Un sistema polifásico (el término acuñado por Silvanus Thompson ) es un medio de distribución de energía eléctrica de corriente alterna (CA) que utiliza más de una fase de CA , que se refiere al valor de compensación de fase (en grados) entre CA en múltiples cables conductores; Las fases también pueden referirse a los terminales y conductores correspondientes, como en los códigos de colores . Los sistemas polifásicos tienen dos o más conductores eléctricos energizados que transportan corrientes alternas con una fase definida entre las ondas de voltaje en cada conductor. Los primeros sistemas usaban bifásicos de 4 cables con un ángulo de fase de 90°, [1] pero los sistemas modernos usan casi universalmente voltaje trifásico , con un ángulo de fase de 120° (o 2π/3 radianes).
Los sistemas polifásicos son particularmente útiles para transmitir energía a motores eléctricos que dependen de corriente alterna para girar. La energía trifásica se utiliza para aplicaciones industriales y para transmisión de energía . En comparación con un sistema monofásico de dos hilos, un sistema trifásico de tres hilos transmite tres veces más energía para el mismo tamaño de conductor y voltaje, utilizando sólo 1,5 veces más conductores, lo que lo hace dos veces más eficiente en la utilización de los conductores. .
Los sistemas con más de tres fases se utilizan a menudo para sistemas rectificadores y de conversión de energía, y se han estudiado para la transmisión de energía.
En los inicios de la energía eléctrica comercial, algunas instalaciones utilizaban sistemas bifásicos de cuatro hilos para motores. La principal ventaja de estos era que la configuración del devanado era la misma que para un motor monofásico de arranque por condensador y, al utilizar un sistema de cuatro hilos, conceptualmente las fases eran independientes y fáciles de analizar con herramientas matemáticas disponibles en ese momento. [2]
Los sistemas bifásicos también se pueden implementar utilizando tres cables (dos "vivos" más un neutro común). Sin embargo, esto introduce asimetría; la caída de voltaje en el neutro hace que las fases no estén exactamente separadas 90 grados.
Los sistemas bifásicos han sido sustituidos por sistemas trifásicos. El paso de dos a tres fases fue motivado originalmente por crear un campo giratorio más ideal para los motores de CA: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky calculó que, para configuraciones de devanado simples de la época, la fluctuación del campo magnético se puede reducir de un 40% a un 15%. [ cita necesaria ] . Esto es menos importante en las máquinas modernas que crean un campo giratorio casi ideal utilizando devanados distribuidos sinusoidalmente , pero los sistemas trifásicos conservan otras ventajas.
Se puede derivar un suministro bifásico con 90 grados entre fases a partir de un sistema trifásico utilizando un transformador conectado a Scott , que también puede producir energía trifásica a partir de una entrada bifásica.
Un sistema polifásico debe proporcionar una dirección definida de rotación de fases, por lo que los voltajes de imagen especular no cuentan para el orden de las fases. Un sistema de 3 hilos con dos conductores de fase separados 180 grados sigue siendo monofásico. Estos sistemas a veces se describen como de fase dividida .
La energía polifásica es particularmente útil en motores de CA , como el motor de inducción , donde genera un campo magnético giratorio . Cuando un suministro trifásico o más completa un ciclo completo, el campo magnético de un motor de dos polos por fase ha girado 360° en el espacio físico; Los motores con más de dos polos por fase requieren más ciclos de suministro de energía para completar una revolución física del campo magnético y, por lo tanto, estos motores funcionan más lentamente. Los motores de inducción que utilizan un campo magnético giratorio fueron inventados de forma independiente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla y desarrollados en forma trifásica por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky en 1889. [3] Anteriormente, todos los motores comerciales eran de CC, con costosos conmutadores y escobillas de alto mantenimiento. y características no aptas para el funcionamiento en una red de corriente alterna. Los motores polifásicos son sencillos de construir, tienen arranque automático y tienen poca vibración en comparación con los motores monofásicos.
Una vez que se dispone de energía polifásica, se puede convertir a cualquier número deseado de fases con una disposición adecuada de transformadores. Por lo tanto, la necesidad de más de tres fases es inusual, pero se han utilizado números de fase superiores a tres.
La transmisión de energía de orden de fase alto (HPO) se ha propuesto con frecuencia como una forma de aumentar la capacidad de transmisión dentro de un derecho de vía de ancho limitado . [4] La potencia transmitida es proporcional al cuadrado de la caída de voltaje entre fase y tierra, pero las líneas de transmisión requieren conductores espaciados adecuadamente para evitar arcos eléctricos entre fase y tierra y entre fases . Para la energía trifásica, domina la tensión entre fases, que es √ 3 ≈1,7 veces la tensión entre fases y tierra. Los sistemas de fases más altas con el mismo voltaje de fase a tierra tienen menos diferencia de voltaje entre fases adyacentes, lo que permite un espaciamiento más estrecho entre conductores. Para sistemas de energía de seis y más fases, el efecto dominante se convierte en la tensión fase-tierra. [5]
De este modo, el funcionamiento en seis fases permite que una línea de transmisión de doble circuito existente transporte más energía sin necesidad de cable conductor adicional. Sin embargo, requiere el gasto de capital y las pérdidas de impedancia de los nuevos transformadores de conversión de fase para interactuar con la red trifásica convencional. [4] Son particularmente económicos cuando la alternativa es actualizar una línea de transmisión de voltaje extra alto (EHV, más de 345 kV fase a fase) existente a estándares de voltaje ultra alto (UHV, más de 800 kV).
Entre 1992 y 1995, New York State Electric & Gas operó una línea de transmisión de 6 fases de 93 kV de 1,5 millas convertida a partir de una línea de transmisión de 115 kV trifásica de doble circuito. El resultado principal fue que es económicamente favorable operar una línea trifásica de 115 kV de doble circuito existente como una línea sexta para distancias mayores de 23 a 28 millas. [6] : xvii–xviii
Las líneas eléctricas trifásicas dependen de la transposición para igualar las pérdidas de transmisión en todas las fases debido a ligeras desviaciones de la geometría ideal. Esto no es posible con líneas de fase superior, porque una transposición solo puede intercambiar fases adyacentes, y el grupo diédrico en n elementos coincide con el grupo simétrico completo solo para n ≤3 . La aplicación total incluso de ese esquema de transposición limitado es necesaria para proteger adecuadamente contra fallas a tierra. [6] : 45–52
Se han propuesto diseños de generación de energía multifásicos con 5, 7, 9, 12 y 15 fases en conjunto con generadores de inducción multifásicos (MPIG) impulsados por turbinas eólicas. Un generador de inducción produce energía eléctrica cuando su rotor gira más rápido que la velocidad sincrónica . Un generador de inducción multifásico tiene más polos y, por tanto, una velocidad sincrónica más baja. Dado que la velocidad de rotación de una turbina eólica puede ser demasiado lenta para que una parte sustancial de su operación genere energía CA monofásica o incluso trifásica, los órdenes de fase más altos permiten que el sistema capture una porción mayor de la energía rotacional como energía eléctrica. . [ dudoso - discutir ] [ cita necesaria ]