I filtri di linea (filtri EMC) spesso sono visti come una scatola nera e, giustamente, l’utilizzatore non si preoccupa di conoscere il loro funzionamento interno. Tuttavia, per un uso efficiente dei filtri, è vantaggioso disporre di una conoscenza di base. Il punto centrale di quest’articolo riguarda le correnti di dispersione e ciò di cui occorre tener conto al loro riguardo.
Gli impianti elettrici devono avere la proprietà di funzionare in modo soddisfacente nell’ambiente elettromagnetico in cui si trovano (immunità), senza influenzare tale ambiente (emissione) in misura non tollerabile. Si parla allora di compatibilità elettromagnetica. Distinguiamo tra interferenze da irradiazione e da conduzione. Nel caso di interferenza da conduzione, esistono interferenze simmetriche e asimmetriche (note rispetti vamente anche come interferenze differenziali e di modo comune). L’interferenza simmetrica si sviluppa tra fase e neutro mentre quella asimmetrica avviene tra fase/neutro e terra (massa). Le origini di questi tipi di interferenze possono essere alimentatori switching, convertitori di frequenza, processori, funzioni switching in impianti elettrici o elettronici, controlli di motori ecc... Le interferenze simmetriche vengono attenuate con condensa tori X. Al fine di attenuare le interferenze asimmetriche, per frequenze di interferenza inferiori si usano induttanze compensate e, per le frequenze di interferenza più elevate, condensatori Y. Questi condensatori Y sono collegati tra fase/neutro e terra e convogliano le interferenze asimmetriche da fase/neutro a terra. Le correnti di dispersione hanno origine da ciò (figura 1).
Figura 1: dispersione di disturbi asimmetrici.
Quanto maggiori sono i condensatori, tanto migliore è l’attenuazione, ottenendo correnti di dispersione corrispondentemente più elevate.
I valori di soglia consentono un funzionamento sicuro
Le capacità di accoppiamento parassite di un impianto o apparecchiatura o di lunghi cavi contribuiscono anch’esse alla corrente di dispersione di un filtro. Esse portano a una somma di correnti di dispersione che passano attraverso il conduttore di terra e possono dar luogo a rischi per la sicurezza. Quanto più alta è l’impedenza del conduttore di terra tanto più elevato è il rischio per l’utilizzatore. Se una persona dovesse toccare un elemento di apparecchiatura con conduttore di terra difettoso (rotto), la corrente di dispersione si scaricherebbe verso terra attraversando il suo corpo (figura 2).
Figura 2: percorso della corrente di dispersione in caso di conduttore di terra non interrotto.
D’altra parte, un interruttore sul circuito della corrente residua, collegato nella rete di un edificio, ha influenza sull’affidabilità di funzionamento di un’apparecchiatura affetta da una corrente di dispersione troppo alta. Questi interruttori sul circuito della corrente residua rilevano le correnti che passano nel conduttore di terra e staccano la tensione di alimentazione se viene superato un determinato valore di soglia. Per questo motivo vi sono valori di soglia per correnti di dispersione che permettono un funzionamento affidabile e assicurano che, anche con collegamenti di terra difettosi, nessuna persona venga ferita.
Richieste al progettista di prodotti
I costruttori di apparecchiature e impianti devono garantire che i loro prodotti soddisfino le esigenze riguardanti la corrente di dispersione e la compatibilità elettromagnetica. E qui c’è un conflitto di obiettivi. Normalmente entrambe le condizioni di base possono essere soddisfatte senza che siano necessarie particolari misure. È tuttavia importante capire qui se siamo in presenza di un campo di tensioni che, con un buon effetto di filtraggio, darà automaticamente luogo ad alte correnti di dispersione.
Problemi nelle specifiche delle correnti di dispersione dei filtri
Nei loro fogli tecnici, i costruttori di filtri specificano le correnti di dispersione. La norma IEC per i filtri non chiarisce però in che modo queste specifiche devono essere realizzate. Ciò determina una situazione in cui i vari costruttori non sono tenuti a usare gli stessi metodi per determinare le correnti di dispersione. Di conseguenza, i dati forniti da costruttori diversi non sono direttamente confrontabili tra loro. Invece, le norme sulle apparecchiature, ad esempio IEC 60950 per apparecchiature per ufficio, 60601-1 per apparecchiature medicali o IEC 60335-1 per apparecchiature domestiche, specificano dettagliatamente quali valori di soglia devono essere osservati e quale metodo occorre impiegare nel determinare tali valori. I costruttori di apparecchiature e impianti devono quindi affrontare il problema di rispettare le norme sui i loro prodotti e, allo stesso tempo, devono tentare di valutare i vari costruttori di filtri le cui informazioni sulle correnti di dispersione possono essere confrontate solo con riserva. Per determinare le correnti di dispersione si usano modelli di calcolo. Tali modelli si basano su condizioni ideali. In questo caso si considerano le tolleranze delle capacità e della tensione di rete ma si trascurano gli effetti parassiti. Tuttavia, la semplificazione adottata nei modelli ideali porta a errori che possono essere trascurati, se confrontati con le tolleranze relativamente elevate che vengono usate nei calcoli. Infatti le capacità dei condensatori sono definite con una tolleranza di +/-20% mentre, in realtà, l’esperienza dimostra che le capacità sono affette da tolleranze molto minori. Nello stabilire le correnti di dispersione, occorre distinguere tra filtri monofasi e trifasi.
Corrente di dispersione con filtri monofasi
Con filtri monofasi si può supporre che neutro e conduttore di terra siano allo stesso potenziale Per questo motivo, il circuito del filtro mostrato in figura 3 può essere semplificato e rappresentato dal circuito sostitutivo rappresentato in figura 4.
Figura 3: rete di condensatori in un filtro trifase.
Figura 4: schema elettrico semplificato per determinare la massima corrente di dispersione.
La corrente di dispersione può essere ora determinata in modo più semplice:
La massima corrente di dispersione possibile deriva da una tolleranza della tensione di rete di +10%, una tolleranza delle capacità di +20% e da una frequenza di rete di 60Hz.
Correnti di dispersione con filtri trifasi
Nell’ipotesi di un carico simmetrico e lineare, un filtro trifase non ha correnti di dispersione-neanche con grandi interferenze asimmetriche. La figura 5 rappresenta la sezione dei condensatori Y in un filtro trifase.
Figura 5: condensatori Y in un filtro trifase.
In realtà, però, un filtro trifase è sempre caricato in modo non bilanciato per i motivi seguenti:
» tolleranza delle capacità X
» sbilanciamento nella rete di alimentazione
» carico asimmetrico
» asimmetria all’inter no del filtro derivante da una configurazione non ideale dei componenti.
Nei filtri trifasi, i vettori delle correnti di dispersione delle single fasi si sommano tra loro dando luogo a una corrente totale di scarica (figura 6).
Figura 6: determinazione della corrente di dispersione risultante per filtri trifasi.
Classificazione delle correnti di dispersione
Per prendere in considerazione le varie esigenze relative alle correnti di dispersione, i produttori classificano i loro prodotti. Ci sono quindi filtri per applicazioni standard, per applicazioni mediche, per applicazioni industriali ecc... Poiché i pazienti possono entrare in contatto diretto con l’apparecchiatura, è proprio nel campo medico che esistono le maggiori esigenze sulle correnti di dispersione. Così, per rispettare i valori di soglia, si usano solo condensatori Y piccoli, e, in molti casi, nessun condensatore.
Grazie per la stesura davvero interessante.