I costi della power quality nei sistemi di automazione industriale

Dalla rivista:
Automazione e Strumentazione

Pubblicato il 20 giugno 2002

Alcuni casi particolarmente significativi sono illustrati in modo critico per valutare la convenienza economica nell’installazione di dispositivi di compensazione dei disturbi. Infine si accenna ai nuovi sistemi, cosiddetti “custom power”, rivolti a creare linee di distribuzione dell’energia elettrica ad alta qualità. Recenti studi indicano che i buchi di tensione, i transitori di rete e le interruzioni momentanee di potenza, costituiscono insieme il 92% dei problemi di power quality incontrati da tipici utenti industriali [1, 2]. La maggior parte degli eventi riscontrati consiste in buchi di tensione di ampiezza dell’ordine del 40÷50% della tensione nominale di linea con durata inferiore ai due secondi. Partendo da queste considerazioni, un’indagine è stata condotta presso alcuni utenti industriali nel Nord e Centro Italia per identificare i costi reali associati alla mancanza di qualità della potenza elettrica. L’indagine è stata supportata da un questionario dedicato ad approfondire vari aspetti della power quality come documentato in [3, 4]. Il Politecnico di Milano insieme con l’Università “La Sapienza” di Roma e l’Università di L’Aquila, ha attivamente preso parte alla preparazione e alla diffusione di questo questionario, i cui risultati saranno descritti in seguito. La valutazione degli attuali livelli di power quality costituisce il primo passo per impostare le strategie future dei sistemi di distribuzione riguardo agli standard qualitativi richiesti dal mercato: nuovi investimenti richiedono infatti una concreta stima dei costi associati alla qualità. Il campione analizzato per valutare l’onere associato alla qualità dell’energia è risultato così costituito: – la maggior parte delle utenze è alimentata in Mt (70%) e la estante è collegata alla rete bt; – il 25% fanno registrare consumi annuali superiori ai 1.000 MWh, il 15% si attesta nell’intervallo 500 ÷1.000 MWh, il restante 60% si distribuisce più o meno uniformemente da 3 a 500 MWh; – le potenze massime disponibili da contratto, variano da 20 kW a 10 MW. In quanto all’impiego da parte delle utenze intervistate di dispositivi di mitigazione dei disturbi è risultato quanto segue. Le aziende investigate dispongono per il 26% di gruppi di continuità motore-generatore (di taglia distribuita in modo pressoché uniforme da 20 a 1.000 kW) e per il 39% di Ups con prevalente incidenza delle taglie piccole e medie (20% di unità fino a 10 kVA; 37% di unità da 10-20 kVA; 33% di unità da 20-75 kVA e 10% di unità con potenza superiore a 75 kVA). Solo il 9% delle utenze ricorre dispositivi di filtraggio. Il monitoraggio degli impianti per il rilievo dei livelli di power quality è assai poco diffuso (solo il 13% delle aziende dichiara di praticarlo), si nota invece una certa attenzione nel registrare gli eventi dannosi (37% delle aziende). Il dato più significativo, ovvero la stima del danno economico subito dalle utenze per effetto di disturbi o interruzione dell’alimentazione si può così riassumere. Dei soggetti che hanno fornito una valutazione economica quantitativa: per il 70% stimano l’onere in circa 20 mila euro/anno; per il 10% riferiscono di danni valutabili dai 20 mila ai 50 mila euro/anno; solo per il 20% valutano un danno significativo dai 50 mila ai 250 mila euro/ anno. La gran parte delle utenze ha invece indicato solo per grandi linee il danno economico associato alla mancanza di qualità dell’energia. Tali valutazioni sono sintetizzate nell’istogramma di Figura 1. Nel seguito si analizza il dettaglio dell’analisi costi-benefici associati alla power quality in tre casi reali: una piccola fabbrica del settore tessile, un’azienda molto estesa operante sempre nello stesso ambito, e infine una banca che pur non rappresentando un’applicazione industriale dell’automazione è comunque un esempio significativo di impiego delle tecnologie informatiche e automatiche nel settore del terziario. Questi esempi – tratti dalla ricerca svolta presso utenti delle province di Milano, Bergamo e Varese – sono particolarmente significativi perché evidenziano la necessità e i limiti della compensazione dei disturbi di rete.

Piccola industria del settore tessile

L’azienda tessile in oggetto si occupa della lavorazione del cotone al 100%, per conto terzi, il prodotto trattato presenta un grado di purezza assoluto ed è oggi poco diffuso perché sostituito da altri filati, misti, più resistenti ed economici. L’utenza considerata è alimentata in Mt, a 15 kV, la potenza massima impegnata contrattuale è di 270 kW e il consumo energetico medio mensile è di circa 135.000 kWh; si considera nell’analizzare quest’ultimo dato che l’azienda lavora a ciclo continuo tutti i giorni da lunedì a venerdì, più sei ore il sabato mattina. In relazione al livello qualitativo dell’alimentazione elettrica si possono fare diverse osservazioni, così riassumibili: – disturbi e loro caratteristiche: essendo i sistemi impiegati molto sensibili, gli effetti dei disturbi appaiono particolarmente evidenti. I fenomeni che causano problemi al processo produttivo sono buchi di tensione, brevi interruzioni e lunghe interruzioni. In generale sono sufficienti abbassamenti di tensione del 40% rispetto al valore nominale con durata di 50 ms per interrompere i processi produttivi; – Ups: non sono installati gruppi di continuità; – stima del danno da parte dell’azienda: relativamente basso. Nel seguito si riporta l’analisi tecnico-economica relativa alla valutazione costi-benefici dei provvedimenti che l’azienda dovrebbe adottare per migliorare la qualità dell’alimentazione. Essi dipendono dalle caratteristiche della rete elettrica, è importante di conseguenza conoscere la frequenza con cui buchi di tensione e interruzioni si verificano, ovviamente rapportando tale parametro con la variazione percentuale della tensione e con la durata del fenomeno.

Per quanto riguarda la rete in esame i buchi di tensione e le brevi interruzioni con profondità maggiore al 40% di Vn e durata superiore a 0,05 s si verificano mediamente almeno una volta ogni 15 giorni. Per rilevare la frequenza di questi episodi non si sono impiegati strumenti di monitoraggio, l’analisi statistica è immediata, poiché al verificarsi degli eventi indicati si interrompe automaticamente il processo produttivo. I fenomeni di lunga durata, cioè superiori ai dieci minuti, sono rari (due-tre volte l’anno), questi ultimi inoltre sono praticamente dovuti solo a cause accidentali, poiché le interruzioni programmate interessano quasi esclusivamente i giorni festivi. Pertanto si può ipotizzare per la rete in esame una situazione come quella evidenziata nella Tabella 1. I processi produttivi di un’industria tessile in generale, elencati nella Tabella 2, sono caratterizzati da particolari componenti sensibili ai buchi di tensione; si tratta di teleruttori, azionamenti a velocità variabile (Asd), sensori, personal computer (Pc) e controllori a logica programmabile (Plc). Per semplicità si è considerata per ciascun componente una sola curva di sensibilità come evidenziato in Figura 2 [5], trascurando eventuali differenze di suscettibilità tra modelli diversi. Nella piccola industria tessile considerata vengono realizzate solo la filatura e la roccatura: la filatura consiste nella riduzione a filo della fibra tessile, la macchina che realizza tale operazione esegue contemporaneamente anche la ritorcitura del filo e lo avvolge su una prima rocca; la roccatura definitiva è invece realizzata mediante una macchina che svolgendo il filo della prima rocca, lo fa scorrere rapidamente attraverso la fiamma di un bruciatore (gasatura) per eliminare i peli del cotone che sfuggono alla ritorcitura e riavvolge il filo su nuovi rocchetti.