Sezioni dell’articolo
- Un’escursione nella teoria dell’ingegneria elettrica
- Cause e conseguenze dello squilibrio di fase
- Ripristino del filo neutro
- Stabilizzatori di fase dell’inverter
- Trasformatori di bilanciamento
- Protezione da sovratensione
Né gli elettrodomestici né le apparecchiature di produzione possono funzionare senza un alimentatore stabile. Lo squilibrio di carico e tensione o lo squilibrio di fase è la causa principale di guasti e guasti. Questo fenomeno può e deve essere combattuto, il che richiede una comprensione globale delle regole per il funzionamento di una rete elettrica trifase.
Un’escursione nella teoria dell’ingegneria elettrica
Il sistema CA trifase è stato introdotto nell’industria più di un secolo fa, praticamente nella forma in cui è sopravvissuto fino ad oggi. Il principale sviluppatore della rete trifase è considerato Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky, uno scienziato domestico che ha preso le idee di Nikola Tesla come base per i suoi sviluppi.
I vantaggi di una rete trifase sono evidenti: se, durante la rotazione del campo magnetico, una corrente appare simmetricamente e coerentemente sull’avvolgimento tripolare del generatore, la sua forma può essere facilmente utilizzata per invertire la conversione dell’energia elettrica in rotazione. Nell’era dello sviluppo del progresso scientifico e tecnologico, la capacità di utilizzare liberamente le macchine elettriche era estremamente importante e rimane tale..
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Tuttavia, il sistema di alimentazione trifase non è privo di inconvenienti. Le tensioni in ciascuna delle fasi sono interconnesse dal coefficiente di simmetria. In una rete trifase, si distinguono due tipi di tensioni elettriche: lineare, che agisce tra le fasi, e fase, che viene misurata tra la fase e il filo neutro. Se il carico su ciascuna fase è uguale (simmetrico), la tensione di linea è v3 volte superiore alla tensione di fase. Dato che l’inversione della polarità di tensione su ciascuna fase si alterna con il resto e si sovrappone parzialmente nel tempo, una significativa disparità nella distribuzione dei carichi porta a un funzionamento instabile dell’intero sistema.
Cause e conseguenze dello squilibrio di fase
Quando appare l’asimmetria del carico, si osserva una perdita di tensione di fase in una delle fasi, mentre la tensione di linea rimane costante. Il circuito, in base al quale sono collegati carichi trifase, può essere considerato un divisore di tensione: la sua caduta nella fase più caricata sarà massima a causa della bassa resistenza, mentre nelle fasi meno caricate la tensione aumenterà e tenderà a lineare. In altre parole, la tensione tra le fasi viene distribuita in proporzione al carico collegato.
Lo osserviamo nelle reti elettriche domestiche: tutti i consumatori sono collegati a fasi diverse, ma non vi è alcuna garanzia che, con una rigorosa individualità delle modalità operative e della potenza delle apparecchiature elettriche, il carico sarà distribuito uniformemente. Pertanto, lo schema più comune per il collegamento di carichi in una rete trifase, chiamato “stella”, è integrato con un filo neutro collegato a un punto centrale e collegato elettricamente al sistema di messa a terra. Grazie a questa aggiunta, l’effetto di carichi sbilanciati sulle tensioni di fase è significativamente ridotto, mentre l’efficienza di equalizzazione dipende fortemente dalla conduttività del conduttore neutro..
Se la conduttività è insufficiente o il conduttore neutro viene interrotto, lo squilibrio del carico aumenta di nuovo e provoca una distribuzione irregolare delle tensioni di fase. Una tale modalità di funzionamento della rete elettrica è irta di gravi conseguenze: con un aumento della tensione in ciascun consumatore attivo, la forza attuale aumenta fino ai valori limite, i filtri capacitivi dei dispositivi di conversione di potenza falliscono, la probabilità di rottura dell’isolamento aumenta, il surriscaldamento e un aumento delle correnti parassite sono osservati nei motori trifase. Un’interruzione zero nella rete cittadina causerà sicuramente danni agli apparecchi elettrici collegati a una filiale non protetta, anche se al momento non funzionano. Spesso i danni alle apparecchiature sono irreversibili, inoltre la probabilità di un incendio aumenta in modo significativo. Lo squilibrio di fase influisce negativamente anche sugli alimentatori trifase: trasformatori di potenza step-down e generatori trifase..
Ripristino del filo neutro
Per trasmettere elettricità su lunghe distanze, vengono utilizzate tensioni colossali, grazie alle quali è possibile ridurre la sezione dei conduttori a valori ragionevoli. Quando ci si avvicina al consumatore, si verifica una diminuzione graduale della tensione mediante trasformatori di potenza e una graduale ramificazione della rete elettrica. Non è necessario collegare i trasformatori con un filo neutro, un conduttore così meraviglioso come la crosta terrestre si adatta perfettamente a questo compito. Pertanto, un’interruzione zero può verificarsi solo nella fase finale della trasformazione: una sottostazione step-down da 6-0,4 kV o in qualsiasi punto della rete di distribuzione a bassa tensione.
Per capire dove sia possibile un’interruzione del filo neutro, passiamo a un esempio classico: una rete di alimentazione trifase di un condominio. Un cavo a tre conduttori e un bus di terra comune possono essere posati nel canale tecnico che collega le aree del pavimento. È anche possibile collegare il bus neutro al circuito di messa a terra della sottostazione usando il quarto nucleo del cavo. In quasi tutti i casi, è abbastanza semplice determinare la posizione dell’interruzione, è sufficiente misurare il potenziale elettrico tra il bus zero e la terra con un voltmetro. Se il dispositivo mostra valori vicini alla deviazione della tensione di fase dalla norma, allora il luogo del danno deve essere cercato prima secondo lo schema, spostandosi verso la sottostazione.
La situazione è diversa con le linee elettriche aeree. Il filo neutro segue insieme a quelli di fase lungo l’intera lunghezza della rete di distribuzione, a partire dalla sottostazione o trasformatore. Naturalmente, nessuno misurerà in modo indipendente la tensione tra il conduttore neutro e la terra su ciascun polo della linea di trasmissione aerea. La pausa può essere determinata solo visivamente, e ancora meglio – dalle forze degli addetti ai servizi di emergenza. Inoltre, notiamo che non ha senso mettere a terra in modo indipendente il conduttore neutro nella propria area di responsabilità, perché in questo caso lo scarico dell’intera rete avverrà lungo il conduttore del consumatore, il che significa che la corrente scorrerà attraverso il contatore.
Stabilizzatori di fase dell’inverter
Non solo i consumatori con una connessione monofase, ma anche le reti di abbonati trifase, comprese quelle industriali, soffrono dell’asimmetria di tensioni e correnti. Uno dei modi più efficaci per risolvere il problema dello squilibrio di fase è installare uno stabilizzatore di fase. A differenza dei tradizionali stabilizzatori di tensione domestici, gli stabilizzatori di fase eliminano l’asimmetria amplificando o ridistribuendo il carico..
In effetti, la funzione di uno stabilizzatore di bilanciamento polifase può essere eseguita da un assemblaggio di tre stabilizzatori di tensione monofase. Tuttavia, se tre dispositivi sono combinati in uno, questo può promettere vantaggi significativi. Il principio di funzionamento di un dispositivo trifase sta nel fatto che ha un dispositivo di accumulo e conversione dell’energia, nel ruolo di trasformatore di impulsi. In breve: uno stabilizzatore monofase, installato nella fase più debole, è costretto a compensare l’aumento di tensione aumentando il consumo di energia, che è accompagnato da una forte diminuzione dell’efficienza del convertitore.
A loro volta, gli stabilizzatori trifase assorbono l’energia necessaria per l’equalizzazione dalle fasi in cui la tensione è superiore a quella nominale, a causa della quale la quantità di perdite di conversione è molto inferiore. In questo caso, viene eseguito un carico aggiuntivo sulle fasi scaricate, cioè non solo il consumatore, ma anche parzialmente la rete di fornitura viene stabilizzata. La presenza di un inverter comune consente inoltre di mantenere una rete trifase con una mancanza temporanea di tensione su una delle fasi di alimentazione.
Stabilizzatore di tensione trifase FNEX SBW 100
Non senza difetti. Innanzitutto, si tratta della complessità del dispositivo e dell’elevato costo dei dispositivi di stabilizzazione trifase. Per la maggior parte, gli stabilizzatori di fase sono utilizzati nell’alimentazione di piccole imprese dotate di apparecchiature elettriche con un consumo totale di energia fino a 80-100 kVA: caldaie, stazioni base di comunicazioni mobili, negozi di mobili. Per i consumatori più potenti, sono previsti altri metodi di stabilizzazione.
Trasformatori di bilanciamento
Un altro tipo di dispositivo per stabilizzare correnti e tensioni sono i trasformatori balun. Hanno una gamma di potenza più ampia. Per reti con un consumo di energia fino a 400 kVA, si consiglia di installare trasformatori a bassa tensione del tipo TST, per i più potenti – trasformatori di bilanciamento 6 / 0.4 kV del tipo TMGSU.
Entrambi i tipi di trasformatori differiscono dai trasformatori di potenza convenzionali in quanto hanno un avvolgimento aggiuntivo. Si trova in parallelo con gli avvolgimenti primari ed è collegato tra lo zero di lavoro e l’anello di massa del punto medio del trasformatore. Il principio di funzionamento è semplice: quando un’asimmetria di carichi appare nel filo neutro, si verifica una corrente, che viene trasmessa al nucleo magnetico del trasformatore, e quindi tira su la fase più carica. La compensazione viene eseguita automaticamente a causa della differenza nei periodi di oscillazione delle diverse fasi.
I trasformatori TMGSU praticamente non differiscono dai balun a bassa tensione. Posizionare il dispositivo di bilanciamento di fase sulla fase di trasformazione step-down consente semplicemente di escludere una catena di trasformazione aggiuntiva e, di conseguenza, di evitare ulteriori perdite nel circuito magnetico. Semplicità, affidabilità e costi contenuti rendono i trasformatori balun la migliore soluzione per reti con bassi requisiti di purezza sinusoidale. Tuttavia, i trasformatori non dispongono di una gamma di funzioni di protezione e stabilizzazione così ampia come quella dei dispositivi di tipo inverter..
Protezione da sovratensione
Bene, che dire dei consumatori con una connessione monofase? Sfortunatamente, non è possibile in qualche modo influenzare la probabilità di uno squilibrio e il conseguente aumento di tensione. Tali fenomeni si verificano periodicamente, il difetto è nell’attrezzatura insufficiente delle reti principali, la mancanza di lavoro sulla previsione dei carichi e la deplorevole condizione tecnica dei sistemi di elettrificazione.
Tuttavia, è ancora possibile proteggere i propri impianti elettrici. Il modo più semplice è installare un relè di tensione, che disattiverà l’alimentazione dell’oggetto quando nella rete compaiono i parametri operativi massimi. Se anche una mancanza temporanea di alimentazione nella struttura è inaccettabile, ci sono due modi per proteggersi dallo squilibrio di fase: installare uno stabilizzatore monofase o dotare il gruppo di distribuzione input di interruttori di trasferimento automatici con una fonte di alimentazione autonoma.
Cosa sono le cause comuni del squilibrio di fase e quali misure possiamo adottare per proteggerci da esso?