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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.

Sonda adatta alle 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.

Sonda adatta alle 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.

Rumore di fondo

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.

Rumore di fondo

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

Rumore di fondo linea elettrica

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.

Rumore nella linea elettrica con una fonte di disturbi

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.

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