RIFASAMENTO

RIFASAMENTO

. Riduzione della differenza di fase fra due grandezze variahili nel tempo con legge periodica. In elettrotecnica, s'intende per rifasamento, o miglioramento del fattore di potenza, di un circuito di utilizzazione, di una rete di distribuzione, di lunghe linee di trasmissione di energia elettrica, ecc., la riduzione della differenza di fase fra la tensione alternativa di alimentazione e la corrente assorbita. Tale operazione ha lo scopo precipuo di ridurre la corrente assorbita a pari potenza e le perdite ad essa inerenti; nelle trasmissioni di energia, il rifasamento fornisce anche il metodo più comune per la regolazione della tensione in arrivo.

Si chiama differenza di fase, o sfasamento, fra due grandezze sinusoidali di uguale periodo, la frazione di periodo che intercede fra il massimo dell'una e quello dell'altra: convenzionalmente, essa si misura (fig. 1), come un angolo (ϕ), in radianti, o in gradi, assumendo come grandezza di riferimento il periodo, al quale si attribuisce il valore di un angolo giro.

Notevole importanza ha la differenza di fase fra la differenza di potenziale alternativa applicata a un circuito elettrico e la corrente che in esso circola, perché notoriamente (v corrente) da quello sfasamento dipende la potenza sviluppata nel circuito. Indicando con V ed I i valori efficaci di quelle grandezze, e con ϕ l'angolo che ne misura la differenza di fase, la potenza media vale:

Alla quantità cos ϕ si dà per questa ragione il nome di fattore di potenza d. p.) del circuito. A sfasamento nullo corrisponde cos ϕ = 1, cioè il massimo della potenza sviluppabile a parità di tensione e corrente: presentano f. d. p. unitario gli utilizzatori formati da pure resistenze (carichi ohmici), quali gli impianti d'illuminazione e di riscaldamento.

Molte categorie di motori, invece, e in genere tutti quegli apparecchi che contengono avvolgimenti forniti d'induttanza (carichi induttivi), quando vengono alimentati mediante una tensione alternativa (curva v, fig. 1), assorbono corrente (i) sfasata in ritardo rispetto alla tensione di alimentazione. Questo abbassamento del f. d. p. porta come conseguenza la necessità di convogliare, per alimentare gli utilizzatori induttivi, correnti più intense di quelle che, a pari tensione, sarebbero richieste per fornire la stessa potenza con f. d. p. unitario. All'aumentata intensità di corrente corrisponde l'esaltazione delle perdite per effetto Joule negli utilizzatori, nelle macchine generatrici e nelle linee di trasmissione, e cioè un notevole abbassamento del rendimento e della potenzialità dell'impianto. Inoltre, quando le linee di trasmissione hanno grande lunghezza e impedenza, la maggiore intensità e lo sfasamento delle correnti comportano anche un aumento delle cadute di tensione variabili col carico, e delle conseguenti esigenze di regolazione della tensione (v. regolatori: Regolatori elettrici).

Per queste ragioni, si cerca, in tutti gl'impianti di forza motrice, di migliorare il f. d. p., sia modificando i singoli motori (motori compensati), per diminuire lo sfasamento della corrente assorbita da ognuno di essi, sia disponendo in parallelo con essi speciali utilizzatori, aventi la caratteristica di assorbire correnti anticipate di fase rispetto alla tensione, in modo da ridurre lo sfasamento della corrente complessiva (carichi capacitivi: condensatori statici e motori sincroni sovraeccitati). Le società produttrici di energia elettrica, per le quali ha la più grande importanza economica il f. d. p. ell'energia prodotta e trasmessa, incoraggiano gli utenti al rifasamento dei singoli impianti, stabilendo prezzi più vantaggiosi per l'energia assorbita con più alto f. d. p., e d'altra parte provvedono esse stesse ad installare, all'arrivo delle lunghe linee di trasmissione, grossi motori sincroni, capaci di rifasare il carico dell'intera rete.

Immaginando (fig. 2) scissa la corrente, ritardata rispetto alla differenza di potenziale, nelle due componenti I_ν = I cos ϕ (corrente attiva) ed I_μ = I sen ϕ (corrente reattiva o magnetizzante), rispettivamente in fase e in quadratura con la tensione V, si usa dire che un utilizzatore induttivo assorbe, oltre alla potenza reale P_ν = VI cos ϕ, anche una potenza reattiva P_μ = VI sen ϕ, e che, in totale, viene assorbita una potenza apparente P_α = VI = √P_ν² + P_μ². Solo la potenza reale ha un significato energetico: la potenza reattiva e quella apparente sono grandezze di carattere convenzionale; esse si misurano, per distinguerli dalla potenza reale e da quella meccanica, in voltampere (VA) anziché in watt. la potenza reattiva dà con la sua entità relativa, le misure dello sfasamento, mentre quella apparente misura la potenza reale che la stessa corrente e la stessa tensione potrebbero sviluppare in un circuito con f. d. p. unitario.

Il problema del rifasamento si può allora enunciare dicendo che esso consiste nel ridurre o annullare la potenza reattiva da convogliare agli utilizzatori induttivi, insieme a quella reale. Ciò si ottiene, in tutti i sistemi di rifasamento, inserendo, in parallelo con gli utenti, apparecchi capaci di assorbire correnti reattive anticipate, che sulla linea producono cadute di tensione opposte a quelle provocate dalle correnti ritardate.

Inserzione dî condensatori statici. - La proprietà di assorbire correnti anticipate rispetto alla tensione di alimentazione è caratteristica dei condensatori. Si inseriscono (fig. 3), per il rifasamento, batterie di condensatori, elettrostatici o elettrolitici, in parallelo con i singoli motori o con interi impianti di forza motrice. La fig. 4 rappresenta un motore asincrono rifasato mediante un piccolo condensatore elettrostatico; la fig. 5 mostra, invece, una grossa batteria di condensatori, della potenza apparente di 750 kVA, per il rifasamento di un intero impianto.

La potenza apparente da assegnare alle batterie per dimensionarle è pari alla riduzione che si vuole ottenere nella potenza reattiva da convogliare: se in un impianto di potenza reale P si vuol elevare il f. d. p. dal valore cosϕ₀ al valore cosϕ₁, e cioè si vuol ridurre la potenza reattiva assorbita da P tangϕ₀ a P tangϕ₁, occorre adottare una batteria di potenza apparente:

Ostano spesso all'impiego dei condensatori il pericolo di fenomeno di risonanza elettrica, che essi presentano quando vengono collegati a circuiti induttivi, le difficoltà di costruzione di batterie di grande potenza, e le difficoltà di isolamento che sorgono quando la tensione è molto alta. In quest'ultimo caso, i condensatori si possono inserire in serie con gli utilizzatori, anziché in parallelo, ovvero si può usare l'inserzione attraverso trasformatori che può essere utile anche quando, viceversa, la tensione è troppo bassa per una costruzione economica delle batterie.

Inserzione di motori sincroni (condensatori rotanti). - Proprietà caratteristica dei motori sincroni è la possibilità di far loro assorbire correnti di fase variabile entro vasti limiti mediante la sola regolazione del campo induttore; essi possono quindi sostituire assai vantaggiosamente, nel compito di assorbire potenza reattiva anticipata, i condensatori statici. Tutti i grandi impianti e reti complete vengono rifasati mediante motori sincroni, che per questa loro possibilità hanno ricevuto l'appellativo, ormai comune, di condensatori rotanti.

È noto (v. dinamoelettriche, macchine) che, quando l'eccitazione è assai bassa (motore sottoeccitato), il motore sincrono si comporta come un'induttanza quasi pura, ed assorbe dalla rete correnti molto intense con f. d. p. bassissimo; lo sfasamento decresce all'aumentare dell'eccitazione, fino a divenire negativo (corrente anticipata), quando essa supera il valore per il quale la corrente è minima e in fase con la tensione (motore sovraeccitato).

Negl'impianti di forza motrice, si possono, per il rifasamento del carico complessivo, far funzionare in regime di sovraeccitazione i motori sincroni esistemi. Nelle sottostazioni di arrivo delle lunghe linee di trasmissione, si usa installare appositamente dei sincroni, non destinati alla produzione di potenza meccanica, ma aventi il solo scopo, marciando a vuoto in condizioni di sovraeccitazione, di assorbire corrente capacitiva. La fig. 6 mostra un grosso sincrono trifase per rifasamento, del Tecnomasio Italiano Brown Boveri, capace di assorbire, sotto la tensione di 10.000 Volt, una potenza reattiva di 7000 kVA, con f. d. p. nullo. Sull'asse del motore principale, è calettato anche un piccolo motore asincrono (motore di lancio), destinato a portare il rotore alla velocità di sincronismo, prima della sua inserzione nella rete.

Il motore sincrono rifasatore permette anche di risolvere, nelle trasmissioni di energia, l'importante problema della regolazione della tensione in arrivo (v. regolatori: Regolatori elettrici). Quando il carico richiesto dalla rete alimentata è forte, il sincrono provvede a ridurre la caduta di tensione dovuta alla linea, assorbendo energia reattiva in anticipo; quando, a carichi bassi, la tensione in arrivo tenderebbe ad eccedere per la diminuita caduta lungo la linea, basta, viceversa, sottoeccitare il sincrono per fargli assorbire energia reattiva in ritardo in misura sufficiente a ricondurre quella caduta al valore normale. L'eccitazione del sincrono è presidiata da regolatori automatici, che al diminuire della tensione in arrivo provvedono ad escludere il reostato di campo per aumentare la corrente magnetizzante.

Motori compensati. - Per la compensazione dei motori asincroni, che costituiscono la più grande categoria di motori a corrente alternata a basso f. d. p., v. dinamoelettriche, macchine. Rifasando il motore asincrono, se ne migliora lo sfruttamento, perché a parità di potenza apparente esso può fornire maggiore potenza reale. Il motore asincrono compensato mediante l'invio di corrente continua nell'indotto (motore asincrono sincronizzato) si comporta esattamente come un motore sincrono, e può vantaggiosamente essere a questo sostituito, anche nel compito di assorbire correnti anticipate per il rifasamento.