Utilizzare soluzioni di mitigazione della qualità della tensione per proteggere l'infrastruttura elettrica di un impianto di trattamento delle acque

I costi dell'elettricità possono rappresentare fino al 40% del budget operativo di un impianto di trattamento delle acque. Per questo è fondamentale che l'impianto funzioni con la massima efficienza. Tuttavia, le pompe, gli azionamenti di motori, le apparecchiature di illuminazione e i compressori dell'impianto sono soggetti a problemi di qualità della tensione (PQ), come la distorsione armonica, intermittenze della linea, cali e sbalzi di tensione e rumore elettrico. Questi problemi di PQ causano inefficienze, interruzioni e danni alle apparecchiature.

Le apparecchiature di mitigazione PQ risolvono i problemi degli impianti di trattamento delle acque. Prodotti come i trasformatori di isolamento, i regolatori cablati, i condizionatori di rete, i dispositivi di protezione dai picchi transitori (SPD) e i filtri di monitoraggio attivo servono per migliorare l'efficienza, prevenire le interruzioni e proteggere dai danni i beni elettrici di valore.

Questo articolo descrive brevemente i problemi di PQ che i progettisti di apparecchiature elettriche devono affrontare in un impianto di trattamento delle acque. Presenta quindi le apparecchiature di mitigazione di PQ di SolaHD che possono alleviare questi problemi e massimizzare l'efficienza.

Problemi di PQ

Sebbene la fornitura di energia a un impianto di trattamento delle acque (Figura 1) possa essere generalmente affidabile, si verificano spesso problemi di PQ, che si manifestano sotto forma di distorsioni armoniche indesiderate, cali e sbalzi di tensione e rumore elettrico.

Figura 1: La fornitura di energia a un impianto di trattamento delle acque può essere soggetta a problemi di PQ che possono causare inefficienze, interruzioni e danni alle apparecchiature. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

I problemi di PQ in un impianto di trattamento delle acque possono derivare da fonti esterne (come i fulmini), o interne (come le apparecchiature elettriche stesse). Ad esempio, gli azionamenti a velocità variabile di scarsa qualità possono generare distorsioni armoniche quando un carico non lineare assorbe la corrente a impulsi (Figura 2). Le armoniche costringono i conduttori a trasportare correnti a frequenze diverse dai 60 Hz dell'alimentazione standard.

Figura 2: Le armoniche si creano quando un carico non lineare assorbe corrente a impulsi e costringe i conduttori a trasportare correnti a frequenze diverse dai 60 Hz dell'alimentazione standard. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Assorbendo una corrente non lineare in punti specifici dell'onda sinusoidale di tensione, anziché nella sua interezza, le apparecchiature elettriche generano frequenze armoniche che sono un multiplo intero della frequenza fondamentale. Le armoniche a bassa frequenza (ad esempio, 180 Hz, 300 Hz o 420 Hz) sono causate da distorsioni di corrente a bassa frequenza e correnti sfasate che scorrono nel sistema di alimentazione. Le armoniche ad alta frequenza (tra 1 kHz e 3 kHz) sono causate dalla commutazione di correnti elevate in carichi commutati elettronicamente ad alta potenza e non lineari.

Un altro fenomeno armonico, le intermittenze della linea, è causato dalla commutazione dei raddrizzatori di corrente nelle apparecchiature per il trattamento delle acque, come gli azionamenti di motori c.c., gli avviatori e gli alimentatori. Le intermittenze della linea sono tipicamente causate dalla commutazione nei raddrizzatori controllati al silicio (SCR). Nel breve periodo in cui la corrente viene trasferita da un SCR conduttore a un altro, si crea un cortocircuito. Il nuovo SCR inizia la conduzione mentre quello precedente continua a condurre per un breve periodo. Questo provoca un cortocircuito fase-fase, in genere per alcuni microsecondi (µs), sufficienti per diminuire la tensione. Le intermittenze della linea possono verificarsi in qualsiasi punto del semiciclo c.a., poiché l'angolo di commutazione non è costante e cambia per soddisfare i requisiti del carico.

Sebbene esistano diverse fonti esterne e interne di problemi di PQ, l'80% circa dei problemi è causato da cali di tensione. L'IEEE definisce un calo di tensione come una riduzione dal 10% al 90% della tensione normale a 60 Hz. La durata di un evento di abbassamento è inferiore a 60 secondi (s) ma superiore a 8 millisecondi (ms) (Figura 3).

Figura 3: Un calo di tensione è una riduzione della tensione dal 10% al 90% ed è responsabile dell'80% dei problemi di PQ. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Sebbene gli sbalzi di tensione si verifichino con minore frequenza rispetto ai cali, anche questi sono ugualmente problematici. Uno sbalzo di tensione è una condizione di sovratensione con un aumento temporaneo del livello di tensione da mezzo ciclo di frequenza a qualche secondo (Figura 4). Questi disturbi possono essere causati dallo spegnimento dei carichi di grandi apparecchiature nell'impianto di trattamento delle acque o da altri eventi come la commutazione dei condensatori di correzione del fattore di potenza (PFC).

Figura 4: Uno sbalzo di tensione è un aumento temporaneo del livello di tensione per un tempo che va da mezzo ciclo di frequenza a qualche secondo. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Altri problemi di tensione e rumore

Le apparecchiature elettriche e i sistemi di distribuzione possono introdurre altri problemi di tensione, tra cui transitori di tensione, interruzioni e squilibri. Detti anche picchi di tensione, i transitori sono aumenti sostanziali di tensione della durata di solo pochi µs (Figura 5). I fulmini, le commutazioni meccaniche, le commutazioni dei condensatori o dei banchi di condensatori, la rialimentazione dei sistemi di alimentazione dopo un guasto, la commutazione dei trasformatori e l'arresto improvviso di alcune apparecchiature sono tutte fonti di transitori.

Figura 5: I transitori sono aumenti sensibili di tensione che durano solo pochi µs. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Le interruzioni di tensione sono disrupzioni dell'erogazione che durano da pochi a decine di secondi. Quelle di durata superiore a cinque secondi sono in genere definite interruzioni prolungate. Le cause tipiche sono incidenti o guasti alle apparecchiature della rete di generazione o distribuzione dell'azienda che eroga il servizio.

Lo squilibrio di tensione è uno dei problemi più comuni dei sistemi trifase. Una condizione di equilibrio normale si ha quando le tre tensioni di fase sono identiche in grandezza e gli angoli di fase sono spostati di 120°. Se una fase è troppo carica rispetto alle altre, la tensione su quella fase sarà più bassa e causerà uno squilibrio.

Il rumore di commutazione elettrica può essere generato da qualsiasi apparecchiatura quando viene accesa o spenta a causa dell'afflusso o del deflusso di tensione o corrente. Il rumore crea rapide variazioni di tensione che producono effetti indesiderati o danneggiano i circuiti elettronici (Figura 6).

Figura 6: Il rumore elettrico produce rapide variazioni di tensione che possono danneggiare i circuiti elettronici. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

L'impatto dei problemi di PQ sulle apparecchiature dell'impianto

I problemi di PQ si manifestano in vari modi e influenzano l'efficienza, l'affidabilità e la durata delle apparecchiature degli impianti di trattamento delle acque. Ad esempio, le armoniche possono inficiare le apparecchiature degli impianti di trattamento delle acque, surriscaldando i conduttori neutri e i trasformatori, facendo intervenire gli interruttori di circuito, creando un'elevata corrente di neutro, riducendo la capacità del sistema e persino allentando i connettori elettrici.

Le intermittenze della linea creano armoniche ad alta frequenza che possono danneggiare l'elettronica sensibile della logica e di comunicazione di un impianto di trattamento delle acque. Inoltre, il flusso di corrente aggiunto generato sovraccarica i filtri contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) e i filtri di linea. Addirittura, le intermittenze di tensione possono creare ulteriori perdite nei condensatori PFC e portare a temperature di funzionamento elevate.

I problemi durante un calo di tensione includono le pompe dell'acqua che utilizzano motori c.a. con carico di coppia costante, che assorbono più corrente, riducono l'efficienza e talvolta fanno intervenire i relè di sovraccarico.

Gli sbalzi di tensione di solito non provocano un guasto immediato alle apparecchiature, ma i sistemi possono sovraccaricarsi e indebolirsi per via dell'esposizione ripetuta. Gli sbalzi possono anche causare falsi interventi degli interruttori automatici e di altri dispositivi di protezione. Un ulteriore problema associato agli sbalzi di tensione è il deterioramento dell'isolamento, che può compromettere il funzionamento sicuro di un impianto di trattamento delle acque e causare incendi.

Le interruzioni di corrente bloccano le operazioni dell'impianto di trattamento delle acque e possono ridurre la durata prevista delle apparecchiature elettriche. Inoltre, molti circuiti di controllo dei motori e sistemi di controllo dei processi non sono concepiti per riavviarsi automaticamente dopo un'interruzione di tensione.

Lo squilibrio di tensione può causare gravi danni alle apparecchiature. Ad esempio, quando un motore a induzione riceve una tensione sbilanciata, le correnti di linea hanno di solito una grandezza di diverse volte quella dello squilibrio di tensione. Ciò significa che un motore alimentato con uno squilibrio di tensione del 5% potrebbe avere uno squilibrio di corrente del 20-30%. La corrente aggiuntiva causerà perdite resistive (I²R) nel motore, con conseguente aumento della temperatura di decine di gradi.

Il rumore elettrico è un problema serio per i sensori e i controlli a stato solido presenti negli impianti di trattamento delle acque, perché funzionano a velocità elevate e a livelli di potenza estremamente bassi. Più bassa è la tensione del segnale, minore è l'ampiezza della tensione di rumore tollerabile.

Attenuare i problemi di PQ

Per attenuare le armoniche si possono utilizzare trasformatori di isolamento che svolgono tre funzioni essenziali: modificano la tensione, riducono la corrente di terra indotta dal convertitore e riducono il rumore di modo comune. I trasformatori devono essere in grado di sopportare il calore di carichi non lineari. Un esempio è il trasformatore di isolamento per l'azionamento 23-22-112-2 di SolaHD. Questo trasformatore riceve un ingresso a 120 V o 240 V, fornisce un'uscita a 120 V e offre una distorsione armonica in uscita (a pieno carico nell'intervallo di ingresso) pari al 3% del contenuto RMS totale. Il valore effettivo, o RMS, di un'armonica descrive la potenza media della componente armonica entro un dato periodo.

Il trasformatore di isolamento dell'azionamento ha un'uscita quasi priva di armoniche grazie all'aggiunta di una bobina neutralizzante (Figura 7). Per capire come funziona, si consideri il dispositivo come un trasformatore convenzionale con la bobina neutralizzante scollegata. La bobina, ora a circuito aperto, ha una tensione indotta in quanto una parte del flusso magnetico passa attraverso la porzione centrale del nucleo verso le porzioni esterne. Questa tensione ha un elevato contenuto di armoniche dispari a causa del flusso disperso dall'avvolgimento di uscita.

Figura 7: Il trasformatore di isolamento dell'azionamento 23-22-112-2 ha un'uscita quasi priva di armoniche grazie all'aggiunta di una bobina neutralizzante. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Il flusso disperso può tornare all'avvolgimento di uscita attraverso due percorsi. Un percorso bypassa la bobina neutralizzante e l'altro si collega ad essa. Controllando la riluttanza di questi percorsi magnetici, è possibile controllare il grado di flusso secondario accoppiato alla bobina neutralizzante. La bobina neutralizzante è collegata con polarità additiva alla bobina secondaria (o di uscita).

L'uscita di questo trasformatore di isolamento ha una tensione costante ed è quasi completamente priva di armoniche. Le armoniche sono ancora presenti nella bobina neutralizzante; tuttavia, poiché il flusso dell'avvolgimento secondario induce tali armoniche, le armoniche in ciascuna bobina sono sfasate di circa 180° e pertanto si cancellano.

SolaHD offre anche il regolatore cablato MCR 63-23-125-4 da 250 VA (Figura 8) per la riduzione delle armoniche. Questo regolatore offre ingressi da 120 V, 208 V, 240 V o 480 V con un'uscita a 120 V. La distorsione armonica in uscita (a pieno carico nell'intervallo di ingresso) è pari al 3% del contenuto RMS totale.

Figura 8: Il regolatore cablato MCR 63-23-125-4 fornisce una distorsione armonica in uscita pari al 3% del contenuto RMS totale. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Il regolatore cablato è basato la tecnologia dei trasformatori ferrorisonanti di SolaHD. La ferrorisonanza è una tecnica di progettazione dei trasformatori che crea due percorsi magnetici separati nel dispositivo con un accoppiamento limitato tra di essi. Un vantaggio di questo design è che la corrente di ingresso contiene una corrente armonica trascurabile rispetto a quella fondamentale. Il lato di uscita del trasformatore presenta un circuito a serbatoio risonante parallelo e preleva energia dal primario per sostituire l'energia fornita al carico.

Il trasformatore di ferrorisonanza forma un circuito non lineare in cui la risonanza viene utilizzata per ridurre le variazioni della tensione di alimentazione e fornire al carico una tensione più costante.

La riluttanza del trasformatore cambia bruscamente oltre una certa densità di flusso magnetico (saturazione). Il trasformatore consente a un percorso magnetico (il percorso risonante) di essere saturo, mentre l'altro rimane insaturo. In questo modo, ulteriori variazioni della tensione primaria non modificano la tensione secondaria o di saturazione, risultando nella regolazione.

I condizionatori di potenza sono utilizzati per proteggere i sistemi di processo critici dai cali di tensione.

I regolatori di tensione e gli alimentatori con immunità ai cali di tensione proteggono anche dalle cadute della tensione di alimentazione.

Gli SPD possono gestire gli sbalzi di tensione e possono essere installati all'ingresso del servizio, nei pannelli di derivazione o nelle vicinanze di carichi elettronici sensibili dedicati. Quando la tensione aumenta, l'SPD devia la corrente nel cavo di messa a terra. L'alimentazione viene effettivamente messa in cortocircuito a terra per gli impulsi transitori che superano una soglia, mentre il normale flusso di corrente rimane invariato.

L'SPD STCHSP121BT1RU di SolaHD (Figura 9) offre la soppressione delle sovratensioni per l'alimentazione c.a. e le linee di segnale a bassa tensione. Il filtro antidisturbi è dotato di filtraggio del rumore di modo comune e di modo normale e della protezione dei varistori metallo-ossido (MOV). Il tempo di risposta a un transitorio è inferiore a 5 ns e la resistenza massima alla corrente di sovratensione è di 39 kA. Gli SPD offrono anche la protezione contro le tensioni transitorie causate da eventi come i fulmini, anche se non sostituiscono un impianto completo di protezione contro i fulmini.

Figura 9: Il filtro antidisturbi SPD STCHSP121BT1RU è caratterizzato dal filtraggio del rumore di modo comune e normale e dalla protezione MOV. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

La mitigazione del rumore avviene utilizzando filtri di tracciamento attivi come il modello STFV025-24L di SolaHD. Questa unità segue costantemente la linea di alimentazione c.a. in ingresso e reagisce quando rileva rumore ad alta frequenza. Il filtro elimina il rumore a bassa tensione/alta frequenza mediante un filtro induttore-condensatore (LC) passa-basso. I filtri LC-resistore (LCR) servono per ridurre il rumore a bassa energia e ad alta frequenza. Gli induttori situati su ciascuna fase e sui conduttori di neutro sono dimensionati per gestire l'assorbimento massimo di corrente sulla linea. Il tempo di risposta del modello STFV025-24L è di <5 ns e la riduzione dei transitori per le tipiche onde ad anello di categoria A (6 kV, 200 A, 100 kHz) è di <10 V di picco.

Conclusione

È fondamentale prevenire i problemi di PQ per migliorare l'efficienza, evitare le interruzioni e proteggere i beni elettrici di valore. Questi problemi includono la distorsione armonica, i cali e gli sbalzi di tensione, le tensioni transitorie e il rumore elettrico. Per affrontarli è necessario ricorrere a un approccio su più livelli. La collaborazione con un fornitore come SolaHD, in grado di fornire una gamma di dispositivi di protezione, tra cui trasformatori di isolamento dell'azionamento, regolatori cablati, condizionatori di potenza, SPD e filtri di linea attivi, assicurerà di poter disporre delle protezioni necessarie.