Articolo scritto da: Angelo Baggini
Scelta e dimensionamento
Componenti tradizionali d’impianto
Questo capitolo è dedicato alla scelta delle caratteristiche dei componenti di impianto tradizionali che da anni vengono (dovrebbero essere) considerate nella scelta degli stessi in ottica di risparmio energetico.
In pratica, nella prospettiva della prestazione energetica, si affronta la scelta di:
- Trasformatori di potenza (II04 e MA04) e cabine di trasformazione (II02)
- Linee elettriche (II03)
- Apparecchi utilizzatori fissi (II05)
- Generazione locale e Accumulo
- Batterie di rifasamento per la correzione del fattore di potenza (PM01)
- Filtri per la mitigazione della distorsione armonica (PM02)
La sigla che segue tra parentesi ciascun componente di impianto è il riferimento utilizzato dalla Norma CEI 64-8 nell’Allegato B della parte 8.1.
Vale la pena di osservare che gli ultimi due componenti di impianto elencati in un certo senso hanno un ruolo orizzontale, ovvero hanno un impatto sulla prestazione energetica di tutti gli altri componenti e quindi dell’impianto nel complesso.
Per ogni componente di impianto:
- viene richiamata la fisica dei fenomeni in gioco, poiché capire il perché delle cose è sempre importante
- vengono presentate le principali norme tecniche e di legge di interesse, poiché non sempre le cose sono immediate e lineari
- viene presentata la griglia prevista dall’Allegato B della Parte 8.1 della Norma CEI 64-8 per il calcolo del punteggio legato a quel componente per il calcolo della classe energetica.
A quest’ultimo proposito è opportuno osservare che nel momento in cui viene scritto questo testo la Norma non definisce in modo completamente operativo tutti i criteri di attribuzione dei singoli punteggi, ma in alcuni casi si limita ad individuare un principio. In questi casi le schede che seguono propongono allora una interpretazione operativa per tradurre il principio della Norma in una regola pratica (univoca e oggettiva).
La tabelle che sono state riprodotte sono relative agli impianti al sevizio di contesti industriali, terziari e infrastrutturali, quelle da utilizzare per il settore residenziale sono diverse ma sono presenti sulla norma in tutti quei casi in cui nelle schede che seguono c’è l’icona della casetta vicino alle altre tre.
Trasformatori di potenza
Nella scelta e nel dimensionamento dei trasformatori di potenza è opportuno considerare, oltre a tutti gli aspetti tradizionalmente presi in considerazione anche la prestazione energetica.
I trasformatori di potenza sono macchine elettriche con rendimenti molto elevati ma non certo unitari soprattutto nelle taglie medie o piccole (MT/BT).
La prestazione energetica di un trasformatore inserito in un impianto dipende da:
- la prestazione energetica di targa del/i trasformatore/i
- il numero e la posizione delle cabine MT/BT e dei trasformatori
- il diagramma di carico e quindi il punto di lavoro del/i trasformatore/i
Le perdite che si manifestano in trasformatore sono:
- nel circuito magnetico
- negli avvolgimenti
- negli eventuali sistemi di raffreddamento forzati.
Queste perdite nel circuito magnetico si manifestano quando il trasformatore è in tensione anche in assenza di carico e possono essere considerate costanti con la tensione di alimentazione.
Le perdite dovute al carico che hanno luogo in un trasformatore sono funzione della corrente e vengono normalmente distinte in principali e addizionali. Facendo riferimento ai soli avvolgimenti le prime sono quelle dovute all’effetto Joule che si possono calcolare in base alla resistenza ohmica degli avvolgimenti (quella misurabile in c.c.), e le seconde sono genericamente definite, in modo pragmatico, quelle che sommate alle prime forniscono le perdite globali rilevabili sperimentalmente.
In linea generale, si può affermare che le perdite addizionali sono principalmente dovute alla disuniforme distribuzione della corrente nelle sezioni degli avvolgimenti conseguente all’azione di flussi alternati che interessano lo spazio occupato dagli stessi. Tali flussi, risultando concatenati in misura diversa con i vari filetti elementari in cui si può idealmente suddividere ciascun conduttore, generano f.e.m. indotte, che hanno l’effetto macroscopico di rarefare o addensare la corrente attraverso la sezione.
Qualora l’avvolgimento fosse costituito da più sezioni poste in parallelo, oltre al fenomeno dell’addensamento della corrente, si manifestano anche perdite addizionali per circolazione, in quanto può accadere che sui conduttori elementari siano indotte f.e.m. diverse.
Altri fenomeni che possono causare perdite addizionali sono quelli legati alle deformazioni delle linee di campo del flusso magnetico che investendo diversamente le varie parti dell’avvolgimento provocano ulteriori disuniformità nella distribuzione della corrente.
Le principali caratteristiche delle perdite addizionali riguardano le sue relazioni con la frequenza della corrente e con la resistività del materiale.
Per quanto riguarda il primo aspetto (dipendenza dalla frequenza) si ha che le perdite addizionali non hanno, in funzione del tipo di avvolgimento considerato, una dipendenza univoca dalla frequenza, mentre la principale ne è sempre indipendente.
Ciò risulta di particolare rilevanza in presenza di onde di corrente non sinusoidali. Il problema può essere analizzato servendosi dell’analisi di Fourier essendo lecito applicare il principio di sovrapposizione degli effetti poichè i fenomeni possono considerarsi lineari. Le perdite totali dovute al carico possono quindi essere calcolate sommando i contributi di perdita dovuti alle singole armoniche.
Questo modo di procedere risulta molto comodo poichè lo studio della distribuzione di corrente in regime alternato non sinusoidale è spesso molto laborioso, e non sempre possibile per via analitica mentre è relativamente semplice in regime sinusoidale.
Per il secondo punto (dipendenza dalla resistività) si ha ancora che le perdite addizionali non sono univocamente legate a questa, mentre le principali ne sono direttamente proporzionali; di conseguenza le prime possono crescere o decrescere al crescere della temperatura, a seconda del tipo di fenomeno considerato, mentre la seconda cresce sempre. Ciò ha importanza soprattutto agli effetti della determinazione delle perdite in sede di collaudo, poichè esse vengono misurate a temperatura ambiente e vanno riportate alla temperatura di riferimento.
Quando sono in gioco correnti elevate, le perdite nelle connessioni non possono essere trascurate, ma necessitano di un’analisi specifica. I flussi magnetici di dispersione degli avvolgimenti possono investire altre parti conduttrici, per esempio le armature, i tiranti o, quando presente, la cassa del trasformatore, provocando anche in essi perdite per effetto Joule.
Questi aspetti che, in ragione della consistente aleatorietà legata ai percorsi seguiti dal flusso di dispersione introducono consistenti difficoltà nel tentativo di modellazione analitica, presentano fortunatamente un peso molto modesto rispetto alle perdite totali.
La prestazione energetica dei trasformatori dipende quindi anche dalla forma d’onda della corrente e della tensione oltre che dal fattore di potenza.
I consumi dei sistemi di raffreddamento tradizionalmente non sono computati tra le perdite, ma di fatto impattano sulla prestazione energetica.
In questo momento (la situazione potrebbe cambiare) la prestazione energetica di targa dei trasformatori medi, classe nella quale rientrano la maggior parte dei trasformatori MT/BT, viene convenzionalmente espressa nella serie di norme di riferimento (EN 50708) e nel Regolamento EU N.548/14 dai valori delle massime perdite a vuoto e dovute al carico trascurando i consumi dei sistemi di raffreddamento.
La prestazione energetica di targa del trasformatore è un dato nominale del trasformatore, ovvero (in ossequio alle linee richieste dalla Direttiva 2009/125/CE Ecodesign che si applica ai prodotti e non al loro uso) dipende esclusivamente dalle caratteristiche del trasformatore ed è definita dalle scelte progettuali, dal materiale e dalla cura costruttiva del costruttore, ma le perdite che effettivamente si manifestano durante il funzionamento differiscono dai valori nominali per vari motivi tra i quali, oltre all’eventuale presenza di armoniche, il fattore di carico, cioè la frazione di carico rispetto alla potenza nominale.
Occorre quindi considerare che:
- l’efficienza energetica del trasformatore non è la stessa nei diversi punti di funzionamento
- la scelta di un trasformatore per lavorare nel punto di lavoro caratterizzato dalla massima efficienza non è detto corrisponda alle perdite minori, dipende dal diagramma di carico.
La prestazione energetica di una cabina di trasformazione MT/BT dipende quindi:
- dalla prestazione energetica di targa delle singole unità installate ma anche
- dal numero e dalla potenza delle unità installate che indirettamente definisce il punto di lavoro
Nella prospettiva delle prestazioni energetica dell’intero impianto però le decisioni da prendere a proposito della cabina di trasformazione non sono finite.
Come noto, le perdite nelle linee elettriche di distribuzione dipendono dalla corrente (per essere precisi dal quadrato del valore efficace della corrente) e questa a parità di potenza dipende dal livello di tensione quindi la posizione della cabina MT/BT non è indifferente.
La posizione ideale della cabina si dimostra facilmente essere il baricentro energetico del carico così da minimizzare, a parità di tutte le altre condizioni, le perdite sulle linee BT.
Il sistema premiale definito nell’Allegato B della Norma CEI 64-8 a proposito dei trasformatori tiene conto:
- della prestazione energetica nominale
- del rapporto tra la potenza richiesta dal carico e la potenza nominale
- della posizione della cabina di trasformazione rispetto ai carichi
oltre che del fattore di potenza e della forma d’onda.