Energía eléctrica trifásica

Método común de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica para corrientes alternas.

Transformador trifásico con salida de cuatro hilos para servicio 208Y/120 voltios: un hilo para neutro, otros para fases A, B y C

La energía eléctrica trifásica (abreviada 3φ ^[1] ) es un tipo común de corriente alterna (CA) utilizada en la generación , transmisión y distribución de electricidad . ^[2] Es un tipo de sistema polifásico que emplea tres cables (o cuatro, incluido un cable de retorno neutro opcional) y es el método más común utilizado por las redes eléctricas de todo el mundo para transferir energía.

La energía eléctrica trifásica fue desarrollada en la década de 1880 por varias personas. En energía trifásica, el voltaje en cada cable tiene un desfase de 120 grados con respecto a cada uno de los otros cables. Debido a que es un sistema de CA, permite aumentar fácilmente los voltajes utilizando transformadores a alto voltaje para transmisión y retroceder para distribución, lo que brinda una alta eficiencia.

Un circuito trifásico de tres hilos suele ser más económico que un circuito monofásico equivalente de dos hilos con el mismo voltaje de línea a tierra porque utiliza menos material conductor para transmitir una cantidad determinada de energía eléctrica. ^[3] La energía trifásica se utiliza principalmente directamente para alimentar grandes motores de inducción , otros motores eléctricos y otras cargas pesadas. Las cargas pequeñas suelen utilizar únicamente un circuito monofásico de dos hilos, que puede derivarse de un sistema trifásico.

Terminología

Los conductores entre una fuente de voltaje y una carga se llaman líneas, y el voltaje entre dos líneas cualesquiera se llama voltaje de línea . La tensión medida entre cualquier línea y el neutro se llama tensión de fase . ^[4] Por ejemplo, para un servicio de 208/120 voltios, el voltaje de línea es de 208 voltios y el voltaje de fase es de 120 voltios.

Historia

Los sistemas de energía polifásicos fueron inventados de forma independiente por Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson , William Stanley Jr. y Nikola Tesla a finales de la década de 1880. ^[5]

El primer motor de CA desarrollado por el físico italiano Galileo Ferraris. Este era un motor bifásico y requería cuatro cables.

La energía trifásica evolucionó a partir del desarrollo de motores eléctricos. En 1885, Galileo Ferraris investigaba los campos magnéticos giratorios . Los Ferrari experimentaron con diferentes tipos de motores eléctricos asíncronos . La investigación y sus estudios dieron como resultado el desarrollo de un alternador , que puede considerarse como un motor de corriente alterna que funciona en reversa, para convertir la energía mecánica (giratoria) en energía eléctrica (como corriente alterna). El 11 de marzo de 1888, Ferraris publicó su investigación en un artículo para la Real Academia de Ciencias de Turín .

Dos meses después, Nikola Tesla obtuvo la patente estadounidense 381.968 para un diseño de motor eléctrico trifásico, solicitud presentada el 12 de octubre de 1887. La figura 13 de esta patente muestra que Tesla imaginó que su motor trifásico sería alimentado desde el generador a través de seis cables.

Estos alternadores funcionaban creando sistemas de corrientes alternas desplazadas entre sí en fase en cantidades definidas y dependían de campos magnéticos giratorios para su funcionamiento. La fuente resultante de energía polifásica pronto encontró una amplia aceptación. La invención del alternador polifásico es clave en la historia de la electrificación, al igual que el transformador de potencia. Estos inventos permitieron transmitir energía mediante cables de forma económica a distancias considerables. La energía polifásica permitió el uso de energía hidráulica (a través de plantas generadoras hidroeléctricas en grandes represas) en lugares remotos, permitiendo así que la energía mecánica del agua que caía se convirtiera en electricidad, que luego podría alimentarse a un motor eléctrico en cualquier lugar donde era necesario realizar trabajos mecánicos. Esta versatilidad provocó el crecimiento de las redes de transmisión de energía en continentes de todo el mundo.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló un generador eléctrico trifásico y un motor eléctrico trifásico en 1888 y estudió las conexiones en estrella y en triángulo . Su sistema de transmisión trifásico de tres hilos se exhibió en 1891 en Alemania en la Exposición Electrotécnica Internacional , donde Dolivo-Dobrovolsky utilizó el sistema para transmitir energía eléctrica a una distancia de 176 km con una eficiencia del 75% . En 1891 también creó un transformador trifásico y un motor de inducción en cortocircuito ( jaula de ardilla ) . ^{[6] [7] Diseñó la primera} central hidroeléctrica trifásica del mundo en 1891. El inventor Jonas Wenström recibió en 1890 una patente sueca sobre el mismo sistema trifásico. ^{[8] En la mina} Grängesberg se exploró la posibilidad de transferir energía eléctrica desde una cascada a distancia . ASe seleccionó una caída de 45  m en Hällsjön, comunidad de Smedjebackens, donde se encontraba una pequeña herrería. En 1893, un trifásicoSe utilizó un sistema de 9,5  kv para transferir 400 caballos de fuerza a una distancia de15  km , convirtiéndose en la primera aplicación comercial. ^[9]

Principio

Formas de onda normalizadas de los voltajes instantáneos en un sistema trifásico en un ciclo con el tiempo aumentando hacia la derecha. El orden de las fases es 1‑2‑3. Esta secuencia se repite cada ciclo y, por lo tanto, la frecuencia de rotación del generador establece la frecuencia del sistema de energía. Idealmente, el voltaje , la corriente y la potencia de cada fase están desplazados de los demás en 120 °, teniendo así todos en equidistancia. Esta simetría también se puede recrear en convertidores.

Líneas de transmisión de energía eléctrica trifásicas.

Transformador trifásico (Békéscsaba, Hungría): a la izquierda están los cables primarios y a la derecha los cables secundarios

En un sistema de suministro de energía trifásico simétrico, tres conductores transportan cada uno una corriente alterna de la misma frecuencia y amplitud de voltaje en relación con una referencia común, pero con una diferencia de fase de un tercio de ciclo (es decir, 120 grados desfasados). entre cada uno. La referencia común suele estar conectada a tierra y, a menudo, a un conductor portador de corriente llamado neutro. Debido a la diferencia de fase, el voltaje en cualquier conductor alcanza su pico un tercio de ciclo después de uno de los otros conductores y un tercio de ciclo antes del conductor restante. Este retraso de fase proporciona una transferencia de potencia constante a una carga lineal equilibrada. También permite producir un campo magnético giratorio en un motor eléctrico y generar otras disposiciones de fases mediante transformadores (por ejemplo, un sistema bifásico que utiliza un transformador Scott-T ). La amplitud de la diferencia de voltaje entre dos fases es multiplicada por la amplitud del voltaje de las fases individuales. ${\displaystyle {\sqrt {3}}=1.732\ldots }$

Los sistemas trifásicos simétricos descritos aquí se denominan simplemente sistemas trifásicos porque, aunque es posible diseñar e implementar sistemas de potencia trifásicos asimétricos (es decir, con voltajes desiguales o cambios de fase), no se utilizan en la práctica. porque carecen de las ventajas más importantes de los sistemas simétricos.

En un sistema trifásico que alimenta una carga equilibrada y lineal, la suma de las corrientes instantáneas de los tres conductores es cero. En otras palabras, la corriente en cada conductor es igual en magnitud a la suma de las corrientes en los otros dos, pero con signo opuesto. La ruta de retorno de la corriente en cualquier conductor de fase son los otros dos conductores de fase.

La transferencia de energía constante y la cancelación de corrientes de fase son posibles con cualquier número (mayor que uno) de fases, manteniendo la relación capacidad-material conductor que es el doble que la de la energía monofásica. Sin embargo, dos fases dan como resultado una corriente menos fluida (pulsante) hacia la carga (lo que hace que la transferencia fluida de energía sea un desafío) y más de tres fases complican la infraestructura innecesariamente. ^[10]

Los sistemas trifásicos pueden tener un cuarto cable, habitual en distribución de baja tensión. Este es el cable neutro . El neutro permite proporcionar tres suministros monofásicos separados a un voltaje constante y se usa comúnmente para alimentar múltiples cargas monofásicas . Las conexiones están dispuestas de modo que, en la medida de lo posible, en cada grupo se extraiga la misma potencia de cada fase. Más arriba en el sistema de distribución , las corrientes suelen estar bien equilibradas. Los transformadores se pueden cablear para tener un secundario de cuatro hilos y un primario de tres hilos, permitiendo al mismo tiempo cargas desequilibradas y las corrientes neutras del lado secundario asociadas.

Secuencia de fase

El cableado trifásico suele identificarse mediante colores que varían según el país y el voltaje. Las fases deben conectarse en el orden correcto para lograr el sentido de rotación previsto de los motores trifásicos. Por ejemplo, las bombas y los ventiladores no funcionan como se esperaba a la inversa. Es necesario mantener la identidad de las fases si se pueden conectar dos fuentes al mismo tiempo. Una conexión directa entre dos fases diferentes es un cortocircuito y conduce a un flujo de corriente desequilibrado.

Ventajas

En comparación con una fuente de alimentación de CA monofásica que utiliza dos conductores portadores de corriente (fase y neutro ), una fuente trifásica sin neutro y con la misma tensión fase a tierra y capacidad de corriente por fase puede transmitir tres veces más mucha energía utilizando sólo 1,5 veces más cables (es decir, tres en lugar de dos). Por tanto, se duplica la relación entre capacidad y material conductor. ^[11] La relación entre capacidad y material conductor aumenta a 3:1 con un sistema trifásico sin conexión a tierra y monofásico con conexión a tierra central (o 2,25:1 si ambos emplean tierras del mismo calibre que los conductores). Esto conduce a una mayor eficiencia, menor peso y formas de onda más limpias.

Los suministros trifásicos tienen propiedades que los hacen deseables en los sistemas de distribución de energía eléctrica:

• Las corrientes de fase tienden a cancelarse entre sí, sumando cero en el caso de una carga lineal equilibrada. Esto permite reducir el tamaño del conductor neutro porque transporta poca o ninguna corriente. Con una carga equilibrada, todos los conductores de fase conducen la misma corriente y por tanto pueden tener el mismo tamaño.
• La transferencia de potencia a una carga lineal equilibrada es constante. En aplicaciones de motor/generador, esto ayuda a reducir las vibraciones.
• Los sistemas trifásicos pueden producir un campo magnético giratorio con una dirección específica y magnitud constante, lo que simplifica el diseño de motores eléctricos, ya que no se requiere un circuito de arranque.

La mayoría de las cargas domésticas son monofásicas. En las residencias de América del Norte, la energía trifásica puede alimentar un bloque de apartamentos, mientras que las cargas domésticas están conectadas como monofásicas. En áreas de menor densidad, se podría utilizar una sola fase para la distribución. Algunos electrodomésticos de alta potencia, como estufas eléctricas y secadoras de ropa, funcionan con un sistema bifásico de 240 voltios o con dos fases de un sistema trifásico de 208 voltios.

Generación y distribución

Animación de corriente trifásica.

Imagen de la izquierda: alternador trifásico elemental de seis cables en el que cada fase utiliza un par de cables de transmisión separados. ^[12] Imagen de la derecha: alternador trifásico elemental de tres cables que muestra cómo las fases pueden compartir solo tres cables. ^[13]

En la central eléctrica , un generador eléctrico convierte la energía mecánica en un conjunto de tres corrientes eléctricas de CA , una de cada bobina (o devanado) del generador. Los devanados están dispuestos de manera que las corrientes tengan la misma frecuencia pero con los picos y valles de sus formas de onda compensados ​​para proporcionar tres corrientes complementarias con una separación de fases de un tercio de ciclo ( 120° o 2π ⁄ 3 radianes ). La frecuencia del generador suele ser de 50 o 60 Hz , según el país.

En la central eléctrica, los transformadores cambian el voltaje de los generadores a un nivel adecuado para la transmisión con el fin de minimizar las pérdidas.

Después de más conversiones de voltaje en la red de transmisión, el voltaje finalmente se transforma al uso estándar antes de suministrar energía a los clientes.

La mayoría de los alternadores de automóviles generan CA trifásica y la rectifican a CC con un puente de diodos . ^[14]

Conexiones del transformador

Un devanado de transformador conectado en "triángulo" se conecta entre las fases de un sistema trifásico. Un transformador en "estrella" conecta cada devanado desde un cable de fase a un punto neutro común.

Se puede utilizar un único transformador trifásico o tres transformadores monofásicos.

En un sistema "delta abierto" o "V", sólo se utilizan dos transformadores. Un delta cerrado formado por tres transformadores monofásicos puede funcionar como un delta abierto si uno de los transformadores ha fallado o es necesario retirarlo. ^[15] En delta abierto, cada transformador debe transportar corriente para sus respectivas fases así como corriente para la tercera fase, por lo que la capacidad se reduce al 87%. Faltando uno de los tres transformadores y los dos restantes con una eficiencia del 87%, la capacidad es del 58% ( 2 ⁄ 3 del 87%). ^{[16] [17]}

Cuando un sistema alimentado en triángulo debe conectarse a tierra para detectar corrientes parásitas a tierra o para protección contra sobretensiones, se puede conectar un transformador de conexión a tierra (generalmente un transformador en zigzag ) para permitir que las corrientes de falla a tierra regresen de cualquier fase a tierra. Otra variación es un sistema delta "con conexión a tierra en esquina", que es un delta cerrado que está conectado a tierra en una de las uniones de los transformadores. ^[18]

Circuitos de tres y cuatro hilos.

Circuitos estrella (Y) y delta (Δ)

Hay dos configuraciones trifásicas básicas: estrella (Y) y delta (Δ). Como se muestra en el diagrama, una configuración delta requiere solo tres cables para la transmisión, pero una configuración en estrella (estrella) puede tener un cuarto cable. El cuarto cable, si está presente, se proporciona como neutro y normalmente está conectado a tierra. Las designaciones de tres y cuatro hilos no cuentan el cable de tierra presente sobre muchas líneas de transmisión, que es únicamente para protección contra fallas y no transporta corriente en condiciones de uso normal.

Se obtiene un sistema de cuatro hilos con voltajes simétricos entre fase y neutro cuando el neutro está conectado al "punto estrella común" de todos los devanados de suministro. En tal sistema, las tres fases tendrán la misma magnitud de voltaje en relación con el neutro. Se han utilizado otros sistemas no simétricos.

El sistema en estrella de cuatro cables se utiliza cuando se debe servir una combinación de cargas monofásicas y trifásicas, como cargas mixtas de iluminación y motores. Un ejemplo de aplicación es la distribución local en Europa (y en otros lugares), donde cada cliente sólo puede alimentarse de una fase y del neutro (que es común a las tres fases). Cuando un grupo de clientes que comparten el neutro consumen corrientes de fase desiguales, el cable neutro común transporta las corrientes resultantes de estos desequilibrios. Los ingenieros eléctricos intentan diseñar el sistema de energía trifásico para cualquier ubicación de modo que la energía extraída de cada una de las tres fases sea la misma, en la medida de lo posible en ese sitio. ^[19] Los ingenieros eléctricos también intentan organizar la red de distribución de manera que las cargas estén lo más equilibradas posible, ya que los mismos principios que se aplican a las instalaciones individuales también se aplican al sistema de distribución de energía a gran escala. Por lo tanto, las autoridades de suministro hacen todo lo posible para distribuir la energía consumida en cada una de las tres fases entre un gran número de instalaciones de modo que, en promedio, se vea lo más cerca posible de una carga equilibrada en el punto de suministro.

Una configuración delta-estrella a través del núcleo de un transformador (tenga en cuenta que un transformador práctico normalmente tendría un número diferente de vueltas en cada lado)

Para uso doméstico, algunos países, como el Reino Unido , pueden suministrar una fase y un neutro a una corriente alta (hasta 100  A ) a una propiedad, mientras que otros, como Alemania , pueden suministrar 3 fases y un neutro a cada cliente, pero con un fusible más bajo. nominal, normalmente de 40 a 63 A por fase, y "girados" para evitar el efecto de que se tienda a poner más carga en la primera fase. ^{[ cita necesaria ]}

Un transformador para un sistema " delta de tramo alto " utilizado para cargas mixtas monofásicas y trifásicas en el mismo sistema de distribución. Las cargas trifásicas, como los motores, se conectan a L1, L2 y L3. Las cargas monofásicas se conectarían entre L1 o L2 y neutro, o entre L1 y L2. La fase L3 es 1,73 veces el voltaje L1 o L2 a neutro, por lo que este tramo no se usa para cargas monofásicas.

Basado en conexión estrella (Y) y delta (Δ). Generalmente, existen cuatro tipos diferentes de conexiones de devanados de transformadores trifásicos para fines de transmisión y distribución:

• estrella (Y) – la estrella (Y) se utiliza para corriente pequeña y alto voltaje,
• Delta (Δ) – Delta (Δ) se utiliza para corrientes grandes y voltajes bajos,
• Delta (Δ) – estrella (Y) se utiliza para transformadores elevadores, es decir, en estaciones generadoras,
• estrella (Y) – Delta (Δ) se utiliza para transformadores reductores, es decir, al final de la transmisión.

En América del Norte, a veces se utiliza un suministro en triángulo de tramo alto donde un devanado de un transformador conectado en triángulo que alimenta la carga tiene una derivación central y esa derivación central está conectada a tierra y conectada como neutro, como se muestra en el segundo diagrama. Esta configuración produce tres voltajes diferentes: si el voltaje entre la toma central (neutro) y cada una de las tomas superior e inferior (fase y antifase) es de 120  V (100%), el voltaje a través de las líneas de fase y antifase es 240 V (200%) y el voltaje de neutro a "lado alto" es ≈ 208 V (173%). ^[15]

La razón para proporcionar el suministro conectado en triángulo suele ser alimentar motores grandes que requieren un campo giratorio. Sin embargo, las instalaciones en cuestión también requerirán los suministros "normales" norteamericanos de 120 V, dos de los cuales se derivan (180 grados "desfasados") entre el punto de fase "neutro" y cualquiera de los puntos de fase central.

Circuitos balanceados

En el caso de equilibrio perfecto, las tres líneas comparten cargas equivalentes. Al examinar los circuitos, podemos derivar relaciones entre el voltaje y la corriente de línea, y el voltaje y la corriente de carga para cargas conectadas en estrella y en triángulo.

En un sistema equilibrado, cada línea producirá magnitudes de voltaje iguales en ángulos de fase igualmente espaciados entre sí. Con V ₁ como nuestra referencia y V ₃ retrasado V ₂ retrasado V ₁ , usando notación de ángulos , y V _LN el voltaje entre la línea y el neutro tenemos: ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ },\\V_{2}&=V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{aligned}}}$

Estos voltajes se alimentan a una carga conectada en estrella o en triángulo.

Estrella (o estrella; Y)

Generador de CA trifásico conectado como fuente en estrella o en estrella a una carga conectada en estrella o en estrella. En el circuito que se muestra, las corrientes desequilibradas fluirán entre la fuente y la carga a través de la tierra, creando voltajes de tierra perdidos no deseados . ^[21]

El voltaje visto por la carga dependerá de la conexión de la carga; para el caso en estrella, conectar cada carga a voltajes de fase (línea a neutro) da ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-\theta ),\\I_{2}&={\frac {V_{2}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\frac {V_{3}}{|Z_{\text{total}}|}}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

donde Z _total es la suma de las impedancias de línea y carga ( Z _total = Z _LN + Z _Y ) y θ es la fase de la impedancia total ( Z _total ).

La diferencia de ángulo de fase entre voltaje y corriente de cada fase no es necesariamente 0 y depende del tipo de impedancia de carga, Z _y . Las cargas inductivas y capacitivas harán que la corriente se atrase o se adelante con respecto al voltaje. Sin embargo, el ángulo de fase relativo entre cada par de líneas (1 a 2, 2 a 3 y 3 a 1) seguirá siendo −120°.

Un diagrama fasorial para una configuración en estrella, en el que V _ab representa un voltaje de línea y V _an representa un voltaje de fase. Los voltajes se equilibran como

• V _ab = (1∠α − 1∠α + 120°) √ 3  | V |∠α + 30°,
• V _{antes de Cristo} = √ 3  | V |∠α − 90°,
• V _ca = √ 3  | V |∠α + 150°

(α = 0 en este caso).

Al aplicar la ley de corriente de Kirchhoff (KCL) al nodo neutro, las corrientes de tres fases suman la corriente total en la línea neutra. En el caso equilibrado:

${\displaystyle I_{1}+I_{2}+I_{3}=I_{\text{N}}=0.}$

Delta (Δ)

Generador de CA trifásico conectado como fuente en estrella a una carga conectada en triángulo

En el circuito delta, las cargas están conectadas a través de las líneas, por lo que las cargas ven voltajes de línea a línea: ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{12}&=V_{1}-V_{2}=(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ }={\sqrt {3}}V_{1}\angle (\phi _{V_{1}}+30^{\circ }),\\V_{23}&=V_{2}-V_{3}=(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\angle (\phi _{V_{2}}+30^{\circ }),\\V_{31}&=V_{3}-V_{1}=(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\angle (\phi _{V_{3}}+30^{\circ }).\end{aligned}}}$

(Φ _v1 es el cambio de fase para el primer voltaje, que comúnmente se considera 0°; en este caso, Φ _v2 = −120° y Φ _v3 = −240° o 120°).

Más:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (30^{\circ }-\theta ),\\I_{23}&={\frac {V_{23}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (-90^{\circ }-\theta ),\\I_{31}&={\frac {V_{31}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (150^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

donde θ es la fase de impedancia delta ( Z _Δ ).

Los ángulos relativos se conservan, por lo que I ₃₁ se retrasa I ₂₃ se retrasa I ₁₂ por 120°. Calcular las corrientes de línea usando KCL en cada nodo delta da

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}\angle 120^{\circ }\\&={\sqrt {3}}I_{12}\angle (\phi _{I_{12}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta )\end{aligned}}}$

y de manera similar para cada otra línea:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle (\phi _{I_{23}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{23}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\sqrt {3}}I_{31}\angle (\phi _{I_{31}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{31}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

donde, nuevamente, θ es la fase de la impedancia delta ( Z _Δ ).

Una configuración delta y un diagrama fasor correspondiente de sus corrientes. Los voltajes de fase son iguales a los voltajes de línea y las corrientes se calculan como

• Yo _a = Yo _ab − Yo _ca = √ 3  Yo _ab ∠−30°,
• yo _segundo = yo _{antes de Cristo} − yo _ab ,
• Yo _c = Yo _ca − Yo _{antes de Cristo} .

La potencia total transferida es

• S _3Φ = 3 V _fase I * _fase .

La inspección de un diagrama fasorial, o la conversión de notación fasor a notación compleja, ilumina cómo la diferencia entre dos voltajes de línea a neutro produce un voltaje de línea a línea que es mayor en un factor de √ 3 . Como una configuración delta conecta una carga a través de las fases de un transformador, entrega la diferencia de voltaje de línea a línea, que es √ 3 veces mayor que el voltaje de línea a neutro entregado a una carga en la configuración en estrella. Como la potencia transferida es V ² / Z , la impedancia en la configuración delta debe ser 3 veces mayor que en una configuración en estrella para que se transfiera la misma potencia.

Cargas monofásicas

Excepto en un sistema delta de rama alta y un sistema delta con conexión a tierra en esquina, las cargas monofásicas se pueden conectar a través de dos fases cualesquiera, o se puede conectar una carga de fase a neutro. ^[22] La distribución de cargas monofásicas entre las fases de un sistema trifásico equilibra la carga y hace el uso más económico de conductores y transformadores.

En un sistema trifásico simétrico en estrella de cuatro hilos, los conductores trifásicos tienen el mismo voltaje con respecto al neutro del sistema. El voltaje entre conductores de línea es √ 3 veces el voltaje del conductor de fase a neutro: ^[23]

${\displaystyle V_{\text{LL}}={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}.}$

Todas las corrientes que regresan desde las instalaciones del cliente al transformador de suministro comparten el cable neutro. Si las cargas se distribuyen uniformemente en las tres fases, la suma de las corrientes de retorno en el cable neutro es aproximadamente cero. Cualquier carga de fase desequilibrada en el lado secundario del transformador utilizará la capacidad del transformador de manera ineficiente.

Si se interrumpe el neutro de alimentación, ya no se mantiene la tensión entre fase y neutro. Las fases con carga relativa más alta experimentarán un voltaje reducido, y las fases con carga relativa más baja experimentarán un voltaje elevado, hasta el voltaje entre fases.

Un delta de tramo alto proporciona una relación de fase a neutro de V _LL = 2  V _LN  ; sin embargo, la carga de LN se impone en una fase. ^[15] La página de un fabricante de transformadores sugiere que la carga de LN no exceda el 5% de la capacidad del transformador. ^[24]

Dado que √ 3 ≈ 1,73, definir V _LN como 100% da V _LL ≈ 100% × 1,73 = 173% . Si V _LL se estableció en 100%, entonces V _LN ≈ 57,7% .

Cargas desequilibradas

Cuando las corrientes en los tres cables vivos de un sistema trifásico no son iguales o no están en un ángulo de fase exacto de 120°, la pérdida de potencia es mayor que en un sistema perfectamente equilibrado. El método de componentes simétricos se utiliza para analizar sistemas desequilibrados.

Cargas no lineales

En cargas lineales, el neutro solo transporta la corriente debido al desequilibrio entre las fases. Las lámparas de descarga de gas y los dispositivos que utilizan un rectificador-condensador como fuentes de alimentación conmutadas , computadoras, equipos de oficina y similares producen armónicos de tercer orden que están en fase en todas las fases de suministro. En consecuencia, dichas corrientes armónicas se suman al neutro en un sistema en estrella (o en el transformador conectado a tierra (en zigzag) en un sistema en triángulo), lo que puede hacer que la corriente del neutro exceda la corriente de fase. ^{[22] [25]}

Cargas trifásicas

Máquina eléctrica trifásica con campos magnéticos giratorios.

Una clase importante de carga trifásica es el motor eléctrico . Un motor de inducción trifásico tiene un diseño simple, un par de arranque inherentemente alto y una alta eficiencia. Estos motores se utilizan en la industria para muchas aplicaciones. Un motor trifásico es más compacto y menos costoso que un motor monofásico de la misma clase de voltaje y clasificación, y los motores de CA monofásicos de más de 10  hp (7,5 kW) son poco comunes. Los motores trifásicos también vibran menos y, por tanto, duran más que los motores monofásicos de la misma potencia utilizados en las mismas condiciones. ^[26]

Las cargas de calefacción resistivas, como calderas eléctricas o calefacción de espacios, se pueden conectar a sistemas trifásicos. De manera similar también se puede conectar la iluminación eléctrica.

El parpadeo de la frecuencia de la línea en la luz es perjudicial para las cámaras de alta velocidad utilizadas en la transmisión de eventos deportivos para repeticiones en cámara lenta . Se puede reducir distribuyendo uniformemente las fuentes de luz operadas por frecuencia de línea en las tres fases, de modo que el área iluminada esté iluminada desde las tres fases. Esta técnica se aplicó con éxito en los Juegos Olímpicos de Beijing 2008. ^[27]

Los rectificadores pueden utilizar una fuente trifásica para producir una salida de CC de seis pulsos. ^[28] La salida de tales rectificadores es mucho más suave que la monofásica rectificada y, a diferencia de la monofásica, no cae a cero entre pulsos. Estos rectificadores se pueden utilizar para cargar baterías, procesos de electrólisis como la producción de aluminio o para el funcionamiento de motores de corriente continua. Los transformadores en zigzag pueden producir el equivalente a una rectificación de onda completa de seis fases, doce pulsos por ciclo, y este método se emplea ocasionalmente para reducir el costo de los componentes de filtrado y al mismo tiempo mejorar la calidad de la CC resultante.

Enchufe trifásico utilizado antiguamente en cocinas eléctricas en Alemania

Un ejemplo de carga trifásica es el horno de arco eléctrico utilizado en la fabricación de acero y en el refinado de minerales.

En muchos países europeos las cocinas eléctricas suelen estar diseñadas para alimentación trifásica con conexión permanente. Las unidades de calefacción individuales a menudo se conectan entre fase y neutro para permitir la conexión a un circuito monofásico si no hay trifásico disponible. ^[29] Otras cargas trifásicas habituales en el ámbito doméstico son los sistemas de calentamiento de agua sin depósito y los calentadores acumuladores . Los hogares en Europa y el Reino Unido han estandarizado un voltaje nominal de 230 V entre cualquier fase y tierra. (Los suministros existentes permanecen cerca de 240 V en el Reino Unido). La mayoría de los grupos de casas se alimentan desde un transformador de calle trifásico, de modo que las instalaciones individuales con una demanda superior a la media pueden alimentarse con una conexión de segunda o tercera fase.

Convertidores de fase

Los convertidores de fase se utilizan cuando un equipo trifásico necesita funcionar con una fuente de alimentación monofásica. Se utilizan cuando no se dispone de energía trifásica o el costo no es justificable. Dichos convertidores también pueden permitir variar la frecuencia, permitiendo el control de la velocidad. Algunas locomotoras ferroviarias utilizan una fuente monofásica para accionar motores trifásicos alimentados a través de un accionamiento electrónico. ^[30]

Un convertidor de fase rotativo es un motor trifásico con disposiciones de arranque especiales y corrección del factor de potencia que produce voltajes trifásicos equilibrados. Cuando se diseñan adecuadamente, estos convertidores rotativos pueden permitir el funcionamiento satisfactorio de un motor trifásico en una fuente monofásica. En un dispositivo de este tipo, el almacenamiento de energía se realiza mediante la inercia (efecto volante) de los componentes giratorios. A veces se encuentra un volante externo en uno o ambos extremos del eje.

Un generador trifásico puede ser accionado por un motor monofásico. Esta combinación de motor y generador puede proporcionar una función de cambio de frecuencia y conversión de fase, pero requiere dos máquinas con todos sus gastos y pérdidas. El método de motor-generador también puede formar una fuente de alimentación ininterrumpida cuando se utiliza junto con un volante grande y un motor de CC alimentado por batería; dicha combinación entregará energía casi constante en comparación con la caída temporal de frecuencia que se experimenta con un grupo electrógeno de reserva hasta que el generador de reserva se activa.

Se pueden usar condensadores y autotransformadores para aproximar un sistema trifásico en un convertidor de fase estático, pero el voltaje y el ángulo de fase de la fase adicional pueden ser útiles solo para ciertas cargas.

Los variadores de frecuencia y los convertidores de fase digitales utilizan dispositivos electrónicos de potencia para sintetizar un suministro trifásico equilibrado a partir de una potencia de entrada monofásica.

Pruebas

La verificación de la secuencia de fases en un circuito tiene una importancia práctica considerable. No se deben conectar dos fuentes de energía trifásica en paralelo a menos que tengan la misma secuencia de fases, por ejemplo, cuando se conecta un generador a una red de distribución energizada o cuando se conectan dos transformadores en paralelo. De lo contrario, la interconexión se comportará como un cortocircuito y fluirá un exceso de corriente. El sentido de rotación de los motores trifásicos se puede invertir intercambiando dos fases cualesquiera; Puede resultar poco práctico o perjudicial probar una máquina energizando momentáneamente el motor para observar su rotación. La secuencia de fases de dos fuentes se puede verificar midiendo el voltaje entre pares de terminales y observando que los terminales con muy bajo voltaje entre ellos tendrán la misma fase, mientras que los pares que muestran un voltaje más alto están en fases diferentes.

Cuando no se requiere la identidad de fase absoluta, se pueden utilizar instrumentos de prueba de rotación de fase para identificar la secuencia de rotación con una sola observación. El instrumento de prueba de rotación de fases puede contener un motor trifásico en miniatura, cuya dirección de rotación se puede observar directamente a través de la caja del instrumento. Otro patrón utiliza un par de lámparas y una red interna de cambio de fase para mostrar la rotación de fase. Otro tipo de instrumento se puede conectar a un motor trifásico desenergizado y puede detectar los pequeños voltajes inducidos por el magnetismo residual, cuando el eje del motor se gira con la mano. Una lámpara u otro indicador se enciende para mostrar la secuencia de voltajes en los terminales para la dirección dada de rotación del eje. ^[31]

Alternativas a las trifásicas.

Energía eléctrica de fase dividida

Se utiliza cuando no hay energía trifásica disponible y permite suministrar el doble del voltaje de utilización normal para cargas de alta potencia.

Energía eléctrica bifásica

Utiliza dos voltajes de CA, con un cambio de fase de 90 grados eléctricos entre ellos. Los circuitos bifásicos se pueden cablear con dos pares de conductores o se pueden combinar dos cables, lo que requiere solo tres cables para el circuito. Las corrientes en el conductor común suman 1,4 veces ( ) la corriente en las fases individuales, por lo que el conductor común debe ser mayor. Los sistemas bifásicos y trifásicos pueden interconectarse mediante un transformador Scott-T , inventado por Charles F. Scott . ^[32] Las primeras máquinas de CA, en particular los primeros generadores en las Cataratas del Niágara , utilizaban un sistema bifásico, y todavía existen algunos sistemas de distribución bifásicos remanentes, pero los sistemas trifásicos han desplazado al sistema bifásico en las instalaciones modernas. ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

Energía monocíclica

Un sistema de energía bifásico modificado asimétrico utilizado por General Electric alrededor de 1897, defendido por Charles Proteus Steinmetz y Elihu Thomson . Este sistema fue ideado para evitar la infracción de patentes. En este sistema, un generador estaba enrollado con un devanado monofásico de voltaje completo destinado a cargas de iluminación y con una pequeña fracción (generalmente 1/4 del voltaje de línea) que producía un voltaje en cuadratura con los devanados principales. La intención era utilizar este devanado adicional de "cable de alimentación" para proporcionar par de arranque para motores de inducción, y el devanado principal proporcionaría energía para cargas de iluminación. Después de la expiración de las patentes de Westinghouse sobre sistemas de distribución de energía simétricos bifásicos y trifásicos, el sistema monocíclico dejó de utilizarse; fue difícil de analizar y no duró lo suficiente como para desarrollar una medición de energía satisfactoria.

Sistemas de alto orden de fases.

Han sido construidos y probados para transmisión de potencia. Estas líneas de transmisión normalmente utilizarían seis o doce fases. Las líneas de transmisión de orden de fase alto permiten la transferencia de energía ligeramente menor que proporcionalmente mayor a través de un volumen determinado sin el gasto de un convertidor de corriente continua de alto voltaje (HVDC) en cada extremo de la línea. Sin embargo, requieren correspondientemente más equipos.

corriente continua

Históricamente, la CA se utilizó porque podía transformarse fácilmente a voltajes más altos para transmisiones a larga distancia. Sin embargo, la electrónica moderna puede elevar el voltaje de CC con alta eficiencia, y la CC carece de efecto superficial , lo que permite que los cables de transmisión sean más livianos y baratos, por lo que la corriente continua de alto voltaje produce menores pérdidas en largas distancias.

Códigos de color

Los conductores de un sistema trifásico suelen identificarse mediante un código de colores, para facilitar la carga equilibrada y asegurar la correcta rotación de fases de los motores . Los colores utilizados pueden cumplir con la norma internacional IEC 60446 (más tarde IEC 60445 ), normas más antiguas o ninguna norma en absoluto y pueden variar incluso dentro de una sola instalación. Por ejemplo, en EE. UU. y Canadá, se utilizan códigos de colores diferentes para sistemas conectados a tierra y no conectados a tierra.

Ver también

• Tomas y enchufes industriales y multifasicos
• Exposición Electrotécnica Internacional
• Matemáticas de la energía eléctrica trifásica.
• Convertidor de fase rotativo
• Electrificación ferroviaria CA trifásica
• Transformada Y-Δ

Notas

1. Existen muchos sistemas de etiquetado para las fases, algunos de los cuales tienen un significado adicional, como: H1, H2, H3 ; A B C ; R, S, T ; U, V, W ; R, Y, B.
2. Además, conductor a tierra.
3. Además, tierra o conductor de puesta a tierra.
4. En Australia y Nueva Zelanda, los conductores activos pueden ser de cualquier color excepto verde/amarillo, verde, amarillo, negro o azul claro. El amarillo ya no está permitido en la revisión de 2007 del código de cableado ASNZS 3000. Los códigos de colores europeos se utilizan para todos los cables IEC o flexibles, como cables de extensión, cables de electrodomésticos, etc., y están igualmente permitidos para su uso en cableado de edificios según AS/NZS 3000: 2007.
5. En Canadá, el conductor de tramo alto en un sistema delta de tramo alto siempre está marcado en rojo.
6. Se introdujo el marcado estándar internacional verde-amarillo de los conductores de protección a tierra para reducir el riesgo de confusión por parte de los instaladores daltónicos . Alrededor del 7% al 10% de los hombres no pueden distinguir claramente entre rojo y verde, lo cual es una preocupación particular en esquemas más antiguos donde el rojo marca un conductor vivo y el verde marca una tierra protectora o de seguridad.
7. En Europa, todavía existen muchas instalaciones con colores más antiguos pero, desde principios de la década de 1970, todas las instalaciones nuevas utilizan tierra verde/amarilla según IEC  60446 . (Por ejemplo, fase/neutro y tierra, alemán: negro/gris y rojo; Francia: verde/rojo y blanco; Rusia: rojo/gris y negro; Suiza: rojo/gris y amarillo o amarillo y rojo; Dinamarca: blanco/negro y rojo.
8. Tenga en cuenta que, si bien China utiliza oficialmente la fase 1: amarilla, la fase 2: verde, la fase 3: roja, neutral: azul, tierra: verde/amarillo, esto no se aplica estrictamente y existe una variación local significativa.
9. Ver Paul Cook: colores armonizados y marcas alfanuméricas. El cableado IEE importa.
10. En EE. UU., un cable con rayas verdes/amarillas puede indicar una conexión a tierra aislada . ^{[ cita necesaria ]} En la mayoría de los países hoy en día, el cable rayado verde/amarillo solo se puede usar como tierra protectora (tierra de seguridad) y nunca se puede desconectar ni usar para ningún otro propósito.
11. Desde 1975, el Código Eléctrico Nacional de EE. UU. no especifica el color de los conductores de fase. Es una práctica común en muchas regiones identificar  los conductores de 120/208 V (estrella) como negros, rojos y azules, y  los conductores de 277/480 V (estrella o delta) como marrón, naranja y amarillo. En un  sistema delta de 120/240 V con un  tramo alto de 208 V, el tramo alto (normalmente fase B) siempre está marcado en naranja; normalmente la fase A es negra y la fase C es roja o azul. Las regulaciones locales pueden modificar el NEC. El Código Eléctrico Nacional de EE. UU. tiene requisitos de color para conductores puestos a tierra, tierra y sistemas trifásicos en triángulo puesto a tierra, lo que da como resultado que un tramo sin conexión a tierra tenga un potencial de voltaje a tierra más alto que los otros dos tramos sin conexión a tierra.
12. Debe ser la pierna alta, si está presente.

Referencias

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enlaces externos

• Historial y cronograma de la energía CA