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Sistemi trifase

In elettrotecnica con il termine sistema trifase si intende un sistema combinato di più circuiti a corrente alternata (di produzione, distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica) aventi la stessa frequenza (isofrequenziali) e tre tensioni alternate uguali, ma sfasate tra loro di 120°.

Rispetto ad un sistema a corrente alternata monofase il costo del materiale e dei cavi elettrici viene dimezzato con una potenza elettrica pari.

Quando si lavora in sistemi di produzione, distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica si usa chiamare generatore monofase un generatore di tensione sinusoidale.

Un generatore trifase può essere ottenuto collegando tre generatori monofase sinusoidali, isofrequenziali in modo da costituire un tripolo (si veda la figura). La connessione è detta a:

--> Stella, se i tre generatori condividono un terminale,
--> Triangolo, in caso contrario

 

Alle tensioni di  [e_1(t)] ,  [e_2(t)]  e  [e_3(t)]  si dà il nome di tensioni stellate.

Corrispondono ai potenziali dei nodi A,B,C.

È possibile definire le tensioni concatenate nel modo seguente:

[u_{AB}(t)=e_1(t) - e_2(t)]

[u_{BC}(t)=e_2(t) - e_3(t)]

[u_{CA}(t)=e_3(t) - e_1(t)]

Nel caso di sistema trifase simmetrico ed equilibrato i tre generatori singoli monofase che costituiscono il generatore trifase, sono isofrequenziali (cioè con la stessa frequenza) e le fasi differiscono di  2/3 pi greco  (120°).

La potenza attiva

La potenza attiva assorbita da un carico trifase, che è quella considerata al fine della fatturazione, può essere ottenuta sommando le potenze misurate sulle singole fasi. Per ogni fase, considerata la tensione V tra fase e neutro, l'intensità della corrente I e l'angolo di sfasamento (tra tensione e corrente) φ, vale

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il circuito di misura è il seguente

Se non è presente il neutro si può immaginare di realizzare un circuito simile al precedente, in cui come riferimento per le tensioni di due fasi è utilizzata la terza linea. Si può realizzare il seguente circuito di misura:

Questa configurazione a tre fili è comunemente utilizzata nella pratica ed è nota come inserzione Aron.

La potenza totale è data dalla somma algebrica del valore indicato dai wattmetri.

Se il carico è equilibrato e puramente resistivo l'indicazione dei due strumenti è identica, se invece il carico ha una componente induttiva il valore indicato dal primo wattmetro in ordine di rotazione delle fasi (la sequenza temporale con cui iniziano i cicli dell'onda) indica un valore maggiore del secondo.

La situazione è opposta nel caso di un carico a componente capacitiva.

Se lo sfasamento supera il limite di 60° lo strumento di valore minore inizierà a fornire un valore negativo, fino a che in teoria i due strumenti daranno indicazioni uguali in modulo ma opposte per carichi puramente reattivi (potenza attiva pari a zero).

Il metodo Aron può anche essere utilizzato per leggere il valore della potenza reattiva dei carichi equilibrati.

La potenza reattiva Q si ottiene moltiplicando per radice di 3 la differenza tra le letture dei due wattmetri.

Vantaggi del sistema trifase

La grande importanza del sistema trifase è dovuta a tre fondamentali vantaggi:

- momento di rotazione;
- ottimizzazione dei conduttori;
- minori perdite di trasporto.

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L'ultilizzo del sistema trifase in bassa tensione (230 V) si ha con utilizzatori di media e alta potenza, mentre per la bassa potenza si usa il sistema monofase.

In media e alta tensione (II e III categoria) si usa esclusivamente il sistema trifase.
In un sistema monofase abbiamo a disposizione due cavi (fase e neutro), mentre in un sistema trifase abbiamo generalmente a disposizione quattro cavi (tre fasi e un neutro comune).

Graficamente il potenziale del neutro è rappresentato dal punto N di applicazione dei vettori e ogni fase ha una differenza di potenziale rispetto al neutro di 230 volt (rappresentata dalla lunghezza di ogni vettore).

Tra fase e neutro abbiamo una differenza di potenziale di 230 volt

Tra due fasi abbiamo una differenza di potenziale di 400 volt

I cavi che vengono utilizzati per l’impianto elettrico, invece, sono 3, ognuno di un colore diverso: uno nero per la fase corrente (vengono utilizzati anche di colore rosso, grigio o marrone), uno blu per il neutro e uno giallo-verde per la messa a terra.

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Le prese vengono installate a 30cm da terra mentre gli interruttori a 1 metro circa da terra. In stanze come il bagno e la cucina possono essere installate prese anche a un 1m/1,20m per essere più funzionali nell’uso.