Riflessioni sulla tensione di rete

Dopo il mio anno sabbatico dovuto a epidemia con relative complicazioni e diversi lutti ritorno a pubblicare

È risaputo il fatto che se si deve andare negli Stati Uniti, bisogna tenere conto che il loro standard elettrico è basato su una fornitura di 120V/60Hz a differenza della nostra che è 230/50Hz

Purtroppo, la mia fame di conoscenza non mi ha permesso di accontentarmi di questa consapevolezza, ma mi ha spinto a cercare il motivo di questa differenza di fornitura.

Innanzitutto, non è del tutto vero dire che l’energia è distribuita a 120V negli Stati Uniti. Infatti, nelle case americane, sono previste due fasi sfasate a 180° e neutro a 120V. In pratica la conversione da MT a BT avviene tramite un trasformatore monofase con cavo 240V 2 fasi e un “neutro” al centro del secondario.

D’altra parte, non è nemmeno del tutto corretto dire che forniamo 230V, per la precisione. In bassa tensione la tensione è fornita da 3 cavi trifase 400V e neutri aggiunti nelle cabine di media tensione, che vengono poi suddivisi tra fase e neutro per le utenze monofase a 230V. Laddove è necessario far funzionare un grande motore, come un ascensore in un appartamento, la tensione viene prelevata mentre è “ancora trifase”. Allo stesso modo, negli Stati Uniti, viene utilizzato il phase-to-wire a 240 V per i carichi più pesanti. Pertanto, la differenza essenziale è che la presa domestica, che da noi forniscono 230V, mentre in America forniscono 120V. Infatti, è proprio attraverso le prese casalinghe che l’utente medio in qualche modo si interfaccia con la rete elettrica; ed è per questo che mediamente si parla di differenza di forniture, nel nostro caso 120V/60Hz e 230V/50Hz.

Dopo questa necessaria premessa, iniziamo a capire il perché della differenza fra le forniture elettriche.

Ovviamente per capire lo stato attuale delle cose, dobbiamo partire dagli albori della elettrificazione di massa e vedere come si è evoluta nel tempo.

In America

Nacque con Edison, che brevettò la lampadina ad incandescenza funzionante a 110V DC, che essendo a bassa tensione e quindi sicura anche per l’illuminazione al chiuso permise di illuminare dapprima un miglio quadrato di Manhattan dal 1882, per poi diffondersi maggiormente negli anni a venire.

Successivamente alla “guerra delle correnti”, che vide perdente Edison “il fulmina elefanti”, si optò per trasmettere la corrente non più in continua ma in alternata grazie ai brevetti e le invenzioni di Nikola Tesla e Galileo Ferraris . Tuttavia, per il fatto che non solo la lampadina, ma anche gli apparecchi utilizzatori fino ad allora fatti necessitavano alimentazione a 110v non si seguì il pensiero di Tesla di distribuire la corrente a 220VAC, ma la si limitò a 110VAC.

C’è da dire che a quei tempi le tecnologie di protezione dal pericolo della corrente non erano evolute come oggi e quindi gli incidenti non erano rari; anche per questo motivo si decise di restare sui 110VAC.

In Europa

Nel 1883 venne illuminata Berlino con lampadine 110 VDC. Successivamente, verso la fine del 1800, vennero sviluppate le lampadine a filamento metallico, che resistevano a tensioni superiori rispetto a quelle fino ad allora utilizzate a filamento di carbone. Nel 1899 la Berliner Elektrizitäts-Werke decise di innalzare la tensione di distribuzione della sua rete da 110V a 220V; la compagnia fu in grado di sopperire ai costi della conversione degli utilizzatori a 110V fino ad allora presenti grazie al grande risparmio di conduttori, derivante dall’ innalzamento della tensione.

Questo modello diventò quindi lo standard della distribuzione elettrica in Germania, e poi in tutta Europa.

E in America?

Tornando un attimo all’era della corrente continua, nel 1883 Edison inventò anch’egli un sistema per risparmiare conduttori. Consisteva nel fornire l’energia in 3 cavi: un neutro, uno a +110VDC e uno a -110VDC; questo permetteva anche l’alimentazione di apparecchiature che necessitavano di 220VDC per funzionare. Questo ingegnoso sistema si era diffuso insieme alla rete in corrente continua, e quando si decise di passare alla corrente alternata, lo si mantenne per avere i vantaggi di una tensione maggiore e risparmiare quindi nei diametri dei conduttori. In seguito, cercarono anche lì di aumentare la tensione di fornitura neutro/fase a 220V, ma le apparecchiature a 110V erano oramai troppo diffuse per rendere l’operazione economicamente conveniente. Fu così che l’America rimase sostanzialmente fino ad oggi a 110V di fornitura.

E con che frequenza?

Quando il buon Tesla sviluppò la sua idea di corrente alternata, individuò come parametri “ideali” la tensione di 240V e 60Hz. Gli americani lo hanno fatto secondo le istruzioni di Tesla, a 60Hz.

All’AEG quando fu il momento, decisero invece che 50 era meglio, perché 60 non ci sta dentro bene nel sistema metrico. Probabilmente gli americani vedevano (e vedono) il 60 come un numero molto più “comodo” del 50. Questo perché loro usano il sistema in base numerica 12 per le misure (un piede = 12 pollici, ad esempio) che rispetto al sistema in base 10 è divisibile per un maggior numero di fattori; come il numero 60 rispetto al 50.

Inoltre, usano le frazioni di pollice per i sottomultipli. Noi del sistema metrico invece tutto in base 10 e le frazioni devono essere assolutamente convertite in numeri decimali ( 5/8? ma che vuol dire? 0,625… ah allora tutto a posto 😊).

Perché c’erano 110V, 120V e 125V?

Tutto comincia con Edison che sceglie empiricamente una tensione a corrente continua di 110V. Il primo utilizzo dell’energia elettrica è stato quello della illuminazione. Edison a tentativi trovo un materiale che diventasse incandescente nel modo giusto, e se ne venne fuori con una tensione di 110V.
Quando dalla tensione continua si è passati alla tensione alternata, hanno voluto salvaguardare gli apparecchi compatibili in possesso ai clienti, cioè resistenze e, appunto, le lampadine. Perciò si è considerata una tensione efficace equivalente a quella a corrente continua. Scrivo “tensione efficace”, perché in realtà la corrente alternata a 230V non è a 230V come se fosse corrente continua.

Bensì varia ciclicamente (50 volte al secondo), tra zero e +325V per poi tornare a zero e scendere a -325V e ritornare a zero.
L’effetto di questo andamento ciclico su una resistenza è uguale a quello di una corrente continua a 230V. Con la 220V si arrivava fino a 311V, con la 240V si arriva fino a 339V.

Riguardo al 125V c’è da ricordare che esisteva come arrotondamento del 127V che è il valore stellato della tensione a triangolo da 220V.
Una volta si usava anche la trifase da 220V (che tra fase e neutro misurava 127V, ovvero 125V, usata per la luce).

Perché 50 o 60Hz

La scelta, quando non c’era una convenzione comune, era quella che permetteva la massima resa del generatore, quindi dipendeva dal tipo di generatore e caratteristiche costruttive del motore
meccanico (tipicamente macchine a vapore o idrauliche).

All’inizio della storia dell’elettricità, quella citata dell’era delle lampadine, i generatori spesso avevano 8 poli e lavoravano a 2000 giri la minuto. Ora, 2000 giri / 60 sono 33,33… giri al secondo. Considerando che al passaggio di ogni polo, abbiamo una inversione (un semi ciclo), con 8 poli
abbiam 33,3 x 8 / 2 = 133 ed 1/3 di Hz di frequenza.
Una frequenza così alta però si presta male con i motori.
E così si è pensato ad una frequenza più bassa, affinché, usando la stessa linea di alimentazione, si potessero alimentare motori insieme alle lampadine elettriche.

In passato la norma in Europa prevedeva due frequenze: 25 Hz e 50 Hz, poi nel 1914, i 25 Hz fu tolto dalle VDE.

Non c’è certezza, ma solo ipotesi “plausibili”, del perché’ Westinghouse aveva scelto 60 Hz e la tedesca AEG invece il 50 Hz. Le lampade ad arco che si usavano una volta ove occorrevano luci potenti, funzionavano meglio a 60 Hz piuttosto che a 50 Hz. Inoltre, un motore a 50 Hz richiede
più rame e ferro di uno da 60 Hz della stessa potenza.
Ma i trasformatori da 60 Hz hanno maggiori perdite di un trasformatore da 50 Hz o richiedono costruzioni più costose.

Dopo questa carrellata di notizie o curiosità mi fermo. Spero di aver suscitato un po’ di curiosità per spingervi a fare voi le vostre ricerche, come primo articolo dopo una pausa forzata di un anno mi sembra più che sufficiente

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