Che differenza c’è fra trifase e monofase?

Per illustrare semplicemente la differenza tra monofase e trifase, immagina un canoista solitario in canoa. Può solo muoversi in avanti mentre la sua pagaia si muove attraverso l’acqua. Quando solleva la pagaia dall’acqua per preparare il colpo successivo, la potenza fornita alla canoa è pari a zero. Ora immagina la stessa canoa con tre canoisti. Se i loro colpi sono sincronizzati in modo che ciascuno sia separato da 1/3 di un ciclo, allora la canoa riceve una propulsione costante e coerente attraverso l’acqua. Più potenza viene fornita e più la canoa si muove attraverso l’acqua in modo più fluido ed efficiente.

La corrente alternata (AC) è una forma di elettricità in cui il flusso di energia cambia continuamente direzione. Fin dai primi anni del 1900, l’alimentazione in corrente alternata è stata utilizzata per fornire elettricità a case e aziende. Per la maggior parte delle aziende e gli impianti industriali, l’energia elettrica è però fornita con tre fasi per sopportare carichi più elevati, mentre le abitazioni sono generalmente fornite in monofase, che è sufficiente per alimentare gli elettrodomestici della casa.

Entrambi i sistemi di alimentazione monofase e trifase si riferiscono a unità che utilizzano la corrente alternata (AC). Con la corrente alternata, il flusso di corrente è costantemente in direzioni alternate. La differenza principale tra alimentazione AC monofase e trifase è la costanza della consegna dell’elettricità. L’energia elettrica trifase, in particolare, è il sistema polifase più comune in tutto il mondo nella generazione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica alternata.

I sistemi di alimentazione polifase furono inventati in modo indipendente da Galileo Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, Jonas Wenström, John Hopkinson e dal grande inventore Nikola Tesla alla fine dell’Ottocento. Un circuito trifase a tre fili risulta essere in genere più economico di un circuito monofase a due fili equivalente sulla stessa linea rispetto alla tensione di terra, poiché utilizza meno materiale conduttore per trasmettere una determinata quantità di energia elettrica.

Un sistema di alimentazione AC monofase raggiunge picchi di tensione a 90° e 270°, con un ciclo completo a 360°. Con questi picchi e cadute di tensione, la potenza non viene erogata a un tasso costante. In un sistema monofase, vi è un filo neutro e un cavo di alimentazione con corrente che scorre tra i due. Le variazioni cicliche di magnitudo e direzione di solito modificano il flusso in corrente e in tensione circa 50 volte al secondo, a seconda delle particolari esigenze di un sistema.

In un sistema di alimentazione trifase simmetrico, tre conduttori portano ciascuno una corrente alternata della stessa ampiezza di frequenza e tensione rispetto a un riferimento comune ma con una differenza di fase di un terzo di un ciclo (120°) tra ciascuno. Al termine di un ciclo completo di 360°, le tre fasi di alimentazione hanno raggiunto un picco di tensione due volte. Con un’alimentazione trifase, viene erogato un flusso costante di energia a un tasso costante, consentendo di portare più carico.

La differenza fra un’alimentazione monofase e una trifase. Quando la curva della monofase passa attraverso lo zero, la potenza fornita è pari a zero. Perciò nella trifase il livello di potenza fornito nel corso del tempo rimane consistente.

Il riferimento comune della trifase è di solito collegato a terra e spesso a un conduttore che trasporta corrente chiamato neutro. A causa della differenza di fase, la tensione su qualsiasi conduttore raggiunge il suo picco a 1/3 di un ciclo dopo uno degli altri conduttori e 1/3 di un ciclo prima del restante conduttore. Questo ritardo di fase fornisce un trasferimento di potenza costante a un carico lineare bilanciato, e consente di produrre un campo magnetico rotante in un motore elettrico.

Rispetto a un alimentatore AC monofase che utilizza due conduttori (fase e neutro), un’alimentazione trifase senza neutro e la stessa tensione fase-terra e la capacità di corrente per fase possono trasmettere tre volte più energia utilizzando solo 1,5 volte il numero di fili (ad esempio, tre invece di due). Pertanto, il rapporto tra capacità e materiale conduttore è raddoppiato. I sistemi trifase possono anche avere un quarto filo, in particolare nella distribuzione a bassa tensione.

Quest’ultimo è il filo neutro. Il neutro consente di fornire tre alimentazioni monofase separate a una tensione costante e viene comunemente utilizzato per alimentare gruppi di proprietà domestiche che sono ciascuno carichi monofase. Le connessioni sono in tal caso disposte in modo che, per quanto possibile in ciascun gruppo, venga prelevata la stessa potenza da ciascuna fase. A monte del sistema di distribuzione siffatto, le correnti risultano generalmente ben bilanciate.

L’alimentazione monofase è usata nella maggior parte delle case e piccole imprese. Essa è in grado di fornire energia sufficiente per la maggior parte dei clienti più piccoli, comprese case e piccole imprese non industriali. Risulta adeguata per far funzionare motori fino a circa 5 cavalli di potenza; un motore monofase assorbe significativamente più corrente rispetto al motore trifase equivalente, rendendo dunque l’alimentazione trifase una scelta più efficiente per le applicazioni industriali.

L’alimentazione trifase è comune nelle grandi aziende, così come nell’industria e nella produzione in tutto il mondo. Essa è sempre più popolare nei data center ad alta densità e assetati di energia. È costoso convertire un’installazione monofase in trifase, ma le 3 fasi consentono cablaggi più piccoli e meno costosi e tensioni più basse, rendendola più sicuro e meno costoso da gestire. Una tale alimentazione è altamente efficiente per apparecchiature progettate per funzionare su 3 fasi.

Le applicazioni tipiche per i sistemi trifase includono data center, torri mobili, reti elettriche, navi e aerei, sistemi senza equipaggio e qualsiasi altra elettronica con un carico superiore a 1000 watt. Gli alimentatori trifase offrono una capacità di carico superiore per sistemi di carico più elevati. Alcuni degli altri vantaggi della trifase includono: riduzione del consumo di rame, meno rischi per la sicurezza per i lavoratori, riduzione dei costi di manodopera, maggiore efficienza del conduttore.

Esistono due configurazioni trifase di base: a stella (o Wye) e a triangolo. Una configurazione a triangolo richiede solo tre fili per la trasmissione, ma una configurazione a stella può avere un quarto filo. Il quarto filo, se presente, è fornito come neutro ed è normalmente collegato a terra. Le denominazioni “3 fili” e “4 fili” non contano il filo di terra presente sopra molte linee di trasmissione, che è esclusivamente per la protezione da guasto e non trasporta corrente durante il normale utilizzo.

Le due configurazioni di base dell’alimentazione trifase.

Nella maggior parte dei casi, è preferibile la configurazione a stella a quattro fili, specie quando deve essere servita una miscela di carichi monofase e trifase. La Wye è più flessibile in quanto può alimentare dispositivi che richiedono alimentazione a 3 fasi, 2 fasi o 1 fase. Ad esempio, il magazzino di server di un data center può richiedere solo un’alimentazione trifase, tuttavia, il tecnico che controlla i server avrà probabilmente bisogno di alimentazione monofase per azionare il computer, gli strumenti e le luci.

La ragione per fornire l’alimentazione collegata a delta è solitamente quella di alimentare grandi motori che richiedono un campo rotante. Tranne che in un sistema a delta, i carichi monofase possono essere collegati attraverso qualsiasi due fasi della trifase, oppure è possibile collegare un carico da fase a neutro. La distribuzione dei vari carichi monofase tra le fasi di un sistema trifase, naturalmente, bilancia il carico e rende più economico l’uso di conduttori e trasformatori.

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