Rifasare: perché?

Nei circuiti elettrici la corrente è:
– in fase con la tensione in presenza di un carico ohmico (es. resistenze);
– sfasata in ritardo se il carico è induttivo (es. motori, trasformatori a vuoto);
– sfasata in anticipo se il carico è capacitivo (es. condensatori).

Per esempio, la corrente totale (I) assorbita da un motore è determinata dalla somma vettoriale di:
– IR, corrente ohmica dovuta alla componente resistiva del carico;
– IL, corrente reattiva dovuta alla componente induttiva del carico.

A queste correnti sono associate le seguenti potenze:
– P, potenza attiva associata alla parte resistiva del carico;
– Q, potenza reattiva associata alla parte induttiva del carico;
– A, potenza apparente.

La potenza reattiva induttiva avendo valore medio nullo nel periodo non è utile ai fini della produzione di lavoro meccanico e costituisce un carico supplementare per il fornitore di energia, che lo impegna a sovradimensionare i propri generatori e le reti di trasmissione e distribuzione.
Il parametro che definisce l’assorbimento di potenza reattiva induttiva è il fattore di potenza.
Si definisce fattore di potenza il rapporto tra potenza attiva e potenza apparente.
In assenza di armoniche, il fattore di potenza equivale al coseno dell’angolo compreso fra il vettore corrente ed il vettore tensione (cosφ).
Il fattore di potenza diminuisce all’aumentare della potenza reattiva assorbita.
Un impianto funzionante a basso cosφ presenta i seguenti svantaggi:
– Elevate perdite di potenza nella trasmissione nelle linee elettriche;
– Elevate cadute di tensione;
– Maggior dimensionamento degli impianti di generazione, trasporto e trasformazione.

Da quanto esposto si capisce l’importanza di ovviare o almeno ridimensionare gli effetti di un basso fattore di potenza. I condensatori servono a raggiungere questo risultato.

Rifasare: come?

Installando una batteria di condensatori è possibile ridurre la potenza reattiva assorbita dai carichi induttivi presenti nell’ impianto e conseguentemente innalzare il valore del fattore di potenza.
Le modalità secondo cui effettuare il rifasamento sono molteplici e la loro scelta è funzione della natura e dell’andamento giornaliero dei carichi, della loro distribuzione nell'impianto e del tipo di servizio.
La scelta principale va effettuata tra rifasamento distribuito e rifasamento centralizzato.
Nel caso di rifasamento distribuito, le unità rifasanti sono disposte nelle immediate vicinanze di ogni singolo carico che si vuole rifasare.
Nel caso di rifasamento centralizzato, si installa un’unica batteria automatica a monte di tutti i carichi da rifasare e immediatamente a valle del punto di misura del cosφ (ad esempio nella cabina di trasformazione MT/BT o nel Quadro di distribuzione principale).
Tecnicamente, il rifasamento distribuito è la soluzione preferibile: condensatori e apparecchio utilizzatore seguono le stesse sorti durante l’esercizio giornaliero, per cui la regolazione del fattore di potenza diventa sistematica e rigidamente legata al carico rifasato.
Inoltre, con il rifasamento distribuito lo sgravio di energia reattiva interessa sia l’Ente Distributore sia l’utente. Negli impianti industriali, ad esempio, il risparmio ottenibile con il rifasamento distribuito si manifesta sia sotto forma tariffaria, sia sotto forma di miglior dimensionamento di tutte le linee interne allo stabilimento che collegano la cabina MT/BT con le utenze.
Un altro notevole vantaggio di questo tipo di rifasamento è l’installazione semplice e poco costosa, in quanto rifasatori e carico sono inseriti e disinseriti contemporaneamente e possono usufruire delle stesse protezioni contro i sovraccarichi ed i corto circuiti.
L’andamento giornaliero dei carichi ha un’importanza fondamentale per la scelta del tipo di rifasamento più conveniente.
In molti impianti, non tutte le utenze funzionano contemporaneamente e alcune addirittura funzionano solo per poche ore al giorno. È evidente che la soluzione del rifasamento distribuito diventa troppo costosa per l’elevato numero di rifasatori che si dovrebbero prevedere e molti di questi condensatori per lungo tempo inutilizzati.
Il rifasamento distribuito è conveniente qualora la maggior parte della potenza reattiva richiesta sia concentrata su pochi carichi di grossa potenza che lavorano molte ore al giorno.
Il rifasamento centralizzato conviene invece nel caso di impianti con molti carichi eterogenei che lavorano saltuariamente. In tal caso la potenza della batteria risulta molto inferiore alla potenza complessiva che bisognerebbe prevedere con il rifasamento distribuito.
È opportuno collegare la batteria permanentemente solo se l’assorbimento di energia reattiva durante la giornata è sufficientemente regolare, altrimenti deve essere manovrata al fine di evitare di avere il fattore di potenza in anticipo.
Se l’assorbimento di potenza reattiva è molto variabile durante il funzionamento dell’impianto, è consigliabile prevedere una regolazione automatica frazionando la batteria in più gradini. Si può prevedere la manovra manuale quando la batteria deve essere azionata poche volte al giorno.

Rifasare: quanto?

La scelta della potenza della batteria di condensatori da installare in un impianto (QC) è direttamente dipendente da:
– valore del cosφ2 che si vuole ottenere;
– valore del cosφ1 di partenza;
– potenza attiva installata.

La relazione è: QC = P x (tanφ1 - tanφ2 )
QC = potenza reattiva capacitiva da installare (kvar)
P = potenza attiva installata (kW)
QL,QL’ = potenza reattiva induttiva prima e dopo l’installazione della batteria di condensatori
A, A’= potenza apparente prima e dopo il rifasamento
La formula può anche essere scritta: QC = k x P
dove il parametro k è facilmente calcolabile utilizzando la tabella pubblicata sul catalogo.
Esempio: supponiamo di avere installato un carico che assorbe una potenza attiva pari a 300kW con un fattore di potenza iniziale 0,70 e lo si voglia innalzare a 0,97, dalla tabella si ricava: k = 0,770.
E quindi: QC = 0,770 x 300 = 231kvar

Rifasamento: le armoniche nelle correnti elettriche
In molti impianti elettrici industriali o del terziario la presenza di utenze non lineari (inverter, saldatrici, raddrizzatori, computer, azionamenti, etc) determina una distorsione della corrente (e quindi le armoniche), che viene sintetizzata mediante il parametro numerico THDI%: se la corrente è sinusoidale il suo THDI% è nullo, tanto più la corrente è deformata tanto più è elevato il suo THDI%.
La loro presenza in rete comporta molteplici problemi sugli elementi di un impianto elettrico:
– Nelle macchine rotanti si ha l’insorgere di coppie parassite (con conseguenti vibrazioni) che ne minano la durata meccanica. L’aumento delle perdite provoca inoltre riscaldamenti indesiderati con conseguente danneggiamento degli isolamenti;
– Nei trasformatori causano l’aumento delle perdite nel rame e nel ferro con possibile danneggiamento degli avvolgimenti. L’eventuale presenza di componenti continue di tensione o corrente può comportare la saturazione del nucleo con conseguente aumento della corrente magnetizzante;
– I condensatori ne risentono dal punto di vista del riscaldamento e dell’aumento della tensione con una riduzione della vita media.

La forma d’onda della corrente generata da un carico non lineare se è periodica può essere rappresentata come la somma di più onde sinusoidali (una a 50Hz detta fondamentale e altre con frequenza multipla della fondamentale dette armoniche). È in generale sconsigliabile rifasare senza alcun accorgimento una linea con contenuto armonico elevato. Questo perché, anche se si possono costruire condensatori in grado di sopportare forti sovraccarichi, il rifasamento eseguito con soli condensatori si traduce in un incremento del contenuto armonico, con gli effetti negativi appena visti.
La soluzione più conveniente per evitare questo tipo di problematiche è il filtro di sbarramento (Detuned Filter) ottenibile ponendo in serie ai condensatori delle reattanze che, spostando la frequenza di risonanza al di sotto dell’armonica più bassa esistente, sono in grado di proteggere i condensatori e nel frattempo evitano risonanze pericolose.

Rifasare: conclusioni

In un impianto con fattore di potenza inferiore a 0,9, nella maggior parte dei casi il costo relativo all’installazione dell’apparecchiatura di rifasamento viene ammortizzato in pochi mesi.
Oltre alla riduzione/eliminazione delle penali in bolletta, i vantaggi tecnico-economici dovuti all’installazione di una batteria di condensatori sono i seguenti:
– diminuzione delle perdite in linea e nei trasformatori dovuta alla minor corrente assorbita;
– diminuzione delle cadute di tensione nelle linee;
– ottimizzazione del dimensionamento dell’impianto.

Condensatori utilizzati

Nei nostri sistemi di rifasamento utilizziamo solamente condensatori trifase in polipropilene metalizzato ad alto gradiente.
La differenza sostanziale rispetto ai condensatori in polipropilene standard è la modalità con cui il film dielettrico viene metallizzato: se nei condensatori standard lo spessore dello strato metallico depositato sulla superficie della pellicola è costante, per quelli «ad alto gradiente» lo strato metallico ha uno spessore opportunamente modulato. La modulazione dello spessore della metallizzazione permette di migliorare notevolmente le prestazioni dei condensatori (e quindi dei sistemi di rifasamento di cui sono il componente fondamentale) in termini di:
– aumento della potenza specifica (kvar/dm3) con conseguente riduzione delle dimensioni dei sistemi di rifasamento; – miglioramento della robustezza nei confronti delle sovratensioni continuative e transitorie, per una maggiore affidabilità anche in impianti con presenza di sbalzi di tensione dovuti alla rete o a manovre sull’impianto; – migliore comportamento al corto circuito interno.

Regolatori di potenza reattiva

Il regolatore di potenza reattiva è, insieme ai condensatori ed alle reattanze (nei quadri filtro di sbarramento), il componente fondamentale del sistema di rifasamento automatico.
È infatti l’elemento «intelligente», preposto alla verifica dello sfasamento della corrente assorbita dal carico, in funzione del quale comanda l’inserimento ed il disinserimento delle batterie di condensatori allo scopo di mantenere il fattore di potenza dell’impianto al di sopra della soglia minima prevista dall’Autorità per l’Energia.
I regolatori di potenza reattiva RPC utilizzati nei sistemi di rifasamento automatico ORTEA sono progettati per garantire il fattore di potenza desiderato minimizzando al contempo la sollecitazione delle batterie dei condensatori; precisi ed affidabili nelle funzioni di misura e regolazione, sono semplici e intuitivi nell’installazione e nella consultazione.
La flessibilità dei regolatori permette di modificare tutti i parametri della logica per personalizzarne il funzionamento, adattandolo alle effettive caratteristiche dell’impianto da rifasare (soglia del fattore di potenza, velocità di inserimento delle batterie, tempo di attesa per la riconnessione di una batteria, presenza di fotovoltaico, etc).
I regolatori utilizzati da ORTEA offrono inoltre importanti funzionalità per la manutenzione e la gestione dell’impianto di rifasamento, finalizzate all’individuazione ed alla soluzione di problematiche impiantistiche che potrebbero portare ad un suo danneggiamento con conseguente riduzione della vita utile.

Esecuzioni personalizzate

Nel caso di potenze elevate, oltre alla possibilità di collegare in parallelo due o più unità della stessa taglia sfruttando le potenzialità del regolatore «master/slave», ORTEA, grazie a un’organizzazione estremamente flessibile, è in grado di sviluppare e produrre in tempi brevi sistemi di rifasamento automatico realizzati su specifiche del Cliente.
Tali apparecchiature sono assemblate in un unico armadio industriale e sono dotate di un solo sezionatore di ingresso linea al posto dei tradizionali sezionatori installati su ogni unità collegata in parallelo.
È possibile, tra le altre cose, realizzare sistemi con taglie di gradini particolari, interruttore automatico in ingresso, verniciatura con colori a scelta e grado di protezione IP superiore (fino a IP55).

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Ortea
Manufactured by: Ortea
Model: PFC103
Product ID: 243
100-1000kvar

PFC103
Caratteristiche tecniche
Tensione nominaleUe = 415V
Tensione nominale condensatoriUn = 415V
Tensione massima ammessa nei condensatoriUmax = 455V
Frequenza50Hz
Tasso di distorsione armonica in corrente dell’impiantoTHDIR% ≤ 12%
Tasso di distorsione armonica in corrente dei condensatoriTHDIC% ≤ 50%
Tensione di isolamento690V
InstallazioneInterno
ServizioContinuo
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Ortea
Manufactured by: Ortea
Model: PFC503
Product ID: 246
100-1000kvar

PFC503
Caratteristiche tecniche
Tensione nominaleUe = 415V
Tensione nominale condensatoriUn = 525V
Tensione massima ammessa nei condensatoriUmax = 577V
Frequenza50Hz
Tasso di distorsione armonica in corrente dell’impiantoTHDIR% ≤ 27%
Tasso di distorsione armonica in corrente dei condensatoriTHDIC% ≤ 85%
Tensione di isolamento690V
InstallazioneInterno
ServizioContinuo
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Ortea
Manufactured by: Ortea
Model: PHF203
Product ID: 249
100-1000kvar

PHF203
Caratteristiche tecniche
Tensione nominaleUe = 415V
Frequenza50Hz
Tasso di distorsione armonica in corrente dell’impiantoTHDIR% > 27%
Tensione di isolamento690V
InstallazioneInterno
ServizioContinuo
Reattanza di bloccoTrifase (frequenza di accordo 180Hz)
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CASSETTI

Progettato per adattarsi alle più comuni misure dei quadri elettrici, il sistema di cassetti Ortea è la soluzione ideale per OEM e produttori di quadri, inoltre:
– È compatto.
– È disponibile sia con sia senza reattanza di sbarramento.
– Potenze da 9,4 kvar a 150kvar in un unico cassetto.
– «Bus bar» adatto a sopportare fino a 400kvar.
– Facile da montare (sbarre di collegamento e fusibili NH incorporati nel supporto del cassetto).
I cassetti Ortea sono equipaggiati con condensatori trifase autorigenerabili in polipropilene metallizzato ad alto gradiente che assicurano elevate prestazioni con basse perdite e piccole dimensioni.
Sono facili da montare all'interno di qualsiasi armadio grazie ai supporti laterali regolabili a scorrimento.
Inoltre, grazie alle staffe estensibili, il cassetto largo 480mm può essere montato in armadio da 800 mm, ciò consente una combinazione molto flessibile di ingombri e potenza reattiva totale.
Il sistema a sbarre può sopportare una potenza reattiva massima di 400kvar a 415V e 50Hz.
In qualsiasi momento è possibile aggiungere cassetti.
Ogni componente ausiliario e di controllo viene fornito già cablato alla morsettiera installata sul cassetto.

Caratteristiche standard

Ogni cassetto è fornito completo di:
– Contattori per condensatori.
– Cavi autoestinguenti, rispondenti alle norme EN 50267-2-1.
– Base portafusibili tripolare tipo NH00.
– Fusibili di potenza NH00-gG.
– Condensatori trifase autorigenerabili in polipropilene metallizzato ad alto gradiente.
– Sistema trifase di collegamento tramite sbarre in rame stagnato.
– Resistenze di scarica.
– Reattanze di sbarramento trifase (solo H203) con frequenza di accordo 180Hz.
Tutti i componenti utilizzati sono conformi alle prescrizioni normative in materia di sicurezza.

Accessori standard (forniti con ogni cassetto)
– Staffe di supporto laterale telescopiche, adatte per armadi con profondità 600-400 mm.
– Barre di collegamento in rame stagnato complete di bulloni.
– Protezione in plexiglass IP20.
– Staffe di adattamento per installazione in armadi di larghezza differente (800-1000mm).

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