Sistema trifase: differenze tra le versioni
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[[File:3phase AC wave.gif|thumb|Le tensioni in un sistema trifase bilanciato]]
In [[elettrotecnica]] un '''sistema trifase''' è in generale un [[circuito elettrico]] costituito da tre [[Conduttore elettrico|conduttori]] alimentato da tre [[Corrente alternata|grandezze elettriche sinusoidali]] di uguale [[frequenza]].<ref>{{Treccani|trifase|Trifase}}</ref> I sistemi trifase più diffusi sono bilanciati, ovvero hanno fasi sfasate tra loro di 120° e di uguale ampiezza. I sistemi trifase sono largamente impiegati nella [[Produzione di energia elettrica|produzione]], [[Trasmissione di energia elettrica|trasmissione]], [[Distribuzione di energia elettrica|distribuzione]] e utilizzo dell'[[energia elettrica]].
== Definizioni ==
[[File:Generatore trifase.svg|thumb|Sistema trifase connesso a stella]]
Un sistema trifase è un sistema costituito da tre [[Conduttore elettrico|conduttori]] <math>a</math>, <math>b</math> e <math>c</math> alimentato da tre [[Tensione elettrica|tensioni]] [[Corrente alternata|alternate]] <math>e_a(t)</math>, <math>e_b(t)</math> e <math>e_c(t)</math> caratterizzate dallo stesso [[Funzione periodica|periodo]] <math>T</math>, e quindi dalla stessa [[frequenza]] <math>f</math> dalla stessa [[Velocità angolare|pulsazione]] <math>\omega=2\pi f</math>. In generale ogni tensione di fase è caratterizzata da una propria [[ampiezza]], <math>E_{a_\max}</math>, <math>E_{b_\max}</math> e <math>E_{c_\max}</math> e fissato un riferimento di tempo, da una propria [[Fase (fisica)|fase iniziale]] <math>\phi_a</math>, <math>\phi_b</math> e <math>\phi_c</math>:
:<math>\
Ogni conduttore di un sistema trifase è alimentato da una tensione alternata caratterizzata da una propria fase iniziale, pertanto la grandezza elettrica considerata prende il nome di tensione di fase. Per estensione del termine il conduttore soggetto a una certa tensione di fase è denominato [[fase]], si intende allora per sistema trifase un circuito elettrico costituito da tre fasi. Quando le tre fasi sono collegate allo stesso [[Morsetto (elettrotecnica)|terminale]] si parla di collegamento a stella, mentre il terminale comune è definito centro stella. In questa particolare configurazione la tensione di fase è la tensione misurata tra il centro stella e il terminale della fase, prendendo così il nome di tensione stellata. Al centro stella è possibile connettere un conduttore, detto [[Neutro (elettrotecnica)|neutro]], la tensione di fase in questo caso è quindi definita come tensione tra fase e neutro.
Oltre alla tensione tra fase e neutro questi circuiti sono caratterizzati dalla tensione tra fase e fase, denominata anche tensione di linea o tensione concatenata. Si identificano allora le tre tensioni <math>v_{ab}(t)</math>, <math>v_{bc}(t)</math> e <math>v_{ca}(t)</math>:
:<math>\begin{cases} v_{ab}(t)=e_a(t)-e_b(t) \\ v_{bc}(t)=e_b(t)-e_c(t) \\ v_{ca}(t)=e_c(t)-e_a(t) \end{cases}</math>
In modo del tutto analogo si definiscono le correnti di fase e le correnti di linea.
=== Sistema trifase bilanciato ===
[[File:3 phase AC waveform.svg|thumb|Fasi bilanciate]]
[[File:Diagramma delle fasi nel sistema trifase.jpg|thumb|Tensioni concatenate di un sistema trifase bilanciato]]
Un sistema trifase bilanciato è un sistema trifase equilibrato e simmetrico. Un sistema si dice equilibrato quando l'ampiezza della tensione delle tre fasi è la medesima, <math>E_{a_\max}=E_{b_\max}=E_{c_\max}</math>, si definisce allora per le tre tensioni un'unica ampiezza <math>E_\max</math>. Un sistema invece si dice simmetrico quando le tre fasi sono sfasate tra loro di <math>\tfrac{2}{3}\pi</math> (angolo in [[Radiante|radianti]] equivalente a 120°), pertanto preso come riferimento per le fasi iniziali <math>\phi_a=0</math> si ottiene un sistema del tipo:
:<math>\begin{cases} e_a(t)=E_\max\cos\omega t \\ e_b(t)=E_\max\cos(\omega t + {2 \over 3}\pi) \\ e_c(t)=E_\max\cos(\omega t-{2 \over 3}\pi) \end{cases}</math>
Trattandosi di tre grandezze sinusoidali è possibile definire il [[valore efficace]] <math>E</math> tale che <math>E_\max=\sqrt{2}E</math>, allora nell'algebra dei [[Fasore|fasori]] le tre tensioni diventano:
:<math>\begin{cases} \bar{E}_a=E \\ \bar{E}_b=Ee^{j{2 \over 3}\pi} \\ \bar{E}_c=Ee^{-j{2 \over 3}\pi} \end{cases}</math>
una proprietà fondamentale dei sistemi trifase bilanciati è data dal fatto che la somma delle tre tensioni di fase è nulla <math>\bar{E}_a+\bar{E}_b+\bar{E}_c=0</math>.
Le tensioni concatenate di un sistema trifase bilanciato sono:
:<math>\begin{cases} \bar{V}_{ab}=\sqrt{3}Ee^{j\big({2 \over 3}\pi+{\pi \over 6}\big)} \\ \bar{V}_{bc}=\sqrt{3}Ee^{j\big(-{2 \over 3}\pi+{\pi \over 6}\big)} \\ \bar{V}_{ca}=\sqrt{3}Ee^{j{\pi \over 6}} \end{cases}</math>
== Descrizione ==
Si può dimostrare che in queste condizioni, ovvero nel caso di sistema equilibrato simmetrico (carichi equilibrati) la somma delle tensioni stellate è nulla, rendendo di fatto inutile un ulteriore conduttore su cui far richiudere le tensioni ([[Neutro (conduttore)|conduttore neutro]] - vedi dopo).
Le tensioni usate in [[Italia]] sono:
*oggi, 230 [[volt|V]] tra fase-neutro, 400 V tra fase-fase
*prima dell'adeguamento alla rete europea, 220 V fase-neutro e 380 V fase-fase.
=== Schemi di connessione ===
{{vedi anche|Trasformazioni stella-triangolo}}
<gallery>
File:AC star connection.svg|Stella (simbolo: '''Y''')
File:Three-phase star schematic.svg|Schema di connessione a stella
File:AC delta connection.svg|Triangolo o delta (simbolo: '''Δ''')
File:Three-phase delta schematic.svg|Schema di connessione a triangolo
</gallery>
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 [[motore asincrono|motori asincroni]] trifase progettati per funzionare con gli avvolgimenti collegati a triangolo (quindi sottoposti alla tensione concatenata) è possibile effettuare l'avviamento stella (vedere [[Motore trifase#Collegamento e verso di rotazione|Motore trifase§Collegamento e verso di rotazione]]).
La configurazione a triangolo presenta tra due linee (fasi) una [[impedenza]] equivalente pari al valore delle impedenze usate (I) maggiore di un fattore radice di 3, mentre nella configurazione a stella il valore è pari alle impedenze usate (I).{{Chiarire|La configurazione a triangolo presenta tra due linee (fasi) una [[impedenza]] equivalente pari al valore delle impedenze usate (I) maggiore di un fattore radice di 3, mentre nella configurazione a stella il valore è pari alle impedenze usate (I).}}
==
{{vedi anche|Neutro (elettrotecnica)}}
Nella configurazione a stella esiste un punto centrale su cui converge un terminale di ciascuna impedenza. Questo punto è chiamato ''[[neutro (conduttore)|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 [[cabina secondaria|cabine]] di [[distribuzione elettrica]] il secondario del [[trasformatore]] di riduzione è configurato a stella, e il punto neutro viene collegato a [[Messa a terra|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.
==
{{vedi anche|Sistema monofase}}
[[File:Interruttore enel trifase.jpg|thumb|upright=0.7|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 arrivano due conduttori: un [[conduttore di fase]] e il [[Neutro (elettrotecnica)|neutro]]. La tensione fase-neutro è pari a 220-230 V, che è la tensione di funzionamento della maggior parte delle apparecchiature domestiche.
Questo viene fatto essenzialmente per economia d'impianto, in tratte prevalentemente destinate all'illuminazione e ad altri utilizzi in cui una fase è sufficiente; non si ha a che fare con grosse macchine rotanti come avviene nelle industrie, e la potenza installata è limitata a pochi [[Watt|kW]].
Le forniture agli utenti monofase sono distribuite tra le tre fasi in modo da cercare di equilibrare gli assorbimenti e ottimizzare il trasporto. Le correnti di ritorno dai neutri delle abitazioni si compensano in modo da fare tendere a zero la corrente di neutro verso il trasformatore in cabina.
In alcune zone d'Italia (soprattutto in alcuni quartieri dentro e nei dintorni di [[Roma]] tra cui [[Ostia (Roma)|Ostia]]) è ancora presente la distribuzione trifase con tensione concatenata 220 V, 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 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 concesse di norma per potenza impegnata fino a {{M|6|u=kW}}, raramente raggiungono i {{M|10|u=kW}} (a discrezione del gestore); al di sopra dei {{M|10|u=kW}} 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 ==
{{vedi anche|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
<math>P_f = V_{fn} \cdot I_f \cdot \cos \varphi </math>
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 '''
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 un [[campo magnetico]] rotante, alla base del funzionamento del [[motore elettrico]]. I motori utilizzati negli elettrodomestici, alimentati con una fase, o non sono auto-avvianti o necessitano di un condensatore per la creazione di una seconda fase d'alimentazione ed essere auto-avvianti (in questo caso si ha comunque un calo di rendimento).
=== Ottimizzazione dei conduttori ===
[[File:Freileitung mit Transformatorhaus.jpg|thumb|Un [[elettrodotto]] (su cui si possono osservare quattro terne di fili) ed una cabina elettrica]]
Possiamo 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 di 120°. Se anche le tre correnti dei generatori sono uguali in modulo e sfasate di 120° (sistema equilibrato) la somma [[Algebra|algebrica]] delle tre 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 conduttore, su di esso non si ha circolazione di corrente, ed allora si può eliminare questo filo. Se invece il sistema non è equilibrato in questo filo scorrerà corrente. Il risultato è la possibilità di trasportare la stessa quantità di energia utilizzando tre fili in luogo di sei, con un grande risparmio in [[rame]] o [[alluminio]] specialmente sui lunghi [[Elettrodotto|elettrodotti]]. Infatti, osservando una linea elettrica ad [[alta tensione]] si nota la presenza di tre fili, detta terna (o multipli se i tralicci portano più linee).
Nelle linee in altissima tensione (> 150 kV) ciascuna delle tre fasi 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 l'energia dei tre generatori viene trasmessa con solo tre fili anziché sei perché mancano le tre linee di ritorno della corrente per ciascuna fase. Di conseguenza, il percorso della corrente di ciascuna fase viene dimezzato ed è quindi dimezzata la [[resistenza elettrica|resistenza]] di linea. Infatti considerando la potenza dissipata per effetto joule: P=VI=RI^2, la resistenza è pari a [ρ•(lunghezza)]/S quindi dimezzando la lunghezza del filo, lasciando invariate le altre grandezze, viene dissipata metà della potenza. Le altre grandezze sono rispettivamente ρ, resistività elettrica, che dipende dal materiale con cui è formato il cavo ed S è la sezione.
== Codice colore CEI ==
La norma EN 60446 (''Individuazione dei conduttori tramite colori o codici numerici'') creata dal [[Commissione elettrotecnica internazionale|CEI]] consiglia per i cavi elettrici un preciso codice colore:
* Fase R o L1: marrone
* Fase S o L2: nero
* Fase T o L3: grigio
* Neutro N: blu
* 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.<br />
Negli impianti monofase, essendo parte di un sistema trifase, il neutro è azzurro, la fase è consigliato sia nera, marrone o grigia e la protezione/terra giallo-verde.<br />
Questa distinzione è in vigore dal [[1990]]; pertanto, negli impianti antecedenti i colori potrebbero non essere rispettati.
== Note ==
<references/>
== Voci correlate ==
* [[Elettrotecnica]]
* [[Ingegneria elettrica]]
* [[Distribuzione
* [[Fattore di potenza]]
* [[Sistema bifase (elettrotecnica)]]
* [[Trasformazioni stella-triangolo]]
* [[Trazione trifase]]
* [[Lista dei rotabili italiani#Elettrificazione 3,6 kV 16,7 Hz trifase]]
* [[Misure di potenza nei sistemi trifase]]
* [[Inserzione Aron]]
== Altri progetti ==
{{interprogetto}}
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* [https://www.sandroronca.it/SistemiTrifase/TrifaseEquilibrati.html Introduzione ai sistemi trifase simmetrici ed equilibrati]. Modulo interattivo
{{Nikola Tesla}}
{{Controllo di autorità}}
{{Portale|elettrotecnica|Ingegneria}}
[[Categoria:Energia elettrica]]
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