Lo schema del sistema di alimentazione monofase mostra poco sul cablaggio di un circuito di alimentazione pratico.
Depresso sopra, è un circuito AC molto semplice. Se la dissipazione di potenza del resistore di carico fosse sostanziale, potremmo chiamarlo “circuito di potenza” o “sistema di potenza” invece di considerarlo solo un normale circuito.
La distinzione tra un “circuito di potenza” e un “circuito normale” può sembrare arbitraria, ma le preoccupazioni pratiche non lo sono affatto.
Analisi del circuito pratico
Una di queste preoccupazioni è la dimensione e il costo del cablaggio necessario per fornire energia dalla sorgente AC al carico. Normalmente, non diamo molto peso a questo tipo di preoccupazione se stiamo semplicemente analizzando un circuito per il gusto di imparare le leggi dell’elettricità.
Tuttavia, nel mondo reale, può essere una preoccupazione importante. Se diamo alla sorgente del circuito di cui sopra un valore di tensione e diamo anche valori di dissipazione di potenza alle due resistenze di carico, possiamo determinare le necessità di cablaggio per questo particolare circuito:
In pratica, il cablaggio per i carichi da 20 kW a 120 Vac è piuttosto consistente (167 A).
83,33 ampere per ogni resistenza di carico nella figura sopra aggiunge fino a 166,66 ampere di corrente totale del circuito. Questa non è una piccola quantità di corrente e richiederebbe conduttori di filo di rame di almeno 1/0 gauge.
Tale filo è ben oltre 1/4 di pollice (6 mm) di diametro, pesando oltre 300 libbre per mille piedi. Tenete presente che anche il rame non è economico! Sarebbe nel nostro migliore interesse trovare il modo di minimizzare tali costi se stessimo progettando un sistema di alimentazione con conduttori di lunga lunghezza.
Un modo per farlo sarebbe quello di aumentare la tensione della fonte di alimentazione e utilizzare carichi costruiti per dissipare 10 kW ciascuno a questa tensione più alta.
I carichi, naturalmente, dovrebbero avere valori di resistenza maggiori per dissipare la stessa potenza di prima (10 kW ciascuno) a una tensione maggiore di prima.
Il vantaggio sarebbe una minore corrente richiesta, permettendo l’uso di cavi più piccoli, leggeri ed economici:
Gli stessi carichi da 10 kW a 240 Vac richiedono un cablaggio meno consistente che a 120 Vac (83 A).
Ora la nostra corrente totale del circuito è di 83,33 ampere, la metà di quello che era prima.
Ora possiamo usare il filo di calibro 4, che pesa meno della metà del filo di calibro 1/0 per unità di lunghezza. Questa è una considerevole riduzione del costo del sistema senza degradazione delle prestazioni.
Questo è il motivo per cui i progettisti di sistemi di distribuzione dell’energia scelgono di trasmettere l’energia elettrica usando tensioni molto alte (molte migliaia di volt): per capitalizzare il risparmio realizzato dall’uso di fili più piccoli, più leggeri e più economici.
Pericoli dell’aumento della tensione di alimentazione
Tuttavia, questa soluzione non è senza svantaggi. Un’altra preoccupazione pratica con i circuiti di potenza è il pericolo di scosse elettriche da tensioni elevate.
Ancora una volta, questo non è il genere di cose su cui ci concentriamo quando impariamo le leggi dell’elettricità, ma è una preoccupazione molto valida nel mondo reale, specialmente quando si tratta di grandi quantità di potenza.
Il guadagno in efficienza realizzato aumentando la tensione del circuito ci presenta un pericolo maggiore di scosse elettriche. Le compagnie di distribuzione dell’energia affrontano questo problema facendo passare le loro linee elettriche lungo alti pali o torri e isolando le linee dalle strutture di supporto con grandi isolatori di porcellana.
Al punto di utilizzo (il cliente di energia elettrica), c’è ancora il problema di quale tensione usare per alimentare i carichi.
L’alta tensione offre una maggiore efficienza del sistema grazie alla riduzione della corrente dei conduttori, ma potrebbe non essere sempre pratico tenere il cablaggio dell’energia fuori dalla portata del punto d’uso come può essere elevato fuori dalla portata dei sistemi di distribuzione.
Questo compromesso tra efficienza e pericolo è quello che i progettisti europei del sistema elettrico hanno deciso di rischiare, tutte le loro famiglie e gli elettrodomestici funzionano a una tensione nominale di 240 volt invece di 120 volt come avviene in Nord America.
Ecco perché i turisti americani che visitano l’Europa devono portare con sé dei piccoli trasformatori step-down per i loro apparecchi portatili, per abbassare la tensione di 240 VAC (volt AC) a una più adatta di 120 VAC.
Soluzioni per la consegna della tensione ai consumatori
Trasformatori step-down al punto finale di utilizzo della corrente
C’è un modo per realizzare contemporaneamente i vantaggi di una maggiore efficienza e di una riduzione del rischio di sicurezza?
Una soluzione sarebbe quella di installare trasformatori step-down nel punto finale dell’uso della corrente, proprio come il turista americano deve fare quando è in Europa.
Tuttavia, questo sarebbe costoso e scomodo per qualsiasi cosa tranne che per carichi molto piccoli (dove i trasformatori possono essere costruiti a buon mercato) o carichi molto grandi (dove la spesa di fili di rame spessi supererebbe la spesa di un trasformatore).
Due carichi a bassa tensione in serie
Una soluzione alternativa sarebbe quella di utilizzare un’alimentazione a tensione più alta per fornire energia a due carichi a tensione più bassa in serie. Questo approccio combina l’efficienza di un sistema ad alta tensione con la sicurezza di un sistema a bassa tensione:
Carichi 120 Vac collegati in serie, pilotati da una sorgente 240 Vac a 83,3 A di corrente totale.
Nota i segni di polarità (+ e -) per ogni tensione indicata, così come le frecce unidirezionali per la corrente.
Per la maggior parte, ho evitato di etichettare le “polarità” nei circuiti AC che abbiamo analizzato, anche se la notazione è valida per fornire un quadro di riferimento per la fase.
Nelle sezioni successive di questo capitolo, le relazioni di fase diventeranno molto importanti, quindi sto introducendo questa notazione all’inizio del capitolo per la vostra familiarità.
La corrente attraverso ogni carico è la stessa che c’era nel semplice circuito da 120 volt, ma le correnti non sono additive perché i carichi sono in serie piuttosto che in parallelo.
La tensione attraverso ogni carico è solo 120 volt, non 240, quindi il fattore di sicurezza è migliore. Intendiamoci, abbiamo ancora 240 volt attraverso i fili del sistema elettrico, ma ogni carico sta funzionando ad una tensione ridotta.
Se qualcuno sta per prendere la scossa, le probabilità sono che sia dal contatto con i conduttori di un particolare carico piuttosto che dal contatto attraverso i fili principali di un sistema elettrico.
Modifiche al progetto di due carichi in serie
C’è solo uno svantaggio in questo progetto: le conseguenze del fallimento di un carico aperto o spento (assumendo che ogni carico abbia un interruttore on/off in serie per interrompere la corrente) non sono buone.
Essendo un circuito in serie, se uno dei due carichi si dovesse aprire, la corrente si fermerebbe anche nell’altro carico. Per questo motivo, dobbiamo modificare un po’ il progetto: (Figura sotto)
L’aggiunta di un conduttore neutro permette ai carichi di essere pilotati individualmente.
Sistema di alimentazione trifase
Invece di una singola alimentazione da 240 volt, usiamo due alimentazioni da 120 volt (in fase tra loro!) in serie per produrre 240 volt, poi facciamo passare un terzo filo al punto di connessione tra i carichi per gestire l’eventualità che un carico si apra.
Questo è chiamato un sistema di alimentazione bifase. Tre fili più piccoli sono ancora più economici dei due fili necessari con il semplice design parallelo, quindi siamo ancora in vantaggio sull’efficienza.
L’osservatore astuto noterà che il filo neutro deve solo trasportare la differenza di corrente tra i due carichi fino alla sorgente.
Nel caso precedente, con carichi perfettamente “bilanciati” che consumano uguali quantità di energia, il filo neutro trasporta zero corrente.
Nota come il filo neutro è collegato alla terra all’estremità dell’alimentazione. Questa è una caratteristica comune nei sistemi di alimentazione che contengono fili “neutri”, poiché la messa a terra del filo neutro assicura la minima tensione possibile in qualsiasi momento tra qualsiasi filo “caldo” e la terra.
Un componente essenziale di un sistema di alimentazione bifase è la doppia sorgente di tensione AC. Fortunatamente, progettarne e costruirne una non è difficile.
Siccome la maggior parte dei sistemi AC ricevono comunque la loro alimentazione da un trasformatore step-down (che riduce la tensione da alti livelli di distribuzione a una tensione a livello dell’utente come 120 o 240), quel trasformatore può essere costruito con un avvolgimento secondario a centro corsa:
L’alimentazione 120/240 Vac americana deriva da un trasformatore di servizio con spillatura centrale.
Se l’alimentazione AC proviene direttamente da un generatore (alternatore), le bobine possono essere similmente spillate al centro per lo stesso effetto. La spesa extra per includere una connessione a centro corsa in un trasformatore o nell’avvolgimento dell’alternatore è minima.
Ecco dove i segni di polarità (+) e (-) diventano davvero importanti. Questa notazione è spesso usata per fare riferimento alle fasi di più sorgenti di tensione AC, così è chiaro se si stanno aiutando (“boosting”) l’una con l’altra o si oppongono (“bucking”) l’una con l’altra.
Se non fosse per questi segni di polarità, le relazioni di fase tra più sorgenti AC potrebbero essere molto confuse. Notate che le sorgenti a fase divisa nello schema (ognuna da 120 volt ∠ 0°), con i segni di polarità (+) a (-) proprio come le batterie in serie possono essere rappresentate alternativamente come tali: (Figura sotto)
Sorgente di fase 120/240 Vac è equivalente a due sorgenti di aiuto in serie 120 Vac.
Per calcolare matematicamente la tensione tra i fili “caldi”, dobbiamo sottrarre le tensioni, perché i loro segni di polarità li mostrano opposti l’uno all’altro:
Se segniamo il punto di collegamento comune delle due fonti (il filo neutro) con lo stesso segno di polarità (-), dobbiamo esprimere i loro spostamenti di fase relativi come se fossero a 180°. Altrimenti, denoteremmo due fonti di tensione in opposizione diretta tra loro, il che darebbe 0 volt tra i due conduttori “caldi”.
Perché mi prendo il tempo di elaborare i segni di polarità e gli angoli di fase? Avrà più senso nella prossima sezione!
I sistemi di alimentazione nelle famiglie americane e nell’industria leggera sono più spesso della varietà bifase, e forniscono la cosiddetta potenza 120/240 VAC. Il termine “split-phase” si riferisce semplicemente alla fornitura di tensione divisa in un tale sistema.
In un senso più generale, questo tipo di alimentazione AC è chiamato monofase perché entrambe le forme d’onda di tensione sono in fase, o in step, l’una con l’altra.
Il termine “monofase” è un contrappunto ad un altro tipo di sistema di alimentazione chiamato “polifase” che stiamo per studiare in dettaglio. Mi scuso per la lunga introduzione che porta al titolo-argomento di questo capitolo.
I vantaggi dei sistemi di potenza polifase sono più ovvi se prima si ha una buona comprensione dei sistemi monofase.
RIASSUNTO:
- I sistemi di alimentazione monofase sono definiti dall’avere una sorgente AC con una sola forma d’onda di tensione.
- Un sistema di alimentazione monofase è un sistema con più sorgenti di tensione AC (in fase) collegate in serie, che fornisce energia ai carichi a più di una tensione, con più di due fili. Sono usati principalmente per raggiungere un equilibrio tra l’efficienza del sistema (basse correnti dei conduttori) e la sicurezza (basse tensioni di carico).
- Le sorgenti di corrente alternata bifase possono essere facilmente create centrando gli avvolgimenti delle bobine dei trasformatori o degli alternatori.
Fogli di lavoro correlati:
- Foglio di lavoro dei sistemi di alimentazione polifase