Distorsione armonica (THD) negli impianti LED e VFD

Cosa sono le armoniche?

Un'alimentazione sinusoidale pura opera alla frequenza fondamentale — 50 Hz in Europa. Quando un carico non lineare assorbe corrente che non segue una forma d'onda sinusoidale, tale corrente contiene componenti di frequenza che sono multipli interi della fondamentale. Queste sono le armoniche. La 3a armonica è a 150 Hz, la 5a a 250 Hz, la 7a a 350 Hz e così via. Nei sistemi trifase, dominano le armoniche di ordine dispari, e le armoniche triple (3a, 9a, 15a) si comportano diversamente perché sono in fase su tutte e tre le fasi anziché annullarsi come fanno le armoniche bilanciate.

Le principali fonti di armoniche di corrente negli edifici moderni sono i driver LED (alimentatori switching operanti ad alta frequenza), gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) con raddrizzatore a diodi a 6 impulsi, i gruppi di continuità (UPS), gli alimentatori switching per apparecchiature IT e alimentatori per dispositivi KNX, e i reattori elettronici nei vecchi apparecchi fluorescenti. Ciascuno assorbe corrente a impulsi ai picchi della forma d'onda di tensione piuttosto che in modo continuo.

THD-I vs THD-V

THD-I (distorsione armonica totale di corrente) è il rapporto tra il valore efficace di tutte le componenti armoniche di corrente e il valore efficace della corrente fondamentale, espresso in percentuale. Viene misurato ai terminali di carico — all'ingresso del driver LED, del VFD o dell'UPS — e descrive quanto sia distorto il corrente assorbita da quel carico. Un carico puramente resistivo ha THD-I = 0%. Un tipico driver LED a commutazione senza correzione del fattore di potenza misura un THD-I dell'80–120%.

THD-V (distorsione armonica totale di tensione) è il rapporto tra il valore efficace di tutte le componenti armoniche di tensione e la tensione fondamentale, misurato sul bus di alimentazione. Le correnti armoniche che fluiscono attraverso l'impedenza di sorgente del sistema di alimentazione causano tensioni armoniche — la caduta di tensione armonica attraverso l'impedenza appare come distorsione della tensione del bus. Il THD-V influisce su tutte le apparecchiature collegate al bus, non solo sul carico che genera armoniche. Questa è la distinzione: THD-I è una proprietà del carico; THD-V è una proprietà della rete e influisce su ogni dispositivo collegato.

Voltage harmonic at order h:
  Vh = Ih × Zh

Where:
  Vh = harmonic voltage component at order h (V)
  Ih = harmonic current component at order h (A)
  Zh = source impedance at harmonic frequency h (Ω)

Source impedance increases with frequency:
  Z at 250Hz (5th) = 5 × Z at 50Hz (fundamental)
  Z at 350Hz (7th) = 7 × Z at 50Hz

Higher source impedance (weak supply, long cables) →
more THD-V for the same THD-I load

THD-I measured: at load input terminals (per IEC 61000-3-2)
THD-V measured: at supply bus (per EN 50160)

Limiti di classe C IEC 61000-3-2 per apparecchi LED

La norma IEC 61000-3-2 stabilisce i limiti di emissione di corrente armonica per apparecchiature con corrente di ingresso fino a 16 A per fase collegate alle reti pubbliche di alimentazione BT. La classe C copre le apparecchiature di illuminazione, inclusi gli apparecchi LED e i relativi driver. Per gli apparecchi con potenza nominale superiore a 25 W, la norma specifica i limiti armonici come percentuale della corrente fondamentale, con il limite della 3a armonica dipendente dal fattore di potenza (cos phi) dell'apparecchio.

EN 50160 qualità della tensione al punto di connessione BT

La norma EN 50160 definisce le caratteristiche che i gestori di rete devono fornire al punto di consegna in bassa tensione. Per le armoniche di tensione, la norma specifica che il THD-V non deve superare l'8% come media settimanale di intervalli di misurazione di 10 minuti. Limiti individuali di tensione armonica si applicano alle armoniche fino al 25° ordine: ad esempio, la 3a armonica non deve superare il 5% della fondamentale, la 5a non deve superare il 6%, la 7a non deve superare il 5%.

I gestori misurano la conformità registrando medie RMS di 10 minuti su un periodo di misurazione continuo di 7 giorni utilizzando strumenti di qualità dell'energia di classe A. L'applicazione varia da paese a paese – nell'UE, i reclami sulla qualità della tensione vengono gestiti dall'autorità di regolamentazione nazionale. Per gli installatori, la EN 50160 stabilisce il limite superiore di ciò che la rete di alimentazione fornisce; se il THD-V si avvicina all'8% prima di collegare il carico, l'aggiunta di ulteriori apparecchiature che generano armoniche rischia di superare il limite e degradare la qualità dell'alimentazione per altri consumatori sul derivatore.

Impatto sulle installazioni KNX e sui componenti del quadro

Le correnti armoniche causano problemi specifici negli impianti degli edifici che i progettisti di quadri KNX devono considerare. L'effetto più critico negli impianti trifase con carichi LED monofase è il sovraccarico del conduttore di neutro. In un sistema trifase bilanciato, le correnti fondamentali si annullano nel neutro. Tuttavia, le armoniche triplen (3a, 9a, 15a) sono in fase su tutte e tre le fasi – si sommano aritmeticamente nel neutro anziché annullarsi. In un impianto trifase a pieno carico con driver LED monofase ad alto THD, la corrente di neutro della 3a armonica può eguagliare o superare la corrente di fase.

3 x 20A phase circuits, THD-I = 90%, 3rd harmonic = 70%:

  3rd harmonic current per phase: 20A × 70% = 14A
  Neutral 3rd harmonic current:   14A × 3 = 42A (adds in neutral)
  Fundamental neutral current:    cancels (balanced 3-phase)

  Total neutral current ≈ 42A (exceeds 20A phase current!)

IEC 60364-5-52 Table 52-D:
  For THD > 15%, size neutral conductor at 1.45× phase rating
  In high-THD LED installations: use same CSA neutral as phase,
  or upsize neutral by one cross-section (e.g. 4mm² phase → 6mm² neutral)

MCB false tripping:
  High-frequency harmonic currents cause MCB thermal element
  to see higher RMS current than 50Hz-only meters show.
  Derate MCB to 0.8× rated current in high-THD circuits.

Gli alimentatori KNX sono dispositivi basati su SMPS. Un elevato THD-V sull'ingresso di rete causa ripple sull'uscita del bus KNX a 29 V DC, ridotta efficienza dello SMPS e invecchiamento accelerato dei condensatori elettrolitici di ingresso. La durata dei condensatori si dimezza per ogni aumento di 10°C della temperatura operativa — le armoniche aumentano le perdite e quindi la temperatura. In ambienti ad alto THD, specificare alimentatori KNX con stadi di ingresso a correzione attiva del fattore di potenza (PFC), come MDT STC-0640.02 o ABB SU/S 6.5.1, che respingono il contenuto armonico in modo più efficace rispetto ai progetti SMPS passivi.

Armoniche VFD e mitigazione con reattanza di linea

Un azionamento VFD standard a 6 impulsi ha un front-end a raddrizzatore a diodi che assorbe corrente solo vicino ai picchi della forma d'onda della tensione di alimentazione. Ciò produce uno spettro armonico caratteristico dominato dalla 5a armonica (250 Hz) e dalla 7a armonica (350 Hz), con la 5a tipicamente al 25–35% della fondamentale e la 7a all'8–15%. Il THD-I di un azionamento standard a 6 impulsi senza mitigazione è tipicamente del 35–50%.

Misurazione: quando e come valutare il THD

La misurazione del THD richiede un analizzatore di qualità dell'energia True-RMS in grado di risolvere le singole armoniche almeno fino al 40° ordine. Strumenti adatti includono il Fluke 435 Series II (classe A secondo IEC 61000-4-30), il Chauvin Arnoux C.A. 8336 e l'analizzatore di energia Carlo Gavazzi EM24 (monitoraggio continuo). Collegare l'analizzatore al quadro di sottodistribuzione che alimenta i carichi sospetti e misurare THD-I e le singole percentuali armoniche in condizioni di carico rappresentative.

Occasioni critiche di misurazione: prima di installare banchi di condensatori (i condensatori possono risuonare con l'induttanza di rete alle frequenze armoniche, amplificando la tensione armonica — misurare sempre il THD-V prima di aggiungere banchi di condensatori a un impianto ricco di VFD); dopo grandi progetti di retrofit LED (confronto pre vs post retrofit); quando gli MCB scattano senza sovraccarico apparente (corrente RMS armonica che causa intervento termico); quando si indagano problemi di stabilità del bus KNX (THD-V che raggiunge l'ingresso dell'alimentatore KNX).

Filtri armonici passivi

Un filtro armonico passivo è costituito da un circuito LC serie accordato per presentare una bassa impedenza a una specifica frequenza armonica, collegato in parallelo (shunt) al bus di alimentazione. Le correnti armoniche della frequenza accordata seguono il percorso a bassa impedenza attraverso il condensatore e l'induttore del filtro anziché fluire di nuovo nell'alimentazione. Un filtro per la 5a armonica è accordato a 250 Hz: i valori di C e L sono scelti in modo che 1 / (2π × 250 × sqrt(LC)) = 1.

For distributed installations — multiple VFDs spread across a building — filtering at source (one filter per VFD, typically a line reactor or integrated input filter) is preferred over a single large central filter. Central filtering requires the filter to handle the combined harmonic current of all loads and adds complexity; source filtering keeps each drive's harmonics contained. For centralised solutions with large motor control centres, a tuned passive filter bank rated for the total drive kVA may be more economical.

Filtri armonici attivi

I filtri armonici attivi (AHF) — chiamati anche condizionatori di potenza attivi — misurano in tempo reale la corrente armonica assorbita dal carico tramite un trasformatore di corrente e un controllore DSP, quindi iniettano correnti armoniche opposte tramite un inverter PWM per cancellare le armoniche misurate al punto di accoppiamento comune. A differenza dei filtri passivi, un AHF si adatta alle condizioni di carico variabili e può correggere simultaneamente le armoniche fino al 50° ordine e fornire compensazione di potenza reattiva.

Prodotti rappresentativi: ABB PQFI (unità da 30–200 A, interfaccia Modbus TCP), Schaffner ECOsine Active (25–200 A). Entrambi forniscono registri Modbus TCP per THD-I e THD-V prima/dopo la compensazione, livelli armonici individuali e stato del filtro. Per l'integrazione KNX, collegare l'uscita Modbus TCP dell'AHF a un gateway WAGO 750-362 Modbus TCP configurato con il modulo accoppiatore KNX. Mappare THD-V L1/L2/L3 agli indirizzi di gruppo KNX con DPT 9.002 (float a 2 byte) e impostare una logica di allarme di soglia nel blocco comparatore KNX per attivare un allarme quando THD-V supera il 5%.

Integrazione KNX: registri Modbus Carlo Gavazzi EM24

L'analizzatore di energia Carlo Gavazzi EM24 supporta Modbus RTU (RS-485) e Modbus TCP (tramite modulo Ethernet opzionale). Per il monitoraggio continuo del THD integrato in un sistema di automazione degli edifici KNX, l'architettura consigliata è: EM24 Modbus RTU → modulo WAGO 750-485 RS-485 in un controllore bus di campo WAGO 750-352 master Modbus RTU → mappatura degli indirizzi di gruppo KNX in ETS6.

Register  Address  Description                   Format      Scale
0x0028    40041    THD-V L1 (%)                 uint16      ÷10 (e.g. 35 = 3.5%)
0x0029    40042    THD-V L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002A    40043    THD-V L3 (%)                 uint16      ÷10
0x002B    40044    THD-I L1 (%)                 uint16      ÷10
0x002C    40045    THD-I L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002D    40046    THD-I L3 (%)                 uint16      ÷10

Suggested KNX group address mapping:
5/7/1  THD-V L1 (DPT 9.002, %)
5/7/2  THD-V L2 (DPT 9.002, %)
5/7/3  THD-V L3 (DPT 9.002, %)
5/7/4  THD-I L1 (DPT 9.002, %)
5/7/5  THD-I L2 (DPT 9.002, %)
5/7/6  THD-I L3 (DPT 9.002, %)

Alert logic (ETS6 comparator block):
IF THD-V L1 (5/7/1) > 5.0% → send TRUE to 5/7/90 (THD alarm)
→ KNX alarm indicator activation + HA push notification