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Il rumore nella rete elettrica: studio di un caso reale

In questa parte trattiamo un caso reale articolando l'intervento secondo la seguente procedura:

1. Costruzione di una o più sonde isolate (quindi con trasformatore) atte a misurare il disturbo.

2. Misura del disturbo.

3. Determinazione dello spettro di frequenza del disturbo.

4. Possibile soluzione del problema.

Il rumore nella rete elettrica: Costruzione della sonda per eseguire le misure

In genere una sonda non basta per avere una buona panoramica di tutte le frequenze che interessano. In genere se ne utilizza una adatta alle frequenze più basse, da una decina di Khz fino a 500-600Khz e una che copre la restante gamma di frequenze fino a 3Mhz.
Dopo aver costruito la sonda occorre ricavare la curva di equalizzazione con un generatore di funzioni e un oscilloscopio a 2 canali.
Questo serve per poter risalire dal valore misurato al valore reale della tensione a monte del filtro.

Il rumore nella rete elettrica: Sonda n.1 adatta ad alte frequenze

Valori di equalizzazione della sonda. Tensione di uscita (mVpp) con ingresso 2Vpp sinusoidale Frequenza KHz Tensione Uscita mVpp 16KHz 2,2mV 100KHz 70mV 150KHz 200mV 200KHz 250mV 300KHz 200mV 400KHz 175mV 500KHz 150mV 600KHz 150mV 700KHz 150mV 1000KHz 150mV 2000KHz 125mV 3000KHz 100mV 7000KHz 75mV

Il rumore nella rete elettrica: Sonda n.2 adatta ad basse frequenze

Valori di equalizzazione della sonda. Tensione di uscita (mVpp) con ingresso 2Vpp sinusoidale Frequenza Hz Tensione Uscita 300 1mV 1000 2,5mV 1500 5mV 2000 12mV 2500 22,5mV 3000 45mV 4000 92mV 5000 70mV 6000 60mV 7000 52mV 10000 45mV 15000 40mV 20000 40mV 30000 38mV 100000 35mV 200000 30mV 300000 24mV 400000 20mV 700000 14mV 1000000 9mV 1500000 6mV 2000000 5mV

Una volta costruite le sonde e verificato la rispettiva banda e attenuazione colleghiamo l'oscilloscopio all'uscita della sonda e la rete elettrica all'ingresso.

Il rumore nella rete elettrica: Misure eseguite con la sonda 1

Misura del rumore nella linea elettrica usando la persistenza dell'immagine sull'oscilloscopio. Come vedete ci sono dei picchi di tensione notevoli, la tensione di rete è tutt'altro che pulita.

Sotto un'immagine dello spettro delle frequenze interessate.
Come vedete la frequenza fondamentale del disturbo è a 17KHz e sono presenti tutte le armoniche successive.
Frequenza troppo bassa per fare misure attendibili con questa sonda che non ha una risposta lineare per l'intervallo di frequenze che ci interessano.
Passiamo alla sonda per la misura delle frequenze basse.

Il rumore nella rete elettrica: Misure con la sonda n.2 per basse frequenze

Misura del rumore nella linea elettrica usando la persistenza dell'immagine sull'oscilloscopio. Come vedete anche in questo caso ci sono dei picchi di tensione notevoli, la tensione di rete è tutt'altro che pulita. Avendo precedentemente visto che questa sonda è adatta alla misura dei disturbi nel nostro impianto di prova non ci resta che moltiplicare la tensione picco a picco rilevata per il fattore di attenuazione della sonda che per il range di frequenze che ci interessano è circa 50. Quindi 200mVx50=10Vpp. Questo genere di misura è ovviamente indicativa e poco precisa.

Misura del rumore nella linea elettrica aggiungendo una fonte di rumore nota. Si tratta della lampada led di cui ho parlato all'inizio. La situazione rispetto alla misura precedente è peggiorata. Quindi ora la tensione picco a picco del disturbo è 280mVx50=14Vpp e come potete vedere i disturbi oltre che di ampiezza maggiore sono anche molto più frequenti.

Il rumore nella rete elettrica: Come migliorare la situazione

Si può agire filtrando le utenze che sporcano la tensione della rete elettrica o filtrando la tensione che alimenta gli utilizzatori critici.
Nel nostro caso di studio occorre un filtro che attenui considerevolmente da 17Khz in su.
Il miglior caso si avrebbe con un filtro passa basso con frequenza di taglio appena superiore alla frequenza di rete (50-60Hz).
Tuttavia un tale filtro dovrebbe avere una induttanza e una capacità molto alte, quindi sarebbe molto ingombrante.
Inoltre avrebbe, in funzione dell'induttanza necessariamente grande, una resistenza serie considerevole, quindi delle perdite considerevoli e quello che è peggio alimenterebbe le nostre utenze con una tensione più bassa di quella di rete.
Tenendo conto di questo si progettano i filtri in modo da attenuare le frequenze di disturbo che con maggiore probabilità, che sono in genere a frequenze abbastanza alte in rapporto a quella di rete.
Normalmente ci sono due approcci diversi che si adottano, diversi come efficacia e come costi: il filtro di rete LC a singola o doppia cella e il gruppo di continuità o, nel caso migliore una combinazione dei due.

Il filtro LC è meno costoso ma anche di minor efficacia, filtra in maniera decente i disturbi di frequenza abbastanza alta, ha un ingombro limitato, tale da renderlo compatibile con il montaggio dentro alcuni alimentatori, come quelli impiegati per i computer.
Il gruppo di continuità elimina completamente i disturbi e in aggiunta condiziona perfettamente la tensione di rete, abbassandola se troppo alta e alzandola se troppo bassa.
Ha un ingombro e un peso considerevoli, avendo a bordo un certo numero di batterie in genere al piombo-acido che fungono da riserva di energia e talvolata genera egli stesso dei disturbi.