Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  1  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem     di Stefan Fassbinder, Bruno De Wachter  (Edizione italiana a cura di Gianfranco Ceresini)        Il sistema di trasporto dell’energia elettrica ai cittadini ed alle aziende è altamente complesso.  L'elettricità è una parte onnipresente e cruciale della nostra economia giornaliera, ma capire questo sistema e tutti i relativi fenomeni collegati non è facile, a volte nemmeno per gli elettrotecnici. In tal caso, una buona analogia contribuisce spesso a formare un'idea migliore di come le cose funzionano.       1. Generalità     Il sistema di trasporto dell’energia elettrica ai cittadini ed alle aziende è altamente complesso. L'elettricità è una parte onnipresente e cruciale della nostra economia giornaliera, ma capire questo sistema e tutti i relativi fenomeni collegati non è facile, a volte nemmeno per gli elettrotecnici. In tal caso, una buona analogia contribuisce spesso a formare un'idea migliore di come le cose funzionano. Abbiamo scelto di paragonare il sistema elettrico ad una bicicletta in tandem per spiegare alcuni dei suoi aspetti.   Naturalmente, non c'è nessuna analogia che sia perfetta al 100%. Il sistema elettrico reale ed il nostro sistema immaginario della bici non si abbinano alla perfezione, poiché tutte le caratteristiche del sistema elettrico, necessariamente non si prestano ad una traduzione in questo sistema della bici. Determinate funzioni dell'analogia non sono sempre completamente esatte. Tuttavia, le somiglianze fra i due sono così vicine da rendere il sistema della bici (più facilmente visualizzabile), di grande aiuto nel capire il sistema elettrico (più astratto). Questo è l'obiettivo dell’articolo.       Pubblicato il: 16/06/2006 Aggiornato al: 16/06/2006   

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  2  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  2.  La rappresentazione di base del sistema    Immaginate una bicicletta in tandem muoversi a velocità costante. L'obiettivo di questo sistema è di mantenere in movimento le figure in azzurro sulla parte posteriore della bici, anche se non stanno generando alcunché dell'energia che mantiene la bici in movimento: rappresentano il carico. Ci sono grandi carichi che consumano molta elettricità, impianti industriali per esempio, e carichi più piccoli, come le abitazioni private. Le figure che pedalano, in colore rosso, trasportano l'energia che mantiene in movimento il sistema: sono le centrali elettriche in cui l'energia elettrica è generata. Alcune centrali elettriche sono più grandi e più forti di altre e così assicurano più alimentazione.   La catena che collega tutti gli elementi del sistema è l'equivalente della rete di trasmissione elettrica, cioè la rete delle linee ad alta tensione usate per trasportare l'energia elettrica. La catena deve far girare le ruote ad un tasso costante allo scopo di mantenere la stessa velocità. Inoltre, la rete elettrica deve avere una frequenza fissata e costante. La parte superiore della catena dovrebbe avere una tensione meccanica costante, così come il collegamento nella rete di trasmissione elettrica dovrebbe avere un livello di tensione elettrica fisso.     La parte inferiore della catena è senza tensione ed è l'equivalente del neutro in una rete di trasmissione. Il movimento dei pedali (energia) delle figure rosse, è trasmesso alla catena da un ingranaggio o da un sistema di ingranaggi.   Questo ingranaggio corrisponde al trasformatore posto fra il movimento di rotazione della turbina, in una centrale elettrica, e la rete ad alta tensione. Alcune delle figure rosse (= centrali elettriche) non pedalano alla massima potenza: conservano un po’ della loro energia per potere applicare una certa forza supplementare una volta che sia necessaria per far mantenere la stessa velocità al tandem. Per esempio quando un’altra figura blu salta improvvisamente sulla bici (= un altro carico si collega alla rete), o una delle figure rosse viene colta da uno spasmo e deve smettere di pedalare (= una centrale elettrica avverte dei problemi tecnici e deve interrompere), la forza aggiuntiva è necessaria per mantenere la stessa velocità. L'analogia della bicicletta in tandem può anche essere applicata ad alcune delle specifiche caratteristiche del sistema di alimentazione elettrica e della sua qualità.    

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  3  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  3.  La potenza induttiva e la sua compensazione    Un carico induttivo ha un’onda sinusoidale (di corrente) non distorta, ma leggermente in ritardo se confrontata all’onda sinusoidale (di tensione) sulla rete. Questo si verifica nelle bobine di induzione dei motori elettrici, nelle reattanze delle lampade fluorescenti ed in determinati tipi di riscaldamento elettrico. Un carico induttivo può essere rappresentato da una figura blu che si appoggia ad un lato del tandem (figura    2). Ha lo stesso peso (= carico normale), in modo da  non influenzare la tensione della catena (= livello di tensione della rete) né la velocità della bici (= frequenza della rete), ma senza compensazione potrebbe indurre la bici a cadere.   Così una figura rossa deve appoggiarsi nel senso opposto per compensare (= una centrale elettrica deve generare la potenza induttiva, cioè la potenza con lo stesso ritardo nell’onda sinusoidale come il carico), vedi figura 3.  Tutto ciò comporta le seguenti conseguenze:   •   La compensazione deve essere immediata ed esatta o l’intera bici (=  lavoro netto elettrico) cadrà. Ciò richiede una immediata comunicazione e comprensione, fra le figure rosse pedalanti, (= fra le centrali elettriche) di che cosa deve essere fatto, e la possibilità di farlo molto rapidamente.   •   Le figure rossa pedalanti (= centrali elettriche) che si appoggiano ad un  lato non possono funzionare in maniera efficace come prima. Di conseguenza, metteranno meno forza sui pedali (= le centrali elettriche genereranno di meno l'energia attiva, cioè l'energia senza ritardo sulla forma d’onda). Così gli altri pedalatori rossi (= centrali elettriche) dovranno aggiungere una certa forza supplementare.   •   Con una figura blu pendente su un lato della bici e una figura rossa  pendente sull’altro lato, la bici interferisce maggiormente col vento, portando a delle perdite supplementari. Questo è come quando la corrente induttiva fluisce attraverso la rete elettrica: determina perdite supplementari.    Considerando queste conseguenze, i grandi carichi induttivi sono in generale compensati vicino alla sorgente da un carico capacitivo, più specificamente da una batteria di condensatori. Questi assorbono una corrente con una forma d’onda che ha certo anticipo se confrontata alla forma d’onda della tensione sulla rete. In questo modo, compensa il ritardo del carico induttivo. Un carico capacitivo può essere visto come un’altra figura blu che si siede vicina alla figura precedente, ma che si appoggia sul lato opposto.  I carichi induttivi o capacitivi sono inoltre denominati carichi reattivi. Un carico senza tempi di ritardo o di anticipo è denominato carico attivo.     

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  4  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  4. Distorsione armoica   Immaginatevi un ciclista blu iperattivo che si piega costantemente in avanti ed indietro (figura 4). Se facesse questo movimento al ritmo della bici, non farebbe danno. Ma nasce un problema se si muove tre o perfino cinque volte più velocemente.   Ciò rappresenta un carico armonico, un carico con una frequenza che è un multiplo della frequenza normale. Le TV, i computer, le lampade fluorescenti compatte ed i motori elettrici azionati da inverter, sono esempi tipici delle applicazioni che possono causare le correnti armoniche. Queste dovrebbero essere, teoricamente, compensate da filtri armonici posti vicino alla sorgente, altrimenti la bici inizia a spingere in avanti e indietro, con conseguenti perdite di energia supplementari. In analogia, il filtro armonico può essere visto come una sella montata sulle rotelle che si muove in avanti ed indietro ed in questo modo immediatamente neutralizza il movimento del ciclista blu iperattivo.  

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  5  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  5.  Mantenere costanti tensione e frequenza    Uno dei ciclisti rossi indossa scarpe che sono troppo scivolose. All'improvviso il suo piede slitta fuori dal pedale (figura 5). Il suo contributo all'alimentazione del sistema è perso improvvisamente e la tensione meccanica della catena diminuisce. Ciò deve essere compensata dagli altri ciclisti rossi per mantenere la stessa velocità. Il ciclista che ha slittato, uscendo dai pedali, deve fare attenzione a non farsi male, poiché la catena e i suoi pedali si mantengono in rotazione.   Diventa un’operazione delicata mettere il piede sul pedale e ricominciare a fare la sua parte di lavoro con i colleghi. Questa situazione può essere paragonata ad una caduta di tensione. A causa di un guasto in una centrale elettrica (= scarpe scivolose), potrebbe accadere che il sistema di controllo vada in default (= slittando fuori dal pedale), ma con il rischio di danneggiare determinate parti di apparecchiatura poiché la rete è più potente e mantiene la stessa frequenza (= il pedale si conserva in rotazione). Il risultato di tutto questo è una improvvisa caduta di tensione sulla rete (= diminuzione di tensione della catena) fino a quando le altre centrali elettriche nella rete non reagiscano elevando il loro contributo. Se non reagiscono abbastanza velocemente, la frequenza (= velocità della bici) potrebbe cominciare a scendere.   E così come il ciclista che ha perso il suo pedale e trova difficoltoso rimettere di nuovo il suo piede sul pedale di rotazione, così è un’operazione delicata, per una centrale elettrica, ricollegare il suo generatore alla rete, poiché le frequenze devono essere accoppiate. Una caduta simile di tensione potrebbe accadere quando un carico pesante è collegato improvvisamente alla rete.  Ecco perché nella maggior parte dei casi, i carichi pesanti non sono collegati tutti istantaneamente, ma con una tecnica a gradini di inserimento. Quando un carico pesante è staccato improvvisamente, si può verificare invece un picco di tensione. In tal caso, le centrali elettriche devono abbassare rapidamente il loro contributo o la frequenza aumenterà.  Nella nostra analogia del tandem, la bici accelererà improvvisamente se ci sono dei ciclisti blu che saltano fuori della bici, mentre i ciclisti rossi continuano a pedalare mettono la stessa forza sui pedali. I ciclisti rossi devono reagire rapidamente ed abbassare la loro potenza o la bici comincerà ad accelerare.     

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  6  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  6.  Tre tipi differenti di centrali elettriche    Se una figura rossa è collegata direttamente alla catena con un ingranaggio (figura 6), essa deve pedalare costantemente con una giusta velocità e con un giusto aumento di potenza. Questo è il caso delle grandi centrali elettriche tradizionali e delle centrali nucleari che sono collegate alla rete attraverso un trasformatore.      Alcuni ciclisti possono tuttavia pedalare più lentamente, poiché la loro forza è trasformata alla giusta velocità da un ingranaggio del sistema (figura 7). Questo corrisponde alle centrali elettriche che hanno velocità inferiori, per esempio una centrale idroelettrica in cui la velocità della turbina dipende dal flusso del fiume. In tal caso, la turbina è collegata al generatore, come nel caso della bici in tandem, da un ingranaggio del sistema che trasforma la velocità. Un'altra opzione è che il generatore giri alla stessa velocità della turbina e la giusta frequenza per la rete sia raggiunta attraverso un invertitore di frequenza.  Le turbine a vento sono come le piccole figure rosse che pedalano soltanto quando le condizioni atmosferiche sono favorevoli (figura 8). Migliore sono le condizioni del vento, più velocemente pedalano. Sono a volte di grande aiuto, ma non si può contare sempre su di loro. Succede la stessa cosa nelle turbine a vento: funzionano soltanto quando la velocità del vento non è troppo bassa e nemmeno troppo veloce. Ecco perché devono essere sostenute da altri tipi di centrali elettriche. Questi ciclisti “meteoropatici” sono collegati alla catena da una cinghia e da un ingranaggio del sistema, permettendogli di pedalare a velocità variabile; allo stesso modo, nelle turbine a vento sono collegate attraverso una scatola di ingranaggi o un invertitore di frequenza in modo da compensare le variazioni nella velocità del vento.           

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  7  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  7.  Tre tipi differenti di carico    Non soltanto le centrali elettriche differiscono tra loro per caratteristiche ed obiettivi, questo succede anche per i carichi. Un primo tipo di carico elettrico è la resistenza, la quale produce, dall'energia elettrica, calore o luce. Gli esempi sono la lampadina o la maggior parte dei tipi di sistemi di riscaldamento elettrici. È l'equivalente di un ciclista blu senza pedali, ma che tira continuamente i freni (figura 9). Questi freni trasformano l'energia cinetica in calore nello stesso modo in cui una resistenza trasforma l'energia elettrica in calore.     Un motore elettrico ha un principio di base che è simile ad un generatore.   Ma anziché trasformare energia di rotazione in energia elettrica, il motore trasforma l'energia elettrica nuovamente in energia di rotazione. Nell'analogia, questo può essere rappresentato da un ciclista blu con i suoi piedi sui pedali di rotazione proprio come le figure rosse (= centrali elettriche), ma invece di pedalare in avanti, applica l’intero suo peso per opporsi al movimento di rotazione (figura 10).      Un terzo tipo di carico è il carico reattivo, già discusso al punto 2. Corrisponde, nell’analogia, al ciclista blu senza freni o pedali, il cui corpo penda da un lato (figura 11). Ciò crea un carico induttivo con un certo ritardo di fase rispetto alla rete (una lampada fluorescente per esempio) o all'opposto, un carico capacitivo con certo anticipo di fase rispetto alla rete (per esempio una batteria di condensatori).    

      Il sistema elettrico come una bicicletta in tandem  8  Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti. Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.  8. Conclusioni   Questa analogia indica chiaramente come sia complesso controllare un sistema di alimentazione. L'alimentazione generata in un dato momento deve esattamente compensare il carico. Mantenere questo fragile equilibrio significa dover controllare contemporaneamente diverse grandezze. La sfida più difficile sta nel far si che, sia la velocità della catena (frequenza della rete) che la tensione meccanica della catena (livello di tensione elettrica) rimangano costanti. E tutto, mentre disturbi inattesi dell'equilibrio, potrebbero verificarsi in qualsiasi momento. Dalla liberalizzazione del mercato elettrico in Europa, ogni paese ha un operatore di rete indipendente che si sforza di eseguire questo compito.