Un sistema trifásico bifásico o monofásico es un tipo de distribución de energía eléctrica monofásica . Es el equivalente en corriente alterna (CA) del sistema de corriente continua de tres hilos original de Edison Machine Works . Su principal ventaja es que, para una capacidad determinada de un sistema de distribución, ahorra material conductor en comparación con un sistema monofásico de un solo extremo, mientras que solo requiere una sola fase en el lado de suministro del transformador de distribución. [1]
Este sistema es común en Norteamérica para aplicaciones residenciales y comerciales ligeras. Al local se alimentan dos líneas de 120 V CA desfasadas 180 grados entre sí (cuando ambas medidas respecto al neutro), junto con un neutro común. El conductor neutro está conectado a tierra en la toma central del transformador. Los circuitos para iluminación y tomas de corriente para electrodomésticos pequeños (es decir, NEMA 1 y NEMA 5 ) utilizan circuitos de 120 V; estos se conectan entre una de las líneas y el neutro mediante un disyuntor unipolar. Las aplicaciones de alta demanda, como los hornos, a menudo se alimentan mediante circuitos de 240 V CA, que están conectados entre dos líneas de 120 V CA. Estas cargas de 240 V están cableadas o utilizan tomacorrientes NEMA 10 o NEMA 14 que son deliberadamente incompatibles con los tomacorrientes de 120 V.
Otras aplicaciones de un sistema de energía de fase dividida se utilizan para reducir el riesgo de descarga eléctrica o 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 derivación central y la derivación central está conectada a un neutro conectado a tierra . Como se muestra en la Fig. 1, cada extremo al centro tiene la mitad del voltaje de extremo a extremo. La Fig. 2 ilustra el diagrama fasor de los voltajes de salida para un transformador de fase dividida. Dado que los dos fasores no definen una dirección única de rotación 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, devuelta a la derivación central del voltaje de suministro, estabilizó los voltajes del circuito derivado de los cambios cuando se encendían y apagaban las cargas. El conductor neutro transportaba únicamente 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. Se pueden conectar iluminación y pequeños electrodomésticos que requieran menos de 1800 vatios entre un cable de línea y el neutro. Los electrodomésticos de mayor potencia, como equipos de cocina, calefacción, calentadores de agua, secadoras de ropa, acondicionadores de aire y equipos de carga de vehículos eléctricos, están conectados a través de los dos conductores de línea. Esto significa que (para suministrar la misma cantidad de energía) la corriente se reduce a la mitad. Por lo tanto, se pueden utilizar conductores más pequeños de los que se necesitarían si los aparatos estuvieran diseñados para ser alimentados con un voltaje más bajo. [2]
Si se garantizara que la carga esté equilibrada, entonces el conductor neutro no transportaría corriente y el sistema sería equivalente a un sistema de un solo extremo con el doble de voltaje y los cables de línea tomarían la mitad de la corriente. Esto no necesitaría ningún conductor neutro, pero no sería práctico para cargas variables; Simplemente conectar los grupos en serie daría como resultado una variación excesiva de voltaje y brillo cuando las lámparas se encienden y apagan.
Al conectar los dos grupos de lámparas a un neutro, de potencial intermedio entre las dos patas vivas, cualquier desequilibrio de la carga será suministrado por una corriente en el neutro, dando un voltaje sustancialmente constante en ambos grupos. La corriente total transportada por los tres cables (incluido el neutro) siempre será el doble de la corriente de suministro de la mitad más cargada.
Para tramos de cableado cortos limitados por la ampacidad del conductor , esto permite sustituir tres conductores de tamaño medio por dos de tamaño completo, utilizando el 75% del cobre de un sistema monofásico equivalente.
Los tramos de cableado más largos están más limitados por la caída de tensión en los conductores. Debido a que el voltaje de suministro se duplica, una carga balanceada puede tolerar el doble de la caída de voltaje, 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 algún valor intermedio. Por ejemplo, si el desequilibrio se limita al 25 % de la carga total (la mitad de la mitad) en lugar del 50 % en el peor de los casos, entonces los conductores de 3/8 del tamaño monofásico garantizarán la misma caída de tensión máxima. totalizando 9/8 de un conductor monofásico, 56% del cobre de los dos conductores monofásicos.
En el llamado sistema de energía equilibrado , a veces llamado "potencia técnica", se utiliza un transformador de aislamiento con una derivación central para crear un suministro separado con conductores con voltajes equilibrados con respecto a tierra. El propósito de un sistema de energía balanceado es minimizar el ruido acoplado a equipos sensibles desde la fuente de alimentación.
A diferencia de un sistema de distribución de tres cables, el neutro puesto a tierra no se distribuye a las cargas; sólo se utilizan conexiones línea a línea a 120 V. Un sistema de energía balanceado se utiliza únicamente para distribución especializada en estudios de producción de audio y video, transmisiones de sonido y televisión e instalaciones de instrumentos científicos sensibles.
El Código Eléctrico Nacional de EE. UU. proporciona reglas para instalaciones técnicas de energía. [3] Los sistemas no deben usarse para iluminación de uso general u otros equipos, y pueden usar enchufes especiales para garantizar que solo se conecte al sistema equipo aprobado. Además, los sistemas técnicos de energía 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 energía "convencional" en las mismas habitaciones, es que un usuario puede interconectar inadvertidamente los sistemas de alimentación entre sí a través de un sistema intermedio de equipos de audio o vídeo, cuyos elementos podrían estar conectados a diferentes sistemas de energía. La posibilidad de que esto suceda puede reducirse mediante el etiquetado adecuado de las tomas de corriente balanceadas y mediante el uso de un tipo de toma de corriente para el sistema balanceado que sea físicamente diferente a la del sistema de energía "convencional" para diferenciarlos aún más.
En Europa , se utiliza con mayor frecuencia la tensión trifásica de 230/400 V. Sin embargo, los sistemas discontinuados monofásicos de 130/220 V, de tres hilos, denominados B1, se utilizan para hacer funcionar instalaciones antiguas en pequeños grupos de casas cuando solo se utilizan dos de los conductores trifásicos de alta tensión. Luego se utiliza un transformador reductor final de fase dividida, con la toma central conectada a tierra y las dos mitades generalmente suministran a diferentes edificios con un suministro monofásico.
El estándar actual es B2 con 230 V en sistemas monofásicos de tres hilos (LN-PE) y 400 V en trifásicos de cinco hilos (L1-L2-L3-N-PE) a 120 grados. En este caso el cálculo de potencia es para sistemas monofásicos y para sistemas trifásicos, donde está la corriente.
En el Reino Unido , las herramientas eléctricas y la iluminación portátil en grandes obras de construcción y demolición se rigen por la norma BS7375 y, cuando sea posible, se recomienda alimentarlos desde un sistema con derivación central con solo 55 V entre conductores activos y tierra (llamado CTE o centro toque tierra, o 55-0-55). Este sistema de bajo voltaje reducido se utiliza con equipos de 110 V. No se distribuye ningún conductor neutro. En ubicaciones de alto riesgo, se puede utilizar protección RCD bipolar adicional . La intención es reducir el riesgo de descarga eléctrica que puede existir al utilizar equipos eléctricos en un sitio de construcción húmedo o al aire libre, y eliminar el requisito de una desconexión automática rápida para prevenir descargas eléctricas durante fallas. Los transformadores portátiles que transforman 240 V monofásicos en este sistema de fase dividida de 110 V son una pieza común de equipo de construcción. Los grupos electrógenos utilizados en las obras de construcción están equipados para suministrarlo directamente.
Aunque en el Reino Unido una granja grande puede recibir un suministro de 230-0-230 (nominal). Una ventaja adicional es que los filamentos de las lámparas incandescentes de 110 V utilizadas en dichos sistemas son más gruesos y, por 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 activos (calientes) y un neutro, conectados en un punto a la toma central con conexión a tierra de un transformador local. Por lo general, uno de los cables activos es negro y el otro rojo; El cable neutro siempre es blanco. Los disyuntores unipolares alimentan circuitos de 120 voltios desde uno de los buses de 120 voltios 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 tomacorrientes NEMA 1 y NEMA 5 , y la mayoría de los circuitos de iluminación con 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 tomacorrientes NEMA 10 o NEMA 14 que son deliberadamente incompatibles con los tomacorrientes de 120 V.
Las normas de cableado rigen la aplicación de circuitos de fase dividida. Dado que el conductor neutro (retorno) no está protegido por un fusible o disyuntor, un cable neutro sólo puede ser compartido por dos circuitos alimentados desde líneas opuestas del sistema de suministro. Dos circuitos de líneas opuestas pueden compartir un neutro si ambos disyuntores están conectados por una barra de modo que ambos se disparen simultáneamente ( [4] NEC 210.4), esto evita que 120 V alimenten circuitos de 240 V.
En Suecia también se utiliza energía eléctrica de fase dividida en algunos ferrocarriles. La toma central está conectada a tierra, un polo se alimenta con una sección de cable aéreo, mientras que el otro cable se usa para otra sección.
El sistema de energía de tracción de 60 Hz de Amtrak en el corredor noreste entre Nueva York y Boston también utiliza distribución de energía de fase dividida. A lo largo de la vía circulan dos cables separados: el cable de contacto para la locomotora y un cable de alimentación eléctricamente separado. Cada cable se alimenta con 25 kV 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, reduciendo las pérdidas resistivas.
En el Reino Unido , Network Rail está utilizando autotransformadores en todas las nuevas electrificaciones de 50 Hz y (a partir de 2014) está convirtiendo muchas instalaciones antiguas de transformadores elevadores [1] en autotransformadores, para reducir las pérdidas de energía [2] y las interferencias electromagnéticas exportadas, las cuales aumentan cuando se introducen trenes más largos, más pesados o más rápidos, que consumen una mayor corriente máxima del suministro. Tenga en cuenta que los transformadores elevadores sólo "aumentan" el retorno de la corriente de tracción a través de su camino previsto, el "conductor de retorno", en lugar de hacerlo aleatoriamente a través de la tierra, y no aumentan, sino que reducen, el voltaje disponible en el tren e introducen voltaje adicional. pérdidas. El sistema autotransformador fuerza la corriente de retorno de tracción a tomar su camino previsto, al tiempo que reduce las pérdidas de transmisión y, por lo tanto, logra los dos objetivos requeridos: controlar la fuga de corriente de retorno a tierra y garantizar una baja pérdida de energía, simultáneamente. Hay una penalización en el costo inicial, porque el conductor de retorno anterior, aislado a un voltaje bastante modesto, debe ser reemplazado por un alimentador antifase, aislado a 25 kV, y los propios autotransformadores son más grandes y más caros que los transformadores elevadores anteriores; pero con el tiempo, la menor pérdida de energía genera ahorros de costos generales.
