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Il fattore di potenza e gli standard internazionali

28 Settembre 2018

Di Irma Garioni

a cura di Giancarlo Ronzino, SGE Syscom

Il fattore di potenza, o PF, rappresenta il rapporto fra Potenza Attiva [W] e Potenza Apparente [VA]

Viene molto spesso confuso con il cos (ϕ) che invece si riferisce solo all’armonica fondamentale (50 Hz). I due parametri pertanto coincidono esclusivamente nel caso di carichi lineari che non generano distorsione armonica e quindi per sistemi privi di armoniche.

L’attenzione al PF

I produttori (e gli utilizzatori) di alimentatori switching) si focalizzano soprattutto sull’incremento dell’efficienza di conversione che oramai ha raggiunto livelli medi dell’ 82-85% nella varie condizioni di carico senza porre particolare attenzione al PF.

Negli Stati Uniti questo parametro viene invece preso maggiormente in considerazione come indice aggregato.

Infatti, il CEC (California Energy Commission) ed il DOE (US Department of Energy), già nella caratterizzazione del livello ‘V’ (quinto) di efficienza, tengono conto del valore del PF.

Infatti, con il livello V (e confermato con il livello VI) sono stati definiti requisiti non solo per l’efficienza ed il consumo a vuoto ma anche per il Power Factor necessariamente superiore a 0,9 con il 100% del carico (115Vac/60Hz) per ogni alimentatore esterno (EPS) con potenza superiore a 100W.

Meccanismi di controllo e marcatura CE

Anche in Europa esistono meccanismi di controllo indiretto del PF.

Infatti, l’ottenimento della marcatura CE è subordinato alla conformità alla IEC/EN 61000-3-2. Questo standard però, pur andando a verificare il contenuto armonico della corrente assorbita, non agisce direttamente sul valore del PF e rappresenta una rete a maglie più larghe rispetto ai requisiti nord-americani. Infatti, la conformità, rivolta solo all’analisi delle singole armoniche secondo quattro diverse classi di appartenenza, è associata a valori di PF comunque relativamente bassi.

Purtroppo, i produttori vedono in una eventuale azione proattiva rivolta all’incremento del PF solo un costo e non un valore aggiunto del sistema che vanno a commercializzare, senza pensare di poter valorizzare il loro prodotto in ottica di risparmio energetico e di ridotto impatto ambientale.

La situazione in Italia

In Italia non esiste alcuna norma specifica per il mercato domestico se non appunto quanto richiesto per l’ottenimento della marcatura CE.

Diversa è la situazione per gli apparati industriali dove si agisce anche in termini di utenza e costo del Sistema di Distribuzione utilizzato. AEGG, Autorità per l’energia elettrica ed il gas, in una sua direttiva (AEEG 180-2013) definisce per le utenze con potenza superiore a 16,5 KW delle penali (Euro/KVAR) da applicare in caso di PF inferiore allo 0.95.

In pratica si fa leva sulla penale per la parte di energia reattiva (VAR) che eccede il 33% di quella attiva. L’Utility è anche titolata a ‘staccare’ dal proprio Sistema di distribuzione l’utente con:

a) PF inferiore a 0.9 quando la rete sta erogando la sua potenza massima
b) il valore medio mensile del PF è inferiore allo 0.7.

Queste misure impattano soprattutto i sistemi fotovoltaici:

direttamente, perché gli inverter utilizzati sono la causa principale di distorsione armonica e quindi di deterioramento del PF,
Indirettamente, perché se la parte di energia reattiva è rilevante, le penali associate alle re-immissioni della energia prodotta in rete possono essere superiori ai benefici economici associati al sistema

PF vs IEC/EN 61000-3-2

La EN 61000-3-2 applica delle prescrizioni sulle varie armoniche (fino alla 39°) per ogni Sistema con Potenze superiori a 75W (fino a 16A) mentre per i sistemi di illuminazione questo limite scende da 75W a 25W.

La conformità allo standard si ottiene verificando il valore delle prime 39 armoniche della corrente di ingresso rispetto a dei valori limite. Sono individuate 4 classi di prodotti con differenti limiti sulle armoniche (A..D) senza però alcun vincolo specifico sul PF.

Lo standard NON si applica a:

i) reti non pubbliche
ii) Dispositivi diversi da quelli di illuminazione con potenza nominale inferiore a 75W

iii) Dispositivi con tensione nominale di ingresso inferiori a 230Vac

iv) Saldatrici ad arco per uso professionale
v) Dispositivi professionali con Potenza nominale superiore ad 1KW
vi) Dispositivi generatori di calore con Potenza inferiore a 200W

vii) dimmer per lampade incandescenti con Potenza nominale inferiore od uguale ad 1KW

Come anticipato sopra, la EN 6100-3-2 identifica 4 classi differenti di prodotti/sistemi con dei limiti specifici per ogni classe:

1) Classe A: Sistemi trifase ed elettrodomestici (con l’eccezione di quelli elencati in classe D), dispositivi fissi (non portatili) , dimmer indipendenti per lampade incandescenti (> 1kW), sistemi audio

2) Classe B: Dispositivi portatili e saldatrici ad arco non professionali

3) Classe C: Dispositivi per illuminazione

4) Classe D: PC, monitor, radio con Potenza di ingresso inferiore ai 600W

La distorsione armonica è un effetto tipico dell’utilizzo di alimentatori switching (anche se non in maniera esclusiva).

E’ importante evidenziare che è possibile essere conformi alla EN 61000-3-2 e nello stesso tempo presentare un valore di PF relativamente basso.

Lo standard EN 61000-3-2 prende in considerazione le armoniche fino alla 39-esima ma senza prescrizioni su alcun parametro aggregato quale il PF.

E’ immediato calcolare che il PF associato ai valori limite della classe D dello standard EN 61000-3-2 è pari a 0.726, assai lontani dalle prescrizioni DOE VI.

Tabella 1 • Specifiche per le correnti armoniche secondo l’IEC6100-3-2