Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
In passato, le unità di misura e i numeri erano distintamente differenti in diverse parti del mondo. Ogni regione o civiltà utilizzava metodi di misurazione che si adattavano alle proprie necessità, spesso legate a parti del corpo umano o ad oggetti quotidiani. La prima unità di misura della lunghezza, ad esempio, derivava da parti del corpo. L'egiziano "pechys" (cubit) e il "muzham" utilizzato nel sud dell'India sono equivalenti: indicano la distanza tra la punta del dito medio e il gomito di una persona. Sebbene il cubito non sia più in uso, il "muzham" è ancora in uso in alcune zone del Tamil Nadu per la vendita di fiori intrecciati, un esempio di come antiche unità possano persistere nei secoli.
Con il passare del tempo, la necessità di un sistema uniforme e universale di misurazione si è fatta sempre più urgente. Nel 1960, vari paesi si sono riuniti per concordare un sistema unico di unità, destinato a standardizzare le misurazioni scientifiche e tecniche a livello globale. Questo sistema, oggi conosciuto come il Sistema Internazionale di Unità (SI), è stato riconosciuto ufficialmente dalla quasi totalità dei paesi. Solo alcuni paesi, come gli Stati Uniti e Liberia, non lo hanno adottato ufficialmente, ma l'uso del SI in scambi scientifici e ingegneristici è ormai globale.
La storia del SI si è sviluppata attraverso numerosi passaggi significativi. Nel 1799 venne introdotto il sistema metrico, seguito dalla creazione dei primi prototipi di metro e chilogrammo. Negli anni successivi, il sistema metrico fu abbandonato in favore di altri sistemi come il centimetro-grammo-secondo (CGS), per poi ritornare alla proposta e accettazione del sistema metro-chilogrammo-secondo (MKS) nel 1875. Fu solo nel 1960 che il sistema MKS venne formalizzato come il Sistema Internazionale di Unità (SI).
Il SI è composto da sette unità base che rappresentano grandezze fondamentali. Queste includono il metro (m) per la lunghezza, il chilogrammo (kg) per la massa, il secondo (s) per il tempo, l'ampere (A) per la corrente elettrica, il kelvin (K) per la temperatura, la candela (cd) per l'intensità luminosa e il mole (mol) per la quantità di sostanza. Ogni unità ha una definizione precisa che la lega a costanti universali, come la velocità della luce nel caso del metro o la transizione tra i livelli iperfini dell'atomo di cesio per il secondo.
Il chilogrammo è l'unica unità base che rimane ancora definita da un prototipo materiale, una sfera di platino-iridio conservata a Sévres, in Francia. Tuttavia, si stanno compiendo sforzi per sostituirla con un sistema più universale, legato a costanti fisiche e atomiche. L'evoluzione delle definizioni delle unità è un riflesso dei progressi nella fisica e nella tecnologia, che cercano di rendere le misurazioni sempre più precise e indipendenti da oggetti fisici concreti.
In aggiunta alle sette unità base, il SI include due unità ausiliarie non dimensionali: il radiante (rad) per l'angolo piano e lo steradiante (sr) per l'angolo solido. Queste unità sono necessarie per la descrizione di fenomeni geometrici e fisici che coinvolgono angoli, sia in due che in tre dimensioni. Sebbene queste unità siano di natura puramente matematica, fanno parte integrante del sistema di misurazione.
Al di fuori delle unità di base, il SI definisce anche numerose unità derivate, che combinano le unità base per esprimere grandezze più complesse come la velocità, l'accelerazione, la forza, l'energia e la pressione. Un esempio tipico è il joule (J), l'unità di energia, che si definisce come il lavoro compiuto da una forza di un newton che muove un oggetto di un metro. Queste unità derivate sono cruciali per il progresso scientifico, in quanto permettono di esprimere concetti fisici complessi in termini di grandezze fondamentali misurabili.
Oltre al SI, esistono alcune unità non appartenenti al sistema internazionale ma ancora accettate per uso quotidiano, come il grado Celsius per la temperatura, che è una scala basata sul kelvin. Il Sistema Internazionale riconosce l'uso di alcune di queste unità in contesti non scientifici, a condizione che siano chiaramente indicate. Un altro esempio è la misura della radioattività, espressa in becquerel (Bq), che rappresenta una disintegrazione nucleare per secondo.
L'importanza del Sistema Internazionale di Unità non risiede solo nella sua universalità, ma anche nella sua capacità di unificare il mondo scientifico e tecnologico. Ogni scoperta, ogni esperimento, ogni innovazione può essere comunicata in modo preciso e senza ambiguità attraverso un sistema condiviso di misurazione. Questo sistema ha facilitato il progresso scientifico e ha reso possibili le grandi realizzazioni tecnologiche del nostro tempo, dai viaggi spaziali alla medicina, dalla chimica all'ingegneria.
Quando si studiano le unità SI, è fondamentale comprendere che queste definizioni non sono arbitrarie, ma sono il risultato di secoli di osservazione e sperimentazione. Ogni unità è il prodotto di un processo di standardizzazione che cerca di eliminare le discrepanze locali e regionali, rendendo possibile la collaborazione internazionale. La precisione e la costanza delle unità SI sono ciò che permette agli scienziati di misurare fenomeni fisici con un grado di accuratezza senza precedenti.
Quali sono le problematiche e le pratiche fondamentali nella progettazione e gestione dei trasformatori di corrente?
Il punto di "knee" è definito come il punto sulla curva dinamica B-H in cui un aumento del 10% in B determina un incremento del 50% in H. Da quanto discusso in precedenza, è evidente che la progettazione di un trasformatore di corrente è un compito complesso, spesso richiedente numerose iterazioni prima di arrivare a un design ottimale. Un'altra conclusione che possiamo trarre è che un trasformatore di corrente presenterà i minori errori se il valore di ZB è zero, ovvero nel caso di un trasformatore di corrente con secondario corto (circuito secondario cortocircuitato).
Il trasformatore di corrente in circuito aperto
Quando il lato secondario di un trasformatore di corrente è in circuito aperto mentre la corrente primaria è diversa da zero, il secondario sviluppa una tensione molto alta sui terminali secondari, creando una situazione pericolosa. Il circuito equivalente di un trasformatore di corrente con il secondario in circuito aperto è mostrato nella figura 6.25a. Questa condizione può essere vista come se il trasformatore fosse eccitato tramite una sorgente di corrente alternata, come indicato nella figura 6.25b, poiché le correnti I2 e I'2 sono nulle. Pertanto, la corrente primaria I1 diventa la corrente di eccitazione Ie, che satura il nucleo anche se la corrente primaria è solo una piccola frazione della corrente nominale (di piena scala). La saturazione del nucleo (cioè quando il flusso del nucleo non cambia più) provoca un aumento significativo della derivata del flusso (d∅/dt), arrivando a valori molto elevati. Di conseguenza, la tensione indotta nel secondario raggiungerà picchi anche di alcuni kilovolt, come mostrato nella figura 6.26. Tali tensioni possono causare (a) scariche e (b) rottura dielettrica. Entrambe le condizioni possono danneggiare in modo irreversibile non solo il trasformatore, ma anche gli strumenti interconnessi o situati nelle vicinanze. Per questo motivo, è fondamentale evitare che il secondario di un trasformatore di corrente sia mai in circuito aperto. Una buona prassi ingegneristica prevede che il secondario venga sempre cortocircuitato, anche durante il periodo di stoccaggio del trasformatore.
Trasformatori di corrente ad alta tensione
Un trasformatore di corrente destinato a operare su una linea elettrica ad alta tensione deve possedere un’adeguata isolamento tra i terminali primari e secondari. In genere, un trasformatore di corrente per alta tensione (HVCT) viene posizionato sopra una pila di isolamento, come mostrato nella figura 6.27a, con i terminali secondari che vengono condotti verso il basso. In alcuni casi (soprattutto nei trasformatori di corrente per la protezione, che sono molto pesanti), il trasformatore di corrente viene montato alla base della pila di isolamento, mentre la linea primaria viene portata giù dalle linee di trasmissione e poi risalita fino alla torre, come illustrato nella figura 6.27b. In rari casi, viene utilizzato un design a due stadi per un trasformatore di corrente ad alta tensione (un trasformatore primario cascato su un trasformatore secondario). Come per qualsiasi trasformatore ad alta tensione, l'isolamento può essere di tipo secco o a olio (umido).
Misurazione degli errori dei trasformatori di corrente
In generale, gli errori di qualsiasi strumento di misura possono essere determinati utilizzando: (a) il metodo assoluto o (b) il metodo di confronto. Tuttavia, il metodo assoluto per testare un trasformatore di corrente (o un trasformatore di tensione) è molto complicato e presenta numerosi problemi pratici. Per determinare gli errori di rapporto e di fase di un trasformatore di corrente (o di tensione), si utilizza normalmente il metodo di confronto. Lo schema per il metodo di confronto per determinare gli errori di rapporto e di fase di un trasformatore di corrente è mostrato nella figura 6.28. In questo caso, gli errori del trasformatore di prova X vengono determinati confrontandolo con un trasformatore di corrente standard S, che ha lo stesso rapporto nominale ma con errori di rapporto e di fase prossimi a zero. Le bobine primarie dei trasformatori di corrente sotto test X e del trasformatore standard S sono collegate in serie, così come i terminali secondari.
Nel circuito del metodo di confronto, la corrente differenziale Id viene ottenuta sottraendo la corrente I2S da I2X come: Id = (I2X − I2S), e questa corrente viene fatta passare attraverso l'impedenza Zd. I fasori delle correnti, I2S, I2X e Id, sono mostrati nella figura 6.29. Poiché β è solitamente molto piccolo, gli errori del trasformatore di prova sono facilmente espressi dalle seguenti formule approssimative:
Errore di rapporto ≈ − Id Cosθ / I2S × 100%
Errore di fase β ≈ Id Sinθ / I2S × 3438 (in minuti) o Id Sinθ / I2S × 100 (in centiradiani).
Metodo del ponte per la misurazione degli errori
Diversi tipi di ponti sono stati sviluppati per la misurazione degli errori dei trasformatori di corrente, tra cui il ponte Hohle, il ponte Pitch-Elliot e il ponte Arnold, che sono stati utilizzati per costruire unità di test e calibrazione per trasformatori di corrente e venduti commercialmente. Nella figura 6.30 è mostrato lo schema di un ponte Arnold per il test dei trasformatori di corrente. In un ponte Arnold, le correnti αI2S (come caduta di tensione su una resistenza variabile) e γ I2S∠90° (utilizzando il principio secondo cui la fem indotta in un'induttanza mutua è sfasata di 90° rispetto alla corrente che la induce) sono generate e bilanciate contro Id in modo tale che Idp = αI2S e Idq = γI2S. Una volta che α e γ sono regolati per ottenere un bilanciamento (cioè quando il rivelatore D legge zero), possiamo calcolare gli errori di rapporto e di fase di un trasformatore di corrente. Tuttavia, i metodi basati sui ponti non sono più in uso; i metodi moderni impiegano misurazioni dirette degli errori di rapporto e di fase utilizzando il rilevatore di fase sensibile, di cui abbiamo discusso in precedenza.
Misurazione degli errori con il rilevatore di fase sensibile
Il rilevatore di fase sensibile (PSD) è uno degli strumenti più usati per la misurazione degli errori di un trasformatore di corrente. Nell'immagine della figura 6.31, si vede lo schema del metodo di misurazione tramite un rilevatore di fase sensibile, dove le correnti I2S e Id vengono convertite in tensioni equivalenti E2S e Ed tramite resistenze standard. Vengono impiegati tre rilevatori di fase sensibile: uno quadratura (QPSD) e due in fase (IPSD1 e IPSD2). I segnali di uscita di questi rilevatori permettono di calcolare direttamente gli errori di rapporto e di fase, rendendo questa tecnica moderna e precisa.
Endtext
Come gli Analizzatori di Qualità Energetica Misurano le Componenti Armoniche di Potenza e Energia
L'analisi delle armoniche di corrente e tensione è diventata un elemento cruciale nel monitoraggio e nella gestione della qualità energetica. Il concetto di armoniche si riferisce alla presenza di frequenze multiple della frequenza fondamentale del sistema, che possono compromettere l’efficienza operativa di impianti elettrici e apparecchiature elettroniche. Gli analizzatori di qualità energetica digitali rappresentano strumenti avanzati in grado di misurare non solo la potenza attiva, reattiva e apparente, ma anche di fornire un quadro preciso delle componenti armoniche che si generano nelle reti elettriche.
Un analizzatore di qualità energetica può scomporre la corrente e la tensione in componenti fondamentali e armoniche, permettendo così un'analisi approfondita dei fenomeni che influenzano il comportamento energetico di un sistema. L'analisi delle armoniche è fondamentale per identificare distorsioni nella forma d'onda di corrente o tensione, fenomeni che possono derivare da carichi non lineari come motori, alimentatori o dispositivi elettronici complessi.
Gli analizzatori più moderni si basano su principi di campionamento digitale per raccogliere istantanee di tensione e corrente. Le componenti armoniche vengono quindi estratte tramite operazioni matematiche avanzate che utilizzano trasformazioni trigonometriche. Una volta ottenuti i campioni digitali, è possibile calcolare tutte le principali grandezze elettriche, come la potenza attiva, la potenza reattiva, la potenza apparente e anche la distorsione armonica, se presente.
L'uso di campionatori digitali permette una misurazione precisa delle variabili, che non solo migliora l'affidabilità dei dati raccolti, ma offre anche la possibilità di monitorare l'andamento delle armoniche fino alla 50ª. Ciò rende questi dispositivi particolarmente adatti per applicazioni industriali e per il controllo delle reti elettriche, dove le distorsioni armoniche possono compromettere l'affidabilità del sistema.
A livello di calcolo, la determinazione delle componenti armoniche di una grandezza come la corrente si effettua tramite la somma delle componenti in fase e in quadratura. Per esempio, la componente fondamentale di una corrente è espressa come , mentre le armoniche successive vengono calcolate tramite la stessa metodologia, ma con l'aggiunta di un indice che denota l'ordine armonico. Questo approccio consente di scomporre il segnale complesso in parti più semplici, facilitando l'analisi e la diagnosi dei problemi legati alla qualità energetica.
In aggiunta alla potenza attiva, reattiva e apparente, un altro parametro cruciale che gli analizzatori moderni possono misurare è la Distorsione Armonica Totale (THD), che fornisce un'indicazione quantitativa su quanto il segnale si discosti dalla forma d'onda sinusoidale ideale. La THD è espressa come percentuale e viene calcolata come la differenza tra il valore RMS totale della grandezza (come la corrente o la tensione) e la sua componente fondamentale. La presenza di armoniche elevate può causare inefficienze nel sistema, ridurre la durata degli apparecchi e in alcuni casi danneggiare i dispositivi elettronici sensibili.
Per esempio, l'analizzatore di qualità energetica in grado di misurare fino alla 50ª armonica è essenziale per identificare le problematiche in reti elettriche complesse o in impianti con carichi non lineari significativi. Questi strumenti non solo offrono una misurazione precisa della potenza in tutte le sue forme, ma forniscono anche un’indicazione utile per interventi correttivi, come l'installazione di filtri armonici o la modifica dei carichi non lineari.
Un altro aspetto importante che emerge dalle misurazioni delle armoniche riguarda il tipo di energia utilizzata in un sistema. Mentre i misuratori di energia tradizionali, come quelli a induzione, sono limitati nel fornire informazioni su potenze armoniche o distorsioni, i misuratori di energia elettronici a campionamento digitale offrono una comprensione dettagliata di tutte le componenti energetiche, comprese le potenze armoniche. La capacità di misurare non solo la potenza attiva, ma anche quella reattiva e apparente, è fondamentale per la gestione ottimale dei carichi in un impianto, aiutando gli operatori a prendere decisioni più informate riguardo alla manutenzione e alla gestione dell’energia.
Oltre alla misurazione delle armoniche e delle potenze, un altro parametro utile è la possibilità di monitorare la qualità dell’energia attraverso la distorsione armonica. Poiché l'energia elettrica dovrebbe teoricamente avere una forma d'onda sinusoidale pura, la presenza di distorsioni armoniche può significare che l’energia non viene utilizzata in modo efficiente, aumentando i costi operativi e riducendo la durata delle apparecchiature.
Endtext