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 (380 V).

È stato inventato da John Hopkinson.

Diagramma delle fasi

Si può considerare un generatore trifase come costituito da tre generatori singoli di corrente alternata con la stessa frequenza ma con le fasi traslate o sfasate di 120°. Lo schema a destra mostra come la somma delle tensioni (phase) dei tre generatori sia sempre pari a 0 Volt.

Se si considera a potenziale di riferimento zero un terminale di ciascun generatore, la tensione presente ai capi liberi è schematizzata nel seguente diagramma polare:
Si noti come fra i tre assi di un sistema di riferimento può esservi un angolo qualsiasi, non necessariamente di 90°. Si possono osservare i fasori corrispondenti alle tre tensioni di fase E₁, E₂ ed E₃, misurate in riferimento al punto centrale N, (chiamato neutro). La somma vettoriale delle tensioni è nulla se il sistema è simmetrico, ovvero se le tensioni sono identiche in modulo e sfasate esattamente di 120°.

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

$\bar U_{AB} = \bar E_1 \ang {0^\circ} - \bar E_2 \ang {-120^\circ} = \sqrt{3} \cdot E \ang {30^\circ}$

$\bar U_{BC} = \bar E_2 \ang {-120^\circ} - \bar E_3 \ang {120^\circ} = \sqrt{3} \cdot E \ang {-90^\circ}$

$\bar U_{CA} = \bar E_3 \ang {120^\circ} - \bar E_1 \ang {0^\circ} = \sqrt{3} \cdot E \ang {150^\circ}$

dove E è il modulo identico per le tre tensioni di fase.

In modulo, si ha: $U = \sqrt{3} \cdot E$

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). Si noti come il rapporto tra queste tensioni sia di $\sqrt{3}$

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

Definendo tensione di linea la tensione misurata tra due linee, nel collegamento a stella la tensione di linea equivale alla differenza (vettoriale) tra due tensioni di fase, ovvero in modulo, in un sistema equilibrato, pari a $\sqrt{3}$ volte la tensione di fase. Nel collegamento a triangolo la tensione di linea corrisponde alla tensione di fase. Ogni schema a stella può essere convertito in uno a triangolo e viceversa.

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 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.

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 magnetotermico fornito dall'ENEL per le industrie (si notano i collegamenti per le tre fasi separate L1, L2, L3 + il neutro)

Nelle abitazioni domestiche arrivano solamente due conduttori: una fase ed il neutro. La tensione fase-neutro è pari a circa 230 V, che è la nota tensione per usi domestici.

Questo viene fatto essenzialmente perché questo tipo di utenza è prevalentemente destinata all'illuminazione e ad altri utilizzi in cui una singola fase è sufficiente. Non si ha a che fare con grosse macchine rotanti come avviene nelle industrie e la potenza installata è modesta, 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 si utilizza un tipo di distribuzione trifase a 220 V (tensione concatenata) con 127 volt di tensione fase-neutro. In questi casi, per fornire comunque 220 V all'utenza, nelle abitazioni vengono portati due conduttori di fase (tensione concatenata) invece che fase e neutro.

Misura della potenza attiva

Per approfondire, vedi la voce 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).

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 CEI 16-4 / EN 60446 (Individuazione dei conduttori tramite colori o codici numerici) stabilisce per i fili elettrici degli impianti trifase un preciso codice colore:

• Fase R o L1: [o nero o grigio o marrone](400/230 V)
• Fase S o L2: [o nero o grigio o marrone](400/230 V)
• Fase T o L3: [o nero o grigio o marrone](400/230 V)
• Neutro N: [azzurro o blu]
• Terra/schermo: giallo/verde

Le industrie produttrici devono rispettare questo codice. I colori del neutro (azzurro o blu chiaro) e della messa a terra (giallo/verde) devono sempre essere rigidamente rispettati, nel caso la linea sia trifase senza neutro è consentito (ma non consigliato) utilizzare la colorazione azzurra per la fase. Si trovano comunemente in commercio cavi trifase con un conduttore grigio uno marrone e uno nero (ad esempio), che vincolano ad un impiego su linea trifase senza neutro. Il conduttore giallo/verde non può mai essere utilizzato come conduttore di fase.

Negli impianti monofase (230 V) si usa per il neutro il colore blu chiaro, per la fase il nero (o marrone, o grigio) e per il filo di terra il giallo/verde .

Questa distinzione è in vigore dal 1990, pertanto negli impianti che risalgono a date anteriori questi 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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