Rete di alimentazione monofase Esempio elementare di sistema di alimentazione monofase: un generatore bipolare (per semplicità ideale) alimenta, tramite una connessione, un carico bipolare (un’impedenza) Elettrotecnica Eg + 17 Reti trifasi . Z I 1 Rete trifase elementare Rete trifase elementare Con tre sistemi di alimentazione monofase elementari si come il precedente (3 generatori ideali, 3 connessioni e 3 impedenze…… E g1 E g2 E g3 + 1g I1 + 2g I2 + 3g I3 1u 2u 3u 2 …. si realizza un sistema di alimentazione trifase (elementare): le tre connessioni di ritorno sono fuse in una soltanto, senza alterare tensioni e correnti Z˙ 1 Z˙ 2 Z˙ 3 3 E g1 + 1g I1 1u Z˙ 1 E g2 + 2g I2 2u Z˙ 2 E g3 + 3g I3 3u Z˙ 3 0g I0 0u 4 Rete trifase elementare con neutro Rete trifase elementare senza neutro Si è ottenuto un sistema trifase a 4 fili: il conduttore di ritorno comune è detto neutro ed interconnette i 2 centri stella 0g e 0u (necessariamente accessibili); i conduttori 1, 2 e 3 sono detti fasi. Per la LKC è: Rimuovendo il conduttore di neutro, si ottiene un sistema trifase a 3 fili (le 3 fasi), i centri stella non sono connessi (in genere sono inaccessibili) e per la LKC: I0 = I1 + I2 + I3 I1 + I2 + I3 = 0 E g1 E g2 ! E g3 I1 1g + + + 2g I2 3g I3 Z˙ 1 2u Z˙ 2 + 1g I1 1u Z˙ 1 E g2 + 2g I2 2u Z˙ 2 E g3 + 3g I3 3u Z˙ 3 E g1 ! Z˙ 3 3u I0 0g 1u 0u 5 6 Generatori trifasi Carichi trifasi Presentano 3 percorsi interni, o fasi interne, in ciascuna delle quali è prodotta una tensioni impressa che, per semplicità, può essere rappresentata come generatore ideale di tensione. Le topologie possono essere: a stella con neutro ( o Yn), a stella senza neutro ( o Y), a triangolo (! o D). – E g1 – E g2 – E g3 + + + 1 2 3 – E g1 – E g2 – E g3 Nei casi più semplici, anche i carichi (o utenze) presentano 3 percorsi interni, o fasi interne, ciascuno dei quali è rappresentabile come un impedenza: Se le 3 impedenze sono uguali si dice che il carico è equilibrato. Le topologie possono essere: a stella con neutro, a stella senza neutro, a triangolo + + 1 + 1 – E g1 – E g3 2 –+ E g2 + 3 1 Z 1 Z 2 2 3 3 Z 1 . . . . Z Z 2 . Z Z 3 . Z 2 . Z 3 0 0 a ) stella con neutro . . + b) stella senza neutro c) triangolo a ) stella con neutro 7 b) stella senza neutro c) triangolo 8 Terne di tensione 1 In un sistema a 4 fili, il centro stella 0 è accessibile e tra ogni fase ed esse è presente una tensioni di fase. Queste costituiscono la terna delle tensioni di fase, o anche terna delle tensioni stellate, perchè i loro fasori vengono rappresentati tipicamente a stella. generatore Terne di tensione 2 1g 1u 2g 2u 3g 3u 0g 0u Invece tra ogni coppia di fasi è presente una tensione concatenata. Queste costituiscono la terna delle tensioni concatenate, o anche terna delle tensioni a triangolo, perchè i loro fasori vengono rappresentati tipicamente a triangolo. utente rete trifase a quattro fili o rete trifase con neutro E1 0 E2 E2 2 3 E3 3 2 terna diretta di tensioni stellate 2g 2u 3g 3u 0g 0u utente 1 E1 0 1u rete trifase a quattro fili o rete trifase con neutro 1 1 Se le tre tensioni hanno uguale ampiezza (e ugual valore efficace) e sfasamenti di 2"/3 (=120°) si dice che la terna è E3 simmetrica generatore 1g Se le tre tensioni hanno uguale ampiezza (e ugual valore efficace) e sfasamenti di 2"/3 (=120°) si dice che la terna è simmetrica terna inversa di tensioni stellate U31 3 1 U12 U12 2 U23 U31 2 terna diretta di tensioni concatenate 3 U23 terna inversa di tensioni concatenate 9 Terne di tensione 3 Se le due terne sono simmetriche tra i valori efficaci sussiste la relazione: Es.: 3E E=127 V e U=220 V E=220 V e U=380 V In un sistema a 3 fili, ove i centri stella non sono accessibili, sono presenti solo le tre tensioni concatenate tra fase e fase, ovvero la terna delle tensioni concatenate, o a triangolo, i fasori essendo disposti tipicamente a triangolo. . 1 1 U 31 ! E3 U= Terne di tensione 4 # U12 = E1 " E2 % $U23 = E2 " E3 %U = E " E & 31 3 1 Per la LKT tra tensioni stellate e tensioni concatenate valgono le relazioni: 3 E1 0 E2 U23 terne simmetriche dirette E1 U12 U12 2 2 E2 0 U31 E3 1g 1u 2g 2u generatore 3g 3 utente 3u sistema trifase a tre fili o sistema trifase senza neutro 1 Terne simmetriche U31 1 U12 U12 U23 U31 terne simmetriche inverse 3 U23 2 terna diretta di tensioni concatenate 11 ! 10 2 U23 3 terna inversa di tensioni concatenate 12 Terne di corrente 1 Nei 3 conduttori di fase sono presenti 3 correnti, che costituiscono la terna delle correnti di linea. 1g I1 1u 2g I2 2u generatore 3g I3 3u 0g I0 0u utente 1g I1 1u 2g I2 2u 3g I3 generatore Se le tre correnti hanno uguale a) sistema trifase a quattro fili ampiezza (e ugual valore efficace) e sfasamenti di 2"/3 (=120°) si dice che la terna è I2 simmetrica In tal caso vale comunque (anche I1 se è presente il neutro): I1 + I2 + I3 = 0 Terne di corrente 2 Sistemi a 4 fili Se la terna delle correnti di linea è simmetrica e quindi con somma nulla, il neutro ha corrente nulla utente 3u I0 = I1 + I2 + I3 = 0 per il teorema di sostituzione può essere rimosso senza che tensioni e correnti siano modificate. b) sistema trifase a tre fili ! I2 I1 I3 I3 terne simmetriche dirette terne simmetriche inverse Quindi: se le correnti (e tensioni) sono certamente simmetriche, sono sufficienti i soli 3 conduttori di fase, con risparmio di materiale conduttore. Avviene nei sistemi in: AAT = altissima tensione -Y-, AT = alta tensione - YMT = media tensione -D- 13 14 ! Terne di corrente 3 Sistemi a 3 fili con collegamento a triangolo delle fasi interne Oltre alla terna delle correnti di linea è presente la terna delle correnti di fase interna. Per la LKC valgono le relazioni: Terne di corrente 4 Sistemi a 3 fili con collegamento a triangolo delle fasi interne I1 1 #I = J " J 12 31 % 1 $ I2 = J 23 " J12 %I = J " J & 3 31 23 I2 J 1 2 2 J3 1 I3 J 2 3 Se entrambe le terne di corrente sono simmetriche tra i 3 #I = J " J 12 31 % 1 $ I2 = J 23 " J12 %I = J " J & 3 31 23 valori efficaci sussiste la relazione: I = 3J ! J1 2 I2 J2 3 I1 J3 1 I3 terne simmetriche dirette ! I2 J1 2 J2 3 I3 I1 J3 1 terne simmetriche inverse ! 15 16 Sistemi simmetrici ed equilibrati Se le terne di tensione impresse sono simmetriche ed i carichi sono equilibrati, allora anche le terne di corrente sono simmetriche. Ad esempio per sistemi con collegamenti a stella a 4 o 3 fili (con o senza neutro), per ogni fase si ha: I1 = 1g – + E g2 2g – + E g3 3g 0g E E1 E , I 2 = 2 , I3 = 3 &Z &Z Z& I 0 = I1 + I 2 + I 3 = 0 – + E g1 I1 I2 I3 I0 1u . Z 2u . Z 3u . Z Sistemi squilibrati 1 Se le terne di tensione impresse sono simmetriche ma i carichi sono squilibrati, allora le terne di corrente sono dissimmetriche. Nei sistemi a 4 fili il neutro ha corrente in generale non nulla: 0u E1 – + E g2 2g – + E g3 3g I1 I2 I3 I0 0g E1 ! ! E2 E3 ! E2 I2 terne dirette . Z 2u . Z 3u . Z 0u I3 I1 !1 I 0 = I1 + I 2 + I 3 ! 0 I2 ! 1u E1 I1 ! I3 E la sua rimozione altera i valori delle tensioni e correnti. In particolare senza neutro i carichi a stella non hanno tensioni uguali a quelle impresse dai generatori I0 !3 I3 I2 E3 !2 E2 terne inverse 17 Sistemi squilibrati 2 Dunque in un sistema con terne di tensione impresse simmetriche e carichi squilibrati, ove le terne di corrente sono dissimmetriche, il filo di neutro è indispensabile per garantire che ai carichi collegati a stella siano applicate le tensioni stellate nominali del sistema. Avviene nei sistemi in: 1g E E E I1 = 1 , I 2 = 2 , I 3 = 3 &Z &Z Z& I1 ! E3 – + E g1 – + E g1 1g – + E g2 2g – + E g3 3g 0g I1 I2 I3 I0 18 Potenza trifase 1 1u . Z 2u . Z 3u . Z In un sistema trifase simmetrico ed equilibrato (con o senza neutro, per quanto visto) la potenza elettrica trifase istantanea, pari alla somma delle potenze istantanee delle tre fasi, è: 0u BT = bassa tensione -Yn-, 1 W1 2 W2 W3 3 0 pt(t) = e1(t)i1(t) + e2(t)i2(t) + e3(t)i3(t) Ove ogni carico è costituito da un singolo utente (o gruppo di utenti) monofase (ad esempio utenti residenziali). Ove ciascuna delle tre potenze è costituita dalla somma della potenza attiva, costante, e della potenza fluttuante, a pulsazione 2#: e1(t)i1(t) = P1 + pf1(t) = EI cos! - EI cos (2#t+2$1+%) ........ 19 20 Potenza trifase 2 Potenza trifase 3 Essendo le terne di tensione e corrente simmetriche, le tre potenze fluttuanti risultano uguali in ampiezza e sfasate mutuamente di 2"/3, cosicché hanno somma identicamente nulla: In un sistema trifase senza neutro (simmetrico o non simmetrico, equilibrato o squilibrato), vale la relazione, già vista: pf1(t) + pf2(t) + pf3(t) = 0 mentre le tre potenze attive risultano uguali. Pertanto la potenza istantanea trifase risulta costante e uguale alla potenza attiva trifase, pari al triplo della potenza attiva di una fase: i1 +i2 +i3 =0 –– pt(t) = Pt = 3EI cos! = "3UI cos! => 1g i 1 (t) 1u 2g i 2 (t) 2u generatore 3g i 3 (t) utente 3u i2 =–i1 –i3 Che permette di pensare il sistema trifase senza neutro anche come un sistema bifase, in cui il conduttore di fase 2 è la connessione comune dei conduttori di fase 1 e 3, e le tensioni di fase sono le due concatenate u12 e u32. La potenza reattiva trifase e la potenza apparente trifase sono: –– Qt = 3EI sen! = "3UI sen! –– At = 3EI = "3UI 21 22 Potenza trifase 3 Potenza trifase 4 Pertanto la potenza del sistema trifase senza neutro, pari alla potenza di tale sistema bifase, è: Pertanto la misura della potenza trifase in un sistema a 3 fili o a 4 fili con corrente nulla nel neutro può essere eseguita usando due soli wattmetri in inserzione Aron: ptsn =u12i1 +u32i3 W1 2 Che coincide con quella trifase del sistema a 4 fili: 1 2 pt(t) = e1(t)i1(t) + e2(t)i2(t) + e3(t)i3(t) fintantoché la corrente del neutro è nulla. W3 2 3 Ove ciascuno dei due wattmetri indica la potenza di uno dei due addendi della ptsn =u12i2 +u32i3 23 24