Le armoniche in un impianto elettrico: cosa sono

Quando alimentiamo una apparecchiatura elettrica in corrente alternata, sappiamo che la tensione di alimentazione è di forma sinusoidale e ci aspetteremmo che la corrente assorbita dal nostro carico sia anch'essa sinusoidale.

Questo è purtroppo vero solo per alcuni tipi di carichi, quelli definiti lineari, cioè quelli nei quali la relazione tra ingresso ed uscita (tensione e corrente) è rappresentata da una retta (figura 1):

Fig. 1    3 – Caratteristica voltamperometrica di una resistenza elettrica (lineare)

Si tratta dei dispositivi classici dell'elettrotecnica, quelli formati dai tre mattoncini elementari:

• Resistenza
• Induttanza
• Capacità

stiamo parlando in concreto di lampade ad incadescenza, motori elettrici, dispositivi di riscaldamento a resistenza.

Mentre questa tipologia di apparecchi elettrici costituivano la maggioranza schiacciante del parco elettrico fino al primo dopoguerra, negli ultimi cinquanta anni, l'utilizzo elettrico si sta sempre più progressivamente spostando verso un'altra tipologia di carichi, definiti non lineari, nei quali la relazione tra tensione e corrente non è più rappresentata da una retta (figura 2): si tratta dei dispositivi contenenti componenti elettronici quali diodi, transistor, SCR, TRIAC, ecc.

Fig. 2    4 – Caratteristica voltamperometrica di un diodo a giunzione (non lineare)

Ordine delle armoniche

Esistono così armoniche di secondo ordine (100 Hz), di terzo ordine (150 Hz), di quarto ordine (200 Hz), di quinto ordine (250 Hz) e così via. Non esiste un limite teorico all'ordine massimo di una armonica, ma ne esiste uno pratico: infatti più si sale nell'ordine e più l'ampiezza dell'armonica si riduce e quindi il contributo delle armoniche di ordine elevato (in genere superiore alla nona) diventa di fatto trascurabile.

La somma della fondamentale e delle armoniche determina una forma d'onda risultante periodica, ma non di forma sinusoidale. Se non ci fossero armoniche, esisterebbe solo la fondamentale, cioè una perfetta onda sinusoidale a 50 Hz. In figura 4, si vede la scomposizione di una forma d'onda periodica (in colore rosso) in fondamentale, terza e quinta armonica.

Le armoniche di ordine pari

Non vi sarà sfuggito il salto delle armoniche di ordine pari (si può a ragion veduta, parlare di salto a piè pari): ebbene sarà sempre così, perché le onde distorte causate dalle apparecchiature non lineari, quali ad esempio il PC, mantengono comunque la simmetria, (cioè il semiperiodo positivo è uguale ed opposto a quello negativo, come risulta evidente dalla figura 3) e per questo tipo di onde, che sono quelle con le quali abbiamo a che fare noi, tutte le armoniche pari sono nulle. Le armoniche di ordine pari, se eccezionalmente presenti, sono la sentinella di anomalie nei circuiti di alimentazione, quali ad esempio malfunzionamenti di raddrizzatori o di variatori di velocità.

La logica conseguenza di ciò, è che la corrente da loro assorbita è tutt'altro che sinusoidale, come si può notare in figura 3, dove si osserva una tipica forma d'onda affetta da armoniche, cioè una forma d'onda periodica, la cui risultante può essere pensata come la somma di tante sinusoidi a frequenze che sono multipli interi della frequenza chiamata fondamentale o armonica di primo ordine (50 Hz).

Fig. 3    5 – Forma d’onda della corrente assorbita da un personal computer (Lpqi)

Fig. 4    6 – Scomposizione di un’onda periodica nella somma di prima, terza e quinta armonica (Comar)

Per misurare il livello di distorsione di una forma d'onda, in altre parole la quantità di armoniche da cui è affetta, si utilizza sia per le forme d'onda di corrente che di tensione, un fattore chiamato tasso di distorsione armonica totale (THD) espresso in percentuale (figura 5) che tiene in considerazione l'effetto di tutte le armoniche o perlomeno di quelle significative.

Fig. 5    7 tasso di distorsione armonica totale (THD)

Quali tipi di carico provocano le armoniche

Abbiamo fino ad ora addossato la responsabilità della nascita delle armoniche a generici carichi non lineari (carichi elettronici), ma possiamo fare di meglio approntando un elenco, il più completo possibile, di quali sono queste apparecchiature:

• Apparecchiature che utilizzano alimentatori switching, quali Personal Computer, stampanti, fotocopiatrici, decoder, apparecchiature video, ecc. Gli alimentatori switching, infatti prelevano dalla rete impulsi di corrente che contengono armoniche importanti fino al nono ordine (figura 6);

Fig. 6    11 – Spettro armonico della corrente assorbita da un alimentatore switching (Lpqi)

• Trasformatori. La corrente di magnetizzazione di un trasformatore, legata alla curva di magnetizzazione del ferro, tipicamente non lineare, è affetta da componenti armoniche (soprattutto la terza);
   
• UPS. Anche i gruppi di continuità assorbono corrente sotto forma di impulsi;
   
• Sistemi di illuminazione elettronica (lampade fluorescenti). Le lampade fluorescenti compatte (dette anche elettroniche) presentano numerosi vantaggi rispetto alle tradizionali ad incadescenza, quali la maggior durata e il minor consumo a parità di intensità luminosa, ma il loro alimentatore elettronico genera armoniche (figura 7). In ambienti con un numero elevato di questo tipo di lampade (es. alberghi, ristoranti) potrebbero nascere alcuni problemi;

Fig. 7     12 – Spettro armonico della corrente assorbita da una lampada fluorescente compatta (Lpqi)

• Sistemi di illuminazione a incadescenza controllati da TRIAC. Anche le classiche lampadine a filamento possono produrre armoniche se alimentate attraverso regolatori di luminosità (dimmer): questi infatti inviano alle lampade una corrente distorta;
   
• Azionamenti a velocità variabile (inverter, soft-starter, convertitori AC/CC e CC/AC, chopper, ecc.). Il tipico circuito di ingresso di questi dispositivi è costituito da un raddrizzatore trifase realizzato a ponte di diodi. Il raddrizzatore, realizzato a 6, 12 o 24 impulsi (a seconda del numero di impulsi per ogni periodo sul lato in continua) produce armoniche di intensità minore con l'aumentare degli impulsi (figure 8 e 9). In questi ponti non esistono le terze armoniche;

Fig. 8    13 – Spettro armonico della corrente assorbita da ponti trifase a 6, 12 e 24 impulsi

Fig. 9     14 – Forma d’onda della corrente assorbita da diverse tipologie di raddrizzatori

• Impianti galvanici. Questi impianti che vengono utilizzati per zincare, anodizzare, stagnare, dorare, etc. alcuni metalli, sono realizzati attraverso raddrizzatori che erogano corrente in forma impulsiva;
   
• Forni a microonde. Questi apparecchi hanno trasformatori e raddrizzatori per ottenere alte tensioni ad alte frequenze;
   
• Apparecchiature medicali (risonanza magnetica, TAC, raggi X, ecc.). Anche queste macchine assorbono corrente impulsiva.
   
• Saldatrici, forni a induzione e forni ad arco.