Perché la corrente trifase? Perché non 6, 12 o più fasi per la trasmissione di energia?

È noto che i sistemi monofase e trifase sono le configurazioni più diffuse per la trasmissione, distribuzione e applicazioni finali dell'energia elettrica. Sebbene entrambi servano come framework fondamentali per l'approvvigionamento di energia, i sistemi trifase offrono vantaggi distinti rispetto ai loro omologhi monofase.

In particolare, i sistemi polifasi (come quelli a 6 fasi, 12 fasi, ecc.) trovano applicazioni specifiche nell'elettronica di potenza, in particolare nei circuiti rettificatori e nelle variabili di frequenza (VFD), dove riducono efficacemente il ripple nelle uscite DC pulsanti. Ottenere configurazioni polifasi (ad esempio, 6, 9 o 12 fasi) ha storicamente richiesto tecniche complesse di spostamento di fase o gruppi motore-generatore, ma questi approcci rimangono economicamente non fattibili per la trasmissione e distribuzione su larga scala a lunghe distanze.

Perché un sistema trifase invece di un sistema monofase?

Il principale vantaggio del sistema trifase rispetto a un sistema monofase o bifase è che possiamo trasmettere più potenza (costante e uniforme).

Potenza nel Sistema Monofase

• P =  V . I  . CosФ

Potenza nel Sistema Trifase

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … O

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Dove:

• P = Potenza in Watt

• V_L = Tensione di linea

• I_L = Corrente di linea

• V_PH = Tensione di fase

• I_PH = Corrente di fase

• CosФ = Fattore di potenza

È evidente che la capacità di potenza di un sistema trifase è 1,732 (√3) volte superiore a quella di un sistema monofase. A confronto, un sistema bifase trasmette 1,141 volte più potenza di una configurazione monofase.

Un vantaggio chiave dei sistemi trifase è il campo magnetico rotante (RMF), che consente l'avviamento automatico nei motori trifase garantendo al contempo una potenza e un momento costanti. In contrasto, i sistemi monofase mancano di un RMF e presentano una potenza pulsante, limitando le loro prestazioni nelle applicazioni motoristiche.

I sistemi trifase offrono anche un'efficienza di trasmissione superiore, con perdite di potenza e caduta di tensione ridotte. Ad esempio, in un tipico circuito resistivo:

Sistema Monofase

• Perdita di potenza nella linea di trasmissione = 18I²r … (P = I²R)

• Caduta di tensione nella linea di trasmissione = I.6r … (V = IR)

Sistema Trifase

• Perdita di potenza nella linea di trasmissione = 9I²r … (P = I²R)

• Caduta di tensione nella linea di trasmissione = I.3r … (V = IR)

Si dimostra che la caduta di tensione e la perdita di potenza in un sistema trifase sono 50% inferiori a quelle in un sistema monofase.

Gli alimentatori bifase, simili a quelli trifase, possono fornire potenza costante, generare RMF (campo magnetico rotante) e offrire un momento costante. Tuttavia, i sistemi trifase trasmettono più potenza dei sistemi bifase a causa della fase aggiuntiva. Questo solleva la questione: perché non utilizzare più fasi come 6, 9, 12, 24, 48, ecc.? Ne discuteremo nei dettagli e spiegheremo come un sistema trifase può trasmettere più potenza di un sistema bifase con lo stesso numero di fili.

Perché non Bifase?

Entrambi i sistemi bifase e trifase possono generare campi magnetici rotanti (RMF) e fornire potenza e momento costanti, ma i sistemi trifase offrono un vantaggio chiave: una maggiore capacità di potenza. La fase aggiuntiva nelle configurazioni trifase permette di trasmettere 1,732 volte più potenza rispetto ai sistemi bifase con lo stesso diametro dei conduttori.

I sistemi bifase richiedono tipicamente quattro fili (due conduttori di fase e due neutrali) per completare i circuiti. L'utilizzo di una neutrale comune per formare un sistema a tre fili riduce il cablaggio, ma la neutrale deve trasportare le correnti di ritorno combinate da entrambe le fasi, necessitando di conduttori più spessi (ad esempio, rame) per evitare surriscaldamenti. In contrasto, i sistemi trifase utilizzano tre fili per carichi bilanciati (configurazione delta) o quattro fili per carichi non bilanciati (configurazione stella), ottimizzando la fornitura di potenza ed efficienza dei conduttori.

Perché non 6-fase, 9-fase o 12-fase?

Sebbene i sistemi ad alta fase possano ridurre le perdite di trasmissione, non vengono ampiamente adottati a causa di limitazioni pratiche:

• Efficienza del conduttore: I sistemi trifase utilizzano il minor numero di conduttori (3) per trasmettere potenza bilanciata, mentre un sistema a 12 fasi richiederebbe 12 conduttori, quadruplicando i costi di materiale e installazione.

• Suppressione degli armonici: L'angolo di fase di 120° nei sistemi trifase annulla naturalmente le correnti armoniche terziarie, eliminando la necessità di filtri complessi richiesti nelle configurazioni ad alta fase.

• Complessità del sistema: I sistemi ad alta fase richiedono componenti riingegnerizzati (trasformatori, interruttori, commutatori) e sottostazioni più grandi, aumentando la complessità di progettazione e il carico di manutenzione.

• Vincoli pratici: Motori e generatori con più di tre fasi sono più ingombranti e difficili da raffreddare, mentre le torri di trasmissione avrebbero bisogno di un'altezza maggiore per ospitare più conduttori.

Il Vantaggio Trifase

I sistemi trifase raggiungono un equilibrio ottimale:

• Trasmettono 50% più potenza dei sistemi monofase con gli stessi conduttori, minimizzando le perdite.

• La configurazione di fase a 120° bilancia i carichi e sopprime gli armonici senza aggiungere complessità.

• Si adattano sia alle configurazioni delta (carichi bilanciati) che stella (carichi non bilanciati), supportando diverse esigenze di potenza.

I sistemi ad alta fase offrono rendimenti decrescenti, ogni fase aggiuntiva aumenta esponenzialmente i costi pur fornendo benefici marginali. Per questo motivo, la tecnologia trifase rimane lo standard globale per la trasmissione di potenza, bilanciando efficienza, semplicità e viabilità economica.