Rifasamento

Rifasamento

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Affrontiamo un problema tecnico – economico che negli ultimi tempi, soprattutto in seguito alla forte crisi energetica, ha assunto un’importanza enorme nel campo della tecnica elettrica.

La buona utilizzazione dell’energia elettrica non consiste solo nel ridurre o evitare gli sprechi (ad esempio curando l’isolamento degli impianti e delle condutture ed impiegando utilizzatori adatti al particolare servizio) ma anche nell’utilizzare in modo razionale l’energia. Una parte notevole del costo del kWh è proprio quella che deriva dal fattore di potenza utilizzato e contrattato per gli usi di forza motrice e d’illuminazione.

Abbiamo già visto che se il carico di un circuito è costituito da lampade ad incandescenza, fornelli e in genere da tutti gli apparecchi da riscaldamento, non contenenti elettromagneti, il fattore di potenza è sempre uguale all’unità.

Le macchine e gli apparecchi contenenti elettromagneti, (carichi ohmico – induttivi), danno luogo invece a fattori di potenza inferiori all’unità.

Il valore del fattore di potenza dipende allora solo dalla natura del carico e è quindi solo l’utente che determina il fattore di potenza a seconda dei carichi che sceglie di collegare.

Se consideriamo la potenza reale prodotta del generatore in rapporto all’acqua necessaria per far muovere la turbina o al carbone necessario per le caldaie (e quindi ai costi relativi), sembrerebbe giusto che i contatori di energia installati presso l’utente misurassero l’energia reale richiesta dal generatore. Se pensiamo, però, che la corrente richiesta è notevolmente sfasata (basso cos φ) rispetto alla tensione, risulta evidente un onere economico a carico della società fornitrice. Confrontando gli oneri tecnici ed economici dovuti alla presenza negli impianti anche di una componente reattiva della corrente (cos φ < 1) rispetto al caso in cui è presente solo la componente attiva (cos φ = 1), possiamo pervenire alle seguenti conclusioni:

1. aumento delle perdite in linea, dovute alla maggior corrente messa in gioco. Queste perdite sono proporzionali all’inverso del quadrato del fattore di potenza e cioè a 1 / cos² φ
2. aumento della caduta di tensione. Questa è proporzionale all’inverso del fattore di potenza a:

3. limitazione della capacità di produzione dei generatori e di trasporto delle linee. Infatti gli avvolgimenti del generatore sono proporzionati perché vi possa circolare una certa corrente massima, indipendentemente dal fatto che questa sia più o meno in fase con la tensione. Per cui tanto maggiore è la percentuale di corrente reattiva magnetizzante che il generatore deve fornire, tanto minore è la percentuale della corrente attiva utile. La potenza effettiva che il generatore può erogare si riduce in modo direttamente proporzionale al valore del cos φ, pur rimanendo costante il carico di corrente.

Infine se consideriamo le sezioni delle linee di trasporto dell’energia, possiamo notare che, a parità di perdite, si può trasportare la stessa potenza con sezioni decrescenti al diminuire del cos φ (Figura 1).

Ciò equivale a dire anche, in altre parole, che per una data linea, la potenza attiva trasportabile aumenta all’aumentare del cos φ.

Per tutti questi motivi le Aziende Distributrici applicano la penalizzazione per basso fattore di potenza.

A questo punto è spontaneo chiedersi se è possibile migliorare il fattore di potenza.

La risposta è affermativa in quanto la corrente magnetizzante non è altro che una corrente di scambio fra generatore e utilizzatore: durante il primo semiperiodo il generatore fornisce la corrente magnetizzante e durante il successivo semiperiodo, invece, il nucleo magnetico dell’apparecchio utilizzatore restituisce al generatore la corrente smagnetizzante.

Come è possibile migliorare il fattore di potenza?

Evidentemente, rifasando l’impianto, cioè generando sul posto, con particolari dispositivi, la corrente magnetizzante richiesta dai vari utilizzatori.

Poiché nella pratica i carichi sono induttivi, il rifasamento deve essere realizzato mediante elementi reattivi la cui azione sia opposta a quella dei carichi, quindi per mezzo dei condensatori che possono essere inseriti in parallelo.

Supponiamo di prendere in considerazione un carico ohmico – induttivo (motore asincrono monofase) e rifasarlo, calcolando la capacità del condensatore da collegare in parallelo per effettuare il rifasamento, parziale e totale (Figura 2).

Il rifasamento parziale consiste nel portare il valore del fattore di potenza ad un valore cos φ′ maggiore, ma ancora minore di uno. Se indichiamo con I la corrente assorbita dal motore, con I_C la corrente che deve fornire il condensatore per migliorare il fattore di potenza dell’impianto (al nuovo valore cos φ′ e con I_L la conseguente corrente magnetizzante fornita dalla linea, possiamo rappresentare il diagramma vettoriale riportato in Figura 3.

Osserviamo che adesso la totale corrente magnetizzante richiesta dall’impianto è la somma numerica di I_C e I_L.

Dalla Figura 3 possiamo ricavare il valore di C in funzione della componente attiva la (poiché la componente attiva può essere fornita solo dal generatore, rimane sempre la stessa con o senza rifasamento).

I_C = ω·C·V = I_a·tg φ – I_a·tg φ′

e quindi:

L’amperometro A_l inserito sulla linea a monte del condensatore indica la corrente I_L fornita dalla linea composta da tutta la corrente attiva I_a e dalla parte restante di corrente reattiva induttiva I_L assorbita dal carico. L’amperometro A_m inserito a valle del condensatore indica invece tutta la corrente I assorbita dall’utilizzatore, composta da tutta la corrente attiva e da tutta quella reattiva necessaria (I_L + I_C). Infine, l’amperometro A_c indica la quota di corrente capacitiva I_C che il condensatore deve fornire all’utilizzatore.

Se il rifasamento è totale cioè con cos φ′ = 1, la linea fornirà solo la componente attiva la, mentre la componente magnetizzante verrà fornita tutta dal condensatore C che può essere adesso calcolato:

I_C = ω·C·V = I_a·tg φ

poiché per cos φ′ = 1, φ′ = 0 e quindi tg φ′ = 0

Dal punto di vista del calcolo torna più utile servirsi delle espressioni delle potenze, piuttosto che quelle delle correnti.

Disegniamo allora il triangolo delle potenze nella situazione corrispondente al valore del cos φ presentato dal carico prima del rifasamento (triangolo OHB di Figura 4).

Affinché il fattore di potenza aumenti, cioè lo sfasamento diminuisca (triangolo OHB’ relativo al nuovo angolo del fattore di potenza cos φ′ fissato) occorre aggiungere al carico un condensatore avente una potenza reattiva Q_C il cui valore è dato dal segmento BB’. Otteniamo quindi:

Q_C = Q_L – Q_L‘

e analogamente al diagramma delle correnti:

ω·C·V² = P·(tg φ – tg φ′)

Possiamo allora calcolare la capacità C per ottenere il cos φ′ fissato:

Se poi intendiamo rifasare completamente, allora il condensatore dovrà fornire tutta la potenza reattiva Q_L. In tal caso, quindi avremo:

Q_C = Q_L = P·tg φ

Per approfondire adesso l’aspetto tariffario occorre consultare la normativa che definisce i valori minimi del fattore di potenza per la fornitura di energia.

Vi possiamo leggere che il valore del fattore di potenza istantaneo, in corrispondenza del massimo carico, non deve essere inferiore a 0,9 e il fattore di potenza medio mensile non deve essere inferiore a 0,7.

Qualora il valore del fattore di potenza medio mensile del prelievo risulti, da apposite misure, inferiore a 0,9, il prezzo del kWh viene maggiorato dell’1% per ogni centesimo di valore del fattore di potenza medio inferiore a 0,9.

Qualora il fattore di potenza medio mensile risulti inferiore a 0,7, l’utente è tenuto a modificare il proprio impianto per riportarlo al valore detto.

Questi aspetti si riferiscono alle tariffe per uso di forza motrice e di illuminazione di tipo binomio. La maggiorazione dei costi per kWh non viene richiesta quando si applica invece la tariffa a consumo libero.

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