Indice

Corso di Elettrotecnica Capitolo VI

Sistemi trifase

di Gennaro Bottiglieri

La < Fase > in corrente alternata.

La fase in corrente alternata rappresenta la posizione di una corrente o di una tensione nel suo ciclo.

Ad esempio: si è visto che corrente e tensione sono in fase quando raggiungono i loro valori zero e massimo negli stessi istanti

sono spostati nel ciclo di un certo angolo.

La parola fase viene usata anche riferita a due o più tensioni e a due o più correnti esistenti nello stesso tempo in un unico circuito.

Ad esempio: Quando nel circuito esiste una sola corrente si ha una sola fase. In questo caso il circuito viene detto < monofase >

Invece se nello stesso circuito esistono due o più correnti si ha un sistema < polifase>.

In questo caso se le correnti sono due il sistema viene detto <bifase>, se sono tre viene detto< trifase>, se sono sei viene detto < esafase> ecc.

Tensione Alternata Trifase

La tensione alternata trifase è un tipo di tensione che si genera in tre avvolgimenti indipendenti ed ugualmente distanziati tra loro, in un campo magnetico ruotante.

La tensione è composta da tre tensioni sfasate tra loro di 120°, che danno luogo, a un circuito chiuso, ad un passaggio di tre correnti sfasate anch’esse di 120°; cioè tensioni e correnti raggiungono i valori zero ed i valori massimi, 1/3 di ciclo in ritardo l’una rispetto all’altra.

Collegando i tre avvolgimenti del generatore, mediante sei conduttori a tre utilizzatori, si ottiene un sistema trifase a sei fili, in cui i singoli circuiti funzionano indipendentemente, come tre circuiti monofasi:

Sostituendo ai tre conduttori di ritorno della corrente un unico conduttore si realizza un sistema trifase a quattro fili, in cui l’unico conduttore di ritorno, nel quale le tre correnti si sommano viene chiamato< neutro>

• Se le tre correnti sono uguali, la loro somma in ogni istante è uguale a zero ed in questo caso il neutro non risulta attraversato da corrente.

• Se le correnti non sono uguali, la loro somma in ogni istante non è uguale a zero e pertanto il neutro risulta attraversato da corrente.

Collegamenti Trifasi

I collegamenti trifasi servono, principalmente, per ottenere con un unico sistema trifase due diversi valori della tensione.

Infatti, come si è visto, collegando assieme tre conduttori di ritorno di un generatore trifase, si ottiene un sistema trifase a quattro fili, in cui, i tre conduttori di andata vengono detti < conduttori di fase> ed il conduttore di ritorno, comune a tutti e tre gli avvolgimenti, viene detto <neutro>

Pertanto, la tensione esistente tra un conduttore di fase ed il neutro è uguale a quella generata da un avvolgimento del generatore. Essa viene detta < tensione di fase > e viene in genere indicata con la lettera E.

Invece, la tensione esiste tra i due conduttori di fase, non è doppia di quella generata da un avvolgimento ma, a causa dello sfasamento di 120° tra le tensioni di fase, risulta 1,73 volte maggiore. Essa viene detta < tensione concatenata> e viene indicata con la lettera V.

 Vc = 1.73 E_f

Quindi gli utilizzatori a seconda di come vengono collegati in un sistema trifase, possono essere sottoposti o alla tensione di fase o alla tensione concatenata; nel primo caso si ha il collegamento a stella, nel secondo caso il collegamento a triangolo.

Collegamento a stella

Nel collegamento a stella gli utilizzatori risultano sottoposti alla tensione esistente tra un conduttore di fase ed il neutro che è dato da:

TENSIONE di FASE = TENSIONE CONCATENATA / 1.73

L’intensità di corrente che attraversa i vari utilizzatori, cioè la < corrente di fase> è la stessa che attraversa i conduttori di linea.

CORRENTE di FASE = CORRENTE di LINEA

• Quando i valori dell’impedenza Z degli utilizzatori sono uguali, i tre conduttori di linea sono attraversati da un’intensità di corrente uguale.

In questo caso si dice che il carico è <equilibrato>, e come già visto il neutro non risulta attraversato da corrente.

• Quando i valori dell’impedenza degli utilizzatori non sono uguali, i tre conduttori di linea risultano attraversati da intensità di corrente diverse.

In questo caso si dice che il carico è < squilibrato>, ed il neutro risulta attraversato da una certa intensità di corrente.

Nota: Se in un circuito squilibrato non esiste il neutro, si hanno delle perturbazioni in quanto ogni linea, oltre che a funzionare da alimentatrice, deve funzionare da conduttore di ritorno per le altre.

Quindi le correnti di linea possono assumere valori notevolmente diversi e di conseguenza variano anche le tensioni di fase.

Pertanto alcuni utilizzatori risultano sottoposti a tensione superiore a quella di funzionamento, mentre altri risultano sottoposti a tensione inferiore.

Collegamento a triangolo

Nel collegamento a triangolo, gli utilizzatori risultano sottoposti alla tensione concatenata, poiché vengono collegati tra i due conduttori di fase.

L’intensità di corrente che attraversa ogni utilizzatore, cioè la corrente di fase, è data da:

CORRENTE di FASE = TENSIONE CONCATENATA/ IMPEDENZA

Se gli utilizzatori, hanno impedenza uguale, essi risultano attraversati da tre correnti di fase uguali e sfasate tra loro di 120°

In questo caso l’intensità di corrente che circola nella linea, non è data dalla somma delle correnti di fase, ma a causa del loro sfasamento di 120°, è data, come per la tensione da:

CORRENTE di LINEA = CORREMTE di fase x 1.73

Ciò significa che la corrente che circola nella linea, con gli utilizzatori collegati a triangolo, è 1,73 volte maggiore della corrente che attraversa gli utilizzatori

I_L = 1.73 I_f.

Nota: Se i valori delle tre impedenze sono diversi, si ha che ogni utilizzatore è percorso da una corrente di fase diversa, e le correnti di linea non più date dalla relazione precedente, ma vengono calcolate con formule trigonometriche.

Potenza attiva nei circuiti trifasi

Il calcolo della potenza attiva in un circuito trifase non differisce molto da quello nei circuiti monofasi.

Infatti collegando tre utilizzatori ad una linea trifase a quattro fili si ha che ogni singolo utilizzatore viene alimentato con la tensione E ed è attraversato dalla corrente I, per cui la potenza attiva, che esso assorbe, è data da:

POTENZA ATTIVA = E I cosφ

Mentre la potenza totale assorbita dai tre utilizzatori, risulta di:

POTENZA ATTIVA = 3 E I cosφ

Invece, se gli avvolgimenti del motore sono collegati a triangolo, si ha che ogni avvolgimento viene alimentato con la tensione V che coincide con la tensione di linea, ed è attraversato da una corrente di fase If che è 1,73 volte minore della corrente di linea I, cioè I_f = 1/1,73 per cui la potenza totale assorbita dal motore, funzionante con un certo  cos φ, risulta di:

POTENZA ATTIVA =  (V I /1.73 )x cos φ

Pertanto, la potenza attiva totale assorbita da un utilizzatore trifase può essere calcolata, indipendentemente dal fatto che l’utilizzatore sia collegato a stella o a triangolo.

 V = tensione di linea

 I = corrente di linea

 cos φ= fattore di potenza

Effetti magnetici della corrente alternata.

Una corrente alternata monofase che percorre una bobina, genera un campo magnetico alternato sinusoidale che risulta in fase con la corrente stessa.

Cioè le linee di forza che si generano nella bobina, invertono di direzione e variano di intensità al variare della corrente.

Pertanto:

• Quando la corrente è massima positiva, agli estremi della bobina si ha “ un polo nord  e un polo sud”

• Quando la corrente è zero non si avrà polarità.

• Quando la corrente è massima negativa, le polarità della bobina sono invertite.

Invece, alimentando tre bobine disposte a 120° tra loro, con tre correnti alternate sinusoidali di eguale frequenza e sfasate di 1/3 di periodo, si hanno tre campi magnetici alternati che si sommano tra loro producendo un campo unico, che viene detto Campo magnetico rotante.

Infatti, quando la bobina A viene percorsa dalla massima corrente positiva, la bobina C viene percorsa da una corrente negativa che tende a zero e la bobina B viene attraversata da una corrente negativa che tende al valore massimo.

Quindi, nella bobina A il flusso è massimi, nella bobina C tende ad annullarsi e ad invertire polarità e nella bobina B tende ad aumentare verso il valore massimo negativo.

Dopo 1/3 di periodo, il flusso è massimo nella bobina C, in quanto essa viene percorsa dalla massima corrente positiva, nella bobina B il flusso tende ad annullarsi e nella bobina A tende al massimo negativo.

Si ha così, che il valore massimo del campo magnetico tende a spostarsi da una bobina alla successiva, ruotando con una velocità uguale alla frequenza della corrente che lo ha generato, provocando un effetto che può essere paragonato a quello prodotto da una calamita rotante.