Il sistema trifase è costituito da una sorgente di energia collegata ad un carico attraverso delle linee di trasmissione. Rappresenta una modalità economica ed efficiente di trasmettere potenza elettrica tra grandi distanze. Il sistema trifase è alla base della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica e garantisce quindi che l’elettricità possa essere sfruttata da tutti quotidianamente. In questo articolo vengono presentati i principi su cui si basano i sistemi trifase, esplorandone i principi operativi, i vantaggi che offrono e il ruolo critico che svolgono in varie applicazioni.
Cosa è il sistema trifase?
Il sistema trifase è un tipo di trasmissione e distribuzione di energia elettrica in cui tre conduttori trasportano tre correnti alternate sfasate tra loro. Questa disposizione è comunemente utilizzata in applicazioni industriali e commerciali grazie alla sua efficienza e capacità di gestire carichi ad alta potenza.
Il sistema trifase è composto da:
- tre generatori indipendenti di tensione alternata e che insieme costituiscono un alternatore;
- tre conduttori ovvero tre cavi che fungono da collegamento tra generatori e carico attraverso dei trasformatori;
- tre carichi ovvero una impedenza per ciascuna linea di alimentazione.
In un sistema trifase, l’energia viene trasmessa utilizzando tre conduttori ognuno dei quali conduce una forma d’onda sinusoidale di corrente alternata. Ogni sinusoide è sfasata rispetto all’altra di 120 gradi pari ad un terzo del ciclo.
Questo sfasamento di 120° garantisce un’erogazione di potenza più costante e regolare rispetto ai sistemi monofase. I sistemi trifase sono usati per fornire energia a carichi importanti come edifici, impianti industriali ed apparecchiature elettriche che richiedono elevata potenza.
Come funziona il sistema trifase?
In un sistema trifase, l’elettricità viene generata, trasmessa e distribuita utilizzando tre conduttori. Ogni conduttore trasporta una forma d’onda di corrente alternata che è sfalsata nel tempo di un terzo del suo ciclo (120 gradi) rispetto alle altre. Questa disposizione consente un’erogazione di potenza più continua ed equilibrata rispetto ai sistemi monofase.
Ecco come funziona un sistema trifase:
- Generazione: l’elettricità viene generata nelle centrali elettriche utilizzando generatori. Nella generazione di energia trifase, all’interno del generatore vengono utilizzati tre avvolgimenti separati, ciascuno dei quali produce una forma d’onda di corrente alternata. Questi avvolgimenti sono fisicamente separati da un angolo elettrico di 120 gradi, garantendo che le correnti generate siano sfasate tra loro.
- Trasmissione: una volta generata, l’elettricità viene trasmessa su lunghe distanze attraverso linee elettriche o cavi per raggiungere sottostazioni e centri di distribuzione. In un sistema di trasmissione trifase, le fasi sono trasportate da conduttori separati. Le linee di trasmissione sono progettate per gestire le tre fasi contemporaneamente, consentendo un efficiente trasferimento di potenza.
- Distribuzione: nelle sottostazioni, l’elettricità ad alta tensione viene ridotta a tensioni più basse adatte alla distribuzione a case, aziende e industrie. A questo scopo vengono utilizzati i trasformatori. L’energia trifase viene poi distribuita ai consumatori attraverso linee elettriche e reti di distribuzione.
- Utilizzo: in varie applicazioni, i dispositivi e i macchinari elettrici sono progettati per utilizzare l’alimentazione trifase. Ad esempio, i motori a induzione trifase sono comunemente utilizzati in ambienti industriali per la loro efficienza, affidabilità e capacità di gestire carichi ad alta potenza. Questi motori si affidano al campo magnetico rotante prodotto dalle correnti trifase per generare coppia e azionare sistemi meccanici.
Nel complesso, il principio chiave alla base del funzionamento di un sistema trifase è l’erogazione equilibrata e continua di potenza attraverso tre conduttori separati, ciascuno dei quali trasporta una forma d’onda di corrente alternata sfasata rispetto agli altri. Questa disposizione consente una generazione, una trasmissione e un utilizzo efficienti dell’energia in un’ampia gamma di applicazioni.
Che tensione ha un sistema trifase?
Le tensioni di un sistema trifase sono di 400 V tra fase e fase mentre sono di 230 V tra fase e neutro. Questo è valido in Europa dove la frequenza di ogni fase è di 50 Hz.
Quando si parla di tensione in un sistema trifase ci si riferisce alla tensione di picco dell’onda sinusoidale. La frequenza di tale tensione è di 50 Hz (in Europa) e questo significa che il periodo dell’onda sinusoidale ovvero il tempo che l’onda impiega per compiere un ciclo completo prima di ripetersi è pari a 0,02 secondi.
In un sistema trifase, quindi, se andiamo a misurare il valore della tensione alternata tra le fasi questo sarà pari a 400 V. Se misuriamo il valore di tensione alternata tra una qualsiasi delle fasi ed il conduttore di neutro allora vedremo una tensione di 230 V. Questo sistema permette quindi di poter distribuire anche una tensione di 230 V semplicemente derivando un conduttore di fase ed un conduttore di neutro da un sistema trifase. La tipica distribuzione elettrica in uso in ambiente residenziale può quindi derivata da quella trifase.
Collegamento a stella e a triangolo in un sistema trifase
La connessione all’interno di un sistema trifase può essere effettuata attraverso due tipi di collegamento: collegamento a stella e collegamento a triangolo.
Il tipo di collegamento indica la maniera in cui i generatori a monte oppure i carichi a valle sono collegati nel sistema trifase. Il carico di ciascuna linea viene rappresentato in maniera generica come un’impedenza.
Collegamento a stella
Nel collegamento a stella le tre impedenze sono collegate tra ciascuna linea ed il neutro. Ogni terminale risulta quindi connesso ad uno stesso punto detto “punto stella”. In questo tipo di circuito la corrente entrante in ciascuna linea, attraversa l’impedenza e si somma, in uscita, sul conduttore di neutro.
Il collegamento a stella richiede in totale 4 conduttori di cui 3 conduttori di fase ed un conduttore di neutro. Il collegamento a “stella” è indicato anche con il simbolo “Y” (wye).
Collegamento a triangolo
Nel collegamento a triangolo, le tre impedenze sono collegate ognuna tra una coppia di fasi diversa. Si crea quindi una maglia tra le 3 fasi che sono connesse tra loro risultando in un triangolo.
Il collegamento a triangolo non richiede il conduttore di neutro e quindi ha in totale 3 conduttori ovvero i conduttori di fase. Il collegamento a “triangolo” è indicato anche con il simbolo “Δ” (delta).
Quali sono i vantaggi di un sistema trifase?
I principali vantaggi del sistema trifase sono:
- Elevata potenza. I sistemi trifase possono trasmettere più potenza rispetto ai sistemi monofase a parità di corrente, rendendoli adatti a carichi elettrici importanti come quelli presenti negli ambienti industriali.
- Erogazione di potenza costante. Il sistema trifase garantisce una erogazione fluida e costante di potenza al carico. La natura sovrapposta delle forme d’onda trifase si traduce in un flusso di potenza continuo ed equilibrato, riducendo le fluttuazioni di tensione e migliorando la stabilità.
- Efficienza. I motori e le apparecchiature trifase sono generalmente più efficienti dei loro omologhi monofase. Utilizzano meno materiale conduttore per la stessa potenza erogata e hanno migliore efficienza energetica.
Questi vantaggi rendono i sistemi trifase particolarmente adatti per applicazioni in cui affidabilità, efficienza e potenza elevata sono fondamentali. Tale efficienza porta indirettamente a bassi costi di gestione ed implementazione degli impianti poichè i costi legati ai materiali sono inferiori se paragonati a quelli che richiederebbe un sistema monofase per erogare la stessa potenza.