Introduzione alla

distribuzione di energia elettrica e ai

sistemi trifase

Gianluca Susi, PhD

Richiami preliminari

• Alternatore: macchina elettrica rotante basata sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, per la trasformazione di energia meccanica in energia elettrica, sotto forma di corrente alternata.

• Valore efficace (Xrms o root mean square) di una funzione X periodica: radice quadrata della media dei quadrati dei valori istantanei, eseguita su un periodo.

Per segnali sinusoidali si ha:

2/maxVVrms

Distribuzione di energia elettrica (I)

Trasmissione dell’energia elettrica uso di trasformatori con altissimo rendimento energetico.

Vg

+

carico

Rg Rl Ru

generazione trasmissione utilizzazione

Vg

+

carico

Rg Rl Ru

1:n m:1

generazione trasmissione utilizzazione

Le elevate tensioni e le (relativamente) basse correnti in linea permettono la trasmissione di energia elettrica a grande distanza, limitando le perdite di energia e le cadute di tensione.

Il

Ig Iu

(1/n) Ig = Il m Il =

Iu

Vl

+ Vu

+

(1/m) Vl = Vu n Vg =

Vl

Distribuzione di energia elettrica (II)

Prod. Distr.

Centrali elettriche

IERI (DC):

Produzione Effettuata in corrente continua

Consegna Alla stessa tensione entro brevi distanze

OGGI (AC, con sist. trifase):

DISTR.PRIMARIA: Linee elettriche ad AT (60-132-150 KV) DISTR.SECONDARIA: Linee elettriche a MT (5-25 KV) Linee elettriche a BT (400-1000 V)

Trasm.

Fino alle stazioni ricevitrici alle porte delle città

220-380 KV Cab.prim. Trasf AT-MT (10-60 MW)

Cab.sec. Trasf MT-BT (50-100 KW)

Autotrasf. (100-400 MW)

Consegna 400V trifase contatore utente

NB: Le tensioni sono indicate in valori efficaci

Sistema trifase

Particolare sistema di produzione, trasmissione, trasformazione e utilizzazione dell’energia elettrica basato su tre tensioni elettriche alternate con tali caratteristiche:

• stessa frequenza

• stesso valore efficace

• stessa differenza di fase (120°)

I generatori elettrici presenti nelle centrali di produzione (alternatori), le linee di trasmissione, le cabine di trasformazione, sono tutti di tipo trifase.

Anche alcuni tipi di utilizzatori, come macchine dotate di motori elettrici, sono di tipo trifase; gli impianti domestici, pur essendo di tipo monofase, sono alimentati tramite derivazioni di un sistema trifase.

SIST. SIMMETRICO

Generatore trifase • Un sistema trifase di tensioni e correnti viene generato normalmente da

un alternatore trifase: una macchina elettrica che può essere considerata come l’insieme di tre generatori monofase, ognuno dei quali sviluppa una f.e.m. alternata sinusoidale.

t

Terna trifase

2p/3

somma = 0 per ogni t

• Nella rappresentazione dei circuiti, il generatore trifase viene considerato come l’insieme di tre generatori monofase, ognuno dei quali corrisponde alle tre fasi della macchina reale. A seconda che le fasi dell’alternatore siano collegate a stella o a triangolo, si hanno due diverse configurazioni.

Modalità di connessione del generatore trifase

Generatore in connessione a triangolo

E12

E23

E31

+

+

+

E1

E2 E3

+

+ +

0 (N)

Generatore in connessione a stella

L1

L2

L3

L1

L2

L3

1

2 3

1

2 3

Nel caso di connessione a stella, sono presenti 4 punti caratteristici del sistema: fase 1, fase 2, fase 3, centro stella (neutro).

Nel caso di connessione a triangolo, sono pesenti 3 punti caratteristici del sistema: fase 1, fase 2, fase 3.

Tensioni di fase e tensioni di linea (I)

• Considerando un generatore trifase collegato a stella: E1, E2, E3 tensioni di fase (o stellate) V12, V23, V31 tensioni di linea (o concatenate) • Nel caso di generatore trifase collegato a triangolo, è

disponibile solo la terna di tensioni concatenate, che coincidono con le f.e.m. prodotte dalle tre fasi del generatore.

E1

E2 E3

+

+ +

0 (N)

L1

L2

L3

1

2 3

V12

V23

V31 E12

E23

E31

+

+

+

L1

L2

L3

1

2 3 L2

V12

V23

V31

Tensioni di fase e tensioni di linea (II)

E1, E2, E3 terna delle fasi

V12, V23, V31 terna di linea (tensioni concatenate)

Le tensioni Em presentano tra loro lo stesso sfasamento e lo stesso valore efficace.

Le tensioni Vmn presentano tra loro lo stesso sfasamento e lo stesso valore efficace.

Entrambe le classi di tensioni risultano simmetriche

Conn. a stella: Conn. a triangolo: V12 = E1 - E2 V12 = E12 V23 = E2 - E3 V23 = E23 V31 = E3 - E1 V31 = E31

E’ facile trovare la relazione tra le due classi di tensioni (stellate e concatenate): A stella MOD: FASI: A triangolo MOD: FASI:

EV 3

EV

6

p mnm EV

mnmn EV

Modalità di connessione del carico

• Il carico trifase si dice equilibrato quando è costituito da tre impedenze uguali tra loro sia come modulo che come argomento.

Z Z

Z

Z Z

Z

N

Carico in connessione a triangolo Carico in connessione a stella

• Quando le impedenze sono tra loro diverse (ne basta una), il carico si dice squilibrato.

Trasformazioni stella-triangolo in carichi squilibrati

EA

EB EC

+

+ + ZC ZB

ZA

carico a stella

EA

EB EC

+

+ +

carico a triangolo

ZAB

ZBC

ZCA ENc +

ENc = [S Yk Ek ] / S Yk Yk = 1 / Zk ; Yhk = 1 / Zhk

EA

EB = 0 EC= 0

+ EA

EB = 0 EC= 0

+

Yhk = 1 / Zhk

ZC ZB

ZA

carico a stella

A

B C

carico a triangolo

ZAB

ZBC

ZCA

A

B C

Yk = 1 / Zk

YAB = YA YB / S Yk

YBC = YB YC / S Yk

YCA = YC YA / S Yk ZA = ZAB ZCA / S Zhk

ZB = ZAB ZBC / S Zhk

ZC = ZBC ZCA / S Zhk

Caratteristiche di consegna

Le principali caratteristiche tecniche di consegna stabilite dalla normativa elettrica sono le seguenti:

- Tensione nominale (in Italia 400V fase-fase, ovvero 230V fase-neutro)

- Frequenza (in Italia 50 Hz; 60 Hz negli USA)

- Corrente nominale massima (dipende dal contratto)

- Massimo sfasamento ammesso dall’ente erogatore

Riferimenti: - Dispense del corso di Elettrotecnica - M.Salerno - Manuale di impianti elettrici – G.Conte - Come Allestire. Manuale tecnico/pratico per progettisti e allestitori - Paolo Plotini, Roberto Benfenati, Fulvio Onestini