiore ai 100 millisecondi possono avere lo stesso effetto su un processo industriale di un’interruzione che dura diversi minuti.
Tutti i processi odierni contengono un certo livello di automazione e molti sono quasi completamente automatizzati. I processi automatizzati sono collegati tra loro tramite sistemi di reti di dati per garantire il controllo dei tempi di processo. Tipicamente ogni parte del processo viene eseguita tramite una macchina dedicata, unica per la fase di processo e alimentata da un proprio alimentatore: l’immunità a buchi e interruzioni varia per ogni apparecchiatura.
Molti dei processi di produzione odierni utilizzano sistemi che contengono alimentatori sensibili anche ai più comuni buchi di tensione. Alcuni processi utilizzano alimentatori più robusti, ma che non riescono a soddisfare le curve di tolleranza di tensione come le curve ITIC/CBEMA e SEMI F47.
Esistono diversi meccanismi per cui un buco di tensione può interferire con i processi industriali e commerciali, causando:
- Errore di controllo. La perdita di potenza di controllo si traduce nell’impossibilità di controllare il processo. Questo potrebbe essere il problema più diffuso, soprattutto tra gli utenti commerciali.
- Interruzione del contattore. Molti controlli industriali utilizzano contattori a ritenuta magnetica come dispositivi di controllo del motore. Un abbassamento di tensione può causare un collasso momentaneo del campo magnetico che mantiene chiusi i contatti. Quando i contatti si aprono, il motore si ferma.
- Flicker di tensione. Il flicker (sfarfallio) è la variazione ripetitiva dell’intensità dell’illuminazione ed è più un fattore di irritazione umano che una causa diretta dell’interruzione del processo.
- Dinamica della macchina. Poiché il valore efficace della tensione è essenziale per la trasmissione di energia, gli abbassamenti di tensione limitano la capacità di un sistema di alimentazione di distribuire la potenza dalle fonti ai carichi. Questa limitazione nel trasferimento di potenza può portare i generatori a non essere in grado di mantenere la stabilità.
- Stallo e riaccellerazione. I motori si bloccano se la tensione di alimentazione è bassa per un periodo prolungato. Questo potrebbe essere un problema se il motore non è adeguatamente protetto. Inoltre, i motori devono riaccelerare quando viene ripristinata la normale tensione. La riaccelerazione comporta correnti del motore più elevate del normale, che possono causare ulteriori problemi di tensione.
Oxygen, la soluzione Ortea
Soprattutto se le potenze in gioco sono importanti, le apparecchiature con back-up energetico (tipicamente si usano UPS) sono molto costose e ingombranti, a causa della dotazione di batterie (costi di manutenzione) e dei rendimenti non elevatissimi (costo dell’energia dissipata), Oxygen può essere una soluzione ottimale.
Oxygen, grazie ad un adeguato dimensionamento dei componenti di potenza e a una notevole velocità di risposta (<3 millisecondi) è in grado di risolvere i buchi di tensione con durata fino a un minuto.
I modelli attuali sono in grado di coprire i buchi di tensione fino al 50% del valore nominale (-50%).
L’energia richiesta per la compensazione del buco viene prelevata direttamente dalla rete: la compensazione di tensione sull’avvolgimento primario del trasformatore buck/boost viene eseguita da interruttori statici IGBT controllati da un microcontrollore.
L’utilizzo della tecnologia a doppia conversione garantisce l’isolamento dai disturbi e dalle distorsioni della rete e, insieme all’utilizzo dei condensatori elettrolitici, consente di realizzare macchine per carichi elevati.
L’interfaccia utente viene creata utilizzando un “touch display” (10”) multilingue; attraverso il menu di selezione è possibile visualizzare i valori elettrici e impostare i parametri operativi dell’apparecchiatura.
Correzione dei buchi di tensione fino a -50% con regolazione continua fino a ±15%: correzione in meno di 3 millisecondi.
Efficienza: >98% alla potenza nominale.
Design industriale: progettato per carichi industriali standard con ammesso sovraccarico del 150% per 1 minuto (alla tensione di ingresso nominale).
Costruzione modulare: manutenzione semplice e veloce.
Senza accumulatori di energia: minima manutenzione e maggiore affidabilità.
By-pass interno: interruttore statico interno che consente l’alimentazione del carico in caso di guasto.
Connettività: Modbus TCP/IP.
Display touch screen multilingual: facile da utilizzare con semplici controlli utente e registro eventi.
La gamma Oxygen:
Oxygen 10-40 (da 200kVA a 2500kVA)
Compensazione della tensione in ingresso: ±10% continuo / -40% per 1 minuto (100% tensione nominale in uscita)
Oxygen 15-50 (da 200kVA a 2000kVA)
Compensazione della tensione in ingresso: ±15% continuo / -50% per 1 minuto (100% tensione nominale in uscita)
Entrambi sono disponibili in versione K, con interruttore automatico in ingresso e in uscita e linea di by-pass manuale con interruttore automatico interbloccato.