TEORIA
La potenza
elettrica che istante per istante si trasferisce tra due sezioni
circuitali bipolari è data dal prodotto della tensione istantanea tra i
due poli e l'intensità di corrente istantanea:
p(t)=u(t)*i(t).
I versi
positivi di tensione e di corrente stabiliscono il verso positivo del
flusso di potenza (è sempre concorde con il verso che la corrente ha nel
punto a potenziale più elevato). Poiché sia l'intensità di corrente che
la tensione elettrica assumono, rispetto ai versi prefissati come
positivi, valori sia positivi che negativi, il loro prodotto, cioè la
potenza, può essere sia positiva che negativa. Ciò significa che può
esserci un intervallo di tempo, minore o, al massimo, uguale a T/2
in cui il bipolo utilizzatore funziona da generatore. Questo succede in
quanto, in regime variabile, le energie elettriche immagazzinate (
magnetica nell'induttanza, elettrostatica nella capacità) sono permanente
scambiate tra questi componenti ed il generatore il quale, a regime, si
trova a dover fornire al circuito la sola potenza consumata. Quest'ultima
viene detta potenza attiva, il suo flusso è sempre diretto verso
l'utilizzatore ed oscilla tra 0 ed un valore massimo pari a
2P dove P indica il suo valore medio, mentre la
potenza scambiata tra generatore ed elementi reattivi( induttanze e
condensatori) si scambiano è chiamata potenza reattiva il cui valore
massimo è indicato con Q.
Vediamo
matematicamente le cose.
u(t)=UMsinwt
i(t)=IMsin(wt-f)
p(t)=u(t)*i(t)=
UMIM*sinwt sin(wt-f)=
con
alcuni passaggi matematici si perviene alla
p(t)=P(1-sin2wt)-Qcos2wt
dove
si è posto
P=UIcosf
Q=UIsinf
essendo
U (UM/Ö2),
I (IM/Ö2)
i
valori efficaci di tensione e di corrente.
Il
primo addendo P(1-sin2wt)
è sempre positivo, è la somma di un valore costante P e di
una sinusoide di ampiezza P: il suo valore medio è dunque P
con valore massimo 2P.
Il
secondo, -Qcos2wt
è una sinusoide di frequenza doppia della tensione ed ampiezza Q.
A P
si dà il nome di potenza attiva e, come alla per la
sua unità di misura si conserva il Watt. cosf
viene
chiamato fattore di potenza (f.p. , cosfì)
A Q
si dà il nome di potenza reattiva e, alla sua unità di
misura (dimensionalmente sempre watt) si dà il nome di VAR (Volt-Ampere-Reattivi).
Al
prodotto dei valori efficaci di tensione e di corrente
S=UI
si
dà il nome di potenza apparente ed alla sua unità di misura (dimensionalmente
sempre watt) si dà il nome VA (Volt-Ampere).
E'
immediato constatare che
S2=P2+Q2
S
rappresenta cioè l'ipotenusa di un triangolo rettangolo i cui cateti sono
P e Q. P viene generalmemte disegnato orizzontale e
Q verticale (verso
l'alto se Q è positiva). l'angolo tra l'ipotenusa ed il cateto P è
l'angolo di sfasamento tra la tensione e la corrente, corrispondente, in
valore e segno all'argomento dell'impedenza.
Molto
importante dal punto di vista pratico è il teorema di Boucherot:
esso afferma che, immaginando di dividere un qualsiasi circuito elettrico
in due parti la totale potenza attiva proveniente da una delle due parti
è esattamente uguale alla somma aritmetica delle potenze attive presenti
nella seconda parte calcolate per ogni bipolo di essa, mentre la potenza
reattiva Q è la somma algebrica delle potenze reattive di tutti i
precedenti bipoli. Nella somma algebrica si considerano positive le
potenze reattive degli induttori e negative quelle dei condensatori.
P=P1+P2+...+Pn
Q=Q1+Q2+...+Qn
La
potenza apparente totale non è mai uguale alla somma delle potenze
apparente parziali (tranne il caso particolare di bipoli aventi tutti
impedenza con lo stesso argomento). Essa si ricaverà pertanto dalla
Sn=P2+Q2
Il
teorema di Boucherot dà luogo ad un efficace metodo di analisi dei
circuiti in c.a. denominato Metodo delle potenze.
E'
stato anche introdotto il concetto di potenza complessa. Si
tratta di un numero complesso la cui
parte reale corrisponde alla potenza attiva P e la cui parte
immaginaria corrisponde in valore e segno alla potenza reattiva Q.
Questo numero si ottiene moltiplicando tra loro il numero complesso che
rappresenta la tensione per il coniugato del numero complesso che
rappresenta la corrente:

Per
il teorema di Boucherot si ha allora che il numero complesso che
rappresenta la potenza complessa nella sezione di un circuito è uguale
alla somma delle potenze complesse dei singoli bipoli della parte a valle.