Sistema trifase

In elettrotecnica con sistema trifase si intende un particolare sistema di distribuzione dell'energia elettrica basato su tre tensioni elettriche con differente fase.

Diagramma delle fasi

Si può rappresentare un generatore trifase come costituito da tre generatori singoli di corrente alternata con la stessa frequenza ma con le fasi traslate di 120° collegati in comune per un terminale. Le tensioni presenti ai capi liberi dei generatori è schematizzata nel seguente diagramma polare:

Si possono osservare i vettori 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 equilibrato, 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-D sono dette tensioni concatenate o di linea. La relazione tra tensioni di fase e tensioni concatenate è data da:

${\bar {U}}_{12}={\bar {E}}_{1}-{\bar {E}}_{2}={\sqrt {3}}\cdot E/{120^{\circ }}$

${\bar {U}}_{12}={\bar {E}}_{1}-{\bar {E}}_{2}={\sqrt {3}}\cdot E/{0^{\circ }}$

${\bar {U}}_{12}={\bar {E}}_{1}-{\bar {E}}_{2}={\sqrt {3}}\cdot E/{-120^{\circ }}$

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 volt per le tensioni linea-neutro e 400 volt per le tensioni concatenate; In alcune zone sono attive reti con tensioni rispettivamente di 125 e 220 volt.

Stella e triangolo

È possibile rappresentare un generatore od un carico trifase secondo due modelli: a stella e a triangolo, anche detto a delta:

Stella

Stella
Triangolo o delta

La configurazione a stella presenta tra due linee (fasi) una impedenza equivalente pari al valore delle impedenze usate (I), mentre nella configurazione a triangolo il valore e maggiore di un fattore ${\sqrt {3}}$ .

Il collegamento dei carichi nella pratica quotidiana, per esempio gli avvolgimenti di un motore elettrico, può essere effettuato nelle due modalità. In genere sui motori è presente una scatola in cui è possibile configurare il circuito per mezzo di ponticelli, in modo da adattare la macchina per funzionare con tensioni concatenate di 400 oppure 230 volt. In alcuni grossi motori l'avviamento viene effettuato configurando inizialmente gli avvolgimenti a triangolo, passando poi a stella una volta a regime. In questo modo la minore impedenza presentata dal triangolo causa una maggiore potenza sviluppata e quindi un più rapido superamento dell'inerzia di avvio.

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 ha valore nullo.

Nelle cabine di distribuzione elettrica, il punto neutro del trasformatore di riduzione viene collegato a terra per mezzo di un dispersore infisso nel terreno ed è inoltre 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, in cui i carichi presenti non siano equilibrati.

L'utenza monofase

Nelle abitazioni domestiche arrivano solamente due fili: una fase ed il neutro. In una rete trifase a 400 volt, la tensione linea-terra è pari a circa 230 volt, che è la nota tensione per usi domestici.
Questo viene fatto essenzialmente perché questo tipo di destinazione d'uso 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, inoltre la potenza installata è modesta, limitata a pochi Chilowatt.
Le forniture agli utenti monofase sono distribuite tra le tre fasi in modo da equilibrare statisticamente gli assorbimenti ed 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.

In alcune zone di Italia si utilizza un tipo di distribuzione trifase a 220 volt (tensione concatenata). In questi casi nelle abitazioni vengono portate due linee di fase invece di fase e neutro.

Misura della potenza attiva

La potenza attiva assorbita da un carico trifase 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 φ, vale la formula:

$P_{f}=V_{fn}\cdot I_{f}\cdot \cos \phi$

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 sistema 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 due fondamentali vantaggi.

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, devono generare il campo rotante con particolari artifici, e si ha comunque un considerevole 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 qesto 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 i 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 (o multipli se i tralicci portano più linee).