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C.E.M. srl nasce nel 1978 e d’allora ha maturato una esperienza di oltre 30 anni nella progettazione e produzione di macchine elettriche quali:

  • Trasformatori in olio fino a 6 MVA – 60 kV
  • Trasformatori in resina fino a 3 MVA – 24 kV
  • Trasformatori in aria fino 3 MVA – 24 kV
  • Reattanze di filtro e di inserzione
  • Alimentatori in muffola, in cassa inox, in resina, in elastomero e in aria
  • Trasformatori inter-serie in muffola o cassa inox
  • Regolatori a corrente costante statici o mobili per circuiti serie per l’illuminazione pubblica ed aeroportuale


Area di discussione


In Evidenza

Perchè alimentare i circuiti di illuminazione pubblica in parallelo quando la alimentazione serie è molto più conveniente sotto l’ aspetto tecnico, economico e della sicurezza?


Premessa.

Molte importanti città in Italia sono dotati di impianti di illuminazione pubblica in serie:

  • TORINO
  • MILANO
  • PIACENZA
  • GENOVA
  • LA SPEZIA
  • BOLOGNA
  • PADOVA
  • TREVISO
  • ROMA
  • ANCONA
  • NAPOLI
  • MESSINA
  • PALERMO
  • CATANIA
  • CAGLIARI

Queste sono soltanto alcune tra le più popolose: numerosissime altre città continuano ad avere circuiti di illuminazione in serie.
Vogliamo esaminare gli aspetti più importanti che il tecnico deve considerare nel progetto e nella realizzazione degli impianti di pubblica illuminazione.

A) Sicurezza per le persone.
A l) La tensione sul circuito serie può essere ridotta a valori entro il limite della bassa tensione con l’ opportuno utilizzo di correnti elevate nel circuito serie ( 20 amp).
Con 20 amp e 800 volt di tensione. per esempio, si possono alimentare circa 12 kW di lampade al sodio alta pressione su una linea di 4 km di lunghezza

A2) E’ possibile realizzare maglie in bassa tensione con l’utilizzo di trasformatori serie-serie o interserie.

A3) E’ possibile utilizzare dei sistemi di protezione differenziale in uscita dai regolatori e dei sistemi di protezione differenziale su ogni circuito interserie.

A4) Esistono dispositivi che consentono di verificare la continuità del circuito serie prima che il regolatore venga avviato, per evitare di sollecitare le linee in alta tensione.

A5) Con il circuito serie è possibile realizzare alimentazioni in bassa tensione (per es. a 50 voi t per le gallerie delle condotte forzate o altri usi similari etc.) ed alta corrente. quando ciò sia richiesto per ragioni di sicurezza, senza rinunciare alla uniformità di illuminazione su tutto il percorso.

A6) La possibilità di concentrare le alimentazioni in una unica cabina ben protetta consente di realizzare migliori condizioni di sicurezza. rispetto alla situazione in cui gli stessi punti di alimentazione sono distribuiti in si ti tra loro distanti, come avviene per il parallelo a causa delle cadute di tensione; la alimentazione distribuita costituisce un maggiore rischio se i punti di alimentazione, normalmente alloggiati entro cassette metalliche, sono ubicati in prossimità delle sedi stradali (incidenti stradali, vandalismi).

La collocazione in cabine consente, oltre agli altri vantaggi indicati in seguito, la possibilità di alimentare gli impianti dalla media tensione quindi di usufruire di una tariffa più ridotta per i consumi di energia e di richiedere una potenza impegnata totale inferiore alla somma delle potenze impegnate per le varie forniture in B.T.

A7) Protezione contro i contatti indiretti.
Per la linea principale del circuito serie viene utilizzato un cavo il cui isolamento è correlato alla massima tensione che si può presentare ai capi del regolatore che lo alimenta.

Con i cavi attualmente disponibili e resistenze di isolamento dell’ ordine di grandezza del Megaohm, il contatto in un punto del cavo serie non costituisce un pericolo mortale per l’uomo.
Il controllo del livello di isolamento del cavo verso terra è sempre previsto nelle installazioni serie (vedi 64-7 ed. Luglio 98). Il regolatore a corrente costante può essere automaticamente disinserito quando la resistenza di isolamento verso terra cala al di sotto di un valore regolabile.
Trattandosi di un sistema a neutro isolato (!T secondo CEI) la disinserzione del regolatore non è tuttavia obbligatoria.
Il circuito serie è quindi più sicuro del circuito in parallelo; il circuito parallelo viene infatti alimentato su sistemi con neutro a terra ed il contatto con un filo di linea può risultare mortale per l’ uomo in particolare se la protezione differenziale ad alta sensibilità, come molto di frequente avviene nella pratica, viene disinserita per consentire la continuità del servizio, o per il fatto che l’ impianto previsto in progetto con utilizzazione di componenti in classe Il, per incidente o cattiva manutenzione perde le proprie caratteristiche.
Si può concludere che nel sistema serie può essere esercitata una sorveglianza che consente di mettere fuori servizio il circuito stesso prima che questi possa costituire un potenziale pericolo per l’ uomo: questa sorveglianza non è invece possibile nei circuiti alimentati in parallelo.

A8) Il circuito serie alimentato da regolatore a commutazione prevede tre o quattro livelli di isolamento tra la M/T e la lampada:

  • il trasformatore MT/BT;
  • il trasformatore di uscita del regolatore a commutazione;
  • il trasformatore serie/serie o interserie, non indispensabile ma presente in molte installazioni;
  • il trasformatore di lampada;

Il regolatore a commutazione può ovviamente essere alimentato direttamente in bassa tensione dalla rete dell’ Ente distributore dell’ energia elettrica; il circuito esterno di Illuminazione Pubblica resta sempre un sistema IT secondo CEI.
Nel circuito in parallelo è previsto solo il primo dei quattro, cioè il trasformatore dell’ Ente erogatore dell’ energia in sistema TI.

B) Risparmio energetico.
Il risparmio energetico possibile con l’ adozione dell’ alimentatore a commutazione è costituito dalla somma di due termini:
-a) il risparmio che si consegue semplicemente sostituendo al regolatore a bobina mobile il regolatore a commutazione;

-b) il risparmio ottenibile nel funzionamento cosiddetto a “mezza luce” o luce ridotta; nel circuito serie a corrente impressa alimentato dal regolatore a commutazione risulta estremamente facile (e non richiede costi addizionali) regolare con continuità la corrente nelle lampade e quindi ridurre il flusso luminoso di notte, dopo una certa ora.

Le economie realizzabili (per il termine a) sopracitato) sono dipendenti dal tipo di regolatore a bobina mobile che viene sostituito e dal suo rendimento nominale a pieno carico, quindi anche dalla sua vetustà.
Non è infrequente riscontrare rendimenti di 0,85 a pieno carico, quando i trasformatori a bobina mobile siano di costruzione degli anni 50..

Bisogna considerare poi che non è possibile utilizzare in modo affidabile il regolatore a bobina mobile con un carico di lampade a scarica superiore al 50%-33% della potenza nominale (chiameremo coefficiente di utilizzazione K il rapporto tra la potenza installata nel circuito serie e la potenza nominale del regolatore).

Il regolatore viene infatti dimensionato per una potenza 2-3 volte superiore alla potenza del circuito serie nel caso in cui si debbano alimentare lampade al sodio alta pressione: le perdite invece rimangono quasi costanti in qualunque condizione di carico, dal corto circuito a pieno carico.
Ne consegue che il rendimento della trasformazione di energia non supera il valore di 0,77-0,62.

Le economie realizzabili (per il termine b) sopracitato sono invece dipendenti dal tipo di lampada a scarica montato nel circuito serie; infatti mentre per le lampade a vapore di mercurio si può realizzare una riduzione a mezza luce che consente un risparmio dell’ordine del 22-30% dell’ energia trasformata , per le lampade a vapori di sodio alta pressione la riduzione può essere spinta fino al 40%.
Facciamo l’esempio di una città che abbia 300 circuiti serie, ciascuno della potenza di 20 kw. Il calcolo viene eseguito considerando i valori di rispannio più ridotti.

La potenza installata è quindi:

P= 300·20 = 6.000 kW

L’ energia trasformata in un anno, supponendo un funzionamento di N = 4.000 ore/anno è:

E= P·N= 6.000·4.000 = 24.000.000 kWh

Al costo di H= 150 Li t l kWh il costo C complessivo annuo per la pubblica illuminazione serie sarebbe:

C= E·H = 24.000.000 · 150 = 3.600.000.000 Lit

La economia realizzabile per la sostituzione del regolatore a bobina mobile alimentato in MT con il regolatore a commutazione, il cui rendimento (tenendo conto anche delle perdite nella trasformazione MT/BT) non è inferiore al 92%, diventa:

oppure
R = (0,92-0,77) · 3.600.00.000 = 540 Milioni /anno
R = (0,92-0,62) · 3.600.00.000 = 1080 Milioni /anno

Il risparmio Ro realizzabile riducendo a mezza luce per circa il 50% delle ore di funzionamento nell’ anno, nel caso di lampade ai vapori di sodio sarebbe:

Ro = 0.4·2000/4000·3.600.000.000 = 720 milioni

Il costo complessivo della trasformazione della alimentazione degli impianti può essere valutato in circa 6-7 miliardi (escluse le opere di edilizia per 30 cabine da IO regolatori) ; tale costo verrebbe quindi interamente recuperato in circa 3-4 anni . Si tratta di una valutazione approssimativa, da correggere tenendo conto di tutti gli altri elementi in gioco (ammortamento costi di installazione, etc ), ma che invita a sviluppare il progetto.

Nel confronto con il parallelo c’è da tenere anche presente che per la serie è possibile alimentare vaste aree da una unica cabina, nella quale sia concentrata la distribuzione di una potenza rilevante. trasformata in loco dalla MT. Ciò consente di usufruire di tariffe ridotte del 18-20% rispetto a quelle che si pagano er consegna in bassa tensione. Questa differenza compensa largamente il costo delle perdite nel trasformatore abbassatore MT/BT (circa 2-3%) ed in breve tempo consente di ammortizzare anche i costi di installazione.

Inoltre il costo fisso per una rilevante potenza impegnata in MT è inferiore alla somma dei costi fissi per più numerosi punti di consegna in BT.
Nella valutazione economica sono da considerare anche i seguenti altri fattori:

- eliminazione del sistema di rifasamento:
- fattore di potenza pari a 0,95 per il regolatore a commutazione, nessuna penale per basso
costì:
- relè zero e dispositivo per la misura della resistenza di terra:
- predisposizione per il comando remoto.
- maggiore sicurezza derivante dal doppio isolamento tra la Media Tensione di cabina e la linea
del circuito serie:

Per il circuito alimentato in parallelo è possibile la riduzione a “mezza luce” per mezzo di regolatori di tensione montati all’ ingresso della linea. E’ chiaro che anche in questo caso non sarà possibile evitare che alla estremità della linea la tensione presenti una caduta; per le lampade al vapore di mercurio potrà quindi accadere che le lampade di estremità si spengano, se non vengono utilizzati dispositivi speciali per mantenerle accese; il fenomeno sarà ancora più evidente se le lampade sullo stesso circuito non si trovano nelle stesse condizioni di vita.

Per il circuito serie la riduzione a “mezza luce” viene effettuata riducendo la corrente impressa nel circuito: la caduta di tensione su ciascuna lampada sarà quindi quella che la lampada stessa richiede e non necessariamente la stessa per tutte le lampade. Questa specificità del circuito serie consente quindi di mantenere accese con sicurezza lampade che si trovino in condizioni diverse di usura ed in particolare con bassa temperatura ambiente.

E’ noto infatti che, in particolare per le lampade ai vapori di sodio, l’ invecchiamento della lampada si traduce in un aumento della tensione necessaria a mantenere stabile l’ arco; in uno stesso circuito quindi possono trovarsi inserite lampade le cui tensioni d’ arco differiscono tra loro.
Ciò non ha alcuna importanza nei circuiti alimentati in serie, che si adeguano automaticamente al carico mentre può costituire una difficoltà in quelli alimentati in parallelo.

C) Vita delle lampade.

Il sistema di alimentazione in serie a corrente impressa elimina le sovracorrenti all’accensione (circa 50%) tipiche dei circuiti in parallelo.

Per evitare queste sovracorrenti negli impianti in parallelo è necessario disporre dei regolatori di tensione il cui costo è quindi da tenere in conto in un raffronto economico.

Negli impianti in serie la corrente impressa nelle fasi di accensione è “naturalmente” non superiore a quella nominale e può essere molto facilmente ridotta a valori tali da limitare gli effetti delle sollecitazioni termiche e degli sforzi elettrodinamici sulla lampada; ad attenuare gli effetti di questi fenomeni, che tanto incidono sulla vita , contribuisce in modo decisivo la accensione delle lampada con corrente crescente ” a rampa” che è una caratteristica di facilissima realizzazione nel regolatore a commutazione.

Nel sistema a corrente impressa è prevista poi la possibilità di alimentare le lampade con forma d’onda di tipo rettangolare o trapezoidale.
Ciò aumenta la efficienza luminosa della lampada a parità di valore efficace, rispetto alla forma d’onda sinusoidale. Questa modalità è possibile in modo semplice solo negli alimentatori per circuiti serie.

La vita delle lampade è molto dipendente dalle modalità di accensione; nei nostri laboratori abbiamo potuto verificare che l’utilizzazione di una frequenza più elevata (qualche centinaio di Hz) riduce del 50% il tempo di accensione e quindi la sollecitazione alla alta tensione di innesco dei terminali della lampada e del portalampade.

Per questo motivo è stato realizzato sui regolatori un sistema di accensione che realizza un transitorio di frequenza al momento dell’ inserzione del regolatore.

In molte installazioni le lampade sono sollecitate quando, durante il funzionamento, viene a mancare, per tempi brevi, l’ alimentazione. Al ritorno della tensione di rete le lampade non possono riaccendersi prima che siano trascorsi alcuni minuti ( 5-10 minuti);i terminali della lampada restano quindi sollecitati in alta tensione per tempi lunghi, ne consegue il degrado dell’isolamento ed in certi casi anche la rottura dei terminali.

Per ovviare a questo inconveniente i regolatori a corrente costante sono tutti dotati di un dispositivo il quale, in corrispondenza di una mancanza di rete durante il funzionamento, ritarda automaticamente il riavviamento automatico dell’ impianto di un tempo regolabile.

D) Facilità e flessibilità di realizzazione e modifiche.

Il circuito serie consente flessibilità estrema nelle modifiche; per spostare una cabina di alimentazione da una posizione ad un’ altra è sufficiente raccordare le due posizioni con tratti di cavo senza perturbare l’ efficacia della illuminazione e senza problemi di calcolo delle cadute di tensione; se le due postazioni di alimentazione sono poste sul percorso dell’ anello costituito dal circuito serie è sufficiente tagliare l’ anello nella nuova posizione e richiuderlo nella vecchia.

Non sussistono problemi di calcolo di cadute di tensione come in analoghe situazioni s1 avrebbero per i circuiti di tipo parallelo.

Per esemplificare si può illustrare il caso di un circuito in galleria che potrebbe, se le condizioni di sicurezza lo rendessero necessario, essere alimentato indifferentemente alle due estremità da due alimentatori uguali uno dei quali fosse posto in corto circuito mentre l’altro alimenta la serie e Viceversa.

Sempre per le gallerie risulta molto più facile ripristinare il funzionamento di un circuito serie che sia stato danneggiato da un incidente in galleria, rispetto al ripristino di un circuito di tipo parallelo; in definitiva la serie garantisce una maggiore sicurezza di mantenere l’ illuminamento, rispetto a quanto è possibile fare con il parallelo.

E) Manutenzione.
La manutenzione del circuito serie è più facile e le eventuali avarie sono individuabili in un tempo più ridotto rispetto a quello necessario per il parallelo. La posizione di un cortocircuito in una lampade o in un portalampade, per esempio, può essere immediatamente localizzata nel circuito serie.

attivando il circuito stesso; per il parallelo non sarà possibile attivare il circuito finché la posizione non sia individuata ed il cortocircuito o il guasto a terra rimosso.

E’ manifesto quindi che la manutenzione può essere effettuata, per la serie, da personale meno qualificato.

Per ciò che riguarda il cortocircuito, che rappresenta il guasto più frequente negli impianti di illuminazione , appare chiarissimo che, mentre in un impianto in derivazione il corto circuito si ripercuote su tutti i rami dei sistema e richiede quindi un interruttore magnetotermico con relè differenziale di tipo selettivo su tutti i rami, di difficile realizzazione, nel circuito serie, per la sua stessa natura di circuito a corrente impressa questa protezione non è richiesta.

Un calcolo del MTTR (tempo medio di riparazione) dovrebbe quindi essere favorevole alla serie.
La “indifferenza” del circuito serie al cortocircuito ed al guasto a terra è una delle ragioni, insieme ad altre non meno importanti, che hanno fatto preferire nel mondo intero, la serie alla derivazione per la illuminazione aeroportuale, dove le ragioni di sicurezza e continuità di esercizio sono prevalenti.

F) Cabine centralizzate in funzione di futuri telecontrolli.

La centralizzazione delle alimentazioni entro cabine, rispetto alla soluzione che prevede più punti di alimentazione dispersi sulla rete viaria ha i seguenti vantaggi:

- consente un più facile controllo e gestione delle alimentazioni da un unico centro di sorveglianza e manutenzione attraverso un telecomando computerizzato che può trasmettere anche su rete telefonica satellitare;

- può prevedere una possibile futura gestione e controllo dello stato di ogni singolo punto luminoso;

- la consegna dell’ energia viene eseguita in M.T. e non in B.T. Ciò permette di conseguire un risparmio nel costo dell’ energia, anche tenendo conto delle perdite nella trasformazione Media/Bassa tensione, che è necessario realizzare in cabina.

G) Fattore di potenza ed armoniche sulla linea di alimentazione.

Gl )Le lampade alimentate in parallelo richiedono una correzione del fattore di potenza che viene attualmente realizzato collegando un condensatore in parallelo alla lampada sulla linea.
Nel circuito serie alimentato da regolatori a commutazione il fattore di potenza è sempre, in qualunque condizione di carico e di brillanza, pari a 0,95.

G2) Il contenuto di armoniche nella corrente prelevata da rete negli impianti in parallelo è del 38% circa con un forte contenuto di 3° armonica.
Negli impianti in serie il contenuto armonico globale è inferiore al30% e la terza armonica non è presente; l’armonica più importante è la 5°.

G3) Altro vantaggio del circuito serie rispetto al parallelo è che la potenza è richiesta su una linea trifase con correnti equilibrate di intensità più ridotta a parità di potenza e componentistica standard.

H) Esercizio, microinterruzioni, rottura lampade con conseguenti corto-circuiti.

L’ esercizio di un circuito serie presenta minori problemi di quanti ne presenti un circuito parallelo.
Le variazioni brusche di tensione sulle lampade, dovute a fenomeni atmosferici, possono provocare lo spegnimento delle lampade nei circuiti in derivazione, anche quando siano inseriti i regolatori di tensione, il cui tempo di risposta non consente di compensare le brusche variazioni di rete.

Ciò non succede per il circuito serie che è controllato da un sistema in grado di compensare in tempi di decine di microsecondi i transitori di rete.

Se si volesse avere la stessa affidabilità di esercizio con gli impianti in parallelo sarebbe necessario alimentarli con regolatori in grado di fornire prestazioni analoghe a quelle sopraindicate per la serie.

Anche in caso di microinterruzioni dell’ ordine di grandezza del millisecondo i circuiti serie alimentati con alimentatori a commutazione non subiscono interruzioni di esercizio, contrariamente a quanto avviene per i circuiti in parallelo.

Il circuito serie è molto “tollerante” anche per le vicende che possano occorrere sul circuito alimentato: per esempio cortocircuiti sulle lampade, dovute a rotture o ad altre anomalie di esercizio, non influiscono sul funzionamento dell’ intero circuito.

Per i circuiti in parallelo in questi casi invece si verifica lo spegnimento dell’ intero circuito. Quando il mantenimento dell’ illuminamento rappresenti una esigenza vitale collegata alla sicurezza. per i circuiti in serie si può prevedere la continuità di esercizio anche in caso che il circuito stesso, per vetustà o incidente, venga in contatto con la terra. La terra viene segnalata e l’ esercizio può essere mantenuto in considerazioni di ragioni di sicurezza la cui valutazione è responsabilità di chi esercisce l’impianto.(sistema IT secondo CEI).

Per i circuiti in parallelo un contatto a terra porta sempre allo spegnimento del sistema per l’intervento dell’ interruttore automatico con relè differenziale, che le Norme CEI impongono per i sistemi TT.

l) Considerazioni finali.
Alla luce delle considerazioni sopra riportate non si comprende perché molte aziende alle quali è affidata la costruzione e la gestione delle reti di pubblica illuminazione insistano a proporre la conversione dalla serie al parallelo.

La disponibilità dei materiali necessari per realizzare la serie è totale e certamente non mancherebbe di esplodere di fronte ad una richiesta crescente del mercato:

- gli apparecchi di illuminazione e le lampade sono le stesse utilizzate per i circuiti in parallelo;

- i trasformatori serie sono trasformatori di corrente per i quali molti produttori sono in grado di fornire un prodotto affidabile;

- i cavi per tensioni di esercizio fino a 3 kV non rappresentano alcun problema di approvvigionamento;

- le giunzioni dei cavi fino a 3 kV non presentano nè difficoltà di approvvigionamento, nè difficoltà di esecuzione superiori a quelle per i cavi di B.T.

- i regolatori a corrente costante a commutazione, in un’ era in cui l’ elettronica di potenza sta invadendo anche l’ illuminazione domestica, non rappresentano certo un problema di approvvigionamento.

Riteniamo pertanto che la ragione fondamentale del declino della metodologia di alimentazione serie non sia dovuta altro che alla scarsa diffusione che di essa è stata fatta nel passato presso gli uffici preposti alla progettazione o al rinnovo degli impianti.

Quanti tecnici giovani abbiamo incontrato, ai quali la “alimentazione serie” dei circuiti non dice assolutamente nulla!

Quanti altri hanno della serie una idea che si tratti di un sistema superato, fonte solo di pericoli e di difficile realizzazione! ·

Tutti però. dopo una attenta considerazione a livello tecnico, si rendono conto che effettivamente la metodologia di alimentazione in serie può fornire solo vantaggi.

Le vicende degli ultimi 125 anni (al 1875 risalgono le prime esperienze) hanno visto la metodologia di alimentazione in serie degli impianti di pubblica illuminazione prevalere o soccombere. seguendo la disponibilità dei mezzi che la tecnica metteva di volta in volta a disposizione.

Siamo convinti quindi che, sussistendo oggi prodotti che consentono la ottimizzazione degli impianti e ragioni tecniche ed economiche fondamentali a favore della alimentazione serie, questa non tarderà a riaffermarsi.
Auspichiamo anche che vengano pubblicate norme aggiornate per gli impianti serie e per i componenti costituenti gli impianti stessi , al fine di raggiungere una standardizzazione dei requisiti da rispettare ed evitare che molti avventurieri si trasformino in installatori, come oggi purtroppo avviene.

MANUTENIBILITA’
E RIPARABILITA’
Serie Parallelo
Ricerca del guasto da corto circuito
sull’ apparecchio di illuminazione
Rapida Difficile
Ricerca del guasto
a terra
Rapida Difficile
Protezione contro i
vandalismi
Ottima Problematica
Varianti ed integrazioni al circuito Molto facili Non sempre
eseguibili

INSTALLAZIONE
E CONTROLLO
Serie Parallelo
Punti di alimentazione Pochi in MT Molti in BT
Estensione del circuito Kilometri 850 metri
Assoluta omogeneita’ di
illuminazione
Realizzabile Non possibile
Telecontrollo Molto agevole da
una alimentazione
centralizzata
Problematico da
molti punti di
alimentazione

SICUREZZA PER
LE PERSONE
Serie Parallelo
Tensione di esercizio 3000 volt 400 volt
Sistema IT TT/NT
Relè magnetotermico
con differenziale
NO SI
Possibilità del controllo
automatico del rischio
per le persone
SI NO

CONTINUITA’
DEL SERVIZIO
Serie Parallelo
Criticità alle variazioni
della tensione di
alimentazione
NO SI Elevata
Criticità al corto circuito NO SI, con interruzione del servizio
Criticità per guasto
a terra
NO SI, con interruzione del servizio
Accensione in bassa
temperatura
SI Problematica

Nuove prospettive per la pubblica illuminazione con circuiti in serie e lampade a scarica nel gas

Sommario.
Vengono illustrate le caratteristiche di un alimentatore di nuova concezione, di tipo statico a commutazione in alta frequenza, le cui prestazioni sembrano rappresentare quanto di meglio oggi può essere prescritto per un alimentatore a corrente costante dei circuiti serie nella pubblica illuminazione.

Generalità.
La illuminazione pubblica, realizzata con circuiti di lampade alimentate in serie, nelle città, nelle autostrade, nei grandi piazzali, ha avuto un discreto sviluppo nel passato in Italia.
Attualmente invece si manifesta, in numerosi utilizzatori, una tendenza ad abbandonare questa tecnica.
Riteniamo che i motivi di tale abbandono siano unicamente legati alla indisponibilità di regolatori a corrente costante con caratteristiche adatte ad alimentare i tipi di lampade che sempre più largamente vengono utilizzate per la pubblica illuminazione.

Stato attuale della tecnica.
La illuminazione pubblica con circuiti di alimentazione in serie si è sviluppata al tempo in cui le lampade utilizzate erano del tipo a filamento e gli alimentatori a corrente costante del tipo a bobina mobile.
L’alimentatore del tipo risonante a T (induttanza- capacità- induttanza) [l] , utilizzato in seguito in numerose applicazioni, presenta caratteristiche anche superiori a quelle del trasformatore a bobina mobile.

Più recentemente però una notevole evoluzione si è verificata nel tipo di lampada installata nei circuiti serie, con impiego di lampade a scarica nel gas, a vapore di mercurio ed al vapore di sodio a bassa ed alta pressione.

L’impiego di queste lampade, peraltro giustificato da validissime ragioni assai note e che quindi non stiamo ad illustrare, ha messo in evidenza la inadeguatezza degli alimentatori del tipo a bobina mobile e risonante.
La lampada a scarica nel gas costituisce infatti un carico non lineare (la tipica caratteristica dell’arco) che, all’accensione, presenta una impedenza molto elevata.
Vengono quindi richieste, agli alimentatori a corrente costante, tensioni particolarmente elevate all’accensione del circuito serie, al fine di ottenere l’innesco dell’arco nelle lampade (per alcuni tipi è richiesto anche un dispositivo accenditore).
Il mantenimento dell’arco in corrente alternata richiede, come è noto [1], che la tensione applicata al circuito serie, al passaggio per lo zero della corrente, abbia un valore già abbastanza elevato, per evitare che l’arco si disinneschi.
L’interruzione d’arco costituisce infatti uno dei maggiori inconvenienti per il circuito serie, perchè la riaccensione delle lampade a scarica può avvenire solo dopo alcuni minuti dallo spegnimento.

Quando la lampada si spegne il trasformatore che la alimenta si trova a circuito aperto e rappresenta, per il regolatore, un carico non lineare; si tratta infatti di un trasformatore di corrente a circuito aperto.
Nei 10 msec che rappresentano il semi periodo alla frequenza di 50 Hz la impedenza equivalente passa da un valore di induttanza molto elevato (prima che il nucleo magnetico raggiunga la saturazione) ad un valore ohmico molto basso, quando il nucleo del trasformatore entra in saturazione.
Pertanto la caduta di tensione ai capi del trasformatore serie aumenta notevolmente prima che il trasformatore stesso saturi; questa maggior caduta di tensione può provocare lo spegnimento di altre lampade in un processo a catena che si traduce in una pendolazione di accensioni e spegnimenti del tutto inaccettabile.

Per gli alimentatori del tipo a bobina mobile e per il tipo risonante queste difficoltà vengono superate soltanto sovradimensionando la potenza dell’alimentatore, quindi predisponendo una tensione a vuoto sufficientemente alta per consentire l’innesco degli archi nelle lampade, ed inserendo una reattanza in serie alle lampade per mantenere stabile l’ arco.

Mentre nel trasformatore a bobina mobile la reattanza in serie alle lampade è rappresentata dalla reattanza di dispersione che si stabilisce tra la bobina fissa e quella mobile, nel tipo risonante bisogna dimensionare la reattanza vista in serie al circuito delle lampade in modo che sia sufficientemente elevata, per realizzare il necessario ritardo di fase tra la tensione e la corrente nel circuito serie stesso.
Tutto ciò si traduce in una utilizzazione al 60% o al 30% della potenza nominale del regolatore stesso, con fattore di potenza sulla linea ridotto a valori decisamente bassi ( 0,6-0,3 ).

Altre caratteristiche degli alimentatori attualmente impiegati, che non rispondono ai migliori criteri possibili di progetto dell’impianto, sono le seguenti:

- alimentazione da linea monofase;

-variazione della corrente nel circuito serie in misura proporzionale alla variazione della tensione di alimentazione (per il tipo risonante );

- difficoltà di ottenere, con mezzi semplici, la riduzione del flusso luminoso nelle lampade riducendo la corrente per realizzare un risparmio energetico;

- sovratensione di valore difficilmente controllabile (in particolare per il tipo risonante ) che richiede un relè di protezione, in caso di apertura del circuito serie.

Il regolatore a commutazione.
Un regolatore di nuova concezione supera tutte le difficoltà sopra enunciate. La tecnica utilizzata è quella della conversione AC/DC dalla rete di alimentazione e della riconversione DC/AC per mezzo di un ponte a IGBT commutante a frequenza di circa 16 kHz.

Le caratteristiche salienti del regolatore sono sinteticamente le seguenti: – Alimentazione trifase con carico equilibrato sulle fasi;
-Fattore di potenza 0,95 all’ingresso per qualunque condizione di carico.

- Corrente di lampada stabilizzata all’l% per variazioni della tensione di alimentazione del +/-10%.

-Corrente di lampada stabilizzata all’ l% per variazioni della frequenza di alimentazione da 40 a 60Hz.

- Forma d’onda sinusoidale della corrente nelle lampade.

-Possibilità di riduzione programmata della corrente nel circuito serie con variazione continua della intensità.

-Possibilità di funzionare con caratteristica di uscita corrente-costante/tensione-costante. Pertanto quando il circuito serie viene interrotto il regolatore presenta, in uscita, una tensione controllata ad un livello massimo predefinito con un potenziometro. Il valore massimo della tensione può essere regolato ad un livello non superiore al 20% della tensione nominale del regolatore.

- Tempo di risposta estremamente ridotto ( 200 μsec ) alle variazioni della tensione di alimentazione e del carico. Ciò consente di rendere il circuito insensibile sia alle variazioni rapide della tensione di alimentazione, che possono causare anche lo spegnimento delle lampade, sia ai corto circuiti sul circuito serie stesso, anch’essi in grado di provocare, durante il transitorio di regolazione, lo spegnimento del circuito serie.

Le caratteristica di risposta estremamente rapida alle variazioni è quella che consente al regolatore a corrente costante di imprimere al carico una corrente sinusoidale, adattando la tensione al valore del caricovariabile istanteperistante.

Da questa caratteristica discende anche la possibilità di non dover tenere eccessivi margini di tensione per la stabilizzazione degli archi nelle lampade e di utilizzare il regolatore al 90% della sua potenza nominale (in altre parole,un regolatore della potenza nominale di 30 kVA può alimentare 27 kW di lampade a scarica ai vapori di sodio alta pressione).

- All’accensione il regolatore realizza un transitorio di frequenza da 400Hz (o da alcuni kHz) a 50 Hz in un tempo di circa trecento millisecondi; questo accorgimento consente di facilitare la accensione delle lampade riducendo il valore della tensione di innesco degli archi.

- La regolazione della corrente nel circuito serie per l’ ottenimento del risparmio energetico può essere effettuata con continuità ed in tempi programmabili sul circuito elettronico.

- Il regolatore, per la sua costituzione, è predisposto per essere equipaggiato con componenti addizionali che consentono di alimentare il circuito in continuità assoluta, da batteria, in caso di mancanza delle rete di alimentazione.

- Il regolatore è dotato di un sistema permanente di misura della resistenza verso terra del circuito serie ed è quindi in grado di controllarne l’ isolamento e di intervenire automaticamente cortocircuitando e collegando a terra il circuito serie.

- per ragioni di sicurezza è infine prevista una protezione contro l’interruzione del circuito serie; il tempo di intervento della protezione può essere ridotto a decine di millisecondo.

Confronto tra circuiti alimentati in serie e circuiti in derivazione.

Vantaggi della serie rispetto al parallelo.

-Con alimentazione in serie, nel transitorio di accensione la corrente nella lampada rimane ad un valore prefissato mentre con alimentazione in parallelo la corrente aumenta fino al 140% del valore nominale, con conseguente riduzione della vita della lampada.

- La brillanza delle lampade è costante su tutto il circuito realizzando la miglior uniformità possibile di illuminazione.

-Con tensioni limitate a 3000 volt si possono alimentare carichi da 27 kW (a 9,6 amp) o da 54 kW (a 20 amp) di lampade ai vapori di sodio alta pressione; si raggiungono quindi estensioni di circuito non possibili con il parallelo; già alla tensione di 1000 volte 20 amp nel circuito serie, e quindi ancora nell’ ambito della bassa· tensione secondo le Norme CEI, si possono realizzare circuiti in grado di servire vaste aree.

- Il corto circuito non costituisce un grosso inconveniente, mentre per il circuito in parallelo rappresenta un guasto che mette fuori servizio tutta la linea.

- Insensibilità alle variazioni della tensione di rete ed alle microinterruzioni. Nei circuiti in parallelo le variazioni continue della tensione di rete provocano una riduzione della vita delle lampade, mentre le microinterruzioni possono provocare lo spegnimento di tutto il circuito.

Il regolatore a corrente costante a commutazione invece mantiene sinusoidale e costante all’l% la corrente, con tempi di risposta talmente rapidi ( 200 11sec) da compensare le variazioni di rete senza che le lampade ne risentano. Le microinterruzioni poi non vengono avvertite perchè la capacità in parallelo al ponte convertitore costituisce un magazzino di energia in grado di sopportare mancanze di rete di diversi millisecondi.

-Nei circuiti serie alimentati con il regolatore a commutazione non è necessario prevedere un rifasamento, che invece risulta indispensabile nei circuiti alimentati in parallelo.

- La corrente nella lampada è sinusoidale mentre non è sinusoidale nei circuiti alimentati in derivazione.

- Il risparmio energetico (fino al 40% ) può essere ottenuto anche in circuiti che utilizzino lampade di tipo diverso (ai vapori di mercurio ed ai vapori di sodio ), poichè la riduzione della potenza viene effettuata abbassando la corrente e non la tensione come per i circuiti in parallelo.

- Il circuito serie è più “elastico” rispetto a quello in parallelo, perchè si presta ad estensioni e spostamenti della cabina di alimentazione senza alcun intervento sulla parte esistente, ma semplicemente aprendo e richiudendo l’anello.

- Il circuito serie risulta inoltre di installazione più economica, se si tiene presente che la sezione dei conduttori dipende dalla corrente scelta e che essa rimane costante per tutta l’estensione del circuito medesimo.

Vantaggi del parallelo rispetto alla serie.

I vantaggi del parallelo rispetto alla serie sono:
- la più ridotta tensione di esercizio con conseguente maggiore sicurezza dell’ impianto ai fini infortunistici;

- il fatto di non richiedere un alimentatore speciale.

Altre prestazioni del regolatore a commutazione.
La tecnica di controllo del regolatore a commutazione (normalmente indicata come tecnica PWM) richiede l’ utilizzazione di una elettronica abbastanza sofisticata, che può essere governata da un microprocessore.

Avendo a disposizione un mezzo così potente di elaborazione, risulta molto facile assegnare al regolatore prestazioni ormai ritenute indispensabili ai fini della manutenzione come ad esempio le seguenti:
- Il regolatore a corrente costante può essere controllato da un centro servizi, utilizzando una comunicazione seriate standard RS232 (o RS 485 ).




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