Un sistema polifásico (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 desfase de fase (en grados) entre la CA en múltiples cables conductores; las fases también pueden referirse a los terminales y conductores correspondientes, como en los códigos de color . 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 dos fases 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 la transmisión de energía . En comparación con un sistema monofásico de dos cables, un sistema trifásico de tres cables transmite tres veces más energía para el mismo tamaño de conductor y voltaje, utilizando solo 1,5 veces más conductores, lo que lo hace dos veces más eficiente en el uso de conductores.
Los sistemas con más de tres fases se utilizan a menudo para sistemas rectificadores y de conversión de potencia, y han sido estudiados para la transmisión de potencia.
En los primeros tiempos de la energía eléctrica comercial, algunas instalaciones utilizaban sistemas bifásicos de cuatro cables para los motores. La principal ventaja de estos sistemas era que la configuración de los devanados era la misma que la de un motor monofásico de arranque por condensador y, al utilizar un sistema de cuatro cables, conceptualmente las fases eran independientes y fáciles de analizar con las herramientas matemáticas disponibles en ese momento. [2]
También se pueden implementar sistemas bifásicos utilizando tres cables (dos "calientes" más un neutro común). Sin embargo, esto introduce una asimetría; la caída de tensión en el neutro hace que las fases no estén exactamente separadas por 90 grados.
Los sistemas bifásicos han sido reemplazados por sistemas trifásicos. El cambio de dos a tres fases fue motivado originalmente por la creación de un campo giratorio más ideal para los motores de CA: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky calculó que, para las configuraciones de bobinado simples de la época, la fluctuación del campo magnético se puede reducir del 40% al 15% [ cita requerida ] . Esto es menos importante en las máquinas modernas que crean un campo giratorio casi ideal utilizando bobinados distribuidos sinusoidalmente , pero los sistemas trifásicos conservan otras ventajas.
Se puede derivar un suministro bifásico con 90 grados entre fases de un sistema trifásico utilizando un transformador conectado 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 fases. Un sistema de 3 cables con dos conductores de fase separados 180 grados sigue siendo monofásico. A veces, estos sistemas 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 una fuente de alimentación trifásica 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 independientemente 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 conmutadores costosos , escobillas de alto mantenimiento y características no adecuadas para el funcionamiento en una red de corriente alterna. Los motores polifásicos son simples de construir, se inician automáticamente 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 poco común, pero se han utilizado números de fases superiores a tres.
La transmisión de energía de alto orden de fase (HPO) se ha propuesto con frecuencia como una forma de aumentar la capacidad de transmisión dentro de un derecho de paso de ancho limitado . [4] La potencia transmitida es proporcional al cuadrado de la caída de voltaje de fase a tierra, pero las líneas de transmisión requieren conductores espaciados adecuadamente distantes para evitar arcos eléctricos tanto de fase a tierra como de fase a fase . Para la energía trifásica, el voltaje de fase a fase, que es √ 3 ≈1,7 veces el voltaje de fase a tierra, domina. Los sistemas de fase superior con el mismo voltaje de fase a tierra tienen menos diferencia de voltaje entre fases adyacentes, lo que permite un espaciado más estrecho entre conductores. Para sistemas de energía de seis fases y más, el efecto dominante se convierte en el voltaje de fase a tierra. [5]
De esta manera, el funcionamiento en seis fases permite que una línea de transmisión de doble circuito existente transporte más energía sin necesidad de un 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 1,5 millas de 93 kV y 6 fases que se convirtió de una línea de transmisión trifásica de doble circuito de 115 kV. El resultado principal fue que es económicamente favorable operar una línea trifásica de doble circuito de 115 kV existente como una línea de 6 fases para distancias mayores de 23 a 28 millas. [6] : xvii–xviii
Las líneas eléctricas trifásicas dependen de la transposición para igualar en todas las fases las pérdidas de transmisión debidas a pequeñas desviaciones de la geometría ideal. Esto no es posible con líneas de fases superiores, porque una transposición solo puede intercambiar fases adyacentes, y el grupo diedro en n elementos coincide con el grupo simétrico completo solo para n ≤3 . La aplicación completa incluso de ese esquema de transposición limitado es necesaria para brindar una protección adecuada contra fallas a tierra. [6] : 45–52
Se han propuesto diseños de generación de energía multifásica con 5, 7, 9, 12 y 15 fases junto con generadores de inducción multifásicos (MPIG) accionados 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 lo tanto, una velocidad sincrónica menor. Dado que la velocidad de rotación de una turbina eólica puede ser demasiado lenta para una parte sustancial de su funcionamiento para generar energía de CA monofásica o incluso trifásica, los órdenes de fase más altos permiten que el sistema capture una parte mayor de la energía rotacional como energía eléctrica. [ dudoso – discutir ] [ cita requerida ]