Ventajas y aplicaciones de los sistemas trifásicos

Los sistemas monofásicos pueden generarse haciendo rotar dos conductores curvados en un campo magnético. Tales máquinas se llaman alternadores monofásicos. Pero el voltaje producido por una sola curva es muy pequeño y no es suficiente como para abastecer cargas prácticas. Por ello se conectan numerosas curvas en serie para formar un devanado en un alternador práctico. La suma de los voltajes inducidos en todas las curvas esta ahora disponible como voltaje en corriente alterna monofásica, que es suficiente para impulsar cargas prácticas.

Pero en la práctica hay ciertas cargas que requieren alimentación polifásica. Fase significa ramal, circuito o del devanado de la armadura. Muchas aplicaciones necesitan ser abastecidas por muchos voltajes AC presentes en él simultáneamente. Tales sistemas se denominan sistemas polifásicos.

Para desarrollar sistemas polifásicos, el devanado es un alternador dividido en el número de fases requeridas. En tales secciones, se induce un voltaje AC separado. Así que hay muchos voltajes AC independientes presentes iguales al número de fases del devanado de la armadura. Varias fases del devanado de la armadura están dispuestos de tal forma que las magnitudes y frecuencias de todos estos voltajes son la misma pero tienen una diferencia de fase definida con respecto a las otras. La diferencia de fase depende del número de fases en los que la armadura se divide. Por ejemplo, si la armadura se divide en tres bobinados entonces tendremos disponibles tres voltajes AC separados que tendrán la misma frecuencia pero tendrían una diferencia de fase de 360º/3 = 120 º con respecto a las otras. Los tres voltajes con una diferencia de fase de 120 º están disponibles para suministrar una carga trifásica. Los tres voltajes con una diferencia de voltaje de 120 º están disponibles para suministrar una carga trifásica. Tales sistemas se llaman sistemas trifásicos. Similarmente dividiendo la armadura en varios números de fases, en un sistema de dos fases, puede obtenerse un sistema de alimentación de seis fases. Una diferencia de fases entre tales voltajes es 360º/n donde n es el número de fases.

En la práctica un sistema trifásico es más económico y tiene ciertas ventajas sobre otros sistemas polifásicos. Por ello los sistemas trifásicos son muy populares y ampliamente usados.

En este nuevo artículo dedicado a la gestión eficiente de la energía eléctrica explicamos los circuitos trifásicos, analizamos los circuitos estrella-triángulo y las relaciones entre la potencia activa, reactiva y aparente en los circuitos trifásicos.

Ventajas de los sistemas trifásicos

En los sistemas trifásicos, la armadura del alternador tiene tres devanados y produce tres voltajes alternos independientes. La magnitud y frecuencia de todos ellos es igual pero tienen una diferencia de fase de 120 º entre sí. Tales sistemas trifásicos tienen las siguientes ventajas sobre los sistemas monofásicos.

1. La producción de las máquinas trifásicas es siempre mayor que las de las máquinas monofásicas del mismo tamaño, aproximadamente 1,5 más. Así para un tamaño y voltaje dado un alternador trifásico ocupa menos espacio y es menos costoso también que los monofásicos del mismo tamaño.
2. Para una transmisión y distribución, los sistemas trifásicos necesitan menos cobre o menos material conductor que un sistema monofásico simple  dado en voltio amperios y voltaje por lo que la transmisión es mucho más económica.
3. Es posible producir campos magnéticos rotatorios con bobinados estacionarios usando el sistema trifásico. Por ello los motores trifásicos son de autoarranque.
4. En un sistema monofásico, la potencia instantánea es una función del tiempo y fluctúa w.r.t. veces Esta fluctuación de potencia causa vibraciones considerables en los motores monofásicos. Por ello el rendimiento de los sistemas monofásicos es pobre. Sin embargo, la potencia instantánea en los sistemas trifásicos es constante.
5. Los sistemas trifásicos dan una salida estable.
6. Una alimentación monofásica puede obtenerse de los circuitos trifásicos pero trifásica no puede obtenerse de un motor monofásico.
7. El factor de potencia de los motores monofásicos es pobre en relación a los motores trifásicos equivalentes.
8. Para máquinas convertidoras como los rectificadores, el voltaje de salida en corriente continua es más uniforme si el número de fases se incrementa.

Conexiones de los sistemas trifásicos

En los sistemas monofásicos, dos conductores son suficientes para transmitir el voltaje a la carga, es decir, fase y neutro. Pero en caso de sistemas trifásicos, dos extremos de cada fase, es decir, R₁ – R₂, Y₁ – Y₂, y B₁ – B₂ están disponibles para suministrar el voltaje a la carga. Si todos los seis terminales se usan independientemente para suministrar voltaje a la carga como mostramos en la figura con la que abrimos este artículo siguiente figura, se requieren seis conductores y será demasiado costoso.

Para disminuir los costes reduciendo el número de devanados, los devanados trifásicos se interconectan de un modo particular. Esto proporciona diferentes conexiones trifásicas.

Conexión en estrella

La conexión en estrella está formada conectando entre sí los terminales de comienzo y finalización. Los extremos R₁ – Y₁ – B₁ se conectan entre sí y los extremos R₂ – Y₂ – B₂ se conectan entre sí. Este punto común es llamado punto neutral. Los tres extremos restantes se llevan para propósitos de conexión. Estos extremos a los que las cargas se conectan son generalmente referidos como R – Y – B.

La conexión de estrella se muestra en la siguiente figura:

Conexión en triángulo

La conexión delta está formada conectando un extremo del devanado para comenzar en el extremo del otro y las conexiones continúan para formar un bucle cerrado. Los terminales de alimentación son tomados de los tres puntos de unión. La conexión delta es mostrada en la siguiente figura:

Concepto de corrientes y voltajes de línea

La diferencia de potencial entre dos líneas de alimentación se llama voltaje de línea y la corriente pasando a través de cualquier línea se llama corriente de línea.

Consideremos un sistema en estrella como el que se indica en la siguiente figura:

Los voltajes de línea se denotan por V_L. Estas son V_RY, V_YB y V_BR. Las corrientes de línea se denotan por I_L. Estas son I_R, I_Y e I_B.

Similarmente para los sistemas conectados en triángulo podemos mostrar los voltajes de línea y las corrientes de línea como en la siguiente figura.

Los voltajes de línea V_L son V_RY, V_BR y V_YB.

Mientras que las corrientes de línea I_L son I_R, I_Y e I_B.

Concepto de voltajes de fase y corrientes de fase

Ahora definamos los voltajes de fase y corrientes de fase que nos permiten ver las conexiones de las tres cargas de fase a las líneas de alimentación.

La carga puede ser conectada de dos formas: i) Conexión estrella y ii) Conexión triángulo.

La carga trifásica son impedancias conectadas juntas en forma de estrella o triángulo.

Carga conectada en estrella: Hay tres impedancias diferentes y se conectan de tal forma que los extremos de cada una se conectan juntas y las otras tres se conectan para suministrar a los terminales de fase.

El voltaje de línea es

 

Veces el voltaje de fase en la conexión en estrella.

La potencia consumida en cada fase es la potencia de fase simple dada por:

Para las cargas equilibradas, todas las potencias de fase son iguales. De aquí que la potencia total de las tres fases consumida es:

Triángulo de potencia para cargas trifásicas

Bibliografía:

·         Basic Electrical Engineering. Bakshi & Bakshi