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Armoniche elettriche: cosa sono, come si generano, quali effetti producono e come si possono mitigare

Nel contesto della qualità dell’energia elettrica, le armoniche rappresentano un fenomeno sempre più rilevante, soprattutto con la diffusione di dispositivi elettronici di potenza come inverter, alimentatori switching, climatizzatori, UPS e impianti fotovoltaici. Le armoniche sono componenti di corrente o tensione che oscillano a frequenze multiple della fondamentale (50 Hz in Europa). Per esempio, la terza armonica ha una frequenza di 150 Hz, la quinta di 250 Hz, e così via. La somma tra la sinusoide principale e queste componenti crea una forma d’onda complessivamente distorta, che può causare molteplici problemi.

Le armoniche si generano principalmente a causa della presenza di carichi non lineari, ovvero dispositivi che non assorbono corrente in modo proporzionale alla tensione applicata. A differenza dei carichi lineari (come resistenze e induttanze), questi generano correnti che alterano la forma dell’onda sinusoidale. Tra le fonti più comuni ci sono i dispostivi moderni con elettronica di potenza come gli UPS, alimentatori switching, inverter fotovoltaici ecc, che utilizzano la modulazione PWM per convertire la corrente continua dei pannelli in alternata, generando inevitabilmente armoniche.

Gli effetti delle armoniche possono essere molto estesi. Tra i più evidenti troviamo il surriscaldamento di trasformatori, motori, quadri elettrici e vibrazione meccanica conduttori, con degrado prematuro dei materiali isolanti. Le armoniche possono interferire con strumenti di misura e sistemi di protezione, alterando le letture e provocando scatti intempestivi. Nelle reti trifase, le armoniche di ordine triplo (3ª, 9ª, 15ª…) si sommano sul neutro, creando sovraccarichi anche pericolosi, con rischio di incendio in caso di impianti sottodimensionati o obsoleti.

📉 Rappresentazione grafica: distorsione dell’onda

Per comprendere meglio il fenomeno, ecco un grafico che mostra l’effetto della somma tra l’onda fondamentale e le armoniche di 3°, 5° e 7° ordine:

La linea verde rappresenta la forma d’onda risultante: si può notare come la sovrapposizione delle armoniche generi picchi e variazioni irregolari, responsabili delle distorsioni che danneggiano gli impianti.

⚠️ Vibrazioni meccaniche dovute alle armoniche

Un aspetto meno noto ma tecnicamente rilevante riguarda gli effetti meccanici delle armoniche. Le correnti armoniche, quando attraversano i conduttori, interagiscono con i campi magnetici generati, producendo delle forze di Lorentz. Queste forze possono generare vibrazioni meccaniche periodiche nei cavi, nelle canaline metalliche, nei quadri elettrici e nei condotti blindati.

Con il tempo, tali vibrazioni possono:

• Allentare morsetti e viti
• Generare rumori anomali (ronzii, vibrazioni metalliche)
• Degradare l’isolamento per fatica meccanica
• Danneggiare supporti e canaline metalliche

✅ Come evitarle: posa corretta dei cavi

Una tecnica efficace per ridurre l’effetto delle vibrazioni e dei campi magnetici indotti consiste nel rispettare una posa corretta dei cavi trifase RST. In particolare, si raccomanda sempre una posa in trecia/ a triangolo.

Quando i cavi RST sono posati correttamente, i campi magnetici generati dalle singole fasi si annullano parzialmente tra loro, riducendo significativamente l’emissione verso l’esterno e di conseguenza anche le forze elettrodinamiche oscillanti. Questo non solo mitiga il rumore e le vibrazioni, ma migliora anche la compatibilità elettromagnetica (EMC) dell’intero impianto.

Secondo fonti autorevoli come CEI 64-8 e IEC 60364, una buona simmetria nella posa dei conduttori di fase contribuisce anche a minimizzare le perdite e ad aumentare la durata del sistema elettrico. È una prassi particolarmente importante in ambienti fotovoltaici, dove i cavi sono spesso soggetti a cicli di carico variabili e lunghi tratti di posa.

🌐 Contesto fotovoltaico e normative

Nel settore fotovoltaico, il problema delle armoniche è molto sentito: gli inverter, se non adeguatamente filtrati, sono tra le principali fonti di distorsione armonica. In impianti connessi in rete o in microgrid, la distorsione può propagarsi danneggiando altri carichi o riducendo la stabilità della rete locale.

Inoltre, normative tecniche come la CEI EN 50160 e la IEEE 519 impongono limiti rigorosi alla distorsione armonica in immissione e in prelievo. In alcuni casi, le utility elettriche possono applicare penali economiche agli impianti che superano tali soglie.

Per contenere le armoniche, è possibile intervenire con:

• Filtri passivi (accordati su armoniche specifiche)
• Filtri attivi (capaci di annullare le correnti armoniche in tempo reale)
• Inverter a bassa distorsione (AFE, multilevel o multipulse)
• Sistemi di controllo distribuito degli inverter per condividere la compensazione armonica

✅ Conclusione

Le armoniche elettriche rappresentano una minaccia concreta e crescente, in particolare per gli impianti fotovoltaici moderni. I loro effetti non si limitano solo all’ambito elettrico, ma possono estendersi anche al piano meccanico, generando vibrazioni dannose che riducono l’affidabilità dell’intero impianto. La corretta progettazione, il monitoraggio continuo e una posa attenta dei cavi sono strumenti fondamentali per garantire efficienza, sicurezza e conformità normativa. Per il tecnico moderno, comprendere e gestire le armoniche non è più facoltativo: è una competenza strategica.