Come risolvere i problemi di armoniche alla fonte

Un normale convertitore di frequenza (VFD) genera armoniche sia in ingresso che in uscita. Sul lato motore (uscita), il VFD emula un'onda sinusoidale con un segnale modulato in larghezza di impulso (PWM). La differenza tra i due segnali è mostrata nell'immagine 1. Il segnale PWM è a metà tra un'onda quadra e una sinusoide pura. La natura squadrata del segnale PWM deriva dalla frequenza di commutazione limitata dei transistor bipolari con gate integrato (IGBT), comunemente utilizzati nei normali VFD. Le armoniche sono un sottoprodotto inevitabile e sfortunato di un segnale PWM.

La situazione è simile sul lato della griglia (ingresso) del VFD. L'architettura del ponte a diodi utilizzata nei normali VFD assorbe la corrente in modo non lineare al picco della forma d'onda della tensione. La forma d'onda di corrente risultante (Immagine 2) è ricca di contenuto armonico, che viene propagato nuovamente sulla rete di distribuzione elettrica. Non è raro che un normale VFD a 6 impulsi generi una distorsione totale della corrente armonica (THDi) nell'ordine dell'80% sia sul lato rete che sul lato motore del VFD.

Per definizione, le armoniche si verificano a multipli interi della frequenza fondamentale. Ad esempio, un sistema da 60 hertz (Hz) presenterà armoniche al secondo: 120 Hz, al terzo: 180 Hz, al quarto: 240 Hz, al quinto: 300 Hz, ecc. Ciascuna armonica può essere ulteriormente classificata come sequenza positiva, sequenza negativa e zero. componenti della sequenza. Le armoniche di sequenza positiva (quarta, settima, decima, tredicesima, diciannovesima, ecc.) hanno lo stesso vettore di rotazione della frequenza fondamentale. Come suggerisce il nome, le armoniche della sequenza negativa (seconda, quinta, ottava, undicesima, quattordicesima, ecc.) ruotano nella direzione opposta alla fondamentale. I componenti della sequenza zero (terzo, sesto, nono, dodicesimo, quindicesimo, ecc.) non hanno un vettore di rotazione.

Il fatto che l'uscita del motore di un normale VFD contenga armoniche significa che la corrente efficace totale nel motore è significativamente superiore alla corrente fondamentale. Questa corrente in eccesso si manifesta come maggiori perdite di rame e nucleo (ferro), che a loro volta aumentano il calore all'interno del motore stesso. Nel breve termine, il calore in eccesso può causare disturbi termici, ostacolando direttamente le operazioni. A lungo termine, il calore in eccesso degraderà l’isolamento del motore, provocandone guasti precoci.

Le preoccupazioni relative alle armoniche non si limitano all’eccesso di corrente RMS. L'elevata velocità di variazione della tensione (dv/dt) generata dalle correnti parassite indotte dalle armoniche può causare archi elettrici tra i singoli avvolgimenti del motore e tra i cuscinetti e le relative piste. Il primo deteriora l'isolamento del motore, mentre il secondo provoca l'vaiolatura dei cuscinetti e la rottura del lubrificante. La grandezza relativa delle singole armoniche può avere un impatto sulle prestazioni e sulla longevità del motore. Come notato sopra, le armoniche di sequenza negativa operano nella direzione opposta della fondamentale, creando il potenziale per il riscaldamento del rotore attraverso grandi correnti parassite.

Inoltre, l'interazione tra correnti armoniche positive e negative adiacenti può creare coppia pulsante e oscillazione meccanica, riducendo l'efficienza operativa. Analogamente ai motori, la presenza di armoniche in un sistema di distribuzione elettrica significa che i conduttori devono essere sovradimensionati all'interno della struttura, richiedendo ulteriori spese in conto capitale e limitando le opzioni per la successiva espansione e riconfigurazione. Altre apparecchiature collegate alla rete elettrica possono essere soggette a riscaldamento eccessivo, usura prematura e guasti precoci.

Le specifiche dipenderanno dal tipo di attrezzatura. Alcuni esempi includono il riscaldamento eccessivo all'interno dei trasformatori, sfarfallio visibile sui carichi di illuminazione o danni ai carichi sensibili. Le aziende elettriche sono profondamente consapevoli di come le armoniche in eccesso incidano negativamente sulle loro reti di distribuzione. La maggior parte richiede che gli utenti rispettino i limiti specificati nell'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 519, che richiede che il THDi non debba superare il 5% nel punto di accoppiamento comune. Coloro che non si adeguano sono soggetti a sanzioni pecuniarie.