Come convertire la potenza da monofase a trifase

Negli Stati Uniti, la maggior parte dell'energia che entra nelle case delle persone è monofase. La potenza generata nella centrale elettrica è invece trifase. Questa è l'idea alla base di quelle grandi linee di trasmissione che vedi attaccate alle alte torri: queste linee dovrebbero trasmettere come tanta tensione quanto è fattibile su lunghe distanze prima che questa potenza sia "sfruttata" e consegnata ai quartieri a una velocità notevolmente ridotta voltaggio.

L'alimentazione monofase è sufficiente per quasi tutti gli elettrodomestici, mentre gli ambienti industriali con apparecchiature pesanti richiedono l'alimentazione trifase. Ma cosa succede se hai bisogno di alimentazione trifase e tutto ciò che hai è l'alimentazione monofase che entra in casa tua?

• Le informazioni qui riportate sono destinate esclusivamente a scopi accademici, non didattici. Non sperimentare o alterare mai i cavi elettrici in casa o altrove a meno che tu non sia stato specificamente addestrato per il lavoro.

Immagina te stesso e due dei tuoi amici (ovviamente annoiati) che camminano avanti e indietro a una velocità vivace di 2 metri al secondo (circa 4,5 miglia all'ora) lungo un percorso che corre da nord a sud e misura 60 metri da un capo all'altro fine. Ognuno di voi inizia a metà di questo sentiero, cammina fino all'estremità settentrionale, torna all'inizio, continua camminando verso l'estremità opposta, e torna di nuovo al centro, completando così un "giro" di 120 metri, o ciclo. Poiché ognuno di voi cammina a 2 metri al secondo, un viaggio di andata e ritorno dura esattamente 60 secondi a persona.

Supponiamo inoltre che al punto di partenza, lo "stato" di ciascuno di voi sia zero. Guadagni un'unità di stato per ogni metro che percorri verso nord e perdi un'unità di stato per ogni metro che percorri verso sud. Quindi ogni volta che uno di voi raggiunge l'estremità nord del percorso, quella persona ha uno status di 30, mentre chiunque faccia la svolta all'estremità meridionale ha uno status di -30. Riconoscete che voi tre potete separarvi al massimo l'uno dall'altro iniziando 20 secondi di distanza, perché ogni circuito dura 60 secondi e siete in tre, e 60 diviso 3 è 20. Se fai l'algebra, scopri che quando uno di voi ha massimizzato il proprio "status" a un valore di 30 raggiungendo l'estremità nord, gli altri due si incrociano a metà del tratto meridionale, uno diretto a nord e l'altro a sud, dove ogni camminatore ha uno status di -15. Se sommi i tuoi valori di stato insieme in quel momento, la loro somma è 30 + (-15) + (-15) = 0. È possibile dimostrare che, in effetti, la somma di tutti i tuoi valori di stato in qualsiasi momento è 0 purché tu tre sia perfettamente sfalsato come descritto.

Questo offre un modello di come appare l'energia elettrica trifase, tranne per il fatto che la "tensione" è sostituito per "stato" e invece di un ciclo che si verifica ogni 60 secondi, si verificano 60 cicli di tensione ogni secondo. Inoltre, invece di ogni persona che passa il punto di partenza due volte al minuto, la tensione passa attraverso il punto zero 120 volte al secondo.

A causa del modo in cui potenza, corrente e tensione sono correlate matematicamente, la potenza trifase rimane a un livello costante, diverso da zero, anche se le tre singole tensioni si sommano a zero in qualsiasi momento. Questa relazione è:

P = V²/R

Qui P è la potenza in watt, V è la tensione in volt e R è la resistenza elettrica in unità chiamate ohm. Puoi vedere che le tensioni negative contribuiscono alla potenza perché elevare al quadrato un numero negativo produce un valore positivo. La potenza totale in un sistema trifase è solo la somma della potenza dei tre singoli valori di potenza di ciascuna fase.

Inoltre, se ti sei mai chiesto come la corrente alternata (AC) abbia preso il nome, ora hai la tua risposta. La tensione non è mai stabile nei sistemi monofase o trifase e, di conseguenza, nemmeno la corrente; questi sono legati dalla legge di Ohm, che è V = IR, dove I sta per la corrente in ampere ("ampere").

Per estendere l'analogia degli amici che camminano avanti e indietro all'energia monofase, immagina semplicemente che due dei tuoi amici siano chiamati a casa a cena mentre tu continui a camminare, e il gioco è fatto. Cioè, l'alimentazione trifase è letteralmente solo tre fonti di alimentazione monofase reciprocamente sfalsate di un terzo di ciclo (o in termini trigonometrici, di 120 gradi). In un alimentatore monofase, ogni volta che la tensione singola diventa brevemente zero, così fa la potenza in uscita. Forse ora puoi capire perché i piccoli elettrodomestici, che non risentono molto di brevissimi intervalli di tempo potenza, può funzionare con alimentazione monofase, mentre macchine di grandi dimensioni che funzionano a livelli di potenza (potenza) elevati non può; richiedono un alimentatore grande e costante.

Tutto quanto sopra è più facilmente comprensibile consultando un grafico di tensione vs. tempo per un'alimentazione trifase (vedi Risorse). In questo grafico, le singole fasi sono rappresentate con linee rosse, viola e blu. Questi sommano sempre a zero, ma la somma dei loro quadrati è positiva e costante. Quindi dato un valore immutabile di R, anche la potenza P in questi allestimenti è costante per la relazione P = V²/R.

Per un'alimentazione monofase, non ci sono tensioni da sommare e la tensione della singola fase passa attraverso il punto zero 120 volte al secondo. In questi istanti, la potenza scende a zero ma si ripristina abbastanza velocemente in modo che luci più piccole, elettrodomestici e così via non subiscano interruzioni evidenti.

Se si dispone di un motore trifase in un dispositivo più grande come un compressore d'aria di dimensioni industriali e non si ha accesso immediato a alimentazione trifase a causa del modo in cui è impostata la rete locale, ci sono soluzioni alternative che puoi utilizzare per ottenere correttamente le tue apparecchiature alimentato. (Uno di questi è semplicemente sostituire il motore trifase con un motore monofase, ma questo non è così intelligente come altre soluzioni.)

Sono disponibili numerosi tipi di convertitori trifase. Uno di questi, a convertitore statico, sfrutta il fatto che mentre un motore trifase non può avviarsi con alimentazione monofase, può continuare a funzionare con alimentazione monofase una volta avviato. Un convertitore statico lo fa con l'aiuto di condensatori (dispositivi in ​​grado di immagazzinare carica), che consente al convertitore statico sostituire una delle fasi, anche se in modo inefficiente che è certo di diminuire la vita effettiva del motore span. UN convertitore di fase rotativo, invece, agisce come una sorta di combinazione di un motore trifase sostitutivo e di un generatore indipendente. Questo dispositivo include un motore folle, che, una volta messo in moto, non fa girare nessuna parte in movimento nel genitore macchine ma invece genera energia in modo che l'intero set-up possa imitare ragionevolmente un sistema di alimentazione trifase bene. Infine, a convertitore di frequenza (VFD) utilizza componenti chiamati inverter, che possono essere utilizzati per creare corrente alternata a quasi tutte le frequenze desiderate e replicare la maggior parte delle condizioni all'interno di un motore trifase standard.

Nessuno di questi convertitori è perfetto, non più di quanto un coltello da pane possa essere usato per tagliare la carne con facilità. Ma un coltello da pane è meglio delle tue mani nude, e quindi questi convertitori sono davvero buoni da avere a portata di mano se lavori spesso con macchinari e strumenti affamati di energia.