Come calcolare potenza, corrente e tensione: principi ed esempi di calcolo per condizioni domestiche

I proprietari di appartamenti, case private e altri oggetti elettrificati si trovano spesso a dover determinare i valori delle grandezze elettriche fondamentali, poiché calcolare la potenza dalla corrente ammissibile e dalla tensione nota, o risolvere il problema inverso, non è molto semplice.

L'applicazione diretta della nota legge di Ohm senza considerare le caratteristiche delle reti domestiche e degli apparecchi può portare a un risultato errato.

In questo materiale capiremo cosa sia la potenza e spiegheremo come calcolare questo indicatore.

Concetti fondamentali delle grandezze

I calcoli elettrotecnici si basano sulle relazioni universalmente note tra intensità di corrente (I, Ampere), tensione (U, Volt), potenza (P, Watt) e resistenza (R, Ohm). I calcoli pratici richiedono solitamente la conoscenza dei valori dei primi tre.

Le espressioni numeriche delle grandezze elencate, avvertiamo, non sono sufficienti: sono necessarie caratteristiche aggiuntive che rivelino il regime di consumo elettrico.

Intensità della corrente elettrica

Il calcolo della sezione sufficiente dei conduttori e del valore nominale dell'interruttore automatico per un ramo specifico della rete elettrica viene effettuato in base al valore della corrente massima possibile per quel tratto. Ciò è necessario per prevenire situazioni di surriscaldamento del cablaggio, che spesso portano a incendi.

Parametri operativi degli interruttori automatici e degli interruttori differenziali vengono selezionati secondo i requisiti normativi. Per determinare la sezione ammissibile dei conduttori in base alla massima corrente possibile, è necessario utilizzare una tabella fornita dal produttore del prodotto, perché i cavi sono spesso realizzati secondo specifiche tecniche (TU) e non secondo GOST.

Avendo la stessa marcatura, i cavi prodotti secondo GOST (a sinistra) e secondo TU (a destra) differiscono sia visivamente che per le caratteristiche principali.

Poiché è possibile calcolare l'intensità di corrente elettrica in base alla potenza consumata dagli apparecchi e alla tensione di rete, è necessario determinare correttamente i valori di questi due indicatori.

Tensione nelle reti domestiche

Molti proprietari di appartamenti credono che la tensione standard in fase per uso domestico sia approssimativamente 220 V. Nella maggior parte dei casi è effettivamente così. Tuttavia, secondo GOST 29322-2014 dal 01.10.2015 nella Federazione Russa sarebbe dovuta avvenire la transizione al sistema 230 V, compatibile con i paesi della CEE.

Uno scostamento del 5% dal valore di riferimento è ammesso per qualsiasi periodo, mentre del 10% per un periodo non superiore a 1 ora. Quindi, secondo le vecchie regole, il valore della tensione può variare tra 198 e 242 V, mentre secondo il GOST attuale tra 207 e 253 V.

Ci sono anche casi in cui la tensione di rete è significativamente inferiore a quella normativa per un lungo periodo. Questa situazione si verifica quando la potenza totale degli apparecchi elettrici collegati al ramo è molto superiore a quella prevista e, quando la maggior parte di essi viene accesa, si verifica un “calo di rete”.

Questo problema rientra nell'area di responsabilità delle organizzazioni che si occupano della fornitura di energia elettrica ed è legato al sovraccarico dei trasformatori di distribuzione, all'usura delle sottostazioni o alla sezione insufficiente dei cavi.

Una tensione di ingresso ridotta non solo modifica il parametro dell'intensità di corrente e può causare l'attivazione della protezione, ma porta anche a un rapido guasto degli apparecchi elettrici contenenti motori asincroni o componenti elettronici complessi.

Per determinare il valore della tensione reale è necessario effettuare periodicamente delle misure utilizzando un voltmetro. Se i valori “fluttuano” molto, allora è necessario l'uso di uno stabilizzatore o di un convertitore più costoso con funzione di accumulo di energia elettrica.

Sfumature nel concetto di potenza degli apparecchi elettrici

Tutti i dispositivi che consumano elettricità hanno un parametro chiamato potenza. Maggiore è questo valore, più energia il dispositivo preleva dal circuito.

Esistono tre tipi di potenza:

• Potenza attiva (P). Caratterizza la velocità di conversione dell'energia elettrica in un'altra forma, ad esempio elettromagnetica o termica. Deve essere considerata nel calcolo dei consumi irreversibili di energia elettrica e quindi del costo di funzionamento del dispositivo. L'unità di misura è il W (watt).
• Potenza reattiva (Q). Caratterizza l'energia che arriva dalla fonte (trasformatore) agli elementi reattivi del consumatore (condensatori, avvolgimenti del motore), ma poi ritorna quasi istantaneamente alla fonte. L'unità di misura è il W o il var (abbreviazione di volt-ampere reattivo).
• Potenza apparente (S). Caratterizza il carico che il consumatore impone agli elementi del circuito. Viene utilizzata per calcolare la sezione del cavo e scegliere il valore nominale degli interruttori automatici, ovvero il calcolo dell'intensità di corrente viene effettuato in base alla potenza apparente di tutti gli apparecchi elettrici collegati al circuito. L'unità di misura è il W o V*A (volt-ampere).

Tutti questi parametri possono essere ricalcolati tramite l'angolo di sfasamento che si genera tra il vettore della tensione e la corrente (f):

P = S * cos(f);

Q = S * sin(f);

S² = P² + Q².

Tra i dispositivi domestici la cui potenza apparente può superare significativamente quella attiva, rientrano frigoriferi, lavatrici, lampade fluorescenti e alcune lampade a risparmio energetico, nonché gli alimentatori elettronici di potenza.

Sui motori vengono solitamente indicati la potenza attiva e il fattore di potenza. In questo caso, la potenza apparente si calcola come: S = P / cos(f) = 750 / 0.78 = 962 W

Esiste anche il concetto di potenza di picco o di avviamento. Il fatto è che per l'accelerazione dei motori è necessario uno sforzo molto maggiore che per mantenerli in rotazione. Pertanto, all'accensione di apparecchi come un frigorifero o una lavatrice, si verifica un temporaneo aumento del carico nel tratto di circuito.

Le correnti di avviamento possono essere superiori a quelle di lavoro di diverse volte. Nel calcolo della necessaria sezione dei cavi e nella scelta del valore nominale dell'interruttore automatico, è necessario tenerne conto.

Per fare ciò, è necessario individuare l'apparecchio con la maggiore differenza tra potenza di avviamento e potenza operativa e aggiungerla al valore totale. Le correnti di avviamento degli altri dispositivi possono essere trascurate, poiché la probabilità di un'accensione contemporanea dei motori di diversi utilizzatori è praticamente nulla.

Relazioni lineari e di fase

Oggi si è diffusa la pratica di collegare gli impianti domestici a reti elettriche trifase.

Ciò è giustificato per i seguenti motivi:

• Consumo elettrico significativo. In questo caso, la realizzazione di una rete monofase ad alta potenza sarebbe molto inefficiente a causa della grande sezione del cavo e dell'elevato consumo di materiale del trasformatore.
• Presenza di apparecchi che funzionano con tre fasi. La realizzazione di uno schema di collegamento di un dispositivo del genere a un circuito monofase non è molto semplice e comporta interferenze che si verificano, ad esempio, all'avvio di un motore asincrono.

Esistono due modi per collegare gli apparecchi trifase: “stella” e “triangolo”.

Schemi di principio della trasmissione dell'energia elettrica su tre fasi. I nomi “stella” e “triangolo” derivano dalla somiglianza geometrica con questi oggetti.

Nei circuiti a “stella”, le correnti di linea e di fase sono identiche, mentre la tensione concatenata è 1,73 volte maggiore della tensione di fase:

I_l = I_f;

U_l = 1.73 * U_f.

Questa formula spiega le note relazioni delle tensioni per le reti domestiche e industriali a bassa tensione alla frequenza di 50 Hz: 220 / 380 V (secondo il nuovo GOST: 230 / 400 V).

Nel collegamento a triangolo, al contrario, la tensione è la stessa, mentre le correnti di linea sono maggiori di quelle di fase:

I_l = 1.73 * I_f;

U_l = U_f.

Queste formule possono essere applicate solo con un carico simmetrico delle fasi. Se il consumo di corrente sui cavi è diverso (ricevitore asimmetrico), i calcoli vengono eseguiti utilizzando le regole dell'algebra vettoriale e la corrente di compensazione risultante viene compensata tramite il conduttore neutro. Tuttavia, per le reti con elettrodomestici collegati, questi casi sono rari.

Correlazione tra le grandezze fondamentali

Il problema più comune che i consumatori ordinari affrontano consiste nel calcolo della corrente effettiva. Come calcolare correttamente l'amperaggio a partire da valori noti di tensione e potenza? È necessario risolverlo per determinare la sezione dei conduttori e il valore nominale dell'interruttore, avendo le informazioni tecniche sui dispositivi che verranno alimentati in quel circuito.

Dopo il calcolo della corrente, spesso si scelgono cavi con la sezione minima ammissibile. Tuttavia, questo non è sempre corretto, poiché tale decisione comporta limitazioni significative quando è necessario aggiungere nuovi apparecchi elettrici alla rete.

Talvolta è necessario eseguire calcoli inversi e determinare quale potenza totale è possibile collegare con una tensione nota e una corrente massima ammissibile, limitata dal cablaggio esistente.

Questi due problemi per un circuito monofase possono essere risolti con una semplice formula:

I = S / U;

S = U * I,

dove S è la potenza apparente totale di tutti gli utilizzatori elettrici.

Il diagramma circolare che rappresenta la legge di Ohm e mostra la relazione tra potenza, corrente, tensione e resistenza è adatto per calcolare i parametri di un circuito monofase.

Per risolvere il problema del calcolo della corrente a partire da valori noti o calcolati di potenza e tensione in un circuito trifase, è necessario conoscere il carico totale applicato a ciascuna fase.

E sia la sezione necessaria dei conduttori del cavo sia il valore nominale minimo ammissibile dell'interruttore vengono scelti in base alla linea più carica, considerando che:

S = 3 * max{S₁, S₂, S₃}.

I = S / (U * 1.73).

La potenza ammissibile per ciascuna fase può essere calcolata con la seguente formula:

S_1,2,3 < S / 3 = I * U / 1.73,

dove I è la corrente massima ammissibile per il cablaggio esistente.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Calcolo della corrente dalla potenza per la scelta della sezione del cavo:

Determinazione della potenza assorbita da gruppi di apparecchi elettrici nell'esempio di una casa privata:

Il calcolo della corrente per determinare i parametri del cablaggio o la determinazione della potenza ammissibile in un circuito esistente può essere fatto in autonomia. Per risolvere correttamente il problema, è necessario tenere conto delle sfumature che emergono nella pratica, e non solo utilizzare formule note che funzionano in condizioni “ideali”.

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