Le Armoniche , denominata frequenza fondamentale.
Nei segnali elettrici, un’armonica è definita come il contenuto del segnale a una frequenza specifica, sono Correnti elettriche o Tensioni elettriche sinusoidali, un multiplo del sistema di frequenza corrente o frequenza principale prodotta dai generatori (50Hz in Italia). Con un oscilloscopio, è possibile osservare un segnale complesso nel dominio del tempo. In qualsiasi momento nel tempo dato, viene visualizzata l’ampiezza della forma d’onda. Nei segnali elettrici la relazione di fase influisce sugli effetti udibili, la posizione delle armoniche e la relazione di fase nell’armonica da una sorgente diversa possono alterare considerevolmente gli effetti udibili. . Per definire l’armonica, è importante definire innanzitutto la qualità dell’onda di tensione, che deve avere un’ampiezza e una frequenza costanti, nonché la forma sinusoidale. Le armoniche sono un problema quando la loro grandezza produce una risonanza del sistema di alimentazione elettrica.
La Figura 1 mostra la forma d’onda senza alcun contenuto di armoniche, con una frequenza costante di 100 Hz e un’ampiezza costante di 1 unità.
Quando un’onda periodica non ha una forma sinusoidale, si dice che abbia un contenuto armonico. Ciò può alterare il suo valore di picco e / o il suo valore RMS causando alterazioni nel normale funzionamento di qualsiasi apparecchiatura che subisce questa tensione. La frequenza dell’onda periodica è nota come frequenza fondamentale e le armoniche sono i segnali la cui frequenza è un multiplo intero di questa frequenza.
La Figura 2 mostra un’onda armonica.
Le armoniche dispari sono predominanti con valori tipici rispetto all’armonica fondamentale:
La terza armonica rappresenta il 20%
La quinta armonica rappresenta il 10%.
La settima armonica rappresenta il 6%
La nona armonica rappresenta il 3%.
Quando si alimenta un’apparecchiatura elettrica in alternata, ci si aspetta che essendo la tensione di forma sinusoidale, anche la corrente assorbita dal carico sia sinusoidale; ciò però, purtroppo, è vero solo per alcuni tipi di carichi che sono detti carichi lineari. Oggi invece, con l’avvento di nuove tecnologie nell’industria , nel terziario e anche in ambito civile , è sempre più diffusa la presenza di un’altra tipologia di carichi, che sono detti carichi non lineari nei quali la relazione tra corrente e tensione non è più rappresentata da una retta.
La causa principale delle armoniche risiede proprio nel fatto che nella maggior parte degli impianti si fa uso di apparecchiature che utilizzano l’Elettronica di Potenza (Carichi Non Lineari), come Inverter, UPS. In generale, la rete fornisce un’alimentazione di 50/60 Hz di tensione sinusoidale e la forma d’onda della corrente fornita dalla sorgente in risposta al fabbisogno del carico, dipende dal tipo di carico :
– in caso di carichi lineari, la corrente assorbita è sinusoidale e ha la stessa frequenza della tensione ( può essere al massimo sfasata di certo angolo ø rispetto alla tensione , detto sfasamento e determinando un altro problema di qualità dell’energia elettrica . Lo sfasamento deve essere infatti contenuto entro certi valori: il fattore di potenza , che si calcola come cosø; la legge di Ohm stabilisce un rapporto lineare tra la Tensione e la Corrente ( V=R*I ) con un coefficiente costante, ovvero l’impedenza del carico;
– nel caso di carichi non lineari, la corrente assorbita dal carico è periodica ma non sinusoidale: in tal caso la forma d’onda della corrente è distorta dalle correnti armoniche. In questo caso l’impedenza del carico varia nel singolo periodo e il rapporto tra la corrente e la tensione non è lineare. La corrente assorbita dal carico sarà data da una combinazione di :
2. Armoniche, ossia correnti sinusoidali con un’ampiezza minore di quella della fondamentale, ma con frequenza che è un multiplo della fondamentale e che definisce l’ordine armonico.
Le armoniche generate dai carichi non lineari generano 3 tipi di correnti armoniche, tutte di ordine dispari ( la sinusoide è una funzione dispari ) ovvero:
1. Armoniche H7-H13 – Sequenza Positiva
2. Armoniche H5-H11 – Sequenza Negativa
3. Armoniche H3-H9 – Omopolari
Effetto sui trasformatori
Tutte le apparecchiature elettriche producono armoniche: interruttori che modulano le correnti di controllo, l’intensità della luce, il calore, ecc. fonti controllate per apparecchiature elettroniche, caricabatterie, convertitori AC / DC (inverter) ecc. La corrente di spunto dei trasformatori produce armoniche seconda e quarta. Queste armoniche possono interferire con il segnale uditivo generando problemi di ascolto indesiderati. I trasformatori ha caratteristiche non lineari. Questo provoca delle perdite aggiuntive e la generazione di segnali armonici con la possibile risonanza tra l’induttanza dell’avvolgimento del trasformatore e la capacità di alimentazione. Queste perdite causano un aumento della temperatura nelle parti strutturali del trasformatore e, a seconda del tipo di trasformatore, contribuiranno o meno alla temperatura più calda dell’avvolgimento. E’ fondamentale utilizzare trasformatori di ottima qualità per evitare problemi di questo tipo, ideali trasformatori con onde quadrate. La forma d’onda della tensione nell’avvolgimento primario è considerata sinusoidale indipendentemente dalla corrente di carico. Pertanto, le perdite non dovrebbero aumentare quando le correnti di carico non sono sinusoidali. Tuttavia, la corrente di magnetizzazione contiene armoniche molto deboli rispetto al carico di corrente delle armoniche, quindi i loro effetti sulle perdite totali sono minimi. Le perdite non dovrebbero aumentare quando le correnti di carico non sono sinusoidali.
Effetti sui cavi
Avremo maggiori dimostrazioni di questo fenomeno nei cavi di potenza. La distribuzione della corrente attraverso la sezione trasversale di un conduttore è uniforme solo quando la corrente è diretta. In corrente alternata all’aumentare della frequenza, la non uniformità della distribuzione della corrente diventa più ripida.
Nei conduttori circolari, la densità di corrente aumenta dal centro alla superficie. Gli strati esterni sono meno limitati dal flusso magnetico rispetto agli strati interni. Ciò significa che viene indotta una maggiore tensione longitudinale con corrente alternata all’interno del conduttore rispetto alla superficie. Pertanto la densità di corrente aumenta dall’interno agli strati esterni del conduttore. Questo fenomeno si chiama effetto pelle. Questo comporta un aumento della resistenza elettrica del conduttore, particolarmente alle alte frequenze, l’effetto pelle provoca variazioni nei valori di resistenza e induttanza, perdita di potenza e quindi disturbi al segnale audio, acuti scuri e cupi, bassi gonfi e poco naturali (effetto Loudness), perdita di equilibrio tonale, peggioramento in dinamica, perdita di tridimensionalità.
La Figura 3 mostra la variazione del rapporto rac/rdc rispetto alla frequenza per alcune dimensioni di filo utilizzate negli impianti audio elettrici. La figura mostra come l’effetto della pelle diventa più pronunciato con un calibro più alto. Se un conduttore con una sezione trasversale conduce una corrente continua la densità di corrente è uniforme all’interno del conduttore Per correnti AC la corrente scorre principalmente vicino alla superficie del conduttore e la densità di corrente non è uniforme all’interno del conduttore. In generale, maggiore è l’ordine della corrente armonica maggiore è l’effetto pelle. I cavi consigliati per una fedele e lineare riproduzione del segnale devono avere del rame AM-RCC con grado di purezza 7N 99,9999%.
Approfondimento
Il raddrizzatore può essere considerato una sorgente di corrente armonica e produce all’incirca la stessa quantità di corrente armonica su una vasta gamma di impedenze del sistema di alimentazione elettrica. Le armoniche di corrente caratteristiche prodotte da un raddrizzatore sono determinate dal numero di impulsi. La seguente equazione consente di determinare le armoniche caratteristiche per un dato numero di impulsi:
h = kq ± 1E4
dove:
h è il numero armonico (multiplo intero del fondamentale),
k è un numero intero positivo e
q è il numero di impulsi del convertitore.
Le armoniche 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, ecc., Sono le armoniche che esibiranno un raddrizzatore a 6 impulsi e che sono multipli del fondamentale. Il quoziente della corrente fondamentale e il numero armonico comporteranno le magnitudini delle correnti armoniche (ad esempio, la grandezza della quinta armonica sarebbe circa 1/5 della corrente fondamentale). Quando si tratta di un sistema a 12 impulsi, sarà presente una piccola quantità delle armoniche 5, 7, 17 e 19 (le magnitudini saranno circa il 10 percento di quelle per un azionamento a 6 impulsi). Le macchine a induzione sono piuttosto influenzate dalle correnti armoniche prodotte dagli inverter. La maggior parte di queste armoniche prodotte sono multipli interi della frequenza dell’inverter e la loro grandezza dipenderà dall’algoritmo di commutazione dei semiconduttori dell’inverter. È comune che vi siano correnti “interarmoniche” all’ingresso o all’uscita dell’inverter, ma non si verificano necessariamente a multipli interi dell’alimentatore o della frequenza fondamentale dell’inverter. Per questo motivo, ha bisogno di una buona progettazione del collegamento DC per ridurre al minimo la presenza di intermonmonici.
Risonanza in serie: si verifica quando la corrente armonica di sorgente è collegata in serie con la combinazione, anche in serie, dell’impedenza induttiva del sistema e della reattanza capacitiva di un banco di condensatori (solitamente collegato alla fine di una derivazione), la sua l’impedenza è molto bassa. L’effetto di una risonanza in serie può essere una distorsione ad alta tensione tra l’impedenza induttiva e la reattanza capacitiva