In ingegneria elettrica, le armoniche non sono le piacevoli armoniche di una corda di chitarra. Sono componenti di frequenza a multipli interi (2f, 3f, 5f, 7f...) sovrapposti al sinusoide fondamentale 50/60 Hz, distorcendo la forma d'onda tensione/corrente in una forma non sinusoidale. Sono un inquinante di qualità dell'energia.
Come vengono prodotte le armoniche: Carichi non lineari
Un Carico Lineare (Resistore, Induttore, Condensatore, Motore a velocità fissa) assorbe corrente proporzionale alla tensione (Legge di Ohm). Forma d'onda corrente = Sinusoide.
Un Carico Non Lineare assorbe corrente in impulsi discontinui o forme d'onda distorte perché la sua impedenza cambia con la tensione istantanea. La Serie di Fourier scompone questa onda distorta in Fondamentale + Armoniche.
Principali generatori di armoniche
| Tipo di carico | Meccanismo | Armoniche caratteristiche | THDI tipico |
|---|
| 6-Pulse VFD / Rettificatore (3-Fase) | Ponte diodi/SCR conduce solo ai picchi di tensione (filtro ingresso condensatore) | 5ª, 7ª, 11ª, 13ª... (h = 6k±1) | 30–100% |
| SMPS Monofase (PC, LED, CFL) | Ponte diodi + Condensatore si carica solo al picco di tensione | 3ª, 5ª, 7ª, 9ª... (Forti Terzine: 3,9,15...) | 60–120% |
| Fornaci ad arco / Saldatrici | Resistenza arco plasma caotica | Broadband, interarmoniche, sub-armoniche | Variabile |
| Saturazione magnetica (Trasformatori) | Non-linearità curva B-H al picco di tensione | Dispari (3ª dominante) | Bassa (<5%) a meno che sovreccitato |
| Reattori Fluorescenti / HID (Magnetici) | Impedenza reattore non lineare | 3ª, 5ª | 15–30% |
Perché le Terzine (3ª, 9ª, 15ª...) sono Unicamente Pericolose
In un sistema 3-fasi 4-fili (Stella):
- Fondamentale (50/60 Hz): Le correnti di fase sono sfasate 120° → Somma a zero nel Neutro (Idealmente).
- 3ª Armonica (150/180 Hz): Le correnti di fase sono IN FASE (3 × 120° = 360° ≡ 0°).
- Risultato: Le correnti di 3ª armonica SI SOMMANO nel conduttore Neutro. Corrente Neutro = 3 × Corrente 3ª armonica di fase.
- Conseguenza: Sovraccarico neutro (incendio), aumento tensione neutro-terra (potenziale di contatto), surriscaldamento trasformatore (flusso a sequenza zero nel nucleo).
Impatti di sistema (Limiti IEEE 519 / IEC 61000-3-2/3-12)
- Trasformatori: Perdite parassite ∝ f² → Surriscaldamento grave alle frequenze armoniche. Nominale K-Factor richiesto (K-4, K-13, K-20).
- Condensatori (Banche PFC): Bassa impedenza ad alta frequenza → Agiscono come pozzi armonici → Sovracorrente, surriscaldamento, rischio risonanza (risonanza parallela con induttanza trasformatore). Reattori detunati (7%, 14%) obbligatori.
- Cavi: Effetto pelle + Effetto prossimità → Resistenza AC ↑ alle frequenze armoniche → Derating.
- Relè di protezione / Contatori: Interventi termici/magnetici errati. Contatori di fatturazione (a induzione) sottoregistrano. Necessari contatori True-RMS / Classe 0.2S.
- Generatori / UPS: Distorsione forma d'onda tensione (Appiattimento) → Malfunzionamento carichi. Surriscaldamento alternatore.
- Comunicazione / Controllo: Accoppiamento induttivo in cavi di segnale (4-20mA, Ethernet, Fieldbus).
Strategie di mitigazione
- Riduzione alla sorgente: VFD con Front End Attivo (AFE) (filtro LCL + rettificatore PWM → THDi < 5%). Rettificatori 12/18/24-Pulse (trasformatori spostamento fase). SMPS ad alto PF (boost PFC).
- Filtri passivi: Trappole LC sintonizzate (Sintonizzata singola 5ª, 7ª; Passa-alto smorzato). Basso costo, compensazione fissa, rischio risonanza.
- Filtri armonici attivi (AHF / APF): IGBT che inietta corrente anti-armonica in tempo reale. Gestisce multiple armoniche, correzione PF, bilanciamento carico. Il migliore per carichi dinamici.
- Filtri ibridi: Passivo (bulk basso ordine) + Attivo (residuo/alto ordine). Ottimo rapporto costo/prestazioni.
- Progettazione di sistema: Neutri sovradimensionati (200%), Trasformatori K-Rated, PFC detunato, Circuiti separati per carichi non lineari.
Misurazione: Usare un Analizzatore di qualità dell'energia (Fluke 1730/1740, Dranetz, Hioki, Yokogawa). Catturare forme d'onda V/I, FFT (THD, TOHD, TEHD, armoniche singole fino alla 50ª), trend. Verificare rispetto ai limiti IEEE 519 al PCC (Punto di Accoppiamento Comune).
In sintesi: Le armoniche sono i "gas di scarico" dell'elettronica di potenza moderna. Gestiscile alla sorgente (VFD AFE), filtra il resto (AHF) e progetta l'infrastruttura (fattore K, sezione neutro) per sopravvivergli.
