Rifasamento degli impianti trifase

Rifasamento degli impianti trifase

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Abbiamo già visto l’importanza del rifasamento negli impianti a corrente alternata monofase. Il problema acquista rilevanza maggiore quando passiamo a considerare impianti trifasi: questo perché in pratica sono gli utilizzatori trifasi (motori) quelli che più generalmente assorbono notevoli quantità di potenza reattiva influendo maggiormente sul fattore di potenza.

Abbiamo detto che per rifasare un impianto vengono inseriti in parallelo agli utilizzatori adatti condensatori.

Nelle linee trifase i condensatori di rifasamento possono essere collegati sia a stella che a triangolo, Figura 1.

Nel primo caso la potenza reattiva fornita dal raggruppamento a stella, poiché ciascun condensatore viene alimentato dalla tensione di fase è:

in cui C indica la capacità di ogni condensatore del collegamento. Volendo rifare completamente il valore della capacità del singolo condensatore, essendo:

Q = P·tg φ

la totale potenza reattiva assorbita dal carico, vale:

Se vogliamo rifasare parzialmente, da cos φ₁, a cos φ₂, allora C vale:

Nel collegamento a triangolo, poiché ogni condensatore è alimentato dalla tensione concatenata V, la potenza reattiva fornita dal raggruppamento a triangolo è:

Q = 3·ω·C·V²

A seconda poi che si voglia rifasare totalmente o parzialmente, otterremmo:

(rifasamento totale)

oppure:

(rifasamento parziale)

Il confronto tra i due raggruppamenti ci porta a preferire il collegamento a triangolo rispetto a quello a stella perché impegna, a parità di potenza reattiva fornita dall’utilizzatore, condensatori di capacità minore (esattamente un terzo), con conseguente risparmio economico.

In pratica, quindi, il rifasamento degli impianti trifasi è sempre fatto con gruppi di condensatori collegati a triangolo.

Nella pratica la possibilità di eseguire il doppio collegamento delle fasi conduce alla necessità di valutarne opportunamente la scelta.

Si tratta, in altre parole, di precisare quale possa essere la convenienza di effettuare l’uno o l’altro dei due tipi di collegamento.

Le nostre considerazioni possono essere riferite a sistemi simmetrici ed equilibrati (caso generale in pratica).

Il sistema trifase in esame, dovendo impegnare la stessa potenza attiva e reattiva, comunque sia il collegamento delle sue fasi, dovrà presentare sempre la stessa corrente di linea, poiché la tensione di linea rimane costante.

Se il collegamento delle fasi è a stella, ogni ramo deve sopportare tutta la corrente di linea, mentre è sottoposto ad una tensione volte minore. Se, invece, il collegamento delle fasi è a triangolo, ogni ramo deve sopportare una corrente di intensità volte minore di quella di linea, mentre è sottoposto a tutta la tensione di linea. In pratica, quindi, useremo il collegamento a stella quando le tensioni di linea sono relativamente elevate, mentre impiegheremo il collegamento a triangolo quando le tensioni di linea sono relativamente basse.

Questa impostazione è importante soprattutto se viene riferita agli aspetti costruttivi delle macchine elettriche, in particolare agli avvolgimenti. Infatti all’aumentare della tensione applicata all’avvolgimento (fase) aumenta il numero delle spire e la difficoltà di isolamento dei conduttori; mentre all’aumentare della corrente nell’avvolgimento, aumenta la sezione del conduttore e la difficoltà di smaltimento del calore da parte del conduttore stesso.

Un problema connesso a queste valutazioni è quello di vedere se un dispositivo trifase (ad es. un forno o un motore) progettato per funzionare ad una data tensione, può funzionare ad una tensione diversa.

Questo problema lo possiamo risolvere nei limiti di quanto detto prima. Infatti il dispositivo avente le fasi collegate a triangolo e funzionante alla tensione V può funzionare alla tensione ·V se le sue fasi verranno collegate a stella. Viceversa se il dispositivo funzionante alla tensione V ha le fasi collegate a stella, esso può funzionare alla tensione:

con collegamento a triangolo.

In definitiva il dispositivo può funzionare allo stesso modo con due tensioni diverse, purché queste siano nel rapporto di e il collegamento sia quello adatto. Se consideriamo, ad esempio, un motore trifase con collegamento delle fasi a triangolo funzionante a 220 V, questo dà le stesse prestazioni a 380V (·220) con le fasi collegate a stella e viceversa.

Questa caratteristica, molto diffusa in pratica, fa si che molti dispositivi industriali siano dotati di una morsettiera cui fanno capo le entrate e le uscite di ciascun avvolgimento di fase, in modo da avere la possibilità di passare dal collegamento a triangolo a quello a stella, e viceversa, con relativa facilità, Figura 2.

Possiamo fare altre considerazioni importanti riguardo alla distribuzione di energia elettrica.

Il sistema trifase di distribuzione dell’energia presenta innanzitutto vantaggi di tipo economico rispetto al caso monofase. D’altra parte sappiamo che la generalità degli utilizzatori nella distribuzione domestica e per illuminazione è monofase, mentre altri utilizzatori di tipo industriale (motori) sono principalmente trifasi.

È possibile con un sistema trifase con neutro (derivato ad esempio dal centro stella degli avvolgimenti di un trasformatore di una cabina di distribuzione) soddisfare entrambe le esigenze.

Infatti possiamo disporre di due tensioni a seconda che il collegamento venga effettuato derivando due o tre fasi oppure una fase ed il neutro: nel primo caso abbiamo la tensione concatenata V e nel secondo quella di fase E (Figura 3).

Gli impianti monofase vengono normalmente realizzati utilizzando la tensione di fase di un sistema 220/380 V e, solo nel caso in cui vi siano ancora le vecchie tensioni 125/220 V, si è unificata provvisoriamente la tensione 220 V utilizzando la concatenata.

Ovviamente i carichi collegati devono essere il più possibile equilibrati, cioè con lo stesso valore di corrente per ogni fase. Per tale motivo nella distribuzione monofase vengono utilizzate tutte e tre le fasi, in modo da ripartire il più uniformemente possibile il carico tra esse.

La distribuzione dell’energia a bassa tensione viene attuata mediante linee aeree o in cavo a quattro conduttori, in cui la sezione del filo neutro è uguale a quella dei conduttori di fase per tener conto degli squilibri provocati dai carichi monofasi.

Le linee impiegate nelle zone rurali e nei piccoli centri sono costituite da conduttori nudi poggiati su palificazioni, mensole o sostegni particolari sistemati, dove è consentito, sui muri degli edifici.

Quelle in cavo, invece, utilizzate nei grandi centri abitati, sono realizzate con cavi sotterranei.

In questi ultimi anni, in seguito al continuo aumento delle potenze richieste dai piccoli utenti, le linee di distribuzione sono diventate sempre più corte, con sezioni sempre più grosse.

Un altro aspetto importante della distribuzione trifase con collegamento a stella con neutro è quello della sicurezza delle persone.

Collegando a terra il neutro di un sistema a stella, infatti, possiamo disporre di un conduttore di terra in ogni punto dell’impianto ed inoltre si ha la garanzia che fra massa e conduttori di linea non vi può essere una tensione superiore a quella di fase (Figura 4).

È evidente infine che una distribuzione con collegamento a triangolo non è proponibile. Infatti per alimentare carichi monofase deve disporre dì tensioni concatenate di valore basso (ricordiamo che le tensioni di fase sono uguali a quelle concatenate); ma soprattutto riguardo ai motivi di sicurezza l’assenza del neutro impedisce di fatto la messa a terra e l’installazione di elementi di protezione nel caso di guasti e contatti accidentali.

A conclusione di questa parte riguardante i sistemi trifase, riportiamo in Figura 5 i simboli impiegati per i collegamenti negli impianti e sulle targhe dei macchinari secondo le norme C.E.I..

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