Sistemi elettrici

L’energia che viaggia

L’energia elettrica non si trova in natura. Si ottiene da altre forme di energia, quella dell’acqua che cade, del vapore di una caldaia, del vento o della luce, e si trasforma di nuovo in qualcos’altro nel punto in cui serve: movimento in un motore, luce in una lampada, calore in un forno. In mezzo viaggia. È un vettore energetico, come la benzina in una cisterna, con il pregio di muoversi in un istante lungo un filo, per centinaia di chilometri e con poche perdite.

Il difetto è che si accumula male. Le batterie contengono poca energia rispetto alla loro massa e al loro costo, e le grandi quantità si conservano quasi solo in modo indiretto, con le centrali di pompaggio: quando l’energia avanza la si usa per portare acqua in un bacino in quota, e la si recupera facendola ricadere nelle turbine. Per questo in ogni istante la potenza prodotta deve essere uguale a quella consumata più le perdite, e le centrali devono seguire i consumi minuto per minuto.

Le centrali poi stanno dove possono. Una centrale idroelettrica sta dove c’è un salto d’acqua, una termoelettrica dove arriva il combustibile e c’è acqua per il raffreddamento, e tutte dove l’impatto sull’ambiente è accettabile. Conviene costruirle grandi, perché una centrale grande costa meno di tante piccole con la stessa potenza complessiva. Serve quindi una rete che porti grandi potenze a grandi distanze e che colleghi le centrali tra loro, così che un guasto in una non lasci al buio chi ne dipende.

Dalla centrale alla presa

A parità di potenza, la corrente in una linea è inversamente proporzionale alla tensione, e le perdite per effetto Joule crescono con il quadrato della corrente. Raddoppiare la tensione vuol dire dividere per quattro le perdite, oppure, a parità di perdite, usare conduttori con un quarto della sezione. Per questo l’energia viaggia alle tensioni più alte e scende per gradi man mano che si avvicina a chi la usa.

Verso l’alto la tensione ha due limiti. Il primo è l’isolamento: i conduttori vanno tenuti lontani tra loro, dai sostegni e da quello che sta sotto la linea, e le catene di isolatori si allungano con la tensione fino a diventare un problema meccanico e di ingombro. Il secondo è che alternatori e utilizzatori non possono lavorare a centinaia di migliaia di volt. Ogni cambio di livello lo fa un trasformatore, e un trasformatore funziona solo con tensioni che cambiano nel tempo.

Continua o alternata

La prima rete elettrica commerciale fu in corrente continua. Nel 1882 Thomas Edison aprì a New York la centrale di Pearl Street, che portava corrente continua a 110 V a un’ottantina di clienti, in meno di un chilometro quadrato di Manhattan. A una tensione così bassa le perdite nei cavi crescono in fretta con la distanza, e la continua non si poteva trasformare.

Nel 1884, all’Esposizione generale italiana di Torino, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs presentarono un sistema di distribuzione in corrente alternata basato sui loro «generatori secondari», i trasformatori. Galileo Ferraris, che presiedeva la sezione di elettricità dell’esposizione, organizzò con quel sistema una prova di trasmissione su una linea di 40 chilometri tra Torino e Lanzo, a 2000 V, ne misurò il funzionamento e ne presentò la teoria all’Accademia delle scienze di Torino all’inizio del 1885. Nello stesso anno Ferraris ebbe l’idea su cui funzionano ancora oggi i motori a induzione: due correnti alternate sfasate, in due bobine disposte ad angolo retto, producono un campo magnetico che ruota. La presentò all’Accademia delle scienze di Torino nel 1888, lo stesso anno in cui Nikola Tesla brevettò negli Stati Uniti i suoi motori polifase. George Westinghouse, che aveva comprato i diritti americani del trasformatore di Gaulard e Gibbs, costruì le reti in alternata che vinsero la concorrenza con quelle di Edison.

La prova decisiva per il trifase arrivò nel 1891, all’Esposizione internazionale di elettrotecnica di Francoforte. Una linea trifase lunga 175 chilometri, a 15 kV, portava l’energia di una centrale idroelettrica sul Neckar, a Lauffen, fino all’esposizione, dove accendeva mille lampadine e muoveva la pompa di una cascata artificiale; a Francoforte arrivava più del 75% della potenza partita da Lauffen. L’aveva organizzata Oskar von Miller, e l’avevano costruita la tedesca AEG, con l’ingegnere Michail Dolivo-Dobrovol’skij, e la svizzera Oerlikon, con Charles Brown.

La continua è tornata in un caso particolare: le linee in corrente continua ad altissima tensione, convenienti per i collegamenti molto lunghi e per i cavi sottomarini, in cui l’alternata soffre la capacità del cavo. La conversione da alternata a continua e ritorno la fa l’elettronica di potenza, che ai tempi di Edison non esisteva.

Perché tre fasi

Un sistema trifase porta tre tensioni sinusoidali uguali, sfasate di un terzo di periodo, su tre conduttori. I suoi vantaggi sono tre. Con un carico equilibrato la potenza istantanea non oscilla, come fa invece in monofase, dove due volte per periodo si annulla o cambia segno: un motore trifase riceve una coppia costante. A parità di potenza trasportata e di perdite, una linea trifase usa tre quarti del conduttore di una linea monofase alla stessa tensione. E tre correnti sfasate in tre avvolgimenti disposti a $120°$ producono il campo rotante di Ferraris, su cui funziona il motore asincrono trifase, semplice e robusto, senza spazzole né collettore. I primi due vantaggi li dimostrano gli articoli di questo percorso.

Gli articoli del percorso

Il primo articolo studia i sistemi trifase: tensioni di fase e concatenate, collegamenti a stella e a triangolo, il neutro, la potenza, il monofase equivalente e il rifasamento. Il secondo confronta la trasmissione in continua, in monofase e in trifase, e calcola quanto conduttore serve in ciascun caso. Il terzo è dedicato al trasformatore, dal modello ideale alle prove che misurano i parametri di una macchina reale. Gli ultimi tre scendono all’impianto: il cortocircuito e le protezioni, il dimensionamento dei cavi, la sicurezza elettrica.

Il percorso presuppone «Circuiti elettrici», in particolare gli articoli sul regime sinusoidale e sulle potenze in regime sinusoidale.

1. 1I sistemi trifase
2. 2La trasmissione dell'energia elettrica
3. 3Il trasformatore
4. 4Il cortocircuito e le protezioni
5. 5Il dimensionamento dei cavi
6. 6La sicurezza elettrica