Sistema trifase

In elettrotecnica con sistema trifase si intende un particolare sistema di produzione, distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica basato su tre tensioni elettriche alternate aventi la stessa frequenza (isofrequenziali) e la stessa differenza di fase.

Interruttore magnetotermico con differenziale per sistemi trifase (400/230 V in Europa).

È stato inventato da John Hopkinson.

Definizione di sistema trifase

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). Se i tre generatori condividono un terminale, la connessione è detta a stella, è possibile anche una connessione diversa detta a triangolo, questi tipi di connessione saranno meglio esplicitati nel seguito.

Generatore trifase connessione a stella

Alle tensioni di $e_1(t)$, $e_2(t)$ e $e_3(t)$ si dà il nome di tensioni stellate e corrispondono ai potenziali dei nodi A,B,C.

È possibile inoltre definire le tensioni concatenate nel modo seguente:

$u_{AB}(t)=e_1(t) - e_2(t)$

$u_{BC}(t)=e_2(t) - e_3(t)$

$u_{CA}(t)=e_3(t) - e_1(t)$.

Tensioni stellate e concatenate

Nel caso di sistema trifase simmetrico ed equilibrato i tre generatori singoli monofase che costituiscono il generatore trifase, sono isofrequenziali con la stessa e le fasi differiscono di $\frac{2}{3}\pi$ (120°).

Le tensioni misurate tra i punti A-B, B-C e C-A sono dette tensioni concatenate. In un sistema equilibrato e simmetrico, la relazione tra tensioni di fase e tensioni concatenate è data da:

$\bar U_{AB} = \bar E_1 - \bar E_2 = \sqrt{3} E_{eff} e^{j(\alpha-\frac{\pi}{6})}$

$\bar U_{BC} = \bar E_2 - \bar E_3 = \sqrt{3} E_{eff} e^{j(\alpha-\frac{5\pi}{6})}$

$\bar U_{CA} = \bar E_3 - \bar E_1 = \sqrt{3} E_{eff} e^{j(\alpha-\frac{3\pi}{2})}$

dove $E_{eff}$ è il valore efficace delle tre tensioni di fase, legato al valore massimo dalla relazione: $E_{eff}=\frac{E_m}{\sqrt 2}$.

Si può dimostrare facilmente che la somma delle tensioni stellate in queste condizioni è nulla.

Le tensioni ufficialmente usate in Italia sono 230 V tra fase e neutro e 400 V tra fase e fase (prima dell'adeguamento alla rete europea erano 220 V fase-neutro e 380 V fase-fase).

Stella e triangolo

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  Stella (simbolo: Y)

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  Schema di connessione a stella

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  Triangolo o delta (simbolo: Δ)

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  Schema di connessione a triangolo

Il collegamento dei carichi nella pratica quotidiana, per esempio gli avvolgimenti di un motore elettrico o di un trasformatore, può essere effettuato nelle due modalità. In genere sulle macchine è presente una scatola (morsettiera) in cui è possibile configurare il circuito per mezzo di ponticelli, in modo da adattare il funzionamento a tensioni concatenate di 400 oppure 230 volt. In alcuni grossi motori asincroni trifase progettati per funzionare con gli avvolgimenti collegati a triangolo (quindi sottoposti alla tensione concatenata) è possibile effettuare l’avviamento stella.

La configurazione a triangolo presenta tra due linee (fasi) una impedenza equivalente pari al valore delle impedenze usate (I), mentre nella configurazione a stella il valore è maggiore di un fattore 3.

Il neutro

Nella configurazione a stella esiste un punto centrale su cui converge un terminale di ciascuna impedenza. Questo punto è chiamato neutro. Il potenziale elettrico presente sul punto neutro è la somma vettoriale delle tensioni di fase, che in un sistema equilibrato e simmetrico ha valore nullo. Se il sistema viene squilibrato o le tensioni diventano asimmetriche, il punto neutro si sposta dal centro della stella. In tale caso le tensioni fase-neutro non saranno uguali tra loro.

Generalmente nelle cabine di distribuzione elettrica il secondario del trasformatore di riduzione è configurato a stella, e il punto neutro viene collegato a terra per mezzo di un dispersore infisso nel terreno. Inoltre è consegnato all'utente (oltre alle fasi) per mezzo della linea del neutro.

Lo scopo è quello di permettere il ritorno della differenza di corrente tra le linee di fase nel caso, peraltro frequentissimo nella distribuzione elettrica pubblica, in cui i carichi presenti non siano equilibrati. In tale situazione infatti il potenziale del neutro del trasformatore ed il potenziale del neutro del carico non corrispondono. Il collegamento di neutro rappresenta un cortocircuito che tende a uguagliare il potenziale del neutro del carico a quello del trasformatore, ripristinando così parzialmente la simmetria delle tensioni di linea.

L'utenza monofase

Contatore elettronico trifase con interruttore non automatico comandato da bobina di sgancio, modello utilizzato dall'ENEL (la limitazione della potenza è gestita da un circuito elettronico che comanda lo sganciatore, si notano i collegamenti per le tre fasi separate R, S, T + il neutro)

Nella maggior parte delle abitazioni domestiche arrivano solamente due conduttori: una fase ed il neutro. La tensione fase-neutro è pari a 220-230 V, che è la nota tensione di funzionamento della maggior parte delle apparecchiature domestiche.

Questo viene fatto essenzialmente per economia d'impianto, trattandosi di utenze prevalentemente destinate all'illuminazione e ad altri utilizzi in cui una singola fase è sufficiente e non si ha a che fare con grosse macchine rotanti come avviene nelle industrie, e la potenza installata è spesso modesta e limitata a pochi kW.

Le forniture agli utenti monofase sono distribuite tra le tre fasi in modo da equilibrare statisticamente gli assorbimenti e ottimizzare il trasporto. Le correnti di ritorno dai neutri delle abitazioni si compensano mediamente in modo da fare tendere a zero la corrente di neutro verso il trasformatore presente in cabina.

In alcune zone d'Italia è ancora presente la distribuzione trifase a 220 V (tensione concatenata) con 127 V di tensione fase-neutro, a causa di ritardi nell'adeguamento ai valori standard europei (400/230 V). In questi casi, il neutro non viene più utilizzato e le utenze impropriamente definite "monofase" vengono allacciate tra due fasi per fornire 220 V; le utenze trifase ricevono esclusivamente i tre conduttori di fase (la possibilità di prelevare la monofase a 127 V non troverebbe alcuna utilità ai giorni nostri). Si tratta di situazioni "temporanee", destinate ad essere sanate in breve tempo. Per evitare inconvenienti con gli utilizzatori trifase, molti impianti utilizzano un trasformatore elevatore per ottenere i valori standard di 400/230 V; il neutro è ottenuto collegando il centro stella del secondario all'impianto di terra dell'edificio. In questo modo è assicurato il funzionamento delle normali apparecchiature reperibili in commercio, e l'adeguamento della rete ai valori standard comporterà la sola rimozione del trasformatore.

Le forniture monofase vengono generalmente concesse per potenza impegnata fino a 6 kW, raramente possono raggiungere i 10 kW (a discrezione del gestore); al di sopra dei 10 kW di potenza impegnata sono concesse esclusivamente forniture trifase. Queste limitazioni sono imposte dal gestore per evitare squilibri, a livello locale, sulla rete di distribuzione finale in bassa tensione.

Misura della potenza attiva

Per approfondire, vedi Misure di potenza nei sistemi trifase.

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

$P_f = V_{fn} \cdot I_f \cdot \cos \varphi$

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

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

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

Momento di rotazione

La presenza di tre segnali sfasati permette di creare facilmente un campo magnetico rotante, alla base del funzionamento del motore elettrico. I piccoli motori elettrici utilizzati negli elettrodomestici, alimentati con una sola fase o non sono autoavvianti o necessitano di un condensatore per la creazione di una seconda fase d'alimentazione ed essere autoavvianti, ma in questo caso si ha comunque un calo di rendimento.

Ottimizzazione dei conduttori

Un elettrodotto (su cui si possono osservare quattro terne di fili) ed una cabina elettrica

Possiamo tranquillamente immaginare i tre generatori del sistema trifase come tre generatori fisicamente separati, ciascuno con la propria linea a due fili diretta verso i carichi. In questo caso i fili necessari sarebbero sei. Ebbene, nel sistema trifase questi tre generatori sono sincronizzati e sfasati come già detto di 120°. Questo fatto comporta che la somma algebrica delle correnti circolanti istante per istante in uno dei due fili di ciascuna linea è nulla. Ne consegue che se questi tre fili vengono collegati assieme in un unico conduttore, su di esso non si ha circolazione di corrente, ed allora si può addirittura eliminare questo filo, del tutto inutile se il sistema è equilibrato. Il risultato è la possibilità di trasportare la stessa quantità di energia utilizzando tre fili al posto di sei, con un enorme risparmio in rame o alluminio specialmente sui lunghi elettrodotti. Osservando una linea elettrica ad alta tensione si potrà notare la presenza di tre fili, detta terna (o multipli se i tralicci portano più linee). Nelle linee in altissima tensione (>150kV) la singola fase viene trasportata su conduttori multipli, binati o trinati, al fine di ridurre l'induttanza e l'effetto corona con i relativi effetti dispersivi.

Minori perdite di trasporto

Il terzo ma non meno importante aspetto del sistema trifase è la minore potenza dissipata lungo le linee elettriche rispetto a un sistema monofase (maggiore rendimento di trasmissione). Infatti poiché l'energia dei tre generatori viene trasmessa con solo tre fili anziché sei, la perdita di potenza elettrica lungo gli elettrodotti è esattamente la metà del caso monofase.

Codice colore CEI

La norma EN 60446 (Individuazione dei conduttori tramite colori o codici numerici) creata dal CEI stabilisce per i cavi elettrici un preciso codice colore:

• Fase 1: L1, Nero, BK
• Fase 2: L2, Marrone, BN
• Fase 3: L3, Grigio, GY
• Neutro: N, Blu, BU
• Protezione/terra/schermo: giallo-verde

Le industrie produttrici devono rispettare questo codice. Nel caso una linea sia trifase senza neutro è consentito (ma non consigliato) utilizzare la colorazione azzurra per le fasi. Si trovano comunemente in commercio cavi trifase con un conduttore grigio, uno marrone e uno nero (ad esempio), che vincolano a un impiego su linea trifase senza neutro.
Negli impianti monofase, essendo parte di un sistema trifase, il neutro è azzurro, la fase può essere nera, marrone o grigia e la protezione e la terra gialle-verdi.
Questa distinzione è in vigore dal 1990; pertanto, negli impianti antecedenti i colori potrebbero non essere rispettati.

Voci correlate

• Elettrotecnica
• Ingegneria elettrica
• Distribuzione di energia elettrica
• Fattore di potenza
• Sistema bifase
• Trasformazioni stella-triangolo
• Trazione trifase
• Lista dei veicoli ferroviari trifase italiani
• Misure di potenza nei sistemi trifase
• Inserzione Aron

Collegamenti esterni

• Generazione di un sistema trifase simmetrico di tensioni. Lezione

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