Sistemas de energía trifásicos

¿Qué son los sistemas de energía de fase dividida?

Los sistemas de energía de fase dividida logran su alta eficiencia de conductor y bajo riesgo de seguridad al dividir el voltaje total en partes menores y alimentar múltiples cargas a esos voltajes menores mientras se extraen corrientes a niveles típicos de un sistema de voltaje completo.

Esta técnica, por cierto, funciona tan bien para los sistemas de alimentación de CC como para los sistemas de CA monofásicos. Por lo general, estos sistemas se denominan tres cables sistemas en lugar de fase dividida porque "fase" es un concepto restringido a AC.

Pero sabemos por nuestra experiencia con vectores y números complejos que los voltajes de CA no siempre suman como pensamos que lo harían si estuvieran desfasados ​​entre sí.

Este principio, aplicado a los sistemas de energía, se puede utilizar para fabricar sistemas de energía con eficiencias de conductores aún mayores y menor riesgo de descarga que con la fase dividida.

Ejemplos

Dos fuentes de voltaje fuera de fase de 120 °

Suponga que tenemos dos fuentes de voltaje CA conectadas en serie como el sistema de fase dividida que vimos antes, excepto que cada fuente de voltaje estaba desfasada 120 ° con la otra:(Figura siguiente)

Par de fuentes de 120 Vca en fase de 120 °, similar a la fase dividida.

Dado que cada fuente de voltaje es de 120 voltios y cada resistencia de carga está conectada directamente en paralelo con su fuente respectiva, el voltaje en cada carga debe ser de 120 voltios también. Dadas las corrientes de carga de 83,33 amperios, cada carga debe seguir disipando 10 kilovatios de potencia.

Sin embargo, el voltaje entre los dos cables "activos" no es de 240 voltios (120 ∠ 0 ° - 120 ∠ 180 °) porque la diferencia de fase entre las dos fuentes no es de 180 °. En cambio, el voltaje es:

Nominalmente, decimos que el voltaje entre los conductores "calientes" es de 208 voltios (redondeando hacia arriba) y, por lo tanto, el voltaje del sistema de energía se designa como 120/208.

Si calculamos la corriente a través del conductor "neutro", encontramos que no cero, incluso con resistencias de carga equilibradas. La ley de la corriente de Kirchhoff nos dice que las corrientes que entran y salen del nodo entre las dos cargas deben ser cero:(Figura siguiente)

El cable neutro lleva una corriente en el caso de un par de fuentes en fase de 120 °.

Hallazgos y conclusiones

Entonces, encontramos que el cable "neutro" lleva 83,33 amperios completos, al igual que cada cable "vivo".

Tenga en cuenta que todavía estamos transmitiendo 20 kW de potencia total a las dos cargas, y el cable "caliente" de cada carga transporta 83,33 amperios como antes.

Con la misma cantidad de corriente a través de cada cable "caliente", debemos usar conductores de cobre del mismo calibre, por lo que no hemos reducido el costo del sistema en comparación con el sistema de fase dividida 120/240.

Sin embargo, nos hemos dado cuenta de una ganancia en seguridad, porque el voltaje total entre los dos conductores "calientes" es 32 voltios más bajo que en el sistema de fase dividida (208 voltios en lugar de 240 voltios).

Tres fuentes de voltaje fuera de fase de 120 °

El hecho de que el cable neutro lleve 83,33 amperios de corriente plantea una posibilidad interesante:dado que lleva corriente de todos modos, ¿por qué no usar ese tercer cable como otro conductor "caliente", alimentando otra resistencia de carga con una tercera fuente de 120 voltios que tiene un ángulo de fase? de 240 °?

De esa forma, podríamos transmitir más potencia (otros 10 kW) sin tener que añadir más conductores. Veamos cómo se vería esto:(Figura siguiente)

Con una tercera carga en fase de 120 ° con respecto a las otras dos, las corrientes son las mismas que para dos cargas.

Cálculos SPICE para sistema trifásico

Un análisis matemático completo de todos los voltajes y corrientes en este circuito requeriría el uso de un teorema de red, siendo el más fácil el teorema de superposición.

Le ahorraré los cálculos largos y prolongados porque debería poder comprender intuitivamente que las tres fuentes de voltaje en tres ángulos de fase diferentes entregarán 120 voltios cada una a una tríada balanceada de resistencias de carga.

Como prueba de esto, podemos usar SPICE para hacer los cálculos por nosotros:(Figura siguiente, listado de SPICE:sistema de energía polifásico 120/208)

Circuito SPICE:tres cargas de 3 Φ en fase a 120 °.

 120/208 sistema de energía polifásico v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120120 sin v3 3 0 ac 120240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 3 4 1.44 .ac lin 1 60 60 .print ac v (1,4) v (2,4) v (3,4) .imprimir ac v (1,2) v (2,3) v (3,1) .imprimir ac i (v1) i (v2 ) i (v3) .end 

 VOLTAJE EN CADA CARGA frecuencia v (1,4) v (2,4) v (3,4) 6.000E + 01 1.200E + 02 1.200E + 02 1.200E + 02 VOLTAJE ENTRE CONDUCTORES “CALIENTES” freq v (1,2) v (2,3) v (3,1) 6.000E + 01 2.078E + 02 2.078E + 02 2.078E + 02 CORRIENTE A TRAVÉS DE CADA FUENTE DE TENSIÓN frecuencia i (v1) i (v2) i (v3 ) 6.000E + 01 8.333E + 01 8.333E + 01 8.333E + 01 

Efectivamente, obtenemos 120 voltios a través de cada resistencia de carga, con (aproximadamente) 208 voltios entre dos conductores "calientes" y corrientes de conductor iguales a 83,33 amperios. (Figura siguiente)

A esa corriente y voltaje, cada carga disipará 10 kW de potencia.

Tenga en cuenta que este circuito no tiene un conductor "neutro" para garantizar un voltaje estable a todas las cargas si alguna se abre.

Lo que tenemos aquí es una situación similar a nuestro circuito de potencia de fase dividida sin conductor "neutro":si una carga falla al abrirse, las caídas de voltaje en las cargas restantes cambiarán.

Para garantizar la estabilidad del voltaje de carga en caso de que se abra otra carga, necesitamos un cable neutro para conectar el nodo fuente y el nodo de carga juntos:

Circuito SPICE anotado con resultados de simulación:tres cargas de 3 Φ en fases a 120 °.

Siempre que las cargas permanezcan equilibradas (igual resistencia, iguales corrientes), el cable neutro no tendrá que transportar ninguna corriente. Está ahí en caso de que una o más resistencias de carga no se abran (o se apaguen mediante un interruptor de desconexión).

Circuito polifásico

Este circuito que hemos estado analizando con tres fuentes de voltaje se llama polifásico circuito. El prefijo "poli" simplemente significa "más de uno", como en " poli teísmo ”(creencia en más de una deidad),“ poli gon ”(una forma geométrica formada por varios segmentos de línea:por ejemplo, pentágono y hexágono ) y " poli atómico ”(una sustancia compuesta por múltiples tipos de átomos).

Dado que las fuentes de voltaje están todas en diferentes ángulos de fase (en este caso, tres ángulos de fase diferentes), esto es un " poli fase ”circuito.

Más específicamente, es un circuito trifásico , del tipo que se utiliza predominantemente en grandes sistemas de distribución de energía.

Sistema trifásico versus sistema monofásico

Sistema monofásico

Examinemos las ventajas de un sistema de energía trifásico sobre un sistema monofásico de voltaje de carga y capacidad de energía equivalentes. Un sistema monofásico con tres cargas conectadas directamente en paralelo tendría una corriente total muy alta (83,33 veces 3, o 250 amperios. (Figura siguiente)

A modo de comparación, tres cargas de 10 Kw en un sistema de 120 Vca consumen 250 A.

Esto requeriría alambre de cobre de calibre 3/0 ( muy ¡grande!), a aproximadamente 510 libras por mil pies, y con una etiqueta de precio considerable adjunta. Si la distancia de la fuente a la carga fuera de 1000 pies, necesitaríamos más de media tonelada de alambre de cobre para hacer el trabajo.

Sistema de fase dividida

Por otro lado, podríamos construir un sistema de fase dividida con dos cargas de 15 kW y 120 voltios. (Figura siguiente)

El sistema de fase dividida consume la mitad de la corriente de 125 A a 240 Vca en comparación con el sistema de 120 Vca.

Nuestra corriente es la mitad de lo que era con el circuito paralelo simple, lo cual es una gran mejora.

Podríamos usar alambre de cobre de calibre 2 con una masa total de aproximadamente 600 libras, calculando alrededor de 200 libras por mil pies con tres tramos de 1000 pies cada uno entre la fuente y las cargas. Sin embargo, también debemos considerar el mayor riesgo de seguridad de tener 240 voltios presentes en el sistema, aunque cada carga solo recibe 120 voltios.

En general, existe un mayor potencial de que ocurra una descarga eléctrica peligrosa.

Sistema trifásico

Cuando comparamos estos dos ejemplos con nuestro sistema trifásico (Figura anterior), las ventajas son bastante claras.

Primero, las corrientes de los conductores son bastante menores (83,33 amperios frente a 125 o 250 amperios), lo que permite el uso de cables mucho más finos y ligeros. Podemos usar cable de calibre número 4 a aproximadamente 125 libras por mil pies, lo que sumará un total de 500 libras (cuatro tramos de 1000 pies cada uno) para nuestro circuito de ejemplo.

Esto representa un ahorro de costos significativo sobre el sistema de fase dividida, con el beneficio adicional de que el voltaje máximo en el sistema es menor (208 versus 240).

Queda por responder una pregunta:¿cómo demonios obtenemos tres fuentes de voltaje de CA cuyos ángulos de fase están separados exactamente a 120 °?

Obviamente, no podemos centrar un transformador o un devanado de alternador como lo hicimos en el sistema de fase dividida, ya que eso solo puede darnos formas de onda de voltaje que están en fase o 180 ° fuera de fase.

Quizás podríamos encontrar alguna forma de usar condensadores e inductores para crear cambios de fase de 120 °, pero esos cambios de fase también dependerían de los ángulos de fase de nuestras impedancias de carga (sustituir una carga capacitiva o inductiva por una carga resistiva cambiaría ¡todo!).

La mejor manera de obtener los cambios de fase que estamos buscando es generarlos en la fuente:construya el generador de CA (alternador) que proporcione la energía de tal manera que el campo magnético giratorio pase por tres juegos de devanados de alambre, cada juego espaciados 120 ° alrededor de la circunferencia de la máquina como se muestra en la Figura siguiente.

(a) Alternador monofásico, (b) Alternador trifásico.

Juntos, los seis devanados "polos" de un alternador trifásico están conectados para comprender tres pares de devanados, cada par produce voltaje de CA con un ángulo de fase de 120 ° desplazado de cualquiera de los otros dos pares de devanados.

Las interconexiones entre pares de devanados (como se muestra para el alternador monofásico:el cable de puente entre los devanados 1a y 1b) se han omitido del dibujo del alternador trifásico para simplificar.

En nuestro circuito de ejemplo, mostramos las tres fuentes de voltaje conectadas entre sí en una configuración "Y" (a veces llamada configuración "estrella"), con un cable de cada fuente conectado a un punto común (el nodo donde conectamos el "neutro" conductor).

La forma común de representar este esquema de conexión es dibujar los devanados en forma de "Y" como se muestra en la Figura siguiente.

Configuración del alternador en “Y”.

La configuración "Y" no es la única opción que tenemos, pero probablemente sea la más fácil de entender al principio. Más adelante sobre este tema en el capítulo.

REVISAR:

• Un monofásico El sistema de energía es aquel en el que solo hay una fuente de voltaje de CA (una forma de onda de voltaje de fuente).
• Una fase dividida El sistema de energía es uno en el que hay dos fuentes de voltaje, con un desfase de 180 ° entre sí, que alimenta dos cargas conectadas en serie. La ventaja de esto es la capacidad de tener corrientes de conductor más bajas mientras se mantienen bajos voltajes de carga por razones de seguridad.
• Una polifase El sistema de energía utiliza múltiples fuentes de voltaje en diferentes ángulos de fase entre sí (muchas "fases" de formas de onda de voltaje en el trabajo). Un sistema de energía polifásico puede entregar más energía a menos voltaje con conductores de menor calibre que los sistemas monofásicos o divididos.
• Las fuentes de voltaje de cambio de fase necesarias para un sistema de energía polifásica se crean en alternadores con múltiples conjuntos de devanados de alambre. Estos juegos de bobinados están espaciados alrededor de la circunferencia de rotación del rotor en los ángulos deseados.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de sistemas eléctricos polifásicos