Sistemi Polifasi

Per sistema polifase si intende un complesso costituito da generatori di tensione o di corrente alternata, che lavorano alla stessa frequenza e le cui tensioni sono sfasate di un angolo costante l’una dall’altra.



Fig. 1.1 –  Sistema trifase. a) alternatore trifase; b generatori; c rappresentazione vettoriale. P = Principio avvolgimento F =fine avvolgimento.

La ragione che ha condotto alla scelta generalizzata dei sistemi polifasi negli impianti di potenza va cercata nella maggior convenienza tecnica ed economica rispetto ad un sistema monofase: il sistema polifase permette infatti un migliore sfruttamento dei generatori, delle linee e dei motori, i quali, a parità di dimensioni, possono produrre, distribuire ed utilizzare una potenza maggiore.

Fra tutti i sistemi polifasi possibili, limiteremo lo studio a quello trifase, utilizzato nella produzione e distribuzione dell’energia elettrica.

Il sistema trifase di tensioni viene generato dall’alternatore trifase, che in un’unica macchina raggruppa tre avvolgimenti identici tra loro e sfasati di 120° (2/31r), come in fig. 1.1a).

Esso viene schematizzato per mezzo di tre generatori, E1, E2, E3, le cui tensioni sono uguali in modulo e sfasate fra loro di 120° (fig. 1.1b); nel linguaggio corrente i tre generatori elementari vengono detti fasi.

Per ogni avvolgimento deve essere chiaramente individuato il morsetto di principio e quello di fine (lettere P ed F di fig. 1.1); lo sfasamento di 120° fra le tre tensioni è definito attribuendo il segno positivo di riferimento per le fasi al principio di ogni avvolgimento.

Riunendo i tre morsetti di fine ad un unico filo di ritorno, detto neutro, il sistema assume la configurazione di fig. 1.2, che prende il nome di collegamento a stella con neutro. I tre principi sono collegati ai fili 1, 2 e 3, detti conduttori di linea, o più semplicemente linee.

In questa configurazione si individuano due terne di tensioni:

1″ terna: tensioni rilevate tra le linee ed il neutro E1, E2, E3;

2’ terna: tensioni rilevate tra le linee a due a due E12, E23, E31.

Fig. 1.2 – Collegamento dei generatori a stella con neutro, detto anche alimentazione a 4 fili.

Le tensioni tra linea e neutro prendono il nome di tensioni stellare o di fase, mentre le tensioni tra le linee vengono dette tensioni concatenate, o di linea.

Le tre tensioni stellate sono rappresentate dai vettori di fig. 1.1 c), le cui componenti sono:

Una terna di tensioni, aventi tutte lo stesso modulo e sfasate tra loro di 120°, prende il nome di terna simmetrica; la somma vettoriale delle tre tensioni stellate, nella terna simmetrica è nulla.

La terna di tensioni concatenate risulta

Fig. 1.3 – Costruzione del diagramma vettoriale per le tensioni di linea.

Lo stesso risultato è ottenuto per mezzo della costruzione vettoriale indicata in fig. 1.3, dalla quale si vede facilmente che le tensioni concatenate hanno modulo √3 volte la tensione stellata

e sono sfasate di 30° in anticipo rispetto alle tensioni stellate.

Anche le tensioni concatenate formano una terna simmetrica, in quanto hanno tutte lo stesso modulo e sono sfasate di 120°; la loro somma vettoriale è ancora nulla.

La rete di distribuzione è normalmente del tipo descritto, a stella con neutro, permettendo così l’accesso a due livelli di tensione: la tensione stellata per le utenze domestiche ed in genere di piccola potenza (in Italia 220 V) e la tensione concatenata per uso industriale (√3*220 V = 380 V).

Alcune reti presentano tuttavia la tensione concatenata di 220 V, a cui corrisponde una tensione stellata di 127 V.

I tre avvolgimenti dell’alternatore trifase possono essere collegati anche a triangolo (fìg. 1.4) quando la fine di ogni avvolgimento viene collegata con il principio del successivo. Tale collegamento è reso possibile poiché in ogni istante la somma delle tre tensioni è nulla, e non dà luogo ad alcuna corrente di maglia, come è facilmente verificabile dalla fig. 1.5.

Fig. 1.4 – Collegamento dei generatori a triangolo.

Fig. 1.5 – Andamento nel tempo delle tre tensioni del sistema trifase. In ogni istante la somma delle tensioni è zero.

Prima di effettuare un collegamento di generatori a triangolo bisogna accertarsi che le loro tensioni formino una terna rigorosamente simmetrica: anche la minima dissimmetria, con conseguente somma diversa da zero, può generare forti correnti di maglia. Nel collegamento a triangolo è disponibile solamente la terna delle tensioni concatenate, che coincidono con quelle dei generatori elementari, essendo assente il neutro.

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