Fenomeni armonici nei sistemi elettrici: cause, effetti e rischi

Armonichesono un fenomeno critico ma spesso trascurato nei sistemi elettrici. Rappresentano distorsioni della forma d'onda sinusoidale ideale di tensione o corrente, che si verificano a frequenze che sono multipli interi della frequenza fondamentale (ad es. 50 Hz o 60 Hz). Mentre le armoniche sono inerenti ai moderni sistemi di potere, la loro presenza incontrollata può portare a gravi conseguenze operative e finanziarie. Questo articolo esplorerà le loro cause, effetti e rischi.

Cosa causa armoniche?

ArmonicheOriginano principalmente i carichi non lineari, i progetti in cui la corrente non si allinea con la forma d'onda di tensione sinusoidale. Esempi comuni includono:

Drive di frequenza variabile (VFD) nei motori industriali, alimentatori in modalità interruttore (ad es. Computer, server, illuminazione a LED), inverter di energia rinnovabile (sistemi solari/eolici), alimentatori non interruplibili (UPS) e stazioni di ricarica dei veicoli elettrici. Questi carichi interrompono il flusso regolare di corrente, producendo forme d'onda distorte. Ad esempio, un VFD può disegnare corrente in impulsi brevi piuttosto che un'onda sinusoidale continua, con conseguente armonica come la 3a (150 Hz), il 5 ° (250 Hz) o il 7 ° (350 Hz).

Quali sono gli effetti delle armoniche?  

Le armoniche degradano la qualità dell'energia e impongono costi nascosti significativi all'infrastruttura di potenza:  

Le armoniche causano perdite di energia e aumento dei costi. Ad esempio, le correnti armoniche del quinto ordine possono comportare fino al 15% di rifiuti energetici aggiuntivi nei sistemi di distribuzione (Dipartimento della ricerca sull'energia degli Stati Uniti). Questa inefficienza può portare a fatture di elettricità più elevate.  

Può causare danni alle attrezzature e ridurre la durata della vita, poiché le correnti armoniche generano correnti parassite e perdite di isteresi, portando al surriscaldamento. I trasformatori che operano in ambienti ad alta armonia possono fallire il 30-50% più velocemente della durata della vita nominale. Inoltre, le armoniche possono causare risonanza, portando al sovraccarico di condensatori e potenziali esplosioni o incendi. Inoltre, nei sistemi trifase, le armoniche del terzo ordine (3a, 9 °, ecc.) Si accumulano sulla linea neutra, causando potenzialmente il surriscaldamento.  

Le armoniche possono anche causare interruzioni operative, in particolare in attrezzature sensibili come dispositivi medici, strumenti di laboratorio o server di data center che si basano sulla potenza pulita. La distorsione della tensione causata da armoniche può comportare guasti alle apparecchiature, corruzione dei dati o tempi di inattività non pianificati.

Anche i rischi di conformità e sicurezza associati alle armoniche sono fondamentali. Il superamento dei limiti armonici specificati in standard come IEEE 519-2022 possono comportare multe regolamentari. Inoltre, il surriscaldamento delle attrezzature può creare rischi di incendio e rischi di sicurezza.

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