Non tutta l’energia che passa attraverso i cavi in un impianto viene consumata dalle macchine. Nei circuiti a corrente alternata, spesso si ha a che fare con la potenza reattiva e il coseno phi. La potenza reattiva è l’energia che fluisce attraverso i cavi, provoca calore e perdita di energia, ma non viene consumata dalle macchine. L’entità della potenza reattiva è determinata dal coseno phi. Come funziona esattamente? Gli esperti di Sensorfact lo spiegano.
Quindi la potenza reattiva è l’energia che passa attraverso i cavi ma che non può essere consumata dalle macchine. Poiché passa attraverso i cavi, occupa una parte della capacità di questi cavi elettrici. Pertanto, con una potenza reattiva elevata, lo stesso cavo può fornire meno potenza utile. Inoltre, la potenza reattiva (proprio come la potenza attiva) genera calore mentre attraversa il cavo. Questo provoca una maggiore perdita di energia durante la trasmissione.
La potenza reattiva non aumenta direttamente il consumo delle apparecchiature, ma comporta costi maggiori e perdite di energia nella trasmissione per gli operatori di rete. Pertanto, gli operatori di rete possono addebitare costi aggiuntivi per la potenza reattiva dei grandi consumatori.
La parte di energia che viene effettivamente consumata è l’energia attiva. La vedrà sulla sua bolletta energetica come consumo di energia “normale”. La potenza reattiva è quella che lei, in quanto grande consumatore, troverà sulla sua bolletta come potenza reattiva. In molti Paesi il coseno phi è esplicitamente indicato sulla bolletta energetica.
La potenza reattiva è una conseguenza di una connessione a corrente alternata (AC). La rete elettrica e molte fabbriche in Europa utilizzano un collegamento in corrente alternata. In tale connessione, la tensione (V) e la corrente (I) fluttuano tra valori positivi e negativi come un’onda. La potenza effettiva (P) che fluisce attraverso la connessione è data da P = V * I. Idealmente, la tensione e la corrente sono esattamente sincrone (o in fase), in modo che siano sempre entrambe positive o entrambe negative. Questo perché in tal caso, la potenza è sempre positiva. In questo caso, c’è solo potenza attiva e nessuna potenza reattiva.
In pratica, le onde per la tensione e la corrente non cambiano sempre segno nello stesso momento. Ciò può essere dovuto a diverse apparecchiature, come trasformatori o elettromagneti. Di conseguenza, la potenza diventa negativa in alcuni momenti. Questi momenti costituiscono la potenza reattiva.
La potenza attesa in un collegamento CA in cui la tensione e la corrente sono perfettamente sincronizzate si chiama potenza totale o apparente. Il rapporto tra potenza attiva e potenza apparente si chiama fattore di potenza ed è espresso dal coseno phi. Il coseno phi è un numero compreso tra 0 e 1 ed è quindi una misura della distanza tra la tensione e la corrente (lo sfasamento). Se il coseno phi è 1, la potenza attiva è uguale alla potenza apparente e quindi non c’è potenza reattiva.
Un coseno phi di 0,9 indica che la potenza attiva è uguale a 0,9 * potenza apparente. Con un coseno phi più alto, una parte maggiore dell’energia totale che passa attraverso le linee elettriche può essere effettivamente consumata dalle macchine. Di conseguenza, è necessaria una minore capacità di trasmissione (sia presso l’impianto che sulla rete elettrica) e c’è una minore perdita di energia durante la trasmissione. Inoltre, gli operatori di rete spesso addebitano ai grandi consumatori un coseno phi di 0,85 e inferiore.
La potenza apparente, la potenza attiva e la potenza reattiva sono correlate secondo la seguente formula:
(Potenza apparente)² = (Potenza effettiva)² + (Potenza reattiva)²
Sulla base di questa relazione, possiamo anche trovare le formule per la potenza reale e cieca espressa in potenza apparente:
Potenza effettiva = Potenza apparente * cos φ
Potenza reattiva = Potenza apparente * sin φ
Per chiarire il rapporto tra potenza apparente e potenza effettiva, spesso si fa un confronto con un bicchiere di birra. Il bicchiere di birra simboleggia il sistema elettrico. La birra è la potenza attiva, la schiuma è la potenza reattiva.
Sia una potenza attiva troppo alta che una potenza reattiva troppo alta possono far traboccare il bicchiere di birra. A quel punto, quindi, la rete elettrica diventa sovraccarica. Una diminuzione della potenza reattiva (la schiuma) può lasciare più spazio alla potenza attiva (la birra), senza bisogno di un bicchiere più grande (maggiore capacità di connessione). In questo modo, è possibile utilizzare più energia in modo utile senza far traboccare il bicchiere.
Se il coseno phi è troppo basso, l’operatore di rete sostiene costi aggiuntivi perché deve trasmettere potenza reattiva. A seconda della località, gli operatori di rete potrebbero quindi utilizzare un limite inferiore per il cosinus phi di 0,85. Un cosinus phi più basso causa una maggiore usura e un carico più elevato sulla rete elettrica. Gli operatori di rete possono quindi servire meno aziende con le stesse connessioni. Sono necessari trasformatori più grandi e più rame.
Per la potenza reattiva consumata con un cosinus phi inferiore a 0,85, gli operatori di rete in Paesi come l’Olanda spesso applicano una tariffa aggiuntiva. Quindi si paga una penale se il cosinus phi è troppo basso e l’operatore di rete deve trasportare molta potenza reattiva. In questo modo, gli operatori di rete sperano di incoraggiare le aziende industriali a prendere provvedimenti quando il cosinus phi diventa troppo basso. È quindi vantaggioso assicurarsi di mantenere il cos phi il più vicino possibile a 1. In questo modo può aumentare la sua capacità di consumo. In questo modo potrà aumentare la sua capacità di consumo da solo, senza un nuovo allacciamento e senza rischiare una multa.
In alcune regioni, come le Fiandre, l’operatore di rete utilizza un limite inferiore per il coseno phi. Questo limite è più alto rispetto ai Paesi Bassi; a partire da un cosinus phi di circa 0,95, si possono già addebitare costi aggiuntivi ai grandi consumatori. Con un coseno phi inferiore a 0,72, questi costi aumentano ulteriormente. Inoltre, nelle Fiandre, nei momenti in cui il consumo è basso (meno del 10% della potenza di picco negli ultimi 12 mesi, misurata ogni 15 minuti) viene addebitata una quantità minima di potenza reattiva. Pertanto, se il suo consumo energetico fluttua molto, potrebbe dover affrontare costi aggiuntivi per la potenza reattiva, a seconda del Paese. Un motivo in più per mantenere il suo cos phi il più alto possibile.
Oltre a una penalizzazione, ci sono altri svantaggi di un cos phi basso o di una potenza reattiva troppo alta:
La potenza reattiva è spesso causata da macchine che creano campi magnetici. Trasformatori, elettromagneti, motori elettrici, illuminazione e computer possono influenzare il coseno phi. Le sedi industriali hanno spesso più macchine con forti campi magnetici. Pertanto, è più probabile che queste sedi abbiano un coseno phi più basso. Le connessioni domestiche e le proprietà commerciali hanno meno probabilità di soffrire di un coseno phi troppo basso. Per questo motivo, solo i grandi consumatori devono pagare quando il coseno phi è troppo basso.
La divergenza delle onde di tensione e di corrente si chiama anche sfasamento. Con un coseno phi perfetto di 1, le due onde sono esattamente in fase; con un coseno phi basso, si verifica uno sfasamento. Questo spostamento di fase è solitamente dovuto ai campi magnetici generati dalle macchine. In particolare, le grandi utenze con forti campi magnetici soffrono di uno spostamento di fase.
Non tutti i dispositivi forniscono lo stesso tipo di spostamento di fase. Possiamo dividere la potenza reattiva in due tipi: la potenza reattiva induttiva (o positiva) fornisce uno spostamento di fase in avanti, mentre la potenza reattiva capacitiva (o negativa) fornisce uno spostamento di fase all’indietro.
Nella potenza reattiva induttiva, affinché i dispositivi funzionino, è necessaria una potenza per magnetizzare le bobine. Questo avviene, ad esempio, nei motori elettrici e nei trasformatori. Questa potenza è chiamata potenza reattiva induttiva. In questo caso, la corrente è in ritardo rispetto alla tensione.
La potenza reattiva capacitiva deriva da carichi capacitivi, come i condensatori. Esempi di dispositivi che possono causare potenza reattiva capacitiva sono l’illuminazione e i componenti del computer. Nella potenza reattiva capacitiva, la corrente precede la tensione.
La potenza reattiva induttiva e capacitiva hanno effetti opposti. Pertanto, possono essere utilizzate per annullarsi a vicenda. La dimensione e il tipo di potenza reattiva di un intero edificio commerciale è in definitiva una somma di tutti i tipi di corrente reattiva presenti nell’edificio. I locali industriali sono per lo più interessati dalla corrente reattiva induttiva.
Oltre allo sfasamento, può esserci anche una potenza reattiva armonica. Ciò è dovuto ai dispositivi che creano carichi non lineari sulla rete elettrica. Questi dispositivi utilizzano l’energia non in un’onda sinusoidale uniforme, ma in impulsi irregolari. Di conseguenza, distorcono le onde di tensione nella rete elettrica. Questo si chiama inquinamento armonico e causa anche potenza reattiva. Esempi di questi dispositivi sono l’illuminazione a LED, i sistemi HVAC e i computer.
Quindi, in totale, la potenza reattiva è composta da tre tipi diversi di potenza reattiva: induttiva, capacitiva e armonica.
La potenza reattiva induttiva può essere compensata utilizzando un banco di condensatori (o batteria di condensatori). Un banco di condensatori compensa lo sfasamento causato dalle bobine di magnetizzazione, ad esempio.
Un banco di condensatori fornisce potenza reattiva capacitiva, che compensa localmente lo sfasamento della potenza reattiva induttiva. Pertanto, questa potenza reattiva non deve più essere trasmessa dall’operatore di rete. Di conseguenza, il coseno phi della connessione aumenta e i costi per l’operatore di rete diminuiscono.
I vantaggi di una banca di condensatori in sintesi:
Un generatore di VAR statico previene lo sfasamento “iniettando” corrente. Il generatore VAR rileva il coseno phi e se si tratta di potenza reattiva induttiva o capacitiva. Poiché il generatore VAR inietta corrente al momento giusto, funziona contro la potenza reattiva induttiva e capacitiva.
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