L’ABC dello stabilizzatore di tensione: considerazioni di base, criteri di scelta

Le caratteristiche fondamentali della tensione fornita al POD di una utenza sono la forma d’onda, il valore efficace, la frequenza. Se forma d’onda e frequenza sono sostanzialmente molto stabili grazie alla robustezza della rete europea, la stessa cosa non possiamo dire per il valore efficace: può subire variazioni anche sensibili rispetto al valore nominale che possono provocare situazioni indesiderate e potenzialmente dannose per le utenze.

Tali variazioni possono essere “rapide” ed esaurirsi in pochi millisecondi, o anche meno (ad esempio in conseguenza di fulmini che cadono sulle linee), oppure “lente” ovvero con decorso di diversi secondi, minuti o anche ore, a seconda della causa.

Le variazioni lente della tensione possono essere sia innalzamenti (a causa di regolazione MT non ottimale da parte del gestore della rete, distacco di di grossi carichi, sovratensione in uscita dai generatori, ecc.) sia, più frequentemente, abbassamenti (connessione di grossi carichi, avviamento di motori, linee elettriche sottodimensionate, guasti a terra).

Nel caso di variazioni di tensione lente lo stabilizzatore è una soluzione che garantisce un ottimo rapporto costi/benefici: una tensione di alimentazione stabile, indipendente dalle fluttuazioni della rete a monte, è molto spesso molto importante per assicurare l'efficienza e l'affidabilità delle utenze elettriche.

Viceversa, ridotta produttività, scarti di prodotto non conforme, perdita di dati, perdita di sicurezza, guasti macchina, informazioni inaccurate e disturbi sono solo alcuni esempi di potenziali problemi causati da un’alimentazione instabile. Ovviamente, tutto ciò si traduce in aumento di costi di gestione per l’utente.

Lo stabilizzatore di tensione

Lo stabilizzatore di tensione è un’apparecchiatura di potenza che si installa "in serie", ovvero si interpone tra la rete di alimentazione e le utenze per garantire a queste ultime una tensione che abbia una variazione molto contenuta (ad esempio ±0,5% rispetto al valore nominale) rispetto a quella, molto più ampia, che la rete deve garantire (la CEI EN 50160 ammette una variazione di +/-10% rispetto al valore nominale, ma spesso sulle reti si hanno variazioni anche maggiori).

I principali settori applicativi in cui sono impiegate apparecchiature sensibili alle variazioni di tensione comprendono:

• Settore industriale: oil&gas, galvanica, taglio (laser/acqua), tabacco, tessile, manifatturiero.

• Settore alimentare: allevamento, trattamento, confezionamento, imbottigliamento.
• Terziario e servizi: banche, hotels, data center, laboratori di prova, commercio/artigianato, utenze private.
• Telecomunicazioni: emittenti TV/radio, reti di telecomunicazione.
• Settore pubblico: ospedali, uffici pubblici.
• Energie rinnovabili: fotovoltaico, eolico.

In queste applicazioni le fluttuazioni della tensione, anche se entro i valori ammessi in sede normativa, possono dare luogo a problematiche di funzionamento delle utenze: le apparecchiature particolarmente “delicate” possono accusare malfunzionamenti o errori oltre i limiti accettati.

Tipiche situazioni impiantistiche dove la tensione può subire fluttuazioni oltre i valori ammessi dalla CEI EN 50160 sono:

• Utenze alimentate da linee elettriche “deboli” o sottodimensionate, come avviene per zone rurali o molto distanti dalle cabine MTe (allevamenti, villaggi turistici, alberghi).
• Utenze situate viceversa nelle immediate vicinanze delle cabine MT e quindi soggette a innalzamenti di tensione.
• Abitazioni private dotate di apparecchiature di potenza elevata (pompe per piscine, grossi condizionatori, corpi illuminanti speciali, ascensori) e/o specificatamente sensibili alle variazioni di tensione.
• Utenze situate in prossimità di grossi impianti industriali, con presenza di apparecchiature di taglia unitaria molto elevata (motori MT) che possono causare abbassamenti di tensione all’avviamento, oppure variazioni fastidione (forni elettrici).
• Utenze che funzionano in isola (navi, piattaforme offshore, utenze non connesse alla rete di distribuzione pubblica).

Rispetto ad altre tipologie di apparecchiature lo stabilizzatore di tensione presenta una serie di vantaggi che spesso lo rendono una soluzione interessante:

• Costo generalmente inferiore.
• Garanzia di un’ottima stabilità della tensione di uscita anche a fronte di ampie variazioni in ingresso.
• Assenza di introduzione di inquinamento armonico.
• Robustezza, affidabilità e possibilità di utilizzo anche in ambienti difficili.
• Sovraccaricabilità pari a due volte la corrente nominale (fino a 2 minuti).
• Assenza di batterie, e quindi di problematiche in termini di immagazzinamento, trasporto, manutenzione e smaltimento.
• Rendimento molto elevato.
• Ridotta sensibilità alle correnti di inserzione elevate.
• Dimensioni contenute, semplicità di utilizzo e funzionamento plug & play.

Criteri di scelta

Ecco nel seguito le principali considerazioni per scegliere oculatamente uno stabilizzatore di tensione.

Numero di fasi

Il numero di fasi di uno stabilizzatore dipende dalla natura dei carichi:

• per carico monofase scegliere uno stabilizzatore monofase;
• combinazione di più carichi monofase sulla stessa linea: scegliere uno stabilizzatore trifase o uno monofase dedicato ad ogni singolo carico sensibile alle variazioni di tensione;
• per carico trifase scegliere uno stabilizzatore trifase.

Tensione nominale

Nei sistemi trifase è il valore della tensione concatenata. I modelli standard trifase possono funzionare con tensione nominale 380V-400V-415V (50Hz) o 440V-460V-480V (60Hz). Altre tensioni, a richiesta.

Ampiezza della variazione di tensione in ingresso

È un dato chiave per la scelta e il dimensionamento dello stabilizzatore. Identificare l’entità dell’oscillazione della tensione di ingresso e tenere un margine di sicurezza su tale percentuale: se, per esempio, si misurano variazioni di tensione pari a ±16% sulla nominale, scegliere uno stabilizzatore dimensionato per variazioni di ±20%. Attenzione: se la variazione in ingresso supera quella prestabilita, la differenza si aggiunge alla precisione di uscita; per esempio se uno stabilizzatore dimensionato per ±15% riceve una variazione del +22%, la precisione della tensione di uscita non sarà più ±0,5% ma potrà avere una deriva fino a +7,5%.

Tipologia di regolazione

Gli stabilizzatori di tensione trifase standard sono realizzati con controllo a fasi indipendenti. Lo stabilizzatore dovrà essere collegato al neutro della linea di alimentazione. In assenza di neutro di linea è possibile, su richiesta, dotare la macchina di apposito accessorio per la formazione di un punto neutro “fittizio”, a bordo.

Tecnologia

Nella maggior parte delle applicazioni, lo stabilizzatore di tensione elettromeccanico è uno strumento affidabile e sicuro. Nel caso in cui è richiesta una elevata velocità di intervento (millisecondi), è meglio scegliere uno stabilizzatore elettronico, che effettua la regolazione della tensione tramite IGBT.

Potenza nominale

Tutti gli stabilizzatori sono dimensionati per la massima corrente di ingresso. Si consiglia comunque di tenere un margine di sicurezza per eventuali ampliamenti futuri. La potenza dello stabilizzatore è espressa in kVA, mentre la potenza del carico è normalmente espressa in kW. Si tenga conto che il legame tra queste due unità di misura è fornito dal fattore di potenza (cos φ): kVA = kW / cos φ.

Se il fattore di potenza e/o la potenza in kW non sono facilmente determinabili, rilevare le correnti assorbite e, tenendo conto delle formule seguenti, eseguire un corretto dimensionamento dello stabilizzatore.

kVA (monofase) = Tensione di carico x Corrente del carico.

kVA (trifase) = 1,732 x Tensione concatenata x Corrente del carico.

Installazione

Scegliere le altre caratteristiche dello stabilizzatore in funzione della tipologia di installazione. In particolare è necessario conoscere:

• Grado di protezione IP richiesto.
• Installazione interna o esterna.
• Altitudine e caratteristiche climatiche del sito.
• Temperatura ambientale.
• Eventuali situazioni ambientali pericolose come: atmosfera aggressiva, esposizione a sostanze chimiche, ecc.

Accessori

È possibile arricchire lo stabilizzatore con diverse tipologie di accessori:

• Dispositivi di interruzione e di protezione.
• Protezione del carico da sovra/sottotensione: se la tensione supera i limiti impostati, viene commutato un contatto, da utilizzarsi per evitare il danneggiamento e/o il malfunzionamento dei carichi sensibili.
• Linea di by-pass.
• Kit di protezione totale: interruttori automatici interbloccati.
• Trasformatore di isolamento in ingresso.
• Sistema di rifasamento automatico integrato.
• Scaricatori di sovratensione SPD.
• Filtri EMI/RFI (filtri "passabasso" per limitare i disturbi condotti).
• Reattanza di punto neutro, se l'impianto trifase da stabilizzare non ha neutro distribuito.
• Grado di protezione fino a IP54/55 indoor/outdoor.

Realizzazioni speciali

Con opportune varianti, è possibile ottenere degli stabilizzatori “speciali” in grado di:

• gestire variazioni non simmetriche della tensione di ingresso diverse dalla gamma standard (ad esempio da Vn -55% a Vn +20%);
• dare in uscita una tensione differente da quella di ingresso (ad esempio Vin= 400V ±15%, Vout= 460V ±0,5%).
• versioni per Base Transceiver Station (BTS) ovvero l’unità funzionale costituita dall’insieme dei ricetrasmettitori e degli apparati che consentono di fornire la copertura radio ad una cella per telecomunicazioni, vedasi schema qui di seguito.
• configurazioni “condizionatore di rete”: con le protezioni e gli accorgimenti che si vedono sullo schema seguente, per garantire il miglior livello di Power Quality alle utenze a valle.
• versioni F&B. Progettati per l’industria “food&beverage”, ovvero alimentare/packaging/imbottigliamento. Caratterizzati da carpenteria IP54 (eventualmente in acciaio INOX) e raffreddamento con condizionatori. Protetti contro spruzzi, accesso di polveri o altre sostanze volatili/in sospensione. Piedini rialzati per permettere la pulizia anche sotto il quadro.

Warning

Lo stabilizzatore contrasta la variazione della tensione agendo sulla corrente. In presenza di reti con tensione che può calare anche pesantemente, lo stabilizzatore la sosterrà assorbendo, proporzionalmente, una maggiore corrente. Ciò deve essere tenuto in considerazione nella scelta della taglia del trafo MT/bt a monte, nel dimensionamento dei conduttori e nella scelta/taratura degli organi di manovra e protezione. Viceversa, si rischiano sganci intempestivi e/o cadute di tensione che riducono il beneficio dello stabilizzatore, e/o surriscaldamenti.

Ad esempio, uno stabilizzatore trifase da 200kVA con variazione di tensione in ingresso 400V±25%, al massimo carico ed in presenza della minima tensione prevista, assorbirà una corrente di 385A mentre la corrente in uscita sarà sempre pari al valore “nominale” ovvero 289A.

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