En ingeniería eléctrica , los sistemas de energía eléctrica trifásica tienen al menos tres conductores que transportan voltajes alternos que están desfasados en el tiempo por un tercio del período. Un sistema trifásico puede estar dispuesto en delta (∆) o estrella (Y) (también denominado en estrella en algunas áreas, ya que simbólicamente es similar a la letra 'Y'). Un sistema en estrella permite el uso de dos voltajes diferentes de las tres fases , como un sistema de 230/400 V que proporciona 230 V entre el neutro (centro) y cualquiera de las fases, y 400 V entre dos fases cualesquiera. Una disposición de sistema delta proporciona solo un voltaje, pero tiene una mayor redundancia ya que puede continuar operando normalmente con uno de los tres devanados de suministro fuera de línea, aunque al 57,7% de la capacidad total. [1] La corriente armónica en el neutro puede volverse muy grande si se conectan cargas no lineales.
En una topología conectada en estrella (wye), con secuencia de rotación L1 - L2 - L3, los voltajes instantáneos variables en el tiempo se pueden calcular para cada fase A, C, B respectivamente mediante:
dónde:
Las imágenes que aparecen a continuación muestran cómo un sistema de seis cables que suministra tres fases desde un alternador puede sustituirse por solo tres. También se muestra un transformador trifásico.
En general, en los sistemas eléctricos, las cargas se distribuyen de la forma más uniforme posible entre las fases. Es una práctica habitual analizar primero un sistema equilibrado y luego describir los efectos de los sistemas desequilibrados como desviaciones del caso elemental.
Una propiedad importante de la energía trifásica es que la potencia instantánea disponible para una carga resistiva, , es constante en todo momento. De hecho, sea
Para simplificar las matemáticas, definimos una potencia no dimensionalizada para cálculos intermedios,
Por lo tanto (sustituyendo hacia atrás):
Como hemos eliminado, podemos ver que la potencia total no varía con el tiempo. Esto es esencial para que los generadores y motores grandes funcionen sin problemas.
Observe también que al utilizar la raíz cuadrada media del voltaje , la expresión anterior toma la siguiente forma más clásica:
La carga no necesita ser resistiva para lograr una potencia instantánea constante ya que, siempre que esté equilibrada o sea la misma para todas las fases, se puede escribir como
de manera que la corriente pico sea
para todas las fases y las corrientes instantáneas son
Ahora las potencias instantáneas en las fases son
Usando fórmulas de resta de ángulos :
que se suman para obtener una potencia instantánea total
Dado que los tres términos entre corchetes son un sistema trifásico, suman cero y la potencia total se convierte en
o
demostrando la afirmación anterior.
Nuevamente, utilizando la raíz cuadrada media del voltaje , se puede escribir en la forma habitual
En el caso de cargas iguales en cada una de las tres fases, no fluye corriente neta en el neutro. La corriente en el neutro es la suma vectorial invertida de las corrientes de línea. Consulte las leyes de circuitos de Kirchhoff .
Definimos una corriente no dimensionalizada, :
Como hemos demostrado que la corriente neutra es cero, podemos ver que la eliminación del núcleo neutro no tendrá ningún efecto sobre el circuito, siempre que el sistema esté equilibrado. Estas conexiones se utilizan generalmente solo cuando la carga en las tres fases es parte del mismo equipo (por ejemplo, un motor trifásico), ya que de lo contrario, la conmutación de cargas y los ligeros desequilibrios causarían grandes fluctuaciones de voltaje.
En la práctica, los sistemas rara vez tienen cargas, corrientes, voltajes e impedancias perfectamente equilibradas en las tres fases. El análisis de los casos desequilibrados se simplifica enormemente mediante el uso de las técnicas de componentes simétricos . Un sistema desequilibrado se analiza como la superposición de tres sistemas equilibrados, cada uno con la secuencia positiva, negativa o cero de voltajes equilibrados.
Al especificar los tamaños de cableado en un sistema trifásico, solo necesitamos saber la magnitud de las corrientes de fase y neutro. La corriente de neutro se puede determinar sumando las corrientes de las tres fases como números complejos y luego convirtiendo de coordenadas rectangulares a polares. Si las corrientes de raíz cuadrada media (RMS) trifásicas son , y , la corriente RMS del neutro es:
que se resuelve a
La magnitud polar de esto es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las partes reales e imaginarias, que se reduce a [2]
En las cargas lineales, el neutro solo transporta la corriente debido al desequilibrio entre las fases. Los dispositivos que utilizan terminales de entrada de condensadores rectificadores (como las fuentes de alimentación conmutadas para ordenadores, equipos de oficina y similares) introducen armónicos de tercer orden. Las corrientes de tercer orden están en fase en cada una de las fases de suministro y, por lo tanto, se sumarán en el neutro, lo que puede hacer que la corriente del neutro en un sistema en estrella supere las corrientes de fase. [3] [4]
Cualquier sistema polifásico, en virtud del desplazamiento temporal de las corrientes en las fases, permite generar fácilmente un campo magnético que gira a la frecuencia de la línea. Un campo magnético giratorio de este tipo hace posible los motores de inducción polifásicos . De hecho, cuando los motores de inducción deben funcionar con energía monofásica (como la que se distribuye habitualmente en los hogares), el motor debe contener algún mecanismo para producir un campo giratorio; de lo contrario, el motor no puede generar ningún par en parada y no arrancará. El campo producido por un devanado monofásico puede proporcionar energía a un motor que ya está girando, pero sin mecanismos auxiliares, el motor no acelerará desde una parada.
Un campo magnético rotatorio de amplitud constante requiere que las tres corrientes de fase tengan la misma magnitud y estén desplazadas con precisión un tercio de ciclo en fase. El funcionamiento desequilibrado produce efectos indeseables en motores y generadores.
Siempre que dos formas de onda de tensión tengan al menos algún desplazamiento relativo en el eje del tiempo, distinto de un múltiplo de un semiciclo, se puede obtener cualquier otro conjunto polifásico de tensiones mediante una matriz de transformadores pasivos . Dichas matrices equilibrarán uniformemente la carga polifásica entre las fases del sistema fuente. Por ejemplo, se puede obtener energía bifásica equilibrada de una red trifásica utilizando dos transformadores especialmente construidos, con tomas al 50% y al 86,6% de la tensión primaria. Esta conexión Scott T produce un verdadero sistema bifásico con una diferencia de tiempo de 90° entre las fases. Otro ejemplo es la generación de sistemas de orden de fase superior para grandes sistemas rectificadores , para producir una salida de CC más suave y reducir las corrientes armónicas en la fuente de alimentación.
Cuando se necesita una fuente de alimentación trifásica pero el proveedor de electricidad solo dispone de una fuente de alimentación monofásica, se puede utilizar un convertidor de fase para generar energía trifásica a partir de la fuente de alimentación monofásica. En las aplicaciones industriales de las fábricas se suele utilizar un motor-generador .
En un sistema trifásico, se requieren al menos dos transductores para medir la potencia cuando no hay neutro, o tres transductores cuando hay neutro. [5] El teorema de Blondel establece que el número de elementos de medición necesarios es uno menos que el número de conductores que transportan corriente. [6]