Strategie di miglioramento della qualità dell’energia per sistemi di carico con azionamento a frequenza variabile (VFD)

Sebbene i variatori di frequenza (VFD) portino praticità ed efficienza alla produzione automatizzata, introducono anche inquinamento armonico nei sistemi di alimentazione, specialmente nei sistemi con un’elevata densità di VFD. Migliorare la qualità dell’energia è una questione critica e complessa. I VFD generano correnti armoniche, causando fluttuazioni di tensione, distorsione di tensione e potenzialmente interferenze elettromagnetiche, influenzando il proprio funzionamento e quello di altre apparecchiature sensibili. Di seguito sono riportate le principali strategie per migliorare la qualità dell’energia in tali sistemi:

Strategia Principale: Gestione Completa (Combinazione di più misure)

1. Mitigazione delle Armoniche:

Filtri Passivi:

Principio: Un circuito risonante LC composto da induttori, condensatori e resistori fornisce un percorso a bassa impedenza per armoniche specifiche (es. 5ª, 7ª, 11ª e 13ª armonica), bypassandole o assorbendole.

Vantaggi: Costo relativamente basso, struttura semplice e affidabile, facile manutenzione e può fornire una compensazione parziale della potenza reattiva fondamentale.

Svantaggi: Possono filtrare solo armoniche specifiche; possono diventare disintonizzati a causa di variazioni dell’impedenza di sistema o della deriva dei parametri del filtro, riducendo l’efficacia; possono risuonare in parallelo con il sistema, amplificando altre armoniche; possono compensare solo una quantità fissa di potenza reattiva.

Applicazioni: Adatti per applicazioni con spettri armonici relativamente fissi, ordini armonici ben definiti e variazioni minime dell’impedenza di sistema. Comunemente installati all’ingresso dell’inverter o sul bus di distribuzione.

AHF (Filtro Armonico Attivo):

Principio: Rilevamento in tempo reale delle componenti armoniche nella corrente di carico. Un convertitore elettronico di potenza genera una corrente armonica di uguale ampiezza e direzione opposta che viene iniettata nella rete, annullando così le armoniche generate dal carico.

Vantaggi: Può compensare dinamicamente più armoniche simultaneamente (tipicamente dalla 2ª alla 50ª); non è influenzato dall’impedenza di sistema, non si verificano risonanze; velocità di risposta rapida (millisecondi); può compensare simultaneamente la potenza reattiva e la corrente di sequenza negativa (squilibrio trifase); l’effetto filtrante non è influenzato dalle armoniche di fondo della rete.

Svantaggi: Costo relativamente elevato; genera una certa ondulazione di commutazione ad alta frequenza (richiede gestione).

Applicazioni: La soluzione più efficace e flessibile per il controllo delle armoniche degli inverter, particolarmente adatta per applicazioni con spettri armonici complessi, frequenti variazioni di carico e requisiti elevati di qualità dell’energia. Può essere installato all’ingresso dell’inverter, sul bus del gruppo di carico o sul bus principale del sistema.

Raddrizzamento a Multi-Impulsi:

Principio: Utilizzo di trasformatori sfasatori appositamente progettati (es. a 12 impulsi, 18 impulsi, 24 impulsi) per fornire tensioni con diverse differenze di fase a più ponti raddrizzatori, causando l’annullamento reciproco delle correnti armoniche di ingresso, riducendo così significativamente le armoniche caratteristiche.

Vantaggi: Riduce la generazione di armoniche alla fonte; elevata affidabilità (soluzione passiva).

Svantaggi: Costo elevato del trasformatore, dimensioni ingombranti, perdite aumentate; può eliminare solo armoniche specifiche (es. 12 impulsi elimina la 5ª e la 7ª armonica, ma genera l’11ª e la 13ª); richiede un’elevata precisione nell’angolo di sfasamento del trasformatore; l’efficacia diminuisce in condizioni di carico squilibrato.

Applicazioni: Comunemente utilizzato in singoli convertitori di frequenza ad alta potenza o in applicazioni con requisiti elevati; meno comune in sistemi distribuiti con più convertitori di frequenza a bassa potenza.

Reattore di Soppressione Armonica/Reattore di Ingresso:

Principio: Un reattore è collegato in serie all’ingresso del convertitore di frequenza per aumentare l’impedenza di alimentazione, limitando il valore di picco e la velocità di variazione (di/dt) delle correnti armoniche e riducendo il tasso di distorsione della corrente (THDi).

Vantaggi: Basso costo, struttura semplice, facile installazione; può sopprimere alcuni picchi e sovratensioni; migliora la durata del ponte raddrizzatore dell’inverter.

Svantaggi: Effetto filtrante limitato (di solito riduce il THDi al 30%~40%); genera una certa caduta di tensione (da considerare); genera calore proprio.

Applicazioni: Quasi tutti gli inverter lo utilizzano come configurazione standard o consigliata, fungendo da misura di soppressione armonica di base.

2. Compensazione della Potenza Reattiva e Stabilizzazione della Tensione:

Dispositivo di Compensazione Dinamica della Potenza Reattiva:

Generatore Statico di VAr (SVG):

Principio: Basato su un convertitore a dispositivo elettronico di potenza completamente controllato (IGBT), può generare o assorbire rapidamente (a livello di millisecondi) potenza reattiva in modo continuo per mantenere la stabilità della tensione di sistema.

Vantaggi: Velocità di risposta estremamente rapida, sopprime efficacemente fluttuazioni di tensione e sfarfallio; elevata precisione di compensazione; non genera risonanza; può compensare simultaneamente le armoniche (funzione simile all’AHF).

Svantaggi: Costo più elevato.

Applicazioni: Particolarmente adatto per applicazioni in cui le rapide variazioni di carico (come laminatoi e gru) causano gravi fluttuazioni di tensione.

Condensatori/Reattori Commutati a Tiristori (TSC/TSR):

Principio: I tiristori consentono la commutazione senza contatto e rapida di banchi di condensatori o reattori, ottenendo una compensazione della potenza reattiva a gradini.

Vantaggi: Costo inferiore rispetto all’SVG; tempo di risposta più rapido (decine di millisecondi); può fornire una compensazione di capacità maggiore.

Svantaggi: La compensazione è a gradini, meno fluida dell’SVG; possono verificarsi corrente di spunto e sovratensione durante la commutazione; è necessaria una progettazione attenta per evitare la risonanza con il sistema (specialmente in presenza di armoniche).

Applicazioni: Adatto per applicazioni in cui la domanda di potenza reattiva cambia rapidamente ma l’ampiezza della fluttuazione non è estremamente drastica.

Nota Importante: L’uso di contattori tradizionali per commutare i condensatori è assolutamente vietato in sistemi contenenti un gran numero di armoniche degli inverter! Ciò può facilmente causare una pericolosa risonanza parallela, amplificando le correnti armoniche, portando al danneggiamento per sovraccarico o addirittura all’esplosione del condensatore.

Supporto del Bus DC: Per applicazioni molto esigenti (come produzione di precisione e data center), considerare l’aggiunta di moduli di condensatori di accumulo di energia o supercondensatori al bus DC degli inverter critici per fornire energia a breve termine per mantenere il funzionamento dell’inverter durante cadute istantanee di tensione nella rete.

3. Ottimizzare la Progettazione e l’Installazione del Sistema:

Selezione del Trasformatore di Potenza:

La selezione di un trasformatore con una maggiore impedenza di cortocircuito aiuta a limitare la corrente di cortocircuito e alcune correnti armoniche.

Considerare l’uso di un trasformatore con Fattore K appositamente progettato per carichi non lineari, poiché il suo progetto può sopportare il calore aggiuntivo generato dalle correnti armoniche.

Struttura di Distribuzione dell’Energia Ragionevole:

Alimentazione di Gruppo: Alimentare il carico dell’inverter e i carichi non lineari separatamente dai carichi sensibili alla qualità dell’energia (come PLC, strumenti e computer) utilizzando trasformatori diversi o bus di distribuzione diversi per ridurre le interferenze reciproche.

Accorciare la Distanza di Alimentazione: Ridurre al minimo la distanza del cavo dall’inverter al quadro di distribuzione a monte o al trasformatore per ridurre l’impedenza di linea e minimizzare la caduta di tensione e la distorsione della tensione armonica.

Aumentare la Sezione del Cavo: Pur soddisfacendo i requisiti di capacità di carico di corrente, aumentare opportunamente la sezione dei cavi di ingresso e uscita dell’inverter per ridurre l’impedenza di linea, la caduta di tensione e le perdite, il che aiuta anche a sopprimere la distorsione della tensione armonica.

Messa a Terra e Schermatura:

Buona Messa a Terra: Assicurarsi che l’intero sistema (armadio inverter, motori, filtri, AHF/SVG, ecc.) abbia una buona messa a terra a bassa impedenza, a punto singolo o equipotenziale, per evitare correnti di anello di terra. Utilizzare un filo di terra dedicato con diametro sufficientemente spesso.

Cavo Schermato: Il cavo dall’uscita dell’inverter al motore deve essere un cavo schermato simmetrico (es. un cavo schermato tripolare simmetrico o un cavo trifase tripolare con schermatura individuale). Lo strato schermante deve essere messo a terra con una sovrapposizione a 360 gradi sia all’estremità dell’inverter che del motore.

Separazione dei Cavi di Ingresso: I cavi di alimentazione in ingresso dell’inverter, i cavi del motore in uscita e i cavi del segnale di controllo devono essere posati separatamente (preferibilmente in diverse passerelle portacavi o con una distanza sufficiente), evitando lunghi percorsi paralleli e incrociandoli perpendicolarmente quando possibile. Utilizzare cavi schermati a doppino intrecciato per le linee di segnale.

Soppressione delle Interferenze in Modo Comune:

Installare un’induttanza di modo comune o un nucleo di ferrite all’uscita dell’inverter per sopprimere la corrente ad alta frequenza di modo comune.

Installare un reattore di uscita o un filtro dv/dt all’estremità del motore per ridurre la velocità di variazione della tensione sul cavo di uscita, riducendo lo stress di isolamento e le interferenze elettromagnetiche sul motore.

Considerare l’installazione di un filtro sinusoidale tra il motore e l’inverter per ottenere una forma d’onda di tensione quasi sinusoidale all’estremità del motore.

4. Monitoraggio e Gestione della Qualità dell’Energia:

Installare Dispositivi di Monitoraggio Online della Qualità dell’Energia: Installare analizzatori di qualità dell’energia online in punti chiave (come ingressi di sistema, prima di carichi importanti e prima e dopo i punti di installazione di AHF/SVG) per monitorare continuamente parametri come tensione, corrente, armoniche (THDv, THDi, contenuto armonico), sfarfallio, fluttuazioni di tensione e fattore di potenza.

Stabilire Parametri di Riferimento e Allarmi: Impostare intervalli normali e soglie di allarme per i parametri di qualità dell’energia per rilevare tempestivamente le anomalie.

Analisi dei Dati e Ottimizzazione: Analizzare i dati storici per identificare modelli e cause profonde dei problemi di qualità dell’energia, valutare l’efficacia delle misure di mitigazione e fornire una base per ottimizzare ulteriormente la configurazione e il funzionamento del sistema.

Raccomandazioni per l’Implementazione:

1. Valutare la Situazione Attuale: Innanzitutto, condurre test completi sulla qualità dell’energia (idealmente in diverse condizioni operative) per quantificare la gravità e le caratteristiche spettrali di problemi come armoniche, fluttuazioni di tensione e fattore di potenza.

2. Definire gli Obiettivi: In base alla tolleranza delle apparecchiature, ai requisiti del contratto di fornitura di energia o agli standard pertinenti (come IEEE 519, GB/T 14549), determinare gli obiettivi di qualità dell’energia richiesti (es. THDv < 5%, THDi < 8%, fluttuazione di tensione < 3%).

3. Progettazione dello Schema e Simulazione: Sulla base dei risultati della valutazione e degli obiettivi, progettare uno schema di mitigazione completo. Si consiglia vivamente di utilizzare software di simulazione professionale per sistemi di potenza (come ETAP, PSCAD, EMTP-RV) per modellare e simulare lo schema, prevedere l’effetto di mitigazione, valutare il rischio di risonanza e ottimizzare i parametri delle apparecchiature e le posizioni di configurazione (es. punti di installazione AHF/SVG, punti di sintonizzazione del filtro).

4. Implementazione per Fasi: Per i sistemi di grandi dimensioni, le misure di mitigazione possono essere implementate in fasi. Ad esempio, installare prima i reattori di ingresso per tutti i convertitori di frequenza, quindi installare l’AHF nell’area più problematica o sul busbar, ed espandere gradualmente ad altre aree o aggiungere SVG per affrontare i problemi di fluttuazione di tensione.

5. Selezione e Installazione delle Apparecchiature: Selezionare marchi e prodotti tecnologicamente maturi e affidabili. Attenersi scrupolosamente alle specifiche del produttore e agli standard professionali per installazione, cablaggio e messa a terra. 6. Messa in Servizio e Verifica: Dopo l’installazione, le apparecchiature per il controllo della qualità dell’energia devono essere sottoposte a una messa in servizio dettagliata e a un secondo test di qualità dell’energia per verificare se l’effettivo effetto soddisfa gli obiettivi previsti.

7. Monitoraggio e Manutenzione Continui: Stabilire un sistema regolare di monitoraggio e manutenzione della qualità dell’energia per garantire il funzionamento efficace a lungo termine delle apparecchiature per il controllo della qualità dell’energia.

Sommario:

Non esiste una soluzione unica per migliorare la qualità dell’energia nei sistemi ad alto carico azionati da inverter; è necessario un approccio completo. I principi fondamentali sono un’efficace soppressione delle armoniche (preferibilmente AHF), la compensazione dinamica della potenza reattiva e la stabilizzazione della tensione (preferibilmente SVG o TSC), supportati da una progettazione ottimizzata del sistema (trasformatori, alimentazione di gruppo, linee), installazione standardizzata e schermatura di messa a terra, e monitoraggio e gestione continui. Attraverso una pianificazione attenta, una progettazione professionale e un’implementazione rigorosa, la qualità dell’energia del sistema può essere migliorata in modo significativo, garantendo un funzionamento sicuro e stabile delle apparecchiature, migliorando l’efficienza energetica e soddisfacendo gli standard e le specifiche pertinenti.