Ottimizzazione del Fattore di Potenza nei Sistemi di Alimentazione CA: Cos φ

Dinamica del Cos φ nei Sistemi CA e Impatti Operativi

Il Fattore di Potenza (Cos φ o Cos-Fi) nei sistemi di alimentazione a corrente alternata è un indicatore dell'efficienza con cui l'energia elettrica viene convertita in lavoro utile. Esso rappresenta il rapporto tra la Potenza Attiva (P), che è l'energia effettivamente consumata e trasformata in lavoro (espressa in kilowatt, kW), e la Potenza Apparente (S).

Un Cos φ elevato indica un sistema che utilizza efficacemente l'energia elettrica, riducendo le perdite energetiche e migliorando la stabilità della rete. Le inefficienze nei sistemi di alimentazione aumentano i costi operativi per le imprese e possono portare a sanzioni regolamentari per non conformità alle normative sull'efficienza energetica.

Il miglioramento del Fattore di Potenza può essere ottenuto tramite l'uso di Condensatori e Induttori che rifasano la corrente, o mediante dispositivi elettronici di controllo avanzato che ottimizzano dinamicamente il consumo energetico.

Le strategie di gestione del Fattore di Potenza sono essenziali per le aziende che cercano di migliorare le performance della loro produzione energetica e per gli operatori di rete che devono garantire la massima efficienza nella distribuzione dell'elettricità.

Importanza e Calcolo del Cos φ

Il Fattore di Potenza, noto come Cos φ, è cruciale per determinare l'efficienza energetica nei sistemi di alimentazione a corrente alternata.

È definito come il rapporto tra la Potenza Attiva (P) e la Potenza Apparente (S), dove:

Qui:

• P: rappresenta la Potenza Attiva, misurata in kilowatt (kW), che indica l'energia utilizzata per svolgere lavoro meccanico o elettrico effettivo.
• S: misurata in kilovoltampere (kVA), è la Potenza Apparente, la somma vettoriale della Potenza Attiva (P) e della Potenza Reattiva (Q).

La Potenza Reattiva (Q), misurata in kilovoltampere reattivi (kVAR), è un'energia temporaneamente immagazzinata e poi restituita alla rete elettrica, non contribuendo direttamente alla produzione di lavoro utilizzabile.

Il coseno dell'angolo di sfasamento (φ), fornisce una misura diretta dell'efficienza con cui il sistema converte la Potenza Apparente in Potenza Attiva. Un valore di Cos φ vicino a 1 indica un'alta efficienza energetica.

Ulteriori Misure di Efficienza: Tangente di φ (tg φ)

La tangente dell'angolo di sfasamento (tg φ) è un altro indicatore vitale, che si calcola come:

Questa misura è essenziale per quantificare la proporzione di energia reattiva rispetto all'energia attiva, indicando l'efficienza complessiva del sistema nel convertire energia apparente in energia utilizzabile.

Per una determinazione più accurata dello sfasamento tra tensione e corrente, l'angolo φ può essere calcolato utilizzando l'arco tangente del rapporto tra Potenza Reattiva e Potenza Attiva, formulato come:

Questo valore è fondamentale per capire l'esatta misura dello sfasamento tra corrente e tensione, influenzando direttamente il rendimento operativo dell'impianto.

Analisi dei Valori di Cos φ

Il Fattore di Potenza (Cos φ) è un indicatore critico dell'efficienza energetica nei sistemi di alimentazione a corrente alternata (CA).

Esso varia da 0 a 1, dove valori prossimi a 1 indicano una conversione molto efficiente di potenza apparente in potenza attiva, minimizzando le perdite di energia reattiva.

• Valori superiori a 0.95 sono considerati ottimali, indicando un quasi completo allineamento tra potenza attiva e reattiva, e di solito non comportano penalità tariffarie;
• Valori inferiori a 0.95 possono introdurre penalità tariffarie. Queste penalità sono regolate da normative vigenti dal 2016.

Se il coseno di φ è 1 (o molto vicino a 1), significa che tensione e corrente sono in fase, indicando un'alta efficienza energetica, poiché quasi tutta l'energia fornita dal sistema viene utilizzata per lavoro utile.

Il carico degli impianti influisce significativamente sul Cos φ.

• Nei casi di Carichi Resistivi, come resistenze elettrotermiche, lampade a incandescenza e altri dispositivi che seguono la legge di Ohm, il Fattore di Potenza può raggiungere l'ideale 1.0;
• Nei casi di Carichi Induttivi, come motori e condizionatori, il valore si riduce spesso sotto 0.9 a causa delle inefficienze generate dagli avvolgimenti elettrici.

Valori di Cos φ inferiori a 0.9 spesso indicano una significativa quantità di energia non utilizzata efficacemente, causando sovraccarichi e aumenti nei costi di trasmissione e distribuzione dell'energia. Questo comporta penalizzazioni più severe e costi operativi maggiorati per le aziende, oltre a una maggiore usura delle infrastrutture elettriche.

Per esempio, in una tipica fabbrica, i motori elettrici utilizzati nelle linee di produzione possono avere un Cos φ che varia tra 0.75 e 0.85 a causa dell'alto contenuto di energia reattiva generata durante l'avvio e il funzionamento. Inoltre, grandi impianti HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) possono esibire valori di Cos φ tra 0.80 e 0.90, influenzando significativamente la fatturazione energetica della struttura.

Aumentare il Cos φ non solo ottimizza il consumo energetico dell'operatività industriale e consolida la sostenibilità delle pratiche aziendali, riducendo l'impatto ambientale e promuovendo un uso più responsabile delle risorse energetiche.

Tecniche di Misurazione

Esistono diverse metodologie per determinare il Cos φ, sia in sistemi monofase che in quelli trifase, bilanciati o meno.

• Una tecnica comune è l'utilizzo del metodo Wattmetro-amperometro-voltmetro, dove il Fattore di Potenza è calcolato dividendo la potenza misurata in Watt per il prodotto di tensione e corrente;
• Per misurazioni più dirette, si impiegano cosfimetri elettrodinamici con bobine mobili perpendicolari. Le bobine sono alimentate in maniera tale da generare movimenti dipendenti dal coseno dell'angolo di sfasamento tra corrente e tensione, permettendo così di visualizzare il Fattore di Potenza direttamente su una scala graduata;
• Un'altra strumentazione impiegata sono gli strumenti a palette polarizzate, che sfruttano i campi magnetici rotanti per mostrare l'angolo fisico corrispondente all'angolo elettrico tra sorgenti di tensione e corrente, utile per applicazioni monofase e polifase. trifase bilanciati, il Fattore di Potenza è identico per ogni fase, mentre nei sistemi sbilanciati, la misurazione non è univocamente definita;
• Gli analizzatori di qualità dell'energia, o analizzatori di potenza, rappresentano la tecnologia più avanzata per queste misurazioni. Questi dispositivi registrano digitalmente le forme d'onda di tensione e corrente e calcolano con precisione vari parametri come la potenza effettiva, il Fattore di Potenza, le armoniche, la frequenza e altre metriche di qualità dell'energia secondo normative internazionali come IEC61000-3-2/3-12 e IEC61000-3-3/3-11.

Questi strumenti sono indispensabili per l'analisi dettagliata dell'efficienza e della qualità dell'energia in sistemi complessi.

Rifasamento

Il rifasamento è un intervento critico per aumentare il Fattore di Potenza di un carico, migliorando così l'efficienza del sistema di distribuzione elettrica. Questa pratica è particolarmente efficace nei carichi lineari con basso fattore di potenza, come i motori a induzione, dove si utilizza una rete passiva di condensatori o induttori per la correzione.

Tuttavia, nei carichi non lineari come i raddrizzatori, che tendono a distorcere la corrente assorbita dal sistema, la correzione del Fattore di Potenza può richiedere approcci sia attivi che passivi per mitigare la distorsione e migliorare il Fattore di Potenza. Questi dispositivi di correzione possono essere installati in posizioni strategiche come una sottostazione centrale, distribuiti lungo un sistema di distribuzione o integrati direttamente nelle apparecchiature che consumano energia.

Carichi lineari

I carichi lineari tempo-invarianti, quali circuiti costituiti da resistori, induttori e condensatori, presentano una risposta sinusoidale alla tensione di linea.

Questi carichi non alterano la forma d'onda di ingresso ma possono modificare la fase tra tensione e corrente a causa della loro induttanza o capacità.

• In Circuiti CA puramente Resistivi, le forme d'onda di tensione e corrente sono in fase, cambiando polarità simultaneamente in ogni ciclo, il che significa che tutta la potenza assorbita dal carico viene consumata o dissipata;
•  I Carichi Reattivi, al contrario, come condensatori e induttori, immagazzinano energia temporaneamente nei campi elettrici o magnetici per poi restituirla alla rete elettrica, causando una differenza di fase tra corrente e tensione. Questa dinamica nei carichi reattivi comporta un flusso e riflusso continuo di energia non produttiva attraverso la rete elettrica, aumentando il consumo di corrente necessario per trasferire una determinata quantità di potenza reale rispetto a un circuito con un Fattore di Potenza più elevato. Di conseguenza, si verificano maggiori perdite dovute al riscaldamento resistivo nelle linee elettriche e un maggiore fabbisogno di cavi di potenza, conduttori e trasformatori.

Nei circuiti lineari aventi solo correnti sinusoidali e tensioni di una frequenza, il Fattore di Potenza risulta solo dalla differenza di fase tra corrente e tensione, ed è noto come Fattore di Potenza di Spostamento.

Carichi non lineari

I carichi non lineari modificano la forma della forma d'onda corrente da un'onda sinusoidale a qualche altra forma, creando correnti armoniche in aggiunta alla corrente CA originale. Questo è particolarmente importante nei sistemi di alimentazione pratici che contengono carichi non lineari. I filtri, costituiti da condensatori lineari e induttori, possono impedire l'ingresso di correnti armoniche nel sistema di alimentazione.

Gli esempi di carichi non lineari su un sistema di alimentazione includono raddrizzatori, dispositivi a scarica ad arco come lampade fluorescenti, saldatrici elettriche o forni ad arco.

Poiché la corrente in questi sistemi viene interrotta da un'azione di commutazione, essa contiene componenti di frequenza multipli della frequenza del sistema di alimentazione.

A differenza dei carichi lineari, la tensione sinusoidale e la corrente non sinusoidale quindi producono un Fattore di Potenza di Distorsione. Il Fattore di Potenza di Distorsione, che è  la componente di distorsione associata alle tensioni e correnti armoniche presenti nel sistema,  misura di quanto la distorsione armonica di una corrente di carico riduce la potenza media trasferita al carico ed equivale a 0,75 per questo carico di alimentazione.

Per misurare la Potenza Reale o Potenza Reattiva è necessario utilizzare un Wattmetro progettato per funzionare correttamente con correnti non sinusoidali. Il Fattore di Potenza di Distorsione è la componente di distorsione associata alle tensioni e correnti armoniche presenti nel sistema.

Il Fattore di Potenza di Distorsione può essere calcolato come:

dove I₁ è la componente fondamentale della corrente e I_RMS è la corrente totale – entrambi sono valori quadratici medi. Questa formula presuppone che la tensione rimanga non distorta (sinusoidale, senza armoniche).

Applicazioni Pratiche del Rifasamento in Ambiti Lineari e Non Lineari

• Nel contesto dei carichi lineari, il rifasamento si realizza generalmente attraverso l'installazione di condensatori per compensare direttamente l'induttanza dei carichi. Questo metodo è relativamente semplice ed economico, offrendo un ritorno sull'investimento attraverso la riduzione delle tariffe per il consumo di energia reattiva e migliorando la capacità di trasmissione dell'infrastruttura esistente;
• Per i carichi non lineari, il rifasamento richiede approcci più sofisticati, come l'uso di inverter avanzati che regolano dinamicamente la potenza reattiva in risposta alle distorsioni armoniche. Questi sistemi possono essere programmati per ottimizzare il fattore di potenza in tempo reale, adattandosi alle fluttuazioni del carico e migliorando larifasamento stabilità della rete.

In sintesi, l'efficacia del rifasamento dipende dalla precisa analisi dei carichi e dall'adozione della tecnologia più adatta.

Efficienza Energetica e Gestione del Fattore di Potenza

La gestione efficace del Fattore di Potenza (Cos φ) è vitale per migliorare l'utilizzo dell'energia nei sistemi di alimentazione a CA. Aumentare il Cos φ riduce i costi operativi e migliora la stabilità della rete elettrica.

Le aziende possono trarre vantaggio significativo dalla consulenza di esperti in qualità dell'energia per scegliere e dimensionare correttamente le soluzioni di rifasamento per garantire una gestione energetica ottimale e sostenibile.

Per esempio, l'introduzione di condensatori in un sistema industriale può migliorare il Cos φ da 0.85 a 0.95, riducendo significativamente le penalità tariffarie. L'impiego di tecnologie avanzate come gli inverter può ulteriormente ottimizzare la prestazione energetica.

La rete pubblica di distribuzione di energia elettrica sta affrontando significative trasformazioni, mirate all'uso più efficiente dell'energia. Questi miglioramenti comprendono sia aspetti strutturali della rete che una crescente responsabilizzazione degli utenti finali.

Implicazioni delle Penalità Tariffarie

La delibera dell’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas (AEEG) n.180/2013/R/EEL impone rigidi requisiti sul prelievo di Potenza Reattiva da parte degli utenti di Alta Tensione (AT), Media Tensione (MT) e Bassa Tensione (BT) con potenze superiori a 16,5 kW, evidenziano l'aumento dei costi operativi associati al mantenimento di un'efficienza subottimale.

Le penalità tariffarie, sanzioni e vincoli per le aziende in vigore dal 1° gennaio 2016 per per i valori di Cos-φ medi mensili inferiori a 0,95 durante le fasce orarie F1 e F2, sono progettate per incoraggiare le aziende a mantenere elevati standard di efficienza energetica e consistono in:

• Multe e sovrapprezzi sulla fattura energetica, variando in base alla frequenza e alla gravità del deficit di Cos φ. Per esempio, una penalità può variare dal 2% al 10% della fattura energetica totale, a seconda dell'entità della deviazione dal valore soglia;
• Obbligo di installare dispositivi di rifasamento per migliorare il Fattore di Potenza dell'impianto, che può rappresentare un investimento significativo per le aziende;
• In casi di gravi violazioni, il distacco dalla rete elettrica pubblica può essere considerato come misura estrema.

Per mitigare le penalità e migliorare l'efficienza, viene spesso implementato il rifasamento automatico tramite condensatori, che limita il prelievo di energia reattiva e aumenta il valore del Cos φ.