Energia elettrica, prima parte

IL RIFASAMENTO NEGLI IMPIANTI IN MEDIA E BASSA TENSIONE

La lezione di oggi tratta il problema del rifasamento dell'impianto elettrico, nei sistemi di distribuzione di media e alta tensione e un qualunque provvedimento che mira a ridurre il fattore di potenza di un carico in un determinato punto dell'impianto al fine di far diminuire, a parità di potenza attiva, le correnti che circolano nel nostro impianto di distribuzione. Quindi ridurre il power factor (ossia il cos φ) significa appunto migliorare l'impianto per il fatto che vengono ridotte le correnti che circolano a parità di potenza trasferita e questo comporta minori perdite e comporta anche il fatto che non è necessario sovradimensionare gli apparecchi, le linee del nostro impianto, cosa che invece è necessaria se ci troviamo a lavorare con dei valori di cos bassi. Quello che vogliamo limitare è il fatto che ci siano fattori di potenza bassi che implicano un assorbimento difunzionamento degli utilizzatori. La potenza reattiva viene misurata in volt-ampere reattivi (VAR) e può essere sia induttiva che capacitiva. Per migliorare il fattore di potenza e ridurre l'assorbimento di potenza reattiva, è possibile utilizzare dispositivi chiamati condensatori o batterie di condensatori. Questi dispositivi generano una potenza reattiva di segno opposto a quella assorbita dagli utilizzatori, compensando così l'assorbimento di potenza reattiva e migliorando il fattore di potenza complessivo dell'impianto. È importante tenere conto della potenza reattiva nell'analisi e nella progettazione degli impianti elettrici, in modo da garantire un corretto funzionamento e un utilizzo efficiente dell'energia elettrica.

Il funzionamento dei nostri apparecchi utilizzatori e quindi φ questo sfasamento tra tensione corrente implica che ovviamente i cos non sarà unitario φ ma sarà minore di uno. Ora il fatto degli impianti possono avere un cos basso implica non solo delle conseguenze dal punto di vista tecnico e quindi da come opera l'impianto ma anche dal punto di vista economico perché ci sono delle penalità nelle tariffe φ dell'energia legate al fatto che se un utilizzatore è collegato con un cos minore di 0,9 quando si va a controllare il contratto di fornitura e si va a pagare la bolletta si vedrà che c'è una voce che è una penalità dovuta al fatto che si sta assorbendo potenza reattiva φ quindi il distributore fa pagare l'utente che ha allacciato con un cos che è più basso di 0,9. φ Scopo del rifasamento è quello di mantenere un valore di cos maggiore di 0,9. La potenza reattiva presente nel nostro

impianto è data dalla somma delle potenze reattive dei carichi, dalla somma delle potenze reattive delle reattanze in serie nel nostro impianto (che sono le linee e i trasformatori), dalla somma delle potenze reattive delle reattanze in parallelo del nostro impianto (come la reattanza di magnetizzazione di trasformatori e le bobine di reattanza che possono essere presenti nell'impianto), e poi da un termine sottrattivo che è legato alla somma delle potenze reattive legate alle capacità trasversali della linea, quindi sia che stiamo parlando delle linee in cavo sia che stiamo parlando delle linee aeree ci saranno delle capacità trasversali quindi che già da sole hanno un contributo che può essere visto come una sorta di rifasamento. 79Σ Σ Σ ΣQ(carichi) + Q(X in serie) + Q(X in parallelo) - Q(C trasversali)

Quali sono le potenze in gioco? nel caso di carico monofase ohmico induttivo avremo una potenza istantanea assorbita il cui diagramma

è:La potenza istantanea assorbita è data dalla somma di due contributi: la potenza attiva P e la potenza reattiva Q. La potenza attiva P è quella che viene effettivamente utilizzata dal carico. φ φP=VI cosφ il massimo della potenza attiva sia per cosφ unitario, non sia tutta la potenza viene trasformata in potenza attiva utilizzata dal carico. φ Il contributo reattivo è invece proporzionale al seno di φ. Q=VI senφ Graficamente, se io proietto il vettore corrente sul vettore tensione, posso identificare segmenti proporzionali alla potenza attiva e reattiva. Im ωVφ ReI Q=VI senφ 80P=VI cosφ Il nostro scopo è quello di minimizzare il contributo di potenza reattiva φ. Possiamo esprimere la potenza reattiva in funzione della potenza attiva: Q=P tgφ Quindi, dal momento che sussiste la relazione P=VI cosφ, il fattore di potenza è effettivamente l'indice di quanta potenza attiva sia utilizzata nel nostro impianto e quindi è indice.di quanto reattivo è presente in un impianto. ΦInfatti se ne consideriamo un valore per esempio di cos pari a 0,9 che è appunto il valore ammesso dalle norme questo mi implica che la potenza attiva che sto trasferendo al nostro carico equivalente è solo il 90% rispetto alla potenza attiva che potrei trasferire al carico, quindi pur essendo elevato il fattore di potenza ho comunque delle perdite (in questo caso pari al 10%) all'interno del nostro impianto. ΦOvviamente all'aumentare dell'angolo di sfasamento si avrà un valore sempre più basso del fattore di potenza e quindi ho un valore di potenza che viene trasferita ai nostri utilizzatori sempre più basso. La conseguenza diretta di questo fatto è che a parità di potenza attiva trasferita, al diminuire del fattore di potenza ho correnti di linea più elevate e questo implica maggiori perdite per effetto joule negli elementi del sistema (infatti le perdite sonoproporzionale al quadrato della corrente che circola), quindi un aumento della corrente implica un aumento al quadrato delle perdite e questo avviene nei conduttori di linea, negli avvolgimenti dei trasformatori e dei generatori; se consideriamo la formula approssimata delle cadute di tensione φ ΔV = RI cos + XI sen Notiamo che l'aumento delle correnti implica un aumento della caduta di tensione. φ Ricapitolando: Sto lavorando con cos basso ho le correnti della linea elevate ed ho sia perdite sia cadute di tensione maggiori, ho centrali di generazione in stazioni di trasformazione sovradimensionate per una potenza apparente kVA maggiore P = A φ cos Il distributore è costretto a ridimensionare l'impianto aumentando le sezioni dei conduttori di linea o suddividendo il carico tra più linee in parallelo. Questo è il motivo che spinge a porre un limite al cos minimo che può essere assunto; chi assorbe potenza reattiva con un fattore dipotenza minore al valore limite dovrà compensare con una tariffa più alta dell'energia che acquista ed è qui quindi nasce l'esigenza di rifasare l'impianto. Rifasare l'impianto significa aumentare il fattore di potenza con lo scopo di ridurre, a parità di potenza attiva transitante, le correnti che circolano nelle linee: l'idea è quella di generare in loco la potenza reattiva necessaria per i carichi in modo da ridurre la correnti di linea a parità di potenza attiva assorbita. [si pongono dei banchi di condensatori in parallelo e vicino al carico che assorbe potenza reattiva lontano dal punto di consegna: tutta la linea a monte e scaricata di questo contributo di potenza reattiva] La batteria di condensatori che si sceglie dovrà essere dimensionata opportunamente e avrà il quindi il ruolo di compensare in parte la reattanza induttiva del carico e quindi di rendere il carico equivalente che noi vediamo (costituito.

Ora dal nostro carico e dallabatteria di condensatori) come un carico meno reattivo.I mezzi per produrre l'energia reattiva induttiva, ossia che si comportano come deicondensatori, sono: gli alternatori che stiamo trattando dei casi in cui ci sono dei motorimolto vicini alle centrali; compensatori sincroni, che hanno la capacità di comportarsi dainduttore o da condensatore in funzione del fatto che sia sotto eccitato o sovreccitato.Quando è sovreccitato si comporta esattamente come un condensatore e può essereutilizzato per rifasare, dal momento che i costi del compensatore sono elevati vieneutilizzato per le reti in alta tensione mentre per le reti in media tensione l'utilizzo delcompensatore sincrono si fa solo quando le potenze sono molto elevate; la terza categoriache quella più conveniente è quella dei condensatori statici quindi installazioni di batteriedi condensatori in derivazione in parallelo in prossimità dei carichi da

rifasare questo è il metodo più semplice ed economico, non solo è il più sicuro ma è anche quello che permette di avere batterie di condensatori che eventualmente possono essere frazionati e quindi inseriti al gradino in modo tale da ottenere la potenza reattiva che sicuramente ci serve. Consideriamo il nostro carico ohmico induttivo e per rifasare poniamo in parallelo una batteria di condensatori; il nostro carico assorbe una corrente i che è sfasata in ritardo rispetto alla tensione V. il fatto di inserire un condensatore in parallelo al carico fa sì che nel condensatore stesso scorra una corrente IC che in anticipo di fase rispetto alla tensione e quindi della corrente I1 effettivamente assorbita sia: Nel caso ideale la Ic è inquadratura in anticipo rispetto la tensione, mentre nel caso reale ci saranno comunque delle perdite e quindi la corrente non sarà perfettamente inquadratura, infatti nei dati di targa delcondensatore viene dato anche il fattore di perdita che tiene appunto conto del fatto che corrente e tensione non sono perfettamente in fase. Grazie all'uso della batterie di condensatori, la corrente assorbita I1 avrà un angolo di sfasamento φ minore e quindi un cosφ maggiore. Inoltre, possiamo notare come la potenza attiva assorbita sia la stessa sia che usiamo o meno i condensatori. A parità di potenza attiva assorbita, si richiede un contributo minore di potenza reattiva. In altre parole, il condensatore fornisce un contributo di potenza reattiva pari alla differenza delle potenze reattive riferite alle correnti Ic e I1: Qc(Ic) - Qc(I1), o in altri termini Q = P(tgφ - tgφ)C0-1. Quando andiamo a dimensionare le batterie di condensatori per il rifasamento, noi dobbiamo calcolare quanto è la potenza reattiva capacitiva Qc necessaria per rifasare il nostro carico.