Alla cortese attenzione degli “utenti” di ElectroYou.

Chiedo un giudizio, ed eventuale collaborazione, per la realizzazione del progetto presentato: proposta per l’utilizzazione di sistema statico moltiplicatore del numero delle fasi.

La descrizione del progetto, schede in formato Power Point, è scaricabile nella paragrafo Download. Premetto alcune considerazioni sulla convenienza del sistema trifase in confronto con il monofase.

Sistemi trifase

I sistemi trifase si inquadrano nella teoria generale degli n-poli, dove i “morsetti” sono n>2 (per n=2 si ritorna ai bipoli). Indichiamo, con qualche cenno, le caratteristiche dei sistemi di connessione di tripoli attraverso tre connessioni (linee o fasi1-2-3 [RST nella nomenclatura ENEL], da cui la dizione di sistema trifase). Si individuano immediatamente tre correnti di linea I1,I2,I3e tre tensioni concatenate V12,V23,V31.Le tre correnti di linea sono tra di loro dipendenti (come le tre tensioni concatenate). La loro somma è nulla. Sul piano della rappresentazione complessa, le tre grandezze danno luogo ad una figura chiusa (triangolo in generescaleno).

Il generatore trifase può essere rappresentato con tre generatori indipendenti di tensione stellati, ossia avente un morsetto collegato ad un unico punto Og detto centro stella del generatore. Anche l’utilizzatore può essere rappresentato da una stella di impedenze di centrostella Ou. Se non c’è collegamento ulteriore tra i due centri stella il sistema si dirà puro. In questo caso la tensione tra i due centri stella è in genere diversa da zero e può essere calcolata attraverso la formula di Millman, a su avolta ricavata applicando il teorema di Norton.

Le correnti di linea si ricavano di conseguenza. Un ulteriore collegamento può essere realizzato tra i due centri stella attraverso un conduttore (conduttore 0 o neutro) che qui consideriamo ideale. In presenza del neutro la tensione tra i centri stella è nulla e le correnti dipendono dal generatore e dall’impedenza della singola linea (è la soluzione adottata in campo civile per l’utilizzazione dell’energia elettrica in bassa tensione, per avere carichi in funzionamento indipendente).

Nel collegamento senza neutro il sistema si dice puro, inpresenza del neutro si dice spurio.

Se le tensioni dei generatori sono simmetriche (uguale valore efficace e sfasamento mutuo di 120°) e le impedenze sono uguali (carico equilibrato) la tensione tra i centri stella è nulla anche nei sistemi puri. Il sistema trifase è equivalente a tre sistemi monofasi

I vantaggi dei sistemi trifase

possono così sintetizzarsi

a)

a parità di potenza media assorbita dall’utilizzatore, nel sistema simmetrico ed equilibrato si risparmia il 50% dei conduttori (nei sistemi spuri il 33%); la potenza istantanea assorbita da un sistema trifase simmetrico ed equilibrato risulta essere pari alla potenza media; vengono così evitati i gravosi inconvenienti (soprattutto di natura meccanica Figura 1) connessi con la potenza fluttuante.

b)

miglior rendimento delle macchine come utilizzatori trifase, (ad esempio motore asincroni trifase) rispetto alle macchine monofasi;

c)

nel caso del trifase spurio, cioè con neutro, si hanno a disposizione due livelli di tensione, quelle di fase e quelle concatenate;

d)

si risparmia sul calibro dei dispositivi di manovra e protezione, interruttori e fusibili, poiché a pari potenza le correnti sono ridotte nel trifase.

Proposta per l’utilizzazione di

sistema statico moltiplicatore del numero delle fasi

Se risultasse abbastanza semplice e poco costoso unsistema statico che consenta di passare da una alimentazione monofase ad unauscita in trifase a frequenza costante, si potrebbe pensare di utilizzarloanche a livello di utenza domestica, per alimentare ad esempio piccolilaboratori per il bricolage, senza la necessità di un oneroso contratto intrifase da stipulare con l’ente fornitore.

Come dispositivo si pensa di utilizzare le funzionitrasformatoriche di un motore asincrono trifase, ponendo un avvolgimento bifasea condensatore sul dispositivo che normalmente funge da rotore e un normaleavvolgimento trifase allo statore.

bifase.JPG

Alimentando l’avvolgimento bifase, al traferro dellamacchina, che può essere ridotto al minimo, poiché non c’è movimento reciproco,si genera un campo rotante puro, che investe l’avvolgimento trifase di statore,che determina l’insorgere di tre forze elettromotrici sfasate tra di loro di120 gradi.

trifase.JPG

Il dispositivo si comporta come un generatore sincrono, in cui non è possibile effettuare nessun tipo di regolazione, ne di frequenza ne di tensione, poiché non è possibile agire sulla corrente di eccitazione e sulla velocità di rotazione(non c’è movimento).

L’inverter scalare o vettoriale risolve comunque il problema, l’inconveniente è rappresentato dal costo, nemmeno confrontabile con la realizzazione presentata.

Cosa si può fare con una

alimentazione monofase

• Alimentare impianti domestici o similari (uffici, negozi e terziario in generale).
• Alimentare piccoli laboratori artigianali fino a 10 kW di potenza.
• Alimentare apparecchiature che per loro natura sono monofase (lampade, computer, macchine monofasi in genere e motori universali in particolare).

Vantaggi

• Si utilizzano solo due conduttori, si può impiegarne anche solo uno (ferrovie progetto TAV, alimentazione monofase a 15 kV e 50 Hz, tra conduttore sospeso e ritorno via rotaia).
• Il livello di tensione tra i due conduttori non è molto elevato (230 V a 50 Hz di frequenza).
• Si può utilizzare il trasformatore monofase per cambiare il livello di tensione, in particolare per ridurla, per esempio 24 V o 12 V.
• Si può passare alla corrente continua con i sistemi di conversione più semplici, trasformatore monofase e ponte di Greatz monofase.
• Si può utilizzare l’inverter con alimentazione monofase ed uscita trifase a frequenza qualsiasi e variabile.

Difficoltà

• Certe macchine fatte funzionare in monofase presentano ridotto rendimento (motori asincroni monofase, motori universali).
• Le correnti sono alte se confrontate con quelle degli impianti trifase con carico di uguale potenza (tre volte maggiori).
• Cadute di tensione più alte, per il valore della corrente circolante che risulta maggiore e quindi conduttori più corti.
• L’interruzione di uno dei due conduttori, blocca qualsiasi funzionamento delle apparecchiature, per esempio dei motori o lampade.
• Le forme che si ottengono in uscita da un sistema di conversione monofase presentano più componenti armoniche rispetto ad un impianto trifase, inoltre il sistema presenta ridotto rendimento.
• I componenti di manovra e protezione del sistema (interruttori, fusibili, relè) vanno scelti con calibro più alto rispetto a quelli utilizzati nei sistemi trifase, sono quindi più costosi.

Cosa si può fare con una

alimentazione trifase

• Avere a disposizione due livelli di tensione, 230 V fase – neutro e 400 V fase – fase.
• Avere la possibilità di impiegare conduttori con sezione minore rispetto all’impianto monofase, poiché la corrente risulta

minore (un terzo), a pari potenza dell’utenza finale.

• Avere la possibilità di realizzare linee più lunghe a pari caduta di tensione, per le stesse ragioni di sopra.
• Poter impiegare macchine trifasi, che presentano un miglior rendimento, a pari potenza rispetto a quelle monofasi o bifase che siano ed anche rispetto alle macchine cosiddette universali, cioè a collettore.
• Ottenere una alimentazione in continua, con sistema di conversione a ponte di Greatz, con sei diodi, con maggior rendimento, nel confronto col sistema monofase e migliorare anche la forma d’onda in uscita.
• Migliora l’equilibrio del carico, poiché può essere ripartito in forma ottimale sulle tre fasi, pensiamo ad impianto luce, o

similare.

• Al limite si potrebbe avere una uscita trasformatorica a tensione ancora più alta per esempio 660 V, questo ridurrebbe ulteriormente la corrente circolante, viceversa potrebbe creare qualche problema per la sicurezza dell’impianto.
• Certe macchine come computer, hanno l’alimentazione solo trifase, per esempio i server, cioè i computer di rete.
• In presenza di interruzione di un conduttore, in monofase assolutamente non si può continuare a lavorare, per esempio con un motore, viceversa in impianto trifase, in certe condizioni di potenza, anche in presenza di interruzione, su di un conduttore, si può continuare a lavorare e comunque si ha a disposizione ancora tensione sulle due fasi sane.
• I dispositivi di manovra e protezione quali: interruttori automatici, teleruttori, commutatori semirotativi a camme, valvole fusibili, ecc., vanno dimensionati per un valore di corrente più basso a pari potenza rispetto alle utenze monofasi.
• Si può utilizzare una macchina speciale, che realizza il cambio del numero delle fasi, da monofase a trifase, (progetto AC3 1.4), che per modeste potenze risulta portatile e quindi utilizzabile dovunque.
• Si utilizza, come in monofase l’inverter, che consente di variare a piacere il valore della frequenza delle tensioni in uscita (campo di variazione compreso nei limiti: 2 – 120 Hz).
• Si impiegano per motori asincroni trifase, sistemi di avviamento di tipo elettronico, che migliorano consistentemente il comportamento del motore durante il transitorio.
• Risulta molto semplice e poco costoso, il cambio del senso di rotazione nelle macchine come motori asincroni trifase (cambio di due fasi su tre).
• Non si utilizzano collettori e quindi contatti striscianti a meno del caso del motore asincrono trifase con rotore avvolto.
• Si può variare la velocità di rotazione del rotore dei motori trifase con sistemi semplici (Dahalander).
• Si possono piazzare due avvolgimenti nelle stesse cave di statore per produrre due distinte velocità nei motori asincroni trifase.
• Nella fase di produzione dell’energia elettrica si può impiegare il generatore sincrono trifase (alternatore), macchina ad altissimo rendimento.
• Si può passare in forma semplice e poco costosa ad una alimentazione monofase, basta derivare un conduttore da una delle tre fasi e l’altro dal centro stella del sistema, questo conduttore si chiama, conduttore di neutro o semplicemente neutro, può essere collegato a terra oppure isolato da terra, i tre sistemi vengono indicati con le sigle TT, TN, IT.
• Non è invece altrettanto facile passare da un sistema monofase ad uno trifase, comunque ci sono due possibilità, la prima è quella di utilizzare un inverter con ingresso monofase ed uscita trifase, il più economico disponibile costa € 300.00, la seconda, sfrutta le qualità del motore asincrono trifase, come nel caso dei progetti AC3 da 1.0 a 1.4, con tutte le varianti previste, il sistema costa molto meno, ma non consente controlli in frequenza in forma continua.
• Si possono impiegare i trasformatori speciali, macchine comunque a buon rendimento, trasformatore del numero delle fasi, trasformatore a tre avvolgimenti, autotrasformatori, surdevoltori, ecc…
• Si possono utilizzare i motori asincroni come macchine speciali, si ricorda l’utilizzazione da sfasatore, si può regolare opportunamente la fase di una terna di tensioni in uscita.
• Si impiega la macchina sincrona trifase come motore, in condizioni di sovreccitazione, essa si comporta come una terna di condensatori, questa funzione viene denominata con la frase, compensatore rotante, regolando opportunamente l’eccitazione si modifica il valore della potenza di tipo reattivo scambiata con il carico.
• Nel caso di trasporto a lunga distanza di ingenti quantità di potenza a conduttori nudi, risulta più conveniente l’utilizzo del sistema trifase, come peso complessivo del materiale conduttore, rispetto agli altri possibili, cioè sistema monofase e sistema in corrente continua, purché in fattore di potenza del sistema trifase venga mantenuto superire al limite 0.866.
• Il sistema trifase è di utilizzazione comune poiché, secondo il principio di Galileo Ferraris, al traferro delle macchine asincrone si localizza un campo magnetico rotante puro.
• Nel caso della distribuzione in bassa tensione, per l’alimentazione delle utenze domestiche o similari, si impiega il sistema trifase a quattro conduttori tre di fase più il conduttore relativo al neutro, è preferito rispetto a quello a tre, poiché nel confronto a pari potenza persa in linea i conduttori del primo sistema possono presentare una sezione pari a 1/3 rispetto all’altro sistema, per cui nel complesso si risparmia materiale.
• In alternata (sia monofase, che trifase), in generale è più facile effettuare operazioni di apertura del circuito con dispositivi opportuni, per esempio gli interruttori, poiché la corrente passa spontaneamente per lo zero, e questo favorisce il processo di estinzione dell’arco elettrico che si forma tra i contatti che si allontanano, senza strapparlo, e quindi senza determinare sovratensioni sul sistema alimentato.
• Nella distribuzione interna in bassa tensione per sistemi trifasi si usano cinque conduttori, tre fasi, il neutro e il conduttore di protezione (PE), quando le sezioni sono consistenti, si può, per carico simmetrico nelle tensioni ed equilibrato nelle correnti, ridurre la sezione per il conduttore di neutro, questo comporta dei benefici sul costo della distribuzione.
• Nella distribuzione per usi domestici o similari, ma anche nella distribuzione interna a livello industriale, il sistema a quattro fili, nel confronto con il monofase, rende indipendenti le utenze finali tra di loro, poiché in forma ciclica si possono collegare a fasi diverse.

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