Le armoniche negli impianti elettrici sono componenti sinusoidali di frequenza multipla della fondamentale (50 Hz in Italia) generate da carichi non lineari (es. inverter, alimentatori switching, forni, ecc.). La loro presenza distorce la forma d’onda di corrente e tensione, deteriorando la qualità dell’energia erogata e causando molteplici problemi negli impianti industriali. Di seguito analizziamo in dettaglio quali problemi possono creare le armoniche e come risolverli. Se sei un energy manager o un responsabile tecnico e sospetti questi fenomeni nel tuo impianto, contattaci per una consulenza: possiamo offrire analisi mirate di Power Quality e soluzioni su misura per la tua azienda.
Problemi causati dalla presenza di armoniche
Le armoniche di corrente e tensione possono generare numerosi inconvenienti negli impianti elettrici. I principali problemi includono:
- Perdita di efficienza: la distorsione armonica fa aumentare la potenza apparente richiesta all’impianto a parità di potenza attiva erogata. In pratica, la presenza di correnti armoniche riduce il fattore di potenza totale (PF). Ciò significa che parte dell’energia circolante non compie lavoro utile ma genera solo calore e sollecitazioni elettriche. Ne conseguono sprechi energetici e minore efficienza, spesso accompagnati da penali o costi aggiuntivi in bolletta dovuti al basso fattore di potenza e al maggiore prelievo di potenza apparente (maggiori perdite e picchi di domanda).
- Surriscaldamento di cavi e connessioni: le armoniche di corrente, soprattutto di ordine elevato, causano extra-riscaldamento nei conduttori per effetto Joule. Ogni componente armonica contribuisce alle perdite, aumentando la temperatura dei cavi e dei quadri elettrici. Inoltre, alle frequenze armoniche entra in gioco il fenomeno pellicolare (skin effect) che concentra la corrente in superficie aumentando la resistenza apparente del conduttore. Il risultato è un surriscaldamento anomalo dei cavi e delle sbarre, con possibili deterioramenti dell’isolamento e riduzione della vita utile dell’impianto. In presenza di alti livelli di THD, è spesso necessario sovradimensionare i cavi o utilizzare sensori termici/termocamere per monitorare la temperatura delle barre e dei conduttori, specialmente nel quadro di neutro.
- Corrente elevata nel neutro (sovraccarico del neutro): in sistemi trifase a 4 fili, le armoniche cosiddette omopolari (multipli di 3, come la 3ª, 9ª, 15ª) si sommano al conduttore di neutro invece di annullarsi. Ciò può portare a correnti di neutro superiori, surriscaldando pesantemente il neutro. Questo fenomeno richiede attenzione nel dimensionamento dei neutri (spesso sovradimensionandoli rispetto alle fasi) e nella taratura dei relè di sovraccarico, per evitare incendi o danni.
- Inquinamento della tensione di rete (THDu): le correnti armoniche circolanti nell’impianto causano cadute di tensione armoniche attraverso le impedenze di linea e del trasformatore, generando distorsione anche sulla tensione di alimentazione (THDu). In generale, un THDu superiore al 5-8% è indice di forte inquinamento e può pregiudicare l’affidabilità dell’impianto. È importante monitorare questi indici e mantenerli entro i limiti normativi (la CEI EN 50160 consiglia THD<8% in bassa tensione).
- Danni e sollecitazioni ai condensatori di rifasamento: i condensatori sono particolarmente suscettibili alle armoniche di corrente e tensione. Una tensione con componenti armoniche genera sulle batterie di condensatori correnti amplificate. Si possono così innescare risonanze serie o parallelo tra la capacità C dei condensatori e le induttanze L dell’impianto alle frequenze armoniche presenti. Tali risonanze possono far circolare correnti elevate nei condensatori, causandone il surriscaldamento e la rottura prematura. Molti banchi di rifasamento tradizionali, privi di reattori di sbarramento, risultano inadatti in impianti con elettronica di potenza moderna. In tali casi è opportuno usare condensatori anti-armoniche (detuned) con reattori per spostare la frequenza di risonanza fuori dagli ordini armonici critici, oppure preferire soluzioni di filtraggio attivo (vedi oltre).
- Problemi nei trasformatori: le armoniche causano perdite aggiuntive nei trasformatori, riducendone la capacità utile e la vita. In particolare, le correnti armoniche inducono maggiori perdite per correnti parassite e isteresi nel nucleo, aumentando le perdite a vuoto e a carico. Un trasformatore sotto carico non lineare può scaldarsi oltre il previsto e spesso ronza più del normale. Di conseguenza, la potenza erogabile dal trasformatore si riduce e in casi gravi si può arrivare a sovratemperatura e scatto termico. Per ovviare, si ricorre a trasformatori con fattore K elevato dimensionati per sopportare un certo spettro armonico senza surriscaldare. Anche i gruppi elettrogeni soffrono le armoniche: generatori funzionanti vicino al limite di potenza possono non tollerare le perdite addizionali, con stress sull’alternatore e rischio di deterioramento degli isolamenti.
- Problemi nei motori elettrici: le armoniche di corrente che attraversano i motori asincroni generano perdite addizionali e coppie anomale. Nel statore del motore, la corrente distorta causa extra perdite e maggior riscaldamento degli avvolgimenti. Inoltre, le armoniche di sequenza negativa (es. 5ª, 11ª in sistemi trifase) producono campi magnetici rotanti in senso opposto al fondamentale, generando coppie frenanti pulsanti che riducono la coppia utile del motore e introducono vibrazioni meccaniche. Ne derivano sforzi e usura su alberi e cuscinetti, aumento del rumore e un calo di efficienza complessiva. Un motore soggetto ad alti livelli armonici tende a scaldarsi di più e può vedere ridotta la propria vita utile a causa dell’isolamento stressato termicamente. Se noti surriscaldamenti anomali o vibrazioni nei motori della tua linea produttiva, potrebbe essere il momento di effettuare un’analisi armonica – contattaci per un check-up e soluzioni di filtraggio dedicate!
- Interventi intempestivi di protezioni (scatti intempestivi): la presenza di armoniche può mandare in tilt i dispositivi di protezione. Ad esempio, i relè di protezione e gli interruttori automatici possono interpretare picchi di corrente armonica come sovraccarichi o guasti e scattare senza motivo reale. I differenziali possono essere influenzati da componenti in alta frequenza che saturano i toroidi, causando scatti spurii. Inoltre, i dispositivi di rifasamento automatico possono commutare erroneamente sotto l’effetto di armoniche, e i fusibili o interruttori termici vedere aumentato il riscaldamento interno. Questi interventi intempestivi portano a fermi impianto non programmati e perdite produttive. Una rete “pulita” da armoniche evita anche falsi allarmi e scollegamenti indesiderati di carichi critici.
- Altri disturbi e malfunzionamenti generici: livelli elevati di armoniche possono indurre allarmi ingiustificati su apparecchiature elettroniche sensibili, disturbi nelle comunicazioni e blocchi sporadici di dispositivi. Ad esempio, le reti dati e le linee di comunicazione possono subire interferenze elettromagnetiche: armoniche di ordine elevato (oltre il 9°-15°) rientrano nello spettro delle frequenze usate in telecomunicazioni e possono accoppiarsi per induzione nei cavi segnale, generando disturbi e rumore (fenomeno noto come telephonic interference sui cavi telefonici). Le apparecchiature elettroniche di controllo (PLC, azionamenti, alimentatori) possono andare in blocco o reset a causa di micro-interruzioni o deformazioni della tensione in passaggio per lo zero. Anche strumenti di misura tradizionali (contatori elettromeccanici, TA/TV analogici) possono fornire misure errate in presenza di armoniche: ad esempio la 5ª armonica genera una sequenza inversa che può ingannare i vecchi contatori a induzione, facendoli registrare valori non corretti. Nei sistemi con generazione distribuita (fotovoltaico, eolico, ecc.), l’energia immessa e prelevata potrebbe essere misurata inaccuratamente se i misuratori non sono di classe adeguata al contenuto armonico. Tutto ciò evidenzia come un’elevata distorsione armonica possa compromettere l’affidabilità degli impianti e far lievitare i costi operativi (sprechi di energia, manutenzioni straordinarie, fermo impianto).
- Costi aggiuntivi nascosti: la somma degli effetti sopra descritti si traduce infine in costi economici per l’azienda. Le armoniche comportano infatti maggiori perdite di energia (bollette più salate), riducono l’efficienza dei processi, causano guasti prematuri a motori, trasformatori, condensatori (costi di riparazione e sostituzione) e possibili penali dal distributore per fattore di potenza fuori norma. Studi sui sistemi di distribuzione hanno mostrato che forti distorsioni possono incrementare le perdite fino al 20%. Inoltre, un fattore di potenza degradato da armoniche porta a sovraccosti per richieste di picco (kW/kVA di punta più elevati). Anche la manutenzione straordinaria e i fermi macchina non pianificati hanno un impatto economico rilevante. Investire in soluzioni di mitigazione delle armoniche porta quindi a un duplice beneficio: da un lato riduce i costi energetici e di manutenzione, dall’altro aumenta l’affidabilità e la vita degli asset elettrici.
Come risolvere i problemi di armoniche nell’impianto
Per affrontare la distorsione armonica esistono due approcci strategici:
- convivere con le armoniche (accettandole ma limitandone gli effetti tramite sovradimensionamento), oppure
- eliminarle o attenuarle con filtri e compensatori dedicati.
Vediamo entrambe le strategie nel dettaglio.
1. Sovradimensionamento e adeguamento dell’impianto (convivere con le armoniche)
La prima strategia consiste nell’accettare la presenza delle armoniche nell’impianto, ma sovradimensionare le apparecchiature in modo da ridurre i problemi causati. In pratica si tratta di progettare e gestire l’impianto tenendo conto delle distorsioni, adottando accorgimenti come:
- Aumentare le sezioni dei cavi (soprattutto del neutro) per limitare il surriscaldamento: spesso si raddoppia la sezione del neutro rispetto alle fasi in ambienti ad elevato contenuto armonico. Ciò abbassa la resistenza dei conduttori riducendo le perdite Joule e la temperatura. Inoltre cavi più grossi mitigano leggermente l’impedenza di linea, abbassando la percentuale di distorsione di tensione indotta.
- Utilizzare componenti con rating appropriati: installare trasformatori con fattore K (K-rated) o comunque sovradimensionati in potenza, capaci di gestire le perdite extra dovute alle armoniche senza surriscaldare. Anche i motori e i generatori possono essere scelti con margine di potenza e isolamento superiore, così da tollerare correnti non sinusoidali. I condensatori di rifasamento devono essere di tipo rinforzato (ad esempio con basso $ΔV$ e dotati di induttanze di filtro in serie per bloccare le armoniche).
- Tarare e selezionare le protezioni adeguatamente: prevedere interruttori automatici di classe adatta (es. curva D o K per avviamenti con componenti in corrente elevate), e differenziali immuni ai disturbi in alta frequenza (marchiati come tipo A o tipo B per componenti continue). Regolare le soglie di allarme/sgancio tenendo conto delle possibili correnti armoniche: ad esempio, molti relè digitali consentono di impostare filtri che ignorano la 3ª o 5ª armonica per evitare scatti intempestivi.
Questa strategia ha il pregio della semplicità concettuale (nessun dispositivo attivo da aggiungere) ma presenta anche svantaggi: il sovradimensionamento comporta costi iniziali maggiori (cavi, trasformatori e macchine più grosse) e non elimina le perdite e i consumi extra dovuti alle armoniche. Si tratta quindi di una soluzione di compromesso, accettabile se il livello di armoniche è moderato e stabile. Tuttavia, quando il contenuto armonico è elevato o si prevedono ampliamenti futuri dell’impianto, è consigliabile passare alla seconda strategia, più efficace e lungimirante.
2. Filtraggio o compensazione attiva delle armoniche (eliminare le armoniche)
La seconda strategia consiste nell’eliminare parzialmente o totalmente le armoniche presenti, installando dispositivi di filtraggio dedicati. L’obiettivo è “pulire” la forma d’onda di corrente (o di tensione) rimuovendo le componenti indesiderate, riportando il THD entro limiti accettabili. Le soluzioni tecniche disponibili rientrano principalmente in tre categorie:
A. Filtri passivi LC (sintonizzati o in banda) – Sono circuiti passivi costituiti da induttanze e condensatori dimensionati per offrire bassa impedenza alle frequenze armoniche da eliminare. Collegati in derivazione sull’impianto, i filtri LC fungono da “trappola” per una specifica armonica (es. un circuito risonante serie tarato a 250 Hz per assorbire la 5ª armonica) oppure per un’intera banda di frequenze. In tal modo, le correnti armoniche vengono dirottate nel filtro invece che fluire attraverso la rete principale. I filtri passivi sono relativamente semplici ed economici e possono anche compensare parte della potenza reattiva mentre filtrano. Tuttavia presentano diversi svantaggi: (1) Efficacia locale – funzionano bene solo nelle condizioni specifiche per cui sono progettati; variazioni nei carichi o aggiunta di nuove utenze possono spostarne la sintonia e comprometterne l’efficacia. (2) Rischio di risonanza con la rete: se non accuratamente studiati, i filtri LC possono interagire con l’impedenza del sistema amplificando altre frequenze (fenomeni di risonanza parallelo/serie). (3) Ingombo e adattabilità limitata: installare filtri passivi in impianti esistenti può risultare difficile per ragioni di spazio e poiché ogni filtro è mirato a specifiche armoniche, l’approccio passivo è poco flessibile rispetto a cambiamenti futuri. In sintesi, i filtri passivi sono indicati per impianti con profilo di carico stabile e dove si conosce con precisione quale armonica mitigare, ad esempio su singoli grossi convertitori o forni.
B. Filtri attivi di armoniche (AFA) o compensatori attivi – Si tratta di dispositivi elettronici di potenza (a controllo digitale) in grado di misurare in tempo reale le correnti armoniche circolanti e di iniettare in rete correnti uguali e contrarie a quelle armoniche, annullandole per sovrapposizione. In pratica, un filtro attivo analizza la forma d’onda e genera la “anti-armonica” corrispondente: la somma vettoriale cancella la distorsione, lasciando in rete una corrente quasi sinusoidale. Questi sistemi agiscono in tempo reale (pochi millisecondi di tempo di reazione) e possono compensare simultaneamente più armoniche di ordine diverso. I filtri attivi moderni, come la serie AccuSine™ di Schneider Electric citata in precedenza, permettono di ridurre il THDi a valori anche sotto il 5%, migliorando drasticamente la Power Quality dell’impianto. Inoltre spesso integrano funzioni aggiuntive utili: possono effettuare rifasamento dinamico (compensando potenza reattiva in eccesso) e bilanciamento carichi tra fasi, contribuendo a ridurre anche la corrente sul neutro. I vantaggi dei filtri attivi sono la elevata efficacia e flessibilità: funzionano indipendentemente dalla variazione dei carichi, si adattano automaticamente al profilo armonico istantaneo e possono essere installati anche in parallelo modulare per aumentarne la capacità. Di contro, sono apparecchiature complesse e dal costo superiore rispetto ai filtri passivi, soprattutto per impianti di grande potenza. Richiedono anche un minimo di manutenzione (ventilazione, componenti elettronici) e consumano una piccola quota di energia per il loro funzionamento. Nonostante ciò, il trend attuale vede un impiego crescente dei filtri attivi nelle industrie e negli edifici commerciali, poiché garantiscono un ritorno dell’investimento grazie ai risparmi energetici e al miglioramento di continuità operativa (meno guasti, meno fermi impianto). La nostra azienda fornisce e installa filtri attivi di ultima generazione: contattaci per una valutazione gratuita dei benefici ottenibili nel tuo stabilimento.
Esempio di filtro attivo (Schneider AccuSine) montato a parete: questi dispositivi iniettano correnti armoniche “inverse” per cancellare le distorsioni in tempo reale, proteggendo l’impianto da sovratemperature e malfunzionamenti.
C. Filtri omopolari (per armoniche di neutro): sono filtri specifici mirati ad eliminare le armoniche di sequenza zero (3ª, 9ª, 15ª, …) che interessano il conduttore di neutro. Un esempio comune è il trasformatore zig-zag o altre configurazioni di reattori trifase con collegamento speciale: questi dispositivi offrono un percorso a bassa impedenza verso terra per le correnti di terza armonica, assorbendole e impedendo che si propaghino nelle fasi. In sostanza, i filtri omopolari “intrappolano” le armoniche triplene e le dissipano in calore (o le restituiscono alla sorgente continua nel caso dello zig-zag), ottenendo un riequilibrio delle correnti di fase e alleggerendo il neutro. In impianti con moltissimi carichi monofase (uffici con PC, illuminazione LED, data center) i filtri omopolari sono utili per prevenire il sovraccarico del neutro e ridurre il THD complessivo. Spesso sono combinati a sistemi di rifasamento e filtri attivi per coprire tutte le tipologie di armoniche. Il vantaggio è la loro mirata efficacia sulle armoniche di terzo ordine, mentre lo svantaggio è che non agiscono sugli altri ordini armonici non omopolari (5ª, 7ª, etc.), quindi vanno considerati come integrazione ad altri metodi.
Conclusioni
Le armoniche rappresentano una sfida importante per chi gestisce impianti elettrici moderni: ignorarle può portare a costosi problemi di efficienza, affidabilità e sicurezza. Comprendere i fenomeni armonici e le possibili soluzioni è fondamentale per gli energy manager e i responsabili di manutenzione. In questo articolo abbiamo approfondito i principali effetti negativi (perdite aggiuntive, surriscaldamenti, rotture di componenti, malfunzionamenti) e le opzioni correttive (sovradimensionamento, filtri passivi, filtri attivi, ecc.), evidenziando pro e contro di ciascuna.
In generale, la soluzione ottimale dipende dal livello di distorsione presente e dalle caratteristiche dell’impianto. Spesso, un approccio combinato risulta vincente: ad esempio, predisporre un impianto robusto (cavi, trafo, neutro sovradimensionati) e al contempo installare filtri attivi per abbattere le armoniche principali. Così si ottiene un sistema elettrico efficiente, affidabile e conforme alle normative di Power Quality.
Se la tua azienda sta riscontrando problemi di armoniche – come surriscaldamenti inspiegabili, continui scatti di protezioni o disturbi anomali – non aspettare oltre: contattaci per una diagnosi professionale. I nostri tecnici possono effettuare campagne di misura del THD, analizzare lo spettro armonico e proporre soluzioni mirate (compensazione attiva, rifasamento filtrato, ecc.) per eliminare il problema alla radice. Investire nella qualità dell’energia significa assicurare continuità produttiva, ridurre i costi energetici e proteggere i propri beni impiantistici nel lungo termine. Migliora la power quality oggi per evitare disagi e spese domani!
