Un sistema trifásico de fase dividida o monofásico es un tipo de distribución de energía eléctrica monofásica . Es el equivalente en corriente alterna (CA) del sistema trifásico de corriente continua original de Edison Machine Works . Su principal ventaja es que, para una capacidad dada de un sistema de distribución, ahorra material conductor en comparación con un sistema monofásico de un solo extremo. [1]
El sistema es común en América del Norte para aplicaciones residenciales y comerciales ligeras. Se suministran dos líneas de 120 V CA a las instalaciones que están desfasadas 180 grados entre sí (cuando ambas se miden con respecto al neutro), junto con un neutro común. El conductor neutro se conecta a tierra en la toma central del transformador. Los circuitos para iluminación y tomas de corriente para pequeños electrodomésticos utilizan circuitos de 120 V conectados entre una línea y el neutro. Las aplicaciones de alta demanda, como los hornos, a menudo se alimentan mediante circuitos de 240 V CA, que se conectan entre las dos líneas de 120 V CA. Estas cargas de 240 V están cableadas o utilizan tomas de corriente que deliberadamente no son intercambiables con las tomas de 120 V.
Otras aplicaciones de un sistema de energía de fase dividida se utilizan para reducir el riesgo de descarga eléctrica o para reducir el ruido electromagnético.
Un transformador que alimenta un sistema de distribución de tres cables tiene un devanado de entrada (primario) monofásico. El devanado de salida (secundario) tiene una toma central conectada a un neutro conectado a tierra . Como se muestra en la Fig. 1 , cada extremo con el centro tiene la mitad del voltaje que el extremo con el extremo. La Fig. 2 ilustra el diagrama fasorial de los voltajes de salida para un transformador de fase dividida. Dado que los dos fasores no definen una dirección de rotación única para un campo magnético giratorio , un sistema monofásico dividido no es un sistema bifásico.
En Estados Unidos y Canadá, la práctica se originó con el sistema de distribución de CC desarrollado por Thomas Edison . Al conectar pares de lámparas o grupos de lámparas en el mismo circuito en serie y duplicar el voltaje de suministro, el tamaño de los conductores se redujo sustancialmente. La conexión del punto de unión de cada rama paralela de dos lámparas en serie a un neutro común, que volvía a la toma central del voltaje de suministro, estabilizaba los voltajes del circuito de la rama frente a los cambios cuando se encendían y apagaban las cargas. El conductor neutro transportaba solo el desequilibrio de la corriente que fluía de un grupo de cargas al otro.
El voltaje de línea a neutro es la mitad del voltaje de línea a línea. La iluminación y los pequeños electrodomésticos pueden conectarse entre un cable de línea y el neutro. Los electrodomésticos de mayor potencia, como equipos de cocina, calefacción de ambientes, calentadores de agua, secadoras de ropa, aires acondicionados y equipos de carga de vehículos eléctricos, se conectan a los dos conductores de línea. Esto significa que, para el suministro de la misma cantidad de energía, la corriente se reduce a la mitad. Se pueden utilizar conductores más pequeños de los que se necesitarían si los electrodomésticos estuvieran diseñados para ser alimentados por el voltaje más bajo. [2]
Si se garantizara que la carga estuviera equilibrada (que cada línea absorbiera la misma corriente), el conductor neutro no transportaría ninguna corriente y el sistema sería equivalente a un sistema de un solo extremo con el doble de voltaje y los cables de línea absorbiendo la mitad de la corriente. Esto no necesitaría un conductor neutro en absoluto, pero sería poco práctico para cargas variables; simplemente conectar los grupos en serie daría como resultado una variación excesiva de voltaje y brillo a medida que se encienden y apagan las lámparas.
Al conectar los dos grupos de lámparas a un neutro, con un potencial intermedio entre las dos patas activas, cualquier desequilibrio de la carga se verá compensado por una corriente en el neutro, lo que dará lugar a un voltaje prácticamente constante en ambos grupos. La corriente total que circula por los tres cables (incluido el neutro) siempre será el doble de la corriente de alimentación de la mitad con mayor carga.
Para tramos de cableado cortos limitados por la capacidad de transporte de corriente del conductor , esto permite sustituir tres conductores de la mitad de tamaño por dos de tamaño completo, utilizando el 75 % del cobre de un sistema monofásico equivalente.
Los tramos de cableado largos están limitados por el límite de caída de tensión permitido en los conductores. Debido a que la tensión de alimentación se duplica, una carga equilibrada puede tolerar el doble de caída de tensión, lo que permite utilizar conductores de un cuarto de tamaño; esto utiliza 3/8 del cobre de un sistema monofásico equivalente.
En la práctica, se elige un valor intermedio. Por ejemplo, si el desequilibrio se limita al 25 % de la carga total (la mitad de la mitad) en lugar del 50 % que sería el peor caso, entonces los conductores de 3/8 del tamaño de la monofásica garantizarán la misma caída de tensión máxima, totalizando 9/8 de un conductor monofásico, el 56 % del cobre de los dos conductores monofásicos.
En un sistema de alimentación equilibrado , a veces denominado "sistema de alimentación técnica", se utiliza un transformador de aislamiento con una toma central para crear una alimentación independiente con conductores a tensiones equilibradas con respecto a tierra. El objetivo de un sistema de alimentación equilibrado es minimizar el ruido acoplado a los equipos sensibles desde la fuente de alimentación.
A diferencia de un sistema de distribución de tres cables, el neutro conectado a tierra no se distribuye a las cargas; solo se utilizan conexiones de línea a línea a 120 V. Un sistema de energía balanceada se utiliza solo para distribución especializada en estudios de producción de audio y video, transmisión de sonido y televisión e instalaciones de instrumentos científicos sensibles.
El Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos establece normas para las instalaciones eléctricas técnicas. [3] Los sistemas no deben utilizarse para iluminación de uso general ni para otros equipos y pueden utilizar tomas especiales para garantizar que solo se conecten al sistema equipos aprobados. Además, los sistemas eléctricos técnicos prestan especial atención a la forma en que se conecta a tierra el sistema de distribución.
Un riesgo de utilizar un sistema de alimentación equilibrado en una instalación que también utiliza alimentación "convencional" en las mismas salas es que un usuario puede interconectar inadvertidamente los sistemas de alimentación mediante un sistema intermedio de equipos de audio o vídeo, cuyos elementos pueden estar conectados a diferentes sistemas de alimentación. La posibilidad de que esto ocurra puede reducirse mediante el etiquetado adecuado de las tomas de alimentación equilibradas y mediante el uso de un tipo de toma de corriente para el sistema equilibrado que sea físicamente diferente de la del sistema de alimentación "convencional" para diferenciarlos aún más.
En Europa , el sistema trifásico de 230/400 V es el más utilizado. Sin embargo, los sistemas eléctricos discontinuados de 130/225 V, bifásicos y trifásicos , denominados B1, se utilizan para hacer funcionar instalaciones antiguas en pequeños grupos de casas cuando solo se utilizan dos de los conductores trifásicos de alto voltaje. El desfase en Europa es de 120°, como es el caso de la corriente trifásica. Por eso calculamos 130 V * √3 = 225 V. A continuación, se utiliza un transformador reductor final trifásico. Una casa recibe las fases A y B, la siguiente casa recibe las fases B y C, la tercera casa recibe las fases A y C. Algunas instalaciones, como las granjas (especialmente las que nunca se actualizaron posteriormente a trifásicas) pueden recibir ambas fases para el mismo consumidor. Si bien normalmente se miden a través de dos fases elegidas de un medidor trifásico típico, estas dos fases solo se utilizarán individualmente, no, como en los EE. UU., para proporcionar un voltaje más alto. Sin embargo, ayudan en situaciones en las que una sola fuente de alimentación no puede proporcionar suficiente energía para una instalación.
En el Reino Unido , las herramientas eléctricas y la iluminación portátil en sitios de construcción y demolición de gran tamaño se rigen por la norma BS 7375 y, siempre que sea posible, se recomienda que se alimenten desde un sistema con toma central con solo 55 V entre los conductores activos y la tierra (el llamado CTE o tierra con toma central , o 55–0–55). Este sistema de bajo voltaje reducido se utiliza con equipos de 110 V. No se distribuye ningún conductor neutro. En lugares de alto riesgo, se puede utilizar protección adicional de RCD de doble polo . La intención es reducir el riesgo de descarga eléctrica que puede existir al usar equipos eléctricos en un sitio de construcción húmedo o al aire libre, y eliminar el requisito de desconexión automática rápida para prevenir descargas eléctricas durante fallas. Los transformadores portátiles que transforman 240 V monofásicos a este sistema de fase dividida de 110 V son una pieza común de equipo de construcción. Los grupos electrógenos utilizados para sitios de construcción están equipados para suministrarlo directamente. Sin embargo, una granja grande puede recibir un suministro de 230–0–230 (nominal).
Un beneficio adicional es que los filamentos de las lámparas incandescentes de 110 V utilizadas en dichos sistemas son más gruesos y, por lo tanto, mecánicamente más resistentes que los de las lámparas de 240 V.
Este sistema monofásico de tres cables es común en América del Norte para aplicaciones residenciales y comerciales ligeras. Los paneles de disyuntores suelen tener dos cables vivos (calientes) y un neutro, conectados en un punto a la toma central conectada a tierra de un transformador local. Por lo general, uno de los cables vivos es negro y el otro rojo; el cable neutro siempre es blanco. Los disyuntores unipolares alimentan circuitos de 120 V desde uno de los buses de 120 V dentro del panel, o los disyuntores bipolares alimentan circuitos de 240 voltios desde ambos buses. Los circuitos de 120 V son los más comunes y se utilizan para alimentar tomas de corriente NEMA 1 y NEMA 5 , y la mayoría de los circuitos de iluminación de cableado directo residenciales y comerciales ligeros. Los circuitos de 240 V se utilizan para aplicaciones de alta demanda, como aires acondicionados , calentadores de ambiente , estufas eléctricas , secadoras de ropa eléctricas , calentadores de agua y puntos de carga de vehículos eléctricos . Estos utilizan tomas de corriente NEMA 10 o NEMA 14 que no aceptan enchufes de 120 V.
Las normas de cableado regulan la aplicación de circuitos de fase dividida para que el neutro compartido pueda protegerse de la corriente excesiva. Un cable neutro puede ser compartido solo por dos circuitos alimentados desde líneas opuestas del sistema de suministro, utilizando disyuntores conectados por una barra de modo que ambos se disparen simultáneamente ( [4] NEC 210.4); esto evita que se alimenten 120 V a través de circuitos de 240 V.
En el sistema de suministro eléctrico de los ferrocarriles de Suecia también se utiliza energía eléctrica de fase dividida en algunos ferrocarriles. La toma central está conectada a tierra y un polo se alimenta a una sección de cable aéreo, mientras que el otro cable se utiliza para otra sección.
En el sistema de tracción de 60 Hz de Amtrak en el Corredor Noreste entre Nueva York y Boston se utiliza una distribución de fase dividida . A lo largo de la vía se colocan dos cables separados: el cable de contacto para la locomotora y un cable de alimentación eléctricamente independiente. Cada cable se alimenta con 25 kV con respecto a tierra, con 50 kV entre ellos. Los autotransformadores a lo largo de la vía equilibran las cargas entre los cables de contacto y de alimentación, lo que reduce las pérdidas resistivas.