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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.

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.

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

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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