Filtro attivo per la compensazione delle armoniche

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Filtro attivo per la
compensazione
delle armoniche
(SAF Shunt Active Filter)
SEI SISTEMI SRL ‐ Filtro attivo per la compensazione delle armoniche PAG 1 Filtri attivi per condizionare le reti
FILTRI ATTIVI DI POTENZA
Con il grande sviluppo dell’elettronica di potenza nel settore industriale, si è avuto un sostanziale aumento
del problema della distorsione armonica, dovuto a notevoli assorbimenti di potenza reattiva ed armoniche di
corrente che creano distorsioni di tensione e corrente, provocando problemi alle varie apparecchiature installate.
Tra i carichi non lineari più comuni vi sono gli avviatori dei motori, gli azionamenti a velocità variabile, i computer e altre apparecchiature elettroniche, l’illuminazione elettronica, i sistemi di saldatura e i gruppi di continuità.
Gli effetti delle armoniche possono essere il surriscaldamento di trasformatori, cavi, motori, generatori e
condensatori collegati alla stessa alimentazione di potenza dei dispositivi che generano le armoniche. Si
possono verificare fenomeni di sfarfallio dei display elettronici e dell’illuminazione, lo scatto degli interruttori,
guasti ai computer ed errori di lettura degli indicatori di misura.
Se la causa di questi sintomi non è nota, è opportuno ricercare la presenza di distorsioni armoniche del sistema di distribuzione elettrica dell’impianto. Gli effetti possono manifestarsi prima a livello dell’impianto
dell’utente che nel sistema di erogazione dell’energia elettrica.
Le correnti armoniche causano distorsioni
a livello della tensione di linea. In linea di
principio, le armoniche di tensione possono essere calcolate in qualsiasi punto della rete se le correnti armoniche e le impedenze della sorgente corrispondente sono
note. La norma non stabilisce limiti per le
singole apparecchiature, ma per i singoli
utenti.
La riduzione delle armoniche può essere
conseguita sia mediante modifiche strutturali del sistema di azionamento sia utilizzando filtri esterni. Le modifiche strutturali
possono consistere in un rinforzo
dell’alimentazione, utilizzando azionamenti
a 12 o più impulsi, nell’utilizzo di un raddrizzatore controllato o nel miglioramento
del sistema di filtri interni all’azionamento
La figura 1 mostra i fattori presenti nel sistema di azionamento in c.a. che hanno
un certo impatto sulle armoniche.
Le armoniche di corrente dipendono dalla
configurazione dell’azionamento e le armoniche di tensione equivalgono alle armoniche di corrente moltiplicate per le impedenze di alimentazione.
Fig. 1
Causa
Più grande è il motore…
Più elevato è il carico del motore…
Maggiore è l’induttanza in c.a. o in c.c.
Maggiore è il numero di impulsi nel raddrizzatore
Più lungo è il cavo di alimentazione
Più grande è il trasformatore
Più bassa è l’impedenza del trasformatore
Più alta è la capacità di alimentazione di cortocircuito
Effetto
Maggiori sono le armoniche di corrente
Maggiori sono le armoniche di corrente
Minori sono le armoniche di corrente
Minori sono le armoniche di corrente
Maggiori sono le armoniche di tensione
Minori sono le armoniche di tensione
Minori sono le armoniche di tensione
Minori sono le armoniche di tensione
SEI SISTEMI SRL ‐ Filtro attivo per la compensazione delle armoniche PAG 2 Il circuito di raddrizzatore più comune negli azionamenti in c.a. trifase è un ponte a diodi a 6 impulsi. Comprende 6 raddrizzatori o diodi privi di controllo e un induttore, che, uniti a un condensatore in c.c., formano
un filtro passa-basso per il livellamento della corrente in c.c.- L’induttore può essere sul lato in c.c. o in c.a.,
oppure completamente esterno Il raddrizatore a 6 impulsi è semplice ed economico, ma genera un livello elevato di armoniche di basso ordine (5a, 7a e 11a) specialmente in presenza di una bassa induttanza di livellamento.
La figura 2 mostra la forma d’onda della corrente. Se la maggior parte del carico consiste in convertitori con raddrizzzatore a 6 impulsi, il trasformatore di alimentazione deve essere
sovradimensionato e può essere difficile assicurare la conformità ai requisiti delle normative. Spesso è necessario prevedere filtri per le armoniche.
Fig. 2
Le armoniche di un azionamento in c.a. della sorgente di tensione possono essere notevolmente ridotte collegando
un’induttanza di dimensioni sufficienti in corrispondenza
dell’ingresso in c.a. o del bus in c.c.- Si è riscontrata una tendenza a ridurre le dimensioni del convertitore, mentre
l’induttanza è stata rimpicciolita e, in alcuni casi, eliminata.
L’effetto di tali iniziative si può notare nelle forme della curva
della figura 3.
Fig. 3
L‘uso dei filtri è un metodo per ridurre le armoniche negli impianti industriali quando la distorsione armonica
è aumentata gradualmente, oppure come soluzione globale in un nuovo impianto.
I filtri tarati di tipo passivo introducono nuove risonanze che possono determinare ulteriori problemi di armoniche. Le più recenti
tecnologie di potenza
di tipo elettronico realizzano prodotti in grado di controllare la distorsione armonica in
modo attivo. Tali filtri di
tipo attivo, illustrati nella figura 4, assicurano
una
compensazione
per i componenti di
armoniche presenti sul
sistema di erogazione
dell’energia basti sulla
generazione attuale di
armoniche in qualsiasi
momento.
Fig. 4
SEI SISTEMI SRL ‐ Filtro attivo per la compensazione delle armoniche PAG 3 Il filtro attivo compensa
le armoniche generate
dai carichi non lineari,
generando gli stessi
componenti di armoniche nella fase opposta,
come illustra la figura
5. I filtri attivi esterni
sono più adatti in caso
di piccoli azionamenti
multipli. Sono relativamente costosi a fronte
di altri metodi.
Fig. 5
La Siei Sistemi S.r.l. ha sviluppato una serie di filtri attivi di potenza per eliminare le armoniche di corrente e
per compensare le potenze reattive nei sistemi elettrici di distribuzione di potenza.
Il filtro attivo va collegato in parallelo alla linea di alimentazione, a monte del carico distorcente, in modo da
compensare le correnti armoniche trifasi.
Il filtro attivo immette in rete una corrente pari alle armoniche da compensare in modo che, sulla linea di alimentazione, la corrente risulti sinusoidale indipendentemente dal carico connesso.
Al fine del controllo, il filtro attivo necessita della misura della corrente del carico, effettuata tramite sensori
posti a valle del punto di inserimento del filtro.
Applicazioni possibili:


Filtraggio attivo: il sistema impedisce che le correnti armoniche fluiscano sul lato della rete.
Compensazione dinamica della potenza reattiva: compensa la potenza reattiva del carico, permettendo
quindi il controllo del fattore di potenza (cosfì).
Specifiche tecniche
Tensione nominale
Frequenza nominale
Corrente nominale
Numero delle fasi
Armoniche compensate
400 V ± 15%
50 Hz ± 5%
50 – 100 - 300 Arms
3 fasi senza neutri
dalla 2a alla 25a
Condizioni ambientali
Temperatura
Umidità relativa
Altitudine
Riduzione armoniche
Standard di riferimento
(Total Harmonic Distor- <= 5%
Costruzione e sicurezza
tion
Compensazione del fatto- Fino a 1.0
Protezioni
re di potenza (cosfì)
Sovraccarico
Fino a 2 volte la corrente
nominale
Da 0 a 40°C
Da 0 al 95%
<= 1000 m valori nominali
>= 1000 m derating 1.2%
ogni 1000 m
EN 50091-1
IP 30 in accordo alla
IEC529
SEI SISTEMI SRL ‐ Filtro attivo per la compensazione delle armoniche PAG 4 Taglie di filtri attivi disponibili
Filtro
FA 37
FA 55
FA 110
FA 160
FA 315
Potenza
[kVA]
37
55
110
160
315
Corrente
compensata
[A]
75
125
210
315
590
Corrente
di picco
[A]
100
170
290
430
800
Dimensioni
[mm]
H 2100 L 800 P 600
H 2100 L 800 P 600
H 2100 L 1600 P 600
H 2100 L 1600 P 600
H 2100 L 1600 P 600
A
B
A)
B)
SEI SISTEMI SRL ‐ Filtro attivo per la compensazione delle armoniche PAG 5 Carico nominale da 100Arms costituito da un convertitore in continua
Caratteristiche del carico senza abilitare il filtro attivo:
SEI SISTEMI SRL ‐ Filtro attivo per la compensazione delle armoniche PAG 6 Caratteristiche del carico con il filtro attivo abilitato:
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