Il rifasamento è una tecnica di uso razionale dell’energia: migliorando il fattore di potenza delle macchine e degli impianti, consente di ottenere sensibili risparmi economici, con vantaggio sia dell’utente che del produttore e distributore. I risparmi sono tanto più consistenti quanto più elevato è il fabbisogno di energia elettrica: per questo motivo le Aziende industriali medie e grandi dovrebbero esservi particolarmente interessate, qualunque sia lo specifico settore di attività.

Un basso fattore di potenza causa nell’impianto diversi inconvenienti che si riflettono, oltre che sul rendimento, anche sui costi d’esercizio.

• Diminuzione della potenza disponibile sugli impianti di alimentazione o sovradimensionamento degli impianti a parità di potenza attiva;
• Aumento delle cadute di tensione, con conseguenze negative sul funzionamenti degli apparecchi utilizzatori;
• Aumento delle perdite di energia nei conduttori a causa della maggiore intensità di corrente in circolazione a parità di potenza;
• Maggior costo dell’energia a causa delle maggiorazioni tariffarie previste in relazione all’energia reattiva fornita.

Il provvedimento del Comitato Interministeriale Prezzi n. 12/1984 pubblicato sul supplemento straordinario alla Gazzetta Ufficiale n.104 del 13/4/1984 ha stabilito le modalità di addebito per basso fattore di potenza relativamente alle forniture con potenza impegnata superiore a 15 kW regolate da tariffe non multiorarie.

L’addebito è duplice: per i quantitativi di energia reattiva, espressi i kVARh, compresi tra il 50% e il 75% del corrispondente prelievo di energia attiva espresso in kWh (e cioè per fattore di potenza medio mensile compreso tra 0,9 e 0,8) si applicano i seguenti corrispettivi:

• 39,80 lire per kVARh per le forniture con consegna a bassa tensione;
• 20,40 lire per kVARh per le forniture con consegna a tensione superiore.

Per i quantitativi di energia reattiva numericamente eccedenti il 75% del corrispondente prelievo di energia attiva (e cioè per fattore di potenza medio mensile inferiore a 0,8) si applicano, invece, i seguenti altri corrispettivi:

• 47,20 lire per kVARh per le forniture con consegna a bassa tensione;
• 23,30 lire per kVARh per le forniture con consegna a tensione superiore.

Per le forniture regolate da tariffe multiorarie occorre tenere conto che i limiti indicati sussistono solo per i prelievi di energia reattiva effettuati in ciascuna delle fasce orarie alle ore di punta invernali e alle ore piene invernali ed estive; in questo caso le penali per i quantitativi di energia reattiva compresi tra il 50% e il 75% del corrispondente prelievo di energia attiva sono le seguenti:

• 20,40 lire per kVARh per le forniture con consegna in media tensione fino a 50 kV;
• 12,50 lire per kVARh per le forniture con consegna in alta tensione oltre 50 e fino a 100 kV;
• 11,70 lire per kVARh per le forniture con consegna in alta tensione oltre 100 e fino a 200 kV;
• 11,25 lire per kVARh per le forniture con consegna in alta tensione oltre 200 kV.

Infine, per i quantitativi di energia reattiva eccedenti il 75% del corrispondente prelievo di energia attiva si applicano i seguenti corrispettivi:

Risulta evidente, da quanto esposto, che all’utente conviene sempre prelevare energia elettrica con un corretto fattore di potenza, perché ciò equivale ad economicità nell’uso dell’energia.

Per migliorare il fattore di potenza si può ricorrere ad accorgimenti tecnici di tipe tipi: uno, diretto, tendente ad eliminare o limitare i prelievi di energia reattiva; il secondo, indiretto, che consiste nel fornire all’impianto l’energia reattiva richiesta senza prelevarla dalla rete.

Il sistema diretto consiste nell’utilizzare le macchine in modo razionale. In particolare:

• usare motori e trasformatori correttamente dimensionati, in modo che non debbano funzionare troppo a lungo, nei limiti del possibile, a carico ridotto, provvedendo a sostituire quelle macchine di potenza esuberante rispetto alle utenze alimentate con di potenza adeguata;
• non mantenere in esercizio motori difettosi;
• in tutti i casi in cui l’esercizio lo consente, far marciare i motori con l’avvolgimento statorico collegato a triangolo quando funzionano a pieno carico e operare la commutazione a stella se il carico scende al di sotto del 50%;
• evitare il funzionamento delle macchine a tensioni superiori a quella nominale, perché tale condizione comporta un aumento di induzione nelle macchine stesse e, quindi, un maggiore assorbimento di potenza reattiva.

L’altro sistema, indiretto, non esclude certamente il primo, ma piuttosto lo integra: si tratta del rifasamento vero e proprio. Questo, riducendo la corrente assorbita da un impianto di utilizzazione:

• riduce l’impegno di potenza dei trasformatori e dei cavi;
• riduce le perdite in tutti i conduttori;
• riduce le cadute di tensione nei trasformatori e nelle linee.

E’ quindi importante ricordare che il rifasamento apporta vantaggi di due ordini:

• evita il pagamento delle maggiorazioni del prezzo del kWh previste per basso fattore di potenza;
• consente una migliore utilizzazione dell’impianto interno con la riduzione delle perdite e delle cadute di tensione.

Partendo dai dati contenuti nella relazione di diagnosi energetica e da quelli forniti dall’Enel, si calcolerà la potenza reattiva della batteria dei condensatori da installare e si valuterà la fattibilità tecnico-economica dell’operazione in termini di:

• Risparmio di energia attiva conseguente al rifasamento;
• Risparmi sulle fatturazioni in dipendenza delle somme pagate attualmente per esubero di potenza reattiva a causa del basso valore del fattore di potenza.

L’energia elettrica viene utilizzata direttamente per:

• Produrre calore mediante effetto Joule, ed in questo caso l’utente consuma energia attiva E impegnando potenza attiva P con fattore di potenza pari ad uno;
• Alimentare motori elettrici e altri carichi elettrici i quali richiedono per il loro funzionamento:
• energia attiva E e potenza attiva P che determinano direttamente la prestazione del motore cioè la potenza meccanica resa all’asse;
• energia reattiva Er e potenza reattiva Q che sostengono i campi magnetici necessari al funzionamento del motore stesso.

Ogni utenza elettrica che impegna potenza attiva e reattiva è caratterizzata (dal punto di vista dell’utilizzo dell’energia elettrica) dal rapporto tra le suddette grandezze.

  Secondo caso:

Per 0,9 £ cosFi < 1 non si paga penale, in quanto la potenza reattiva risulta minore del 50% della potenza attiva

Per 0,8 £ cosFi < 0,9 (tutta l’energia reattiva è compresa tra il 50% ed il 75 % dell’energia attiva) l’Ente fornitore fa pagare una penale per ogni kVARh tra il 50% ed il75% rilevato dal contatore.

Per cosFi < 0,8 (l’energia reattiva è superiore al 75 % dell’energia attiva) l’Ente fornitore fa pagare una penale per ogni kVARh oltre il75% superiore a quella del punto precedente.

L’operazione di rifasamento del carico consiste nel riportare il basso valore di cosFi posseduto dall’impianto al valore di cosFI 0,9.

Ciò si ottiene con l’immissione di potenza reattiva di tipo capacitivo, allo scopo di compensare la potenza reattiva induttiva richiesta, con l’inserimento di condensatori in parallelo al carico stesso.

Diagramma delle potenze:

Cos Fi1=0,9

Cos Fi2=0,8

Cos Fi3=0,7

Q = potenza reattiva necessaria al carico

Qc1 = potenza reattiva fornita dai condensatori

Qc2 = potenza reattiva fornita e trasportata dalla linea

Per rifasare da 0,7 (cosFi3) a 0,9 (cosFi1) è necessaria una potenza reattiva del tipo capacitivo del valore:

Qc1 = P x (tgFi3 – tgFi1)

Si può notare che passando da 0,7 (cosFi3) a 0,9 (cosFi1) metà della potenza reattiva viene fornita dalla linea, l’altra metà dai condensatori.

Dalla figura si evidenzia che, rifasando è possibile ottenere una sensibile riduzione del valore di Ip (corrente sulla linea), e precisamente:

Id1 = Ip x (0,7/0,9)

Vantaggi del rifasamento:

Riduzione delle perdite per effetto Joule nei trasformatori e nei cavi a monte del punto di installazione dei condensatori, le perdite diminuiscono in quanto la corrente diminuisce; la riduzione D Pd delle perdite è:

D Pd = Pp x [1- (cosFip/cosFid)2] (Fonte ENEL).

Il pedice p indica la situazione prima del rifasamento e il pedice d la situazione dopo il rifasamento.

In corrispondenza del valore esistente del cos f e di quello da ottenere si legge direttamente in tabella il coefficiente per il quale si devono moltiplicare i kW dell'impianto per ottenere i kVAR della batteria di rifasamento.

Esempio: Se la potenza mediamente prelevata è pari a 150 kW e il cos f è 0,54, qualora l’utente desideri rifasare a 0,90 trova in tabella, in corrispondenza dei due valori (riga 0,54 – colonna 0,90) il coefficiente 1,07. La batteria di rifasamento dovrà pertanto avere potenza Q = 150 x 1,07 = 160 kVAR

I condensatori possono essere installati in ogni punto dell’impianto in cui il fattore di potenza risulti basso, per fornire in quel punto l’energia reattiva richiesta. A seconda del tipo dei carichi, della loro ubicazione e della contemporaneità della loro alimentazione, si possono riconoscere tre diversi metodi di rifasamento: il rifasamento distribuito, il rifasamento per gruppi, il rifasamento centralizzato.

Questi metodi saranno esaminati in dettaglio ai punti 23, 24 e 25 ma fin da ora è possibile dire che per uno stabilimento alimentato in media o alta tensione (che costituisce una impianto abbastanza esteso e complesso) risulta preferibile, nella maggior parte dei casi, un sistema di rifasamento misto, cioè:

• in parte distribuito presso gli apparecchi utilizzatori di maggior potenza, a ciascuno dei quali viene collegato in parallelo un condensatore;
• in parte all’inizio dei cavi che alimentano gruppi di apparecchi maggior potenza singola non elevata o caratterizzati da prelievi non contemporanei;
• per la restante parte, centralizzato a valle del gruppo di misura.

Non è facile dare un suggerimento universalmente valido per la scelta di un metodo anziché un altro: infatti, le caratteristiche dell’impianto da rifasare devono essere accuratamente studiate per la scelta dello schema più conveniente. Ecco, comunque, i vantaggi e gli svantaggi di ciascuno dei tre sistemi.

E’, dal punto di vista tecnico, la migliore soluzione in quanto permette di ridurre le perdite e le cadute di tensione in tutti i conduttori sino ai morsetti dell’apparecchio utilizzatore; inoltre, non richiede, salvo casi particolari, organi di protezione e manovra appositi per il condensatore, perché si fa uso di quelli stessi dell’apparecchio che si deve rifasare. Se, però, gli apparecchi da rifasare sono molti e non vengono usati contemporaneamente, questa soluzione può risultare meno economica delle due seguenti.

Consiste nell’installare uno o più condensatori di potenza complessiva adeguata per ogni gruppo di apparecchi alimentati da uno stesso cavo o disposti in uno stesso reparto. Questo sistema comporta, in genere, il collegamento dei condensatori al quadro di distribuzione del reparto o ad un sistema di sbarre: sarà pertanto un rifasamento a bassa tensione nella maggior parte dei casi, ma talora anche a media tensione. Se poi il prelievo degli apparecchi utilizzatori da rifasare è molto variabile nel tempo, è opportuno prevedere un sistema di inserzione e disinserzione automatico costituito da un relè amperometrico o da un regolatore di cosFi.

Consiste nell’installare una batteria di condensatori unica per tutto l’impianto. Tale batteria sarà di norma posizionata in parallelo alle sbarre in uscita dal secondario del trasformatore riduttore di tensione.

Per il rifasamento centralizzato è consigliabile, a maggiore ragione , il dispositivo di comando automatico predetto. La batteria deve essere inserita all’inizio del lavoro e disinserita al termine dello stesso per evitare di fornire alla rete, nei periodi di inattività dello stabilimento, potenza reattiva. Dal punto di vista economico, si tenga presente che, a parità di potenza reattiva, i condensatori a MT costano meno di quelli a BT, ma richiedono l’installazione di una apparecchiatura di manovra e protezione più costosa. In conclusione questo schema di rifasamento potrebbe apparire il più semplice, ma non riduce le cadute di tensione e le perdite nell’impianto a valle, all’interno dello stabilimento. Risulta, quindi evidente che il rifasamento è tanto più efficace quanto più è decentrato.