Impianto elettrico
Un impianto elettrico è un insieme di cavi e di apparecchiature
che sono collegate tra loro ad un contatore. L’energia che usano le apparecchiature
passa dai cavi e ogni volta che viene usata viene “sporcata”. Allora cosa è l’energia
pulita? Non parlo di energia verde, eco-sostenibile o cose del genere, parlo di come
dovrebbe essere l’energia che vorrei usare nel mio impianto: questa dovrebbe raggiungere
le mie apparecchiature nella sua forma nativa, senza variazioni nel suo aspetto ideale.
Questo è chiaramente impossibile, infatti quando arriva nel mio
impianto questa energia ha già dei difetti introdotti da una serie di disturbi e
problemucci vari che l’energia ha incontrato nella lunga strada che ha percorso dal
produttore fino al mio impianto.
Energia ideale
L’energia ideale dovrebbe avere una forma perfettamente
sinuosidale (vedi immagine).
L’energia elettrica è misurata come potenza nel tempo ed è
composta di una tensione che si misura in Volts (V) e di una corrente che si misura in
Ampere (A), ovviamente c’è in gioco anche il tempo, e questo, viene misurato in ore “h”.
Ci si riferisce alla tensione sempre con “V” e alla corrente ci
si può riferire usando il simbolo della sua unità di misura “A” o il simbolo “I”.
Sia la tensione che la corrente dovrebbero entrambe avere forma
sinuosidale e dovrebbero “correre” insieme avendo i loro valori massimi nel medesimo
istante, così come i loro valori minimi.
Nel momento in cui avessi quanto sopra avrei una energia
perfetta.
Da tensioni e correnti perfette sarà sempre possibile prelevare
il massimo della potenza che è il prodotto delle due, infatti P = V x I (Volts x
Ampere).
La potenza P si misura in Watts W, ma è più opportuno misurarla
in chilowatt KW (1 KW = 1000 W), viste le quantità in gioco.
Nella realtà avvengono però molte cose che ci allontanano da
questa perfezione e tanto più ci allontaniamo tanto meno efficientemente il
nostro impianto potrà usufruire di tale energia.
Se da tensione e corrente idealmente perfette otteniamo una
potenza massimale, nel mondo reale, da una tensione e corrente identiche, otteniamo una
potenza più bassa! Ecco che per disporre della medesima potenza dobbiamo richiedere al
contatore una quantità di energia superiore a quella che sarebbe servita se questa fosse
stata perfetta.
Tutto chiaro?
No? Me lo aspettavo!
Niente paura ora
arriviamo insieme alla comprensione chiarendo prima un paio di punti.
Il fattore di potenza
Rendiamolo semplice con un esempio:
Ho usato 10 Kwh ma il
contatore ne ha segnati 12 (il perché per ora non conta ma forse hai già capito). Il mio
fattore di potenza è pari a 10/12 cioè 0.8333.
Il fattore di potenza pari ad 1 è quando tutta l’energia viene
usata per compiere un lavoro cioè quando l'efficienza dell’impianto è del
100%.
Questo avviene quando usando 10 Kwh il contatore ne segna proprio
10.
Per quanto ci si possa avvicinare ad 1, arrivarci è praticamente impossibile.
Si, ma io ho il rifasatore e questo mi dice che sono arrivato a
1 di cosfi!
Molto bene, bravo!
Peccato che il cosφ
non indica quasi mai (facciamo mai e basta va!)
il reale fattore di potenza!
Cosa è il cosφ?
Diciamo subito cosa non è: il
cosφ, si legge CosFi, non è il fattore di potenza, o meglio
potrebbe esserlo quando sul mio impianto non esistano fattori che deformino la forma
d’onda di quella energia che abbiamo definito come perfetta.
Quando fosse presente una distorsione della sinusoide il
fattore di potenza sarà sempre più basso di quanto riportato dal cosφ.
Questo, negli impianti
industriali moderni succede sempre, non ogni tanto, non qualche volta, ma sempre.
Non succedeva molti anni fa, quando non esisteva l’elettronica:
le luci a led, gli inverter, i trasformatori switching e tutte le fantastiche
“diavolerie” elettroniche di cui sono pieni i nostri impianti elettrici di oggi…
È evidente quindi, che avendo un cosfi ideale, il che è una
ottima cosa, non possiamo essere certi di avere anche un fattore di potenza ideale e
anzi posso già anticiparti che quasi certamente non lo abbiamo proprio.
Ma allora cosa è il cosfi?
Potrei
scendere in argomentazioni trigonometriche per descriverlo ma andrei fuori dai “paletti”
che mi sono imposto, ricordi vero che vorrei che questa cosa potesse essere compresa
anche da un bambino?
Bene allora diciamo semplicemente che adesso ti
riguardi la prima immagine più su (la rimetto anche qui sotto per praticità), quella
dell’energia idealmente perfetta.
Ipotizzando come rossa la sinusoide della tensione e nera
quella della corrente.
Osserviamo che queste passano per lo zero e per il loro
valore massimo nello stesso istante.
Salgono insieme e scendono insieme…
Come ho già detto corrono una a fianco all’altra in perfetta sincronia.
Ecco
questa è una situazione di Cosfi uguale a 1.
Quando questa sincronia viene meno,
cioè quando corrente e tensione cessano di passare per il loro valore massimo
contemporaneamente otteniamo una perdita di efficienza...
Come vedi, nell’immagine qui sopra, adesso la corrente azzurra
e la tensione rossa hanno cessato di correre insieme, e al valore massimo dell’una non
corrisponde più il valore massimo dell’altra…
Visto che la potenza è il
prodotto delle due, adesso non siamo più in condizione di ottenere gli stessi livelli di
potenza di prima in quanto considerando la situazione ideale si otteneva (P = V x I): P = 3 x 1 = 3
E ora si ottiene: P = 3 x 0.4 = 1.2
Ecco qua uno, il più evidente,
degli effetti di un CosFi non ottimale. Gli effetti negativi sono molti, ma
contentiamoci di questo, almeno per adesso...
Non ti basta questo come spreco
energetico?
Bene, continua pure a leggere...
Cosa determina questa
perdita di sincronia tra corrente e tensione?
Tutto può influire e
in misura più o meno importante, influirà anche il solo fatto che l’energia sia passata
dentro un cavo conduttore che scorra vicino ad altri cavi o a strutture
metalliche.
Principalmente e in misura molto importante, a determinare
questo sfasamento (si chiama così la condizione in cui due onde di pari frequenza non
viaggiano in sincronia) sono i carichi induttivi come i motori dei tuoi macchinari, o
quelli capacitivi, come i rifasatori non manutenuti adeguatamente (già, anche i
rifasatori necessitano di una frequente e ben pianificata manutenzione).
Il
fatto che si generi questo sfasamento è normale e non potrebbe essere altrimenti: senza
di lui il motore non potrebbe funzionare.
Il condensatore posto
sull’alimentazione del motore serve a ripristinare parzialmente la situazione, ma lo
sfasamento che un motore apporta, sebbene possa essere corretto dal condensatore, è
variabile in funzione dello “sforzo” che il motore sta compiendo, il condensatore non
varia per adattarsi, quindi la tua energia si “sporca” con questo sfasamento
indesiderato…
La distorsione dell’onda
Non si tratta di surfare l’energia, ma sempre di onde si
tratta.
Vediamo l’immagine della sinusoide perfetta pubblicata poco più su.
Ipotizziamo di avere un cosfi pari a 1, cioè perfetto…
Vediamo cosa succede dopo che la nostra energia è passata da un
inverter, da un impianto di illuminazione a Led, da una macchina per taglio Laser e da
un paio di saldatrici.
Ecco, questo è lo scenario cui ci pariamo davanti.
Abbiamo adesso una serie di onde che vengono prodotte dai
dispositivi elettronici che hanno frequenza doppia, tripla, quadrupla, etc, etc…
Le onde che si miscelano all’energia “nativa” sono sempre più
piccole man mano che aumentano di frequenza (onda verde e onda azzurra), ma dal punto di
vista dei dispositivi che dovranno usare questa energia, la sua forma adesso è distorta,
infatti la forma dell’onda risultante, che prima era perfetta (onda rossa) quella che
usano effettivamente le nostre macchine, è adesso la somma algebrica di tutte le onde
presenti nello spettro della nostra bella e cara energia (onda arancio).
Ora, visto che la Potenza è il prodotto di corrente e tensione,
avendo le onde così distorte, non avremo a disposizione, un istante specifico in cui la
potenza disponibile sia quella massima che avremo avuto senza distorsioni.
Questa distorsione è causa di un abbassamento, anche significativo, del fattore di
potenza. La distorsione armonica totale THD, quando è elevata, è un bel problema e di
non facile soluzione, ma grazie ad una adeguata analisi dell’impianto elettrico è
possibile comprendere come intervenire per correggere e risolvere il problema.
I sistemi di monitoraggio connessi a dispositivi di misura che
vengano posizionati in modo strategico sul tuo impianto, potranno fornire le indicazioni
per una correzione indolore del problema con costi molto contenuti, quando praticato da
professionisti esperti in questo settore.
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