La potenza reattiva, una potenza particolare

Che cos’è la potenza reattiva? Immagino che pochi di voi si siano fatti questa domanda.

La domanda più frequente è, solitamente, “qual è la differenza tra corrente alternata (AC) e corrente continua (DC)?”.

Beh, da oggi potrete dare una risposta a questa domanda.

La corrente continua non prevede la presenza di potenza reattiva.

Cerchiamo quindi di capire tre cose:

  • Cosa si intende quando si parla di potenza reattiva
  • Cosa c’entra questo discorso con le linee di trasmissione
  • Come la potenza reattiva può essere utile al giorno d’oggi

Introduzione: la corrente continua e la corrente alternata

Prima di parlare di potenza reattiva, sarà necessario chiarire alcune informazioni sulle tipologie di grandezze elettriche. In questo modo successivamente si potrà andare spediti.

La corrente continua

In questo caso si fa riferimento a una tipologia di trasmissione che prevede che il flusso di elettroni sia unidirezionale. Più semplicemente, immaginate che la corrente sia come un fiume che scorre da un punto a un altro.

È la tipologia di corrente scoperta nel 1800 da Alessandro Volta, che generò la prima corrente continua al mondo tramite la pila di Volta.

La caratteristica principale di questa modalità di trasmissione è quella di avere grandezze elettriche di tensione e corrente a valor medio non nullo.

Alcune forme di grandezze elettriche continue tipiche. Indicato in rosso il valor medio della grandezza (Immagine modificata, originale da Fonte)

In questo caso si fa riferimento alla potenza elettrica unicamente come prodotto di tensione per corrente, misurata in watt (W).

In corrente continua non si fa distinzione tra potenza reattiva e potenza attiva dato che le grandezze non sono oscillanti.

La corrente alternata

Se si parla, invece, di corrente alternata, si fa riferimento ad un flusso di corrente che cambia direzione in maniera continuativa. In questo caso il paragone con l’acqua non può essere più applicato, dato che il fenomeno fisico più simile è la vibrazione.

Le grandezze elettriche alternate sono rappresentate da grandezze sinusoidali, funzioni periodiche che si ripetono uguali a sé stesse dopo un intervallo di tempo detto periodo.

Seno e coseno, le due funzioni goniometriche che si utilizzano per descrivere i fenomeni fisici associati alla corrente alternata (Fonte)

Continua e alternata hanno proprietà fisiche in comune e non, e si sceglie quale utilizzare a seconda della situazione ingegneristica.

In corrente alternata, la potenza di riferimento si definisce potenza apparente, misurata in volt-ampere (VA). Questa si ottiene tramite passaggi algebrici utilizzando due grandezze di potenza, la potenza attiva e la potenza reattiva.

La prima coincide con il valore medio della potenza istantanea (prodotto delle grandezze sinusoidali di tensione e corrente) e si misura in watt (W). La potenza reattiva, invece, è pari al valore di picco della potenza istantanea associata alla componente di corrente in quadratura con la tensione e si misura in volt-ampere reattivi (VAr).

Cerchiamo di capire meglio facendo degli esempi.

I bipoli elettrici passivi e la potenza

Per valutare la potenza elettrica può essere d’aiuto andare a isolare tre casi particolari di utilizzatori (o bipoli elettrici):

  • resistore, o resistenza elettrica, componente che presenta una tensione ai suoi capi se attraversato da una corrente
  • condensatore, o capacità elettrica, componente in grado di accumulare energia elettrostatica se sottoposto a tensione
  • induttore, o induttanza elettrica, componente in grado di generare un campo magnetico se attraversato da una corrente

Tutti i componenti funzionano sia in corrente alternata che continua, ma vedremo che gli ultimi due hanno un ruolo importante in corrente alternata. Infatti, i condensatori erogano potenza reattiva, mentre gli induttori la assorbono.

Concentriamoci, quindi, sulla corrente alternata e valutiamo i singoli bipoli passivi.

Per rendere i calcoli più semplici, in elettrotecnica si utilizza il metodo simbolico per la rappresentazione delle grandezze sinusoidali (segue breve video esplicativo).

Per coloro che non hanno voglia di guardare il video, vi basti sapere che in corrente alternata si fa riferimento alle grandezze tramite dei numeri complessi (fasori) che hanno un valore efficace (modulo del numero complesso) e una fase (fase del numero complesso).

Ricavare un fasore (sinistra) da una funzione sinusoidale (destra) (Fonte)

Resistenza e potenza reattiva

Se si considera il bipolo di resistenza R, con tensione v e corrente i grandezze sinusoidali, secondo la legge di Ohm si avrà: v = Ri.

a) Bipolo resistivo b) Fasori di tensione e corrente c) Potenza istantanea per un bipolo resistivo (Elettrotecnica, vol. 2)

Si può notare dal diagramma dei fasori che corrente e tensione hanno entrambe fase , e si dicono “in fase”.

Utilizzando il metodo simbolico, si può ottenere il valore della potenza attiva assorbita dalla resistenza come P = VI.

La potenza reattiva non è presente dato che le grandezze elettriche sono in fase.

Capacità e potenza reattiva

Si consideri un condensatore di capacità C, con tensione v e corrente i grandezze sinusoidali. In questo caso le leggi elettriche che regolano il comportamento del componente sono più complesse.

È importante far presente che, al contrario del caso del resistore, le grandezze elettriche non sono in fase.

Anzi, la corrente è sfasata di +90° rispetto alla tensione. La corrente si dice “in quadratura in anticipo”.

a) Bipolo capacitivo b) Fasori di tensione e corrente c) Potenza istantanea per un bipolo capacitivo (Elettrotecnica, vol. 2)

Essendo la corrente in quadratura con la tensione tutta la potenza sarà potenza reattiva. Inoltre, essendo la corrente in anticipo rispetto alla tensione, la potenza reattiva sarà generata dal componente.

Induttanza e potenza reattiva

Il comportamento del bipolo di induttanza L è completamente opposto a quello del bipolo capacitivo. In questo caso la corrente sarà in quadratura in ritardo con la tensione, avendo una fase di -90°.

Come per la capacità, la potenza sarà completamente reattiva ma sarà assorbita dato che la corrente è in ritardo.

a) Bipolo induttivo b) Fasori di tensione e corrente c) Potenza istantanea per un bipolo induttivo (Elettrotecnica, vol. 2)

Potenza reattiva e linee di trasmissione

Finora siamo rimasti nell’ambito teorico, giusto per capire di cosa stiamo parlando. Proviamo ora a fare un discorso un po’ più pratico facendoci la domanda “che conseguenze ha la potenza reattiva nella vita reale?”.

Per iniziare a rispondere alla domanda, osserviamo il circuito equivalente di una linea di alta o altissima tensione (con l’ipotesi di trascurare le perdite).

Circuito equivalente a pi greco di una linea di alta o altissima tensione (ipotesi senza perdite) che connette due nodi elettrici a lunga distanza

La trasmissione di energia elettrica si realizza in corrente alternata, quindi non potrà tenere in considerazione unicamente la potenza attiva.

La linea presenterà, infatti, due componenti di potenza reattiva:

  • Una potenza generata dalle capacità c
  • Una potenza assorbita dall’induttanza l

Se la linea è molto carica (ossia la corrente che circola su di essa è molto elevata) prevarrà la potenza assorbita. Conseguentemente, nella linea entra molta potenza ma ne esce poca. Prevale il comportamento induttivo.

Al contrario, se la linea è poco carica, inizierà ad erogare potenza reattiva verso l’esterno. Prevale il comportamento capacitivo.

Dato che la potenza reattiva è collegata alla tensione, squilibri di potenza reattiva dovuti alle modalità di esercizio potrebbero portare a problematiche di controllo della tensione ai nodi.

Per farla semplice, controllare i flussi di potenza reattiva su una linea è fondamentale per garantire che la tensione sia stabile ai suoi capi. In questo modo si evitano disservizi, cali di tensione o eventuali collassi (blackout).

Profili di tensione (U) e potenza reattiva (Q), a sinistra il caso in cui la Q viene erogata da entrambi gli estremi, a destra il caso in cui Q viene assorbita da entrambi gli estremi

Dai grafici si può notare come il caso in cui la linea eroga potenza reattiva è soggetto a “overvoltages” (aumenti della tensione indesiderati), mentre il caso in cui la linea assorbe potenza reattiva è soggetto a “undervoltages” (riduzioni indesiderate della tensione).

Le variazioni di tensione

Risulta evidente che tensione e potenza reattiva sono collegate tra di loro.

Quindi, la potenza reattiva può essere utilizzata per intervenire su eventuali variazioni di tensione indesiderate in modo da effettuare la regolazione della tensione.

I mezzi di regolazione sono componenti che possono generare o assorbire in maniera controllata quantità di potenza reattiva, così da sopperire alle mancanze del nodo, garantire un buon profilo di tensione e un esercizio adeguato.

Si possono identificare due mezzi in particolare:

  • i generatori (o compensatori) sincroni, che sono delle macchine elettriche comandate in modo tale da erogare o assorbire solo potenza reattiva e non attiva. Di seguito, un video d’epoca che spiega il funzionamento di una macchina sincrona (da vedere anche solo per il bianco e nero)

  • I compensatori statici sincroni STATCOM, strumenti abbastanza nuovi nel panorama degli impianti elettrici. Questi sono, a tutti gli effetti, carichi reattivi comandati elettronicamente, che vanno a variare il loro ruolo in base al comportamento di un convertitore. In breve, il sistema si comporta da capacità o da induttanza a comando (seguendo indicazioni da un controllo automatico).

In Conclusione: instabilità della tensione, un problema moderno

Il problema della stabilità dei sistemi di trasmissione è un problema che si è accentuato negli ultimi due decenni. Questo per due motivi fondamentali:

  • un aumento dell’utilizzazione dell’elettricità e dei carichi (dovuto allo sviluppo economico e alla modernizzazione). L’aumento dei carichi richiede un aumento delle correnti, che causa un aumento delle cadute di tensione sulla rete
  • la pressione ambientalista nell’utilizzazione di generazione tramite fonti rinnovabili non programmabili. Questo perché la quasi totalità del rinnovabile interagisce con la rete tramite dei convertitori, elementi che aumentano la possibilità di disturbi per la tensione. Inoltre, non poter controllare la generazione può portare a casi di forti mancanze di potenza in alcuni nodi, a cui seguono forti disturbi di tensione

Questi due fattori non si possono modificare, il primo per motivi economici di sviluppo, il secondo per motivi climatici di sopravvivenza. La stabilità della tensione diventa quindi un elemento fondamentale da tenere in considerazione nella pianificazione di un sistema elettrico performante.

In conclusione, consideriamo un esempio tipico. Per spiegare la potenza reattiva solitamente si fa un paragone.

Un grafico utile (Fonte)

 

Considerate la birra, quando la versate. Una parte è effettiva birra, mentre una parte fa schiuma. Il paragone vede la birra come la potenza attiva e la schiuma come la potenza reattiva. Questa chiara metafora pratica tocca i nostri cuori (e marginalmente i nostri fegati).

Tuttavia, la potenza reattiva è tutt’altro che inutile, anzi, è fondamentale. Soprattutto in un mondo che vuole iniziare a pensare di produrre tutta la sua energia da fonti rinnovabili.

Fonti

“Elettrotecnica, Volume 2” – Marcello D’Amore

“Power systems, stability and control” – Prabha Kundur

“Impianti Elettrici, Volume 2” – Fabio Massimo Gatta

“Voltage Stability of Electrical Power Systems” – Thierry Van Cutsem, Costas Vournas

Sinusoidi e Fasori, Edutecnica

 

Matteo Ricciardi

Ingegnere Elettrico, specializzato nella regolazione della tensione tramite compensazione reattiva e nella trasmissione di energia elettrica tramite collegamenti HVDC. Operatore presso l'unità di Efficientamento della Risorsa Elettrica presso areti SpA. Duca di Nolan (KtS)

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