Energía eléctrica trifásica

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

Para un mayor enfoque en las matemáticas de esta asignatura, consulte Matemáticas de la energía eléctrica trifásica .

No confundir con energía eléctrica de fase dividida .

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

La energía eléctrica trifásica es un tipo común de corriente alterna que se utiliza en la generación , transmisión y distribución de electricidad . ^[1] Es un tipo de sistema polifásico que emplea 3 cables (o 4 que incluyen un cable de retorno neutral opcional) y es el método más común utilizado por las redes eléctricas en todo el mundo para transferir energía.

La energía eléctrica trifásica fue desarrollada en la década de 1880 por varias personas. La energía trifásica funciona con el voltaje y las corrientes desfasadas 120 grados en los tres cables. Como sistema de CA, permite que los voltajes se incrementen fácilmente utilizando transformadores a alto voltaje para la transmisión y retrocedan para la distribución, lo que proporciona una alta eficiencia.

Un circuito trifásico de tres hilos es generalmente más económico que una de dos hilos equivalente monofásico de circuito en la misma línea a tierra de tensión , ya que utiliza material conductor menos para transmitir una cantidad dada de energía eléctrica. ^[2] . La energía trifásica se utiliza principalmente para alimentar motores grandes y otras cargas pesadas. Las cargas pequeñas a menudo usan solo un circuito monofásico de dos cables, 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 . El voltaje medido entre cualquier línea y el neutro se llama voltaje de fase . ^[3] 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 polifásica fueron inventados de forma independiente por Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson y Nikola Tesla a finales de la década de 1880.

El primer motor de corriente alterna del mundo del físico italiano Galileo Ferraris. Este era un motor de 2 fases y requiere 4 cables, lo que es menos eficiente. Los motores y generadores trifásicos se desarrollaron agregando bobinas adicionales y conectando algunos de los cables

La energía trifásica se desarrolló a partir del desarrollo de motores eléctricos. Ferraris investigó de forma independiente el campo magnético giratorio en 1885. Ferraris experimentó 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 a la inversa, 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 , solicitud presentada el 12 de octubre de 1887. Número de serie 252,132). Estos alternadores operaban creando sistemas de corrientes alternas desplazadas entre sí en fase en cantidades definidas, y dependían del campo magnético giratorio para su operación. 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.. Estas invenciones permitieron que la energía se transmitiera por cables de forma económica a distancias considerables. La energía polifásica permitió el uso de energía hidráulica (a través de plantas de generación hidroeléctrica en grandes represas) en lugares remotos, lo que permitió 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 redes de transmisión de energía en los continentes de todo el mundo.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló el generador eléctrico trifásico y un motor eléctrico trifásico (1888) y estudió las conexiones en estrella y delta . El triunfo del sistema trifásico se mostró en Europa en la Exposición Internacional Electrotécnica de 1891, donde Dolivo-Dobrovolsky utilizó este sistema para transmitir energía eléctrica a una distancia de 176 km con un 75% de eficiencia . En 1891 también creó un transformador trifásico y un motor de inducción en cortocircuito ( jaula de ardilla ) . ^{[4] [5]} Diseñó la primera central hidroeléctrica trifásica del mundo. en 1891.

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. Este ciclo se repite con la frecuencia del sistema eléctrico. Idealmente, el voltaje , la corriente y la potencia de cada fase se compensan con los de las demás en 120 °.

Líneas de transmisión de energía eléctrica trifásica

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

En un sistema de suministro de energía trifásico simétrico, tres conductores llevan 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 un ciclo (es decir, 120 grados fuera de fase) entre cada. La referencia común generalmente está 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 en un tercio de ciclo después de uno de los otros conductores y un tercio de ciclo antes que el conductor restante. Este retardo 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 otros arreglos de fase usando transformadores (por ejemplo, un sistema de dos fases usando un transformador Scott-T ). La amplitud de la diferencia de voltaje entre dos fases es (1.732 ...) veces la amplitud del voltaje de las fases individuales.${\displaystyle {\sqrt {3}}}$

Los sistemas trifásicos simétricos descritos aquí simplemente se denominan sistemas trifásicos porque, aunque es posible diseñar e implementar sistemas eléctricos 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 lineal y balanceada, 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 el signo opuesto. La ruta de retorno de la corriente en cualquier conductor de fase son los otros dos conductores de fase.

La transferencia de potencia constante y la cancelación de las corrientes de fase son posibles con cualquier número (mayor de uno) de fases, manteniendo la relación de capacidad a material conductor que es el doble de la potencia monofásica. Sin embargo, dos fases dan como resultado una corriente menos suave (pulsante) hacia la carga (lo que hace que la transferencia suave de energía sea un desafío) y más de tres fases complican la infraestructura innecesariamente. ^[6]

Los sistemas trifásicos pueden tener un cuarto cable, común en la distribución de bajo voltaje. Este es el cable neutro . El neutro permite que se proporcionen tres suministros monofásicos separados a un voltaje constante y se usa comúnmente para suministrar 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 pueden estar cableados para tener un secundario de cuatro cables y un primario de tres cables, mientras que permiten cargas desequilibradas y las corrientes neutras del lado secundario asociadas.

Secuencia de fase

El cableado de las tres fases se identifica típicamente por colores que varían según el país. 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 a la inversa. Es necesario mantener la identidad de las fases si se pueden conectar dos fuentes al mismo tiempo; una interconexión directa entre dos fases diferentes es un cortocircuito .

Ventajas

En comparación con una fuente de alimentación de CA monofásica que usa dos conductores (fase y neutro ), una fuente trifásica sin neutro y el mismo voltaje de fase a tierra y capacidad de corriente por fase puede transmitir tres veces más energía usando sólo 1,5 veces más cables (es decir, tres en lugar de dos). Por tanto, la relación entre la capacidad y el material conductor se duplica. ^[7] La relación entre la capacidad y el material conductor aumenta a 3: 1 con un sistema trifásico sin conexión a tierra y un sistema monofásico con conexión a tierra central (o 2,25: 1 si ambos emplean tierras del mismo calibre que los conductores).

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

• Las corrientes de fase tienden a anularse entre sí, sumando cero en el caso de una carga balanceada lineal. Esto permite reducir el tamaño del conductor neutro porque transporta poca o ninguna corriente. Con una carga equilibrada, todos los conductores de fase transportan la misma corriente y, por lo 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 puede utilizar una sola fase para la distribución. Algunos electrodomésticos de alta potencia, como estufas eléctricas y secadoras de ropa, funcionan con un sistema de fase dividida a 240 voltios o con dos fases de un sistema trifásico a 208 voltios.

Generación y distribución

Ver también: Red eléctrica por país

Animación de corriente trifásica

Imagen de la izquierda: alternador trifásico de seis cables elemental con cada fase utilizando un par de cables de transmisión separados. ^[8] Imagen de la derecha: alternador trifásico elemental de tres hilos que muestra cómo las fases pueden compartir sólo tres hilos. ^[9]

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 desplazados para proporcionar tres corrientes complementarias con una separación de fase 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, 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 a la utilización estándar antes de que se suministre energía a los clientes.

La mayoría de los alternadores automotrices generan CA trifásica y la rectifican a CC con un puente de diodos . ^[10]

Conexiones de transformador

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

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

En un sistema de "triángulo abierto" o "V", solo se utilizan dos transformadores. Un delta cerrado hecho de tres transformadores monofásicos puede operar como un delta abierto si uno de los transformadores falla o necesita ser removido. ^[11] En triángulo 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%. Con uno de los tres transformadores que faltan y los dos restantes con una eficiencia del 87%, la capacidad es del 58% ( 2 ⁄ 3 del 87%). ^{[12] [13]}

Cuando un sistema alimentado en delta debe conectarse a tierra para la detección de corriente parásita a tierra o 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 de "conexión a tierra en esquina", que es un delta cerrado que está conectado a tierra en una de las uniones de los transformadores. ^[14]

Circuitos de tres y cuatro hilos

Circuitos estrella (Y) y delta (Δ)

Hay dos configuraciones trifásicas básicas: estrella (Y) y triángulo (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 cables no cuentan el cable de tierra presente por encima de muchas líneas de transmisión, que es únicamente para protección contra fallas y no transporta corriente en condiciones de uso normal.

Un sistema de cuatro hilos con voltajes simétricos entre fase y neutro se obtiene cuando el neutro está conectado al "punto de estrella común" de todos los devanados de alimentación. En tal sistema, las tres fases tendrán la misma magnitud de voltaje en relación con el neutro. Se han utilizado otros sistemas asimétricos.

El sistema en estrella de cuatro cables se utiliza cuando se va a servir una mezcla 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 puede ser alimentado solo desde una fase y el 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 trifásica 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. ^[15]Los ingenieros eléctricos también intentan organizar la red de distribución de modo que las cargas estén equilibradas tanto como sea posible, ya que los mismos principios que se aplican a las instalaciones individuales también se aplican a la potencia del sistema de distribución 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 en un gran número de locales de modo que, en promedio, se vea una carga equilibrada en el punto de suministro lo más cerca posible.

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 neutro a una corriente alta (hasta 100  A ) a una propiedad, mientras que otros como Alemania pueden suministrar 3 fases y neutro a cada cliente, pero con un fusible más bajo. nominal, típicamente 40-63  A por fase, y "rotado" para evitar el efecto de que se tiende a poner más carga en la primera fase. ^{[ cita requerida ]}

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 de L1 o L2 al neutro, por lo que esta rama no se usa para cargas monofásicas.

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

• wye (Y) - wye (Y) se utiliza para corriente pequeña y alta tensión.
• 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.
• Wye (Y) - Delta (Δ) se utiliza para transformadores reductores, es decir, al final de la transmisión.

En América del Norte, a veces se usa un suministro delta de tramo alto donde un devanado de un transformador conectado en delta que alimenta la carga tiene una toma central y esa toma central está conectada a tierra y conectada como un neutro como se muestra en el segundo diagrama. Esta configuración produce tres voltajes diferentes: si el voltaje entre la toma central (neutral) y cada una de las tomas superior e inferior (fase y antifase) es de 120  V (100%), la tensión entre las líneas de fase y antifase es 240 V (200%), y el voltaje de neutro a "tramo alto" es ≈ 208 V (173%). ^[11]

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

Circuitos equilibrados

En el caso perfectamente equilibrado, 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 triángulo.

En un sistema balanceado, 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 la notación de ángulo , y V _LN el voltaje entre la línea y el neutro tenemos: ^[16]

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

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

Wye (o estrella; Y)

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

El voltaje visto por la carga dependerá de la conexión de carga; para el caso de estrella, conectar cada carga a un voltaje de fase (línea a neutro) da: ^[16]

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

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 del ángulo de fase entre el voltaje y la 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 retrase o adelante 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 de -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 _bc = √ 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 trifásicas se suman a 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 los voltajes de línea a línea: ^[16]

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

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

Más lejos:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(30^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{23}&={\frac {V_{23}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(-90^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{31}&={\frac {V_{31}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(150^{\circ }-\theta \right),\end{aligned}}}$

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 en 120 °. El cálculo de las corrientes de línea mediante el uso de KCL en cada nodo delta da:

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

y de manera similar para cada otra línea:

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

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

Una configuración delta y un diagrama fasorial 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 _b = yo _bc - yo _ab
• Yo _c = yo _ca - yo _bc

La potencia total transferida es:

• S _3Φ = 3V _fase I * _fase

La inspección de un diagrama fasorial, o la conversión de notación fasorial 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 de 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 tramo alto , las cargas monofásicas se pueden conectar en dos fases cualesquiera, o se puede conectar una carga de fase a neutro. ^{[17] La} distribución de cargas monofásicas entre las fases de un sistema trifásico equilibra la carga y hace un uso más económico de conductores y transformadores.

En un sistema en estrella trifásico simétrico de cuatro hilos, los conductores trifásicos tienen el mismo voltaje que el neutro del sistema. El voltaje entre conductores de línea es √ 3 veces el conductor de fase al voltaje neutro: ^[18]

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

Las corrientes que regresan de 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 suministro de neutro, ya no se mantiene el voltaje de fase a neutro. Las fases con una carga relativa más alta experimentarán un voltaje reducido, y las fases con una carga relativa más baja experimentarán un voltaje elevado, hasta el voltaje de fase a fase.

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. ^[11] La página del fabricante de un transformador sugiere que la carga de LN no exceda el 5% de la capacidad del transformador. ^[19]

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 activos 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

Con 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 el extremo frontal del condensador rectificador, como fuentes de alimentación conmutadas , computadoras, equipos de oficina, etc., producen armónicos de tercer orden que están en fase en todas las fases de suministro. En consecuencia, tales corrientes armónicas se agregan al neutro en un sistema en estrella (o en el transformador conectado a tierra (en zigzag) en un sistema delta), lo que puede hacer que la corriente del neutro exceda la corriente de fase. ^{[17] [20]}

Cargas trifásicas

Ver también: Enchufes y tomas de corriente industriales y multifase

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 aplican 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 CA monofásicos de más de 10  HP (7.5 kW) son poco comunes. Los motores trifásicos también vibran menos y, por lo tanto, duran más que los motores monofásicos de la misma potencia utilizados en las mismas condiciones. ^[21]

Las cargas de calefacción por resistencia, como las calderas eléctricas o la calefacción de espacios, pueden conectarse a sistemas trifásicos. La iluminación eléctrica también se puede conectar de manera similar.

El parpadeo de la frecuencia de línea en la luz es perjudicial para las cámaras de alta velocidad utilizadas en la transmisión de eventos deportivos para repeticiones en cámara lenta . Puede reducirse distribuyendo uniformemente las fuentes de luz operadas por frecuencia de línea en las tres fases para que el área iluminada se ilumine desde las tres fases. Esta técnica se aplicó con éxito en los Juegos Olímpicos de Beijing 2008. ^[22]

Los rectificadores pueden usar una fuente trifásica para producir una salida de CC de seis pulsos. ^[23] 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. Dichos rectificadores se pueden usar para cargar baterías, procesos de electrólisis como la producción de aluminio o para el funcionamiento de motores de CC. Los transformadores en "zig-zag" 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, mientras se mejora la calidad de la CC resultante.

Enchufe trifásico utilizado en el pasado en estufas 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 estufas eléctricas suelen estar diseñadas para una alimentación trifásica con conexión permanente. Las unidades de calefacción individuales a menudo se conectan entre la fase y el neutro para permitir la conexión a un circuito monofásico si el trifásico no está disponible. ^[24] Otras cargas trifásicas habituales en el ámbito doméstico son los sistemas de calentamiento de agua sin tanque y los calentadores de almacenamiento . Los hogares en Europa y el Reino Unido han estandarizado una tensión nominal de 230 V entre cualquier fase y tierra. (Los suministros existentes permanecen cerca de 240 V en el Reino Unido y 220 V en gran parte del continente). La mayoría de los grupos de casas se alimentan de un transformador de calle trifásico, de modo que los locales individuales con una demanda superior a la media se pueden alimentar con un segundo o Conexión de tercera fase.

Convertidores de fase

Los convertidores de fase se utilizan cuando los equipos trifásicos necesitan funcionar con una fuente de alimentación monofásica. Se utilizan cuando la energía trifásica no está disponible o el costo no es justificable. Dichos convertidores también pueden permitir variar la frecuencia, lo que permite el control de la velocidad. Algunas locomotoras de ferrocarril utilizan una fuente monofásica para impulsar motores trifásicos alimentados a través de un accionamiento electrónico. ^[25]

Un convertidor de fase rotatorio es un motor trifásico con arreglos especiales de arranque y corrección del factor de potencia que produce voltajes trifásicos balanceados. Cuando se diseñan correctamente, 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 impulsado por un motor monofásico. Esta combinación de motor-generador puede proporcionar una función de cambiador de frecuencia así como 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 usa junto con un gran volante y un motor de CC a batería; una combinación de este tipo proporcionará una potencia casi constante en comparación con la caída de frecuencia temporal que se experimenta con un grupo electrógeno de reserva hasta que el generador de reserva se active.

Se pueden usar condensadores y autotransformadores para aproximar un sistema trifásico en un convertidor de fase estática, pero el voltaje y el ángulo de fase de la fase adicional solo pueden ser útiles 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 ser poco práctico o perjudicial probar una máquina energizando momentáneamente el motor para observar su rotación. La secuencia de fase 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 diferentes fases.

Cuando no se requiera la identidad de fase absoluta, se pueden utilizar instrumentos de prueba de rotación de fase para identificar la secuencia de rotación con una observación. El instrumento de prueba de rotación de fase puede contener un motor trifásico en miniatura, cuya dirección de rotación se puede observar directamente a través de la caja del instrumento. Otro patrón usa 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 otras luces indicadoras para mostrar la secuencia de voltajes en los terminales para la dirección dada de rotación del eje. ^[26]

Alternativas al trifásico

Energía eléctrica de fase dividida

Se utiliza cuando no se dispone de alimentación trifásica 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, requiriendo 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 más grande. Los sistemas bifásicos y trifásicos pueden interconectarse mediante un transformador Scott-T , inventado por Charles F. Scott . ^[27] Las primeras máquinas de CA, en particular los primeros generadores en las Cataratas del Niágara , usaban un sistema de dos fases, y todavía existen algunos sistemas de distribución de dos fases remanentes, pero los sistemas de tres fases han desplazado al sistema de dos fases para las instalaciones modernas.

Poder monocíclico

Un sistema de energía de dos fases modificado asimétrico utilizado por General Electric alrededor de 1897, defendido por Charles Proteus Steinmetz y Elihu Thomson. Este sistema fue diseñado para evitar la infracción de patentes. En este sistema, un generador se devanó con un devanado monofásico de voltaje completo destinado a iluminar cargas y con una pequeña fracción (generalmente 1/4 del voltaje de línea) devanado que producía un voltaje en cuadratura con los devanados principales. La intención era utilizar este devanado adicional de "cable de alimentación" para proporcionar un par de arranque para los motores de inducción, con el devanado principal proporcionando energía para las cargas de iluminación. Después de la expiración de las patentes de Westinghouse sobre sistemas simétricos de distribución de energía 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 orden de fase alto

Han sido construidos y probados para transmisión de potencia. Tales líneas de transmisión normalmente utilizarían seis o doce fases. Las líneas de transmisión de orden de fase alto permiten la transferencia de potencia ligeramente menor que proporcionalmente mayor a través de un volumen dado 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

La CA se utilizó históricamente porque se podía transformar fácilmente a voltajes más altos para la transmisión a larga distancia. Sin embargo, la electrónica moderna puede aumentar el voltaje de CC con alta eficiencia, y la CC carece de efecto piel, lo que permite que los cables de transmisión sean más livianos y económicos, por lo que la corriente continua de alto voltaje produce pérdidas más bajas en distancias largas.

Códigos de color

Ver también: Cableado eléctrico § Código de colores

Los conductores de un sistema trifásico generalmente se identifican con un código de color, para permitir una carga equilibrada y asegurar la rotación de fase correcta para los motores . Los colores utilizados pueden adherirse al estándar internacional IEC 60446 (más tarde IEC 60445 ), estándares más antiguos o ningún estándar y pueden variar incluso dentro de una sola instalación. Por ejemplo, en los EE. UU. Y Canadá, se utilizan códigos de colores diferentes para sistemas con conexión a tierra (con conexión a tierra) y sin conexión a tierra.

País		Fases [nota 1]						Neutro, N [nota 2]		Tierra de protección, PE [nota 3]
		L1		L2		L3
Australia y Nueva Zelanda (AS / NZS  3000: 2007 Figura  3.2, o IEC  60446 según lo aprobado por AS: 3000)			Rojo o marrón [nota 4]		Blanco; [nota 4] anterior. amarillo		Azul oscuro o gris [nota 4]		Negro o azul [nota 4]			Rayas verdes / amarillas; instalaciones muy antiguas, verde
Canadá	Obligatorio [28]		Rojo [nota 5]		Negro		Azul		Blanco o gris			Verde tal vez con rayas amarillas o sin aislamiento
	Sistemas aislados [29]		naranja		marrón		Amarillo		Blanco o gris			Verde tal vez con rayas amarillas
CENELEC europeo ( Unión Europea y otros; desde abril de 2004, IEC 60446 , más tarde IEC  60445-2017), Reino Unido (desde el 31 de  marzo de 2004), Hong Kong (desde julio de 2007), Singapur (desde marzo de 2009), Rusia (desde 2009 ; GOST  R  50462), Argentina, Ucrania, Bielorrusia, Kazajstán			marrón		Negro		Gris		Azul			Rayas verdes / amarillas [nota 6]
Europa más antigua (antes de IEC 60446 , variada según el país) [nota 7]
Reino Unido (antes de abril de 2006), Hong Kong (antes de abril de 2009), Sudáfrica, Malasia, Singapur (antes de febrero de 2011)			rojo		Amarillo		Azul		Negro			Rayas verdes / amarillas; antes c. 1970, verde
India			rojo		Amarillo		Azul		Negro			Verde tal vez con rayas amarillas
Chile - NCH 4/2003			Azul		Negro		rojo		blanco			Verde tal vez con rayas amarillas
Antigua URSS (Rusia, Ucrania, Kazajstán; antes de 2009), República Popular de China [nota 8] (GB  50303-2002 Sección  15.2.2)			Amarillo		Verde		rojo		Cielo azul			Rayas verdes / amarillas
Noruega (antes de la adopción de CENELEC)			Negro		Gris blanco		marrón		Azul			Rayas amarillas / verdes; anterior amarillo o sin aislamiento
Estados Unidos	Práctica común [nota 9]		Negro		rojo		Azul		Blanco o gris			Verdes tal vez con rayas amarillas, [nota 10] o sin aislamiento
	Práctica alternativa [nota 11]		marrón		Naranja (delta [nota 12] )		Amarillo		Gris o blanco			Verde
					Violeta (estrella)

Ver también

• Enchufes y tomas de corriente industriales y multifase
• Exposición Internacional de Electrotécnica
• Matemáticas de la energía eléctrica trifásica
• Electrificación ferroviaria de corriente alterna trifásica
• Convertidor de fase rotatorio
• Transformada Y-Δ

Notas

1. Existen muchos sistemas de etiquetado para las fases, algunos con un significado adicional, como: H1, H2, H3 ; A, B, C ; R, S, T ; U, V, W ; R, Y, B .
2. Además, conductor conectado a tierra.
3. También, 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 color 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 el 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. El marcado verde-amarillo estándar internacional de los conductores de tierra de protección se introdujo para reducir el riesgo de confusión por parte de los instaladores daltónicos . Aproximadamente entre el 7% y el 10% de los hombres no pueden distinguir claramente entre rojo y verde, lo que es una preocupación particular en los esquemas más antiguos donde el rojo marca un conductor con corriente y el verde marca la tierra de protección o la tierra 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: amarillo, la fase 2: verde, la fase 3: rojo, neutral: azul, tierra: verde / amarillo, esto no se aplica de manera estricta y existe una variación local significativa.
9. Ver Paul Cook: colores armonizados y marcado alfanumérico . Asuntos de cableado IEE
10. En los EE. UU., Un cable rayado verde / amarillo puede indicar una conexión a tierra aislada . ^{[ cita requerida ]} En la mayoría de los países hoy en día, el cable rayado verde / amarillo solo se puede usar para protección de tierra (tierra de seguridad) y nunca debe desconectarse ni usarse para ningún otro propósito.
11. Desde 1975, el Código Eléctrico Nacional de EE. UU. No ha especificado el color de los conductores de fase. Es una práctica común en muchas regiones identificar los conductores de 120/208 V (estrella) como negro, rojo y azul, y los conductores de 277/480 V (estrella o triángulo) como marrón, naranja, amarillo. En un sistema delta de120/240V con un tramo alto de208V, el tramo alto (normalmente la fase B) siempre está marcado en naranja, comúnmente la fase A es negra y la fase C es roja o azul. Las regulaciones locales pueden enmendar el NEC. El Código Eléctrico Nacional de EE. UU. Tiene requisitos de color para conductores con conexión a tierra, tierra y sistemas trifásicos delta con conexión a tierra que dan como resultado que una pata sin conexión a tierra tenga un potencial de voltaje a tierra más alto que las otras dos patas sin conexión a tierra.
12. Debe ser la pierna alta, si está presente.

Referencias

1. William D. Stevenson, Jr. Elementos de análisis de sistemas de potencia tercera edición , McGraw-Hill, Nueva York (1975). ISBN  0-07-061285-4 , pág. 2
2. Terrell Croft, Wilford Summers (ed), Manual de electricistas estadounidenses, 11ª ed. , McGraw Hill, 1987 ISBN 0-07-013932-6 página 3-10 figura 3-23. 
3. Brumbach, Michael (2014). Mantenimiento industrial . Clifton Park, Nueva York: Delmar, Cengage Learning. pag. 411. ISBN 9781133131199.
4. Electropaedia de Woodbank Communications Ltd.: "Historia de las baterías (y otras cosas)"
5. Gerhard Neidhöfer: Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. Geschichte der Elektrotechnik VDE-Buchreihe, Volumen 9, VDE VERLAG, Berlín Offenbach, ISBN 978-3-8007-3115-2 . 
6. von Meier, Alexandra (2006). Sistemas de energía eléctrica . Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. p. 160. ISBN 978-0-471-17859-0. También declaramos una razón fundamental para este sistema de tres fases; a saber, que un generador trifásico experimenta un par constante en su rotor en contraposición al par pulsante que aparece en una máquina monofásica o bifásica, lo que obviamente es preferible desde el punto de vista de la ingeniería mecánica.
7. Algodón, H, Tecnología eléctrica , 6ª Ed., Pitman, Londres, 1950, p. 268
8. Guía eléctrica de Hawkins , Theo. Audel and Co., 2ª ed., 1917, vol. 4, cap. 46: Corrientes alternas, pág. 1026, fig. 1260.
9. Guía eléctrica de Hawkins , Theo. Audel and Co., 2ª ed., 1917, vol. 4, cap. 46: Corrientes alternas, pág. 1026, fig. 1261.
10. (PDF) . 30 de agosto de 2017 https://web.archive.org/web/20170830033252/http://www.rle.mit.edu/per/ConferencePapers/cpConvergence00p583.pdf . Archivado desde el original (PDF) el 30 de agosto de 2017.
11. Fowler, Nick (2011). Manual de cálculos para electricistas 2ª edición . McGraw-Hill. págs. 3-5. ISBN 978-0-07-177017-0.
12. McGraw-Hill (1920). "Energía trifásica de conexiones de transformador monofásico" . Poder . 51 (17) . Consultado el 21 de diciembre de 2012 .
13. HW Beaty, DG Fink (ed) Manual estándar para ingenieros eléctricos decimoquinta edición , McGraw-Hill, 2007 ISBN 0-07-144146-8 , p. 10-11 
14. "Schneider" (PDF) .
15. "Ahorro de energía mediante el equilibrio de carga y la programación de carga" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 11 de septiembre de 2014 . Consultado el 3 de agosto de 2014 .
16. J. Duncan Glover; Mulukutla S. Sarma; Thomas J. Overbye (abril de 2011). Análisis y diseño de sistemas de potencia . Aprendizaje Cengage. págs. 60–68. ISBN 978-1-111-42579-1.
17. Lowenstein, Michael. "El tercer filtro de bloqueo de armónicos: un enfoque bien establecido para la mitigación de la corriente armónica" . Revista IAEI. Archivado desde el original el 8 de septiembre de 2013 . Consultado el 24 de noviembre de 2012 .
18. El niño electricista de JW Sims MIEE (Página 98)
19. "Pacífico federal" . Archivado desde el original el 30 de mayo de 2012.
20. Enjeti, Prasad. "Armónicos en sistemas de distribución eléctrica trifásicos de baja tensión de cuatro cables y soluciones de filtrado" (PDF) . Laboratorio de Electrónica de Potencia y Calidad de Energía de la Universidad de Texas A&M . Consultado el 24 de noviembre de 2012 .
21. Alexander, Charles K .; Sadiku, Matthew NO (2007). Fundamentos de los circuitos eléctricos . Nueva York, NY: McGraw-Hill. pag. 504. ISBN 978-0-07-297718-9.
22. Hui, sol. "Iluminación deportiva: consideraciones de diseño para los Juegos Olímpicos de Beijing 2008" (PDF) . Iluminación GE . Consultado el 18 de diciembre de 2012 .
23. Pekarek, Steven; Skvarenina, Timothy (noviembre de 1998). "Modelos de componentes ACSL / Modelizador gráfico para la educación en energía eléctrica" . Transacciones IEEE sobre educación . 41 (4): 348. Código bibliográfico : 1998ITEdu..41..348P . doi : 10.1109 / TE.1998.787374 .
24. "Prácticas británicas y europeas para electrodomésticos comparadas" , Electrical Times , volumen 148, página 691, 1965.
25. "Aceleración de líneas convencionales y Shinkansen" (PDF) . Revisión de Ferrocarriles y Transportes de Japón . No. 58: 58. Octubre de 2011.
26. Steve Sentry, "Fundamentos del control del motor", Cengage Learning, 2012, ISBN 1133709176 , página 70 
27. Brittain, JE (2007). "Salón de la fama de la ingeniería eléctrica: Charles F. Scott". Actas del IEEE . 95 (4): 836–839. doi : 10.1109 / JPROC.2006.892488 .
28. C22.1-15 — Código eléctrico canadiense, Parte I: Norma de seguridad para instalaciones eléctricas (23ª ed.). Asociación Canadiense de Estándares. 2015. Regla 4–038. ISBN 978-1-77139-718-6.
29. C22.1-15 — Código eléctrico canadiense, Parte I: Norma de seguridad para instalaciones eléctricas (23ª ed.). Asociación Canadiense de Estándares. 2015. Regla 24-208 (c). ISBN 978-1-77139-718-6.

enlaces externos

• Historial y cronología de la alimentación de CA