Sistemas de energía monofásicos

El diagrama esquemático del sistema de energía monofásico muestra poco sobre el cableado de un circuito de energía práctico.

Representado arriba, es un circuito de CA muy simple. Si la disipación de potencia de la resistencia de carga fuera sustancial, podríamos llamar a esto un "circuito de potencia" o "sistema de potencia" en lugar de considerarlo solo como un circuito regular.

La distinción entre un "circuito de potencia" y un "circuito regular" puede parecer arbitraria, pero las preocupaciones prácticas definitivamente no lo son.

Análisis práctico de circuitos

Una de esas preocupaciones es el tamaño y el costo del cableado necesario para entregar energía desde la fuente de CA a la carga. Normalmente, no pensamos mucho en este tipo de preocupaciones si simplemente estamos analizando un circuito para aprender sobre las leyes de la electricidad.

Sin embargo, en el mundo real, puede ser una gran preocupación. Si le damos a la fuente en el circuito anterior un valor de voltaje y también damos valores de disipación de potencia a las dos resistencias de carga, podemos determinar las necesidades de cableado para este circuito en particular:

Como cuestión práctica, el cableado para las cargas de 20 kW a 120 Vca es bastante considerable (167 A).

83,33 amperios por cada resistencia de carga en la figura anterior se suma a 166,66 amperios de corriente total del circuito. Esta no es una pequeña cantidad de corriente y necesitaría conductores de alambre de cobre de al menos un calibre 1/0.

Dicho cable tiene más de 1/4 de pulgada (6 mm) de diámetro y pesa más de 300 libras por mil pies. ¡Ten en cuenta que el cobre tampoco es barato! Sería de nuestro mejor interés encontrar formas de minimizar tales costos si estuviéramos diseñando un sistema de energía con conductores de gran longitud.

Una forma de hacer esto sería aumentar el voltaje de la fuente de energía y usar cargas construidas para disipar 10 kW cada una a este voltaje más alto.

Las cargas, por supuesto, tendrían que tener valores de resistencia mayores para disipar la misma potencia que antes (10 kW cada una) a un voltaje mayor que antes.

La ventaja sería que se requiere menos corriente, lo que permite el uso de cables más pequeños, livianos y económicos:

Las mismas cargas de 10 kW a 240 Vca requieren un cableado menos sustancial que a 120 Vca (83 A).

Ahora nuestro total La corriente del circuito es de 83,33 amperios, la mitad de lo que era antes.

Ahora podemos usar cable de calibre número 4, que pesa menos de la mitad de lo que pesa el cable de calibre 1/0 por unidad de longitud. Esta es una reducción considerable en el costo del sistema sin degradación en el rendimiento.

Esta es la razón por la que los diseñadores de sistemas de distribución de energía eligen transmitir energía eléctrica usando voltajes muy altos (muchos miles de voltios):para capitalizar los ahorros logrados por el uso de cables más pequeños, livianos y baratos.

Peligros de aumentar el voltaje de la fuente

Sin embargo, esta solución no está exenta de desventajas. Otra preocupación práctica con los circuitos de energía es el peligro de descargas eléctricas por voltajes altos.

Una vez más, este no es el tipo de cosas en las que nos concentramos mientras aprendemos sobre las leyes de la electricidad, pero es una preocupación muy válida en el mundo real, especialmente cuando se manejan grandes cantidades de energía.

La ganancia en eficiencia obtenida al aumentar el voltaje del circuito nos presenta un mayor peligro de descarga eléctrica. Las empresas de distribución de energía abordan este problema tendiendo sus líneas eléctricas a lo largo de postes altos o torres y aislando las líneas de las estructuras de soporte con grandes aislantes de porcelana.

En el punto de uso (el cliente de energía eléctrica), todavía existe el problema de qué voltaje usar para alimentar cargas.

El alto voltaje proporciona una mayor eficiencia del sistema mediante la reducción de la corriente del conductor, pero puede que no siempre sea práctico mantener el cableado de alimentación fuera del alcance en el punto de uso de la forma en que se puede elevar fuera del alcance de los sistemas de distribución.

Este compromiso entre eficiencia y peligro es uno que los diseñadores de sistemas eléctricos europeos han decidido arriesgar, ya que todos sus hogares y electrodomésticos funcionan a un voltaje nominal de 240 voltios en lugar de 120 voltios como en América del Norte.

Es por eso que los turistas de América que visitan Europa deben llevar pequeños transformadores reductores para sus electrodomésticos portátiles, para reducir la potencia de 240 VCA (voltios CA) a 120 VCA más adecuados.

Soluciones para la entrega de voltaje a los consumidores

Transformadores reductores en el punto final de uso de energía

¿Hay alguna forma de darse cuenta de las ventajas de una mayor eficiencia y un menor riesgo de seguridad al mismo tiempo?

Una solución sería instalar transformadores reductores en el punto final de uso de la energía, tal como debe hacer el turista estadounidense mientras está en Europa.

Sin embargo, esto sería costoso e inconveniente para cualquier cosa menos para cargas muy pequeñas (donde los transformadores se pueden construir a bajo costo) o cargas muy grandes (donde el costo de los cables de cobre gruesos excedería el costo de un transformador).

Dos cargas de voltaje más bajo en serie

Una solución alternativa sería utilizar un suministro de voltaje más alto para proporcionar energía a dos cargas de voltaje más bajo en serie. Este enfoque combina la eficiencia de un sistema de alto voltaje con la seguridad de un sistema de bajo voltaje:

Cargas de 120 Vca conectadas en serie, impulsadas por una fuente de 240 Vca a una corriente total de 83,3 A.

Observe las marcas de polaridad (+ y -) para cada voltaje que se muestra, así como las flechas unidireccionales para la corriente.

En su mayor parte, he evitado etiquetar "polaridades" en los circuitos de CA que hemos estado analizando, aunque la notación es válida para proporcionar un marco de referencia para la fase.

En secciones posteriores de este capítulo, las relaciones de fase se volverán muy importantes, por lo que presentaré esta notación al principio del capítulo para que se familiarice.

La corriente a través de cada carga es la misma que en el circuito simple de 120 voltios, pero las corrientes no son aditivas porque las cargas están en serie en lugar de en paralelo.

El voltaje en cada carga es de solo 120 voltios, no 240, por lo que el factor de seguridad es mejor. Eso sí, todavía tenemos 240 voltios completos en los cables del sistema de alimentación, pero cada carga está funcionando a un voltaje reducido.

Si alguien va a recibir una descarga, lo más probable es que sea por entrar en contacto con los conductores de una carga en particular y no por el contacto a través de los cables principales de un sistema de energía.

Modificaciones al diseño de dos series de cargas

Solo hay una desventaja en este diseño:las consecuencias de que una carga no se abra o se apague (suponiendo que cada carga tenga un interruptor de encendido / apagado en serie para interrumpir la corriente) no son buenas.

Al ser un circuito en serie, si alguna de las cargas se abriera, la corriente también se detendría en la otra carga. Por esta razón, necesitamos modificar un poco el diseño:(Imagen siguiente)

La adición de un conductor neutro permite que las cargas se manejen individualmente.

Sistema de energía de fase dividida

En lugar de una sola fuente de alimentación de 240 voltios, usamos dos suministros de 120 voltios (¡en fase entre sí!) En serie para producir 240 voltios, luego colocamos un tercer cable al punto de conexión entre las cargas para manejar la eventualidad de una carga. apertura.

Esto se denomina fase dividida Sistema de poder. Tres cables más pequeños siguen siendo más baratos que los dos cables necesarios con el diseño paralelo simple, por lo que todavía estamos a la vanguardia en eficiencia.

El observador astuto notará que el cable neutro solo tiene que llevar la diferencia de corriente entre las dos cargas de regreso a la fuente.

En el caso anterior, con cargas perfectamente "equilibradas" que consumen cantidades iguales de energía, el cable neutro lleva corriente cero.

Observe cómo el cable neutro está conectado a tierra en el extremo de la fuente de alimentación. Esta es una característica común en los sistemas de energía que contienen cables "neutrales", ya que la conexión a tierra del cable neutro asegura el menor voltaje posible en un momento dado entre cualquier cable "vivo" y tierra física.

Un componente esencial de un sistema de energía de fase dividida es la fuente de voltaje de CA dual. Afortunadamente, diseñar y construir uno no es difícil.

Dado que la mayoría de los sistemas de CA reciben su energía de un transformador reductor de todos modos (reduciendo el voltaje de los niveles de distribución altos a un voltaje de nivel de usuario como 120 o 240), ese transformador se puede construir con un devanado secundario con toma central:

La energía estadounidense de 120/240 Vca se deriva de un transformador de red con toma central.

Si la energía de CA proviene directamente de un generador (alternador), las bobinas se pueden conectar al centro de manera similar para obtener el mismo efecto. El gasto adicional para incluir una conexión de toma central en un transformador o devanado de alternador es mínimo.

Aquí es donde las marcas de polaridad (+) y (-) se vuelven realmente importantes. Esta notación se usa a menudo para hacer referencia a las fases de múltiples Fuentes de voltaje de CA, por lo que está claro si se están ayudando ("impulsando") entre sí o oponiéndose ("oponiéndose") entre sí.

Si no fuera por estas marcas de polaridad, las relaciones de fase entre múltiples fuentes de CA podrían ser muy confusas. Tenga en cuenta que las fuentes de fase dividida en el esquema (cada una de 120 voltios ∠ 0 °), con marcas de polaridad (+) a (-) al igual que las baterías de ayuda en serie, se pueden representar alternativamente como tales:(Figura siguiente)

La fuente de fase dividida de 120/240 Vac es equivalente a dos series que ayudan a fuentes de 120 Vac.

Para calcular matemáticamente el voltaje entre cables "activos", debemos restar voltajes, porque sus marcas de polaridad muestran que se oponen entre sí:

Si marcamos el punto de conexión común de las dos fuentes (el cable neutro) con la misma marca de polaridad (-), debemos expresar sus cambios de fase relativos como separados 180 °. De lo contrario, estaríamos indicando dos fuentes de voltaje en oposición directa entre sí, lo que daría 0 voltios entre los dos conductores "calientes".

¿Por qué me tomo el tiempo para desarrollar las marcas de polaridad y los ángulos de fase? ¡Tendrá más sentido en la siguiente sección!

Los sistemas de energía en los hogares estadounidenses y la industria ligera son con mayor frecuencia de la variedad de fase dividida, proporcionando la denominada energía de 120/240 VCA. El término "fase dividida" simplemente se refiere al suministro de voltaje dividido en dicho sistema.

En un sentido más general, este tipo de fuente de alimentación de CA se denomina monofásica porque ambas formas de onda de voltaje están en fase, o en paso, entre sí.

El término "monofásico" es un contrapunto a otro tipo de sistema de energía llamado "polifásico" que estamos a punto de investigar en detalle. Disculpas por la larga introducción que conduce al título-tema de este capítulo.

Las ventajas de los sistemas de energía polifásicos son más obvias si primero se tiene un buen conocimiento de los sistemas monofásicos.

REVISAR:

• Monofásico Los sistemas de energía se definen por tener una fuente de CA con solo una forma de onda de voltaje.
• Una fase dividida El sistema de energía es uno con múltiples fuentes de voltaje de CA (en fase) conectadas en serie, entregando energía a cargas a más de un voltaje, con más de dos cables. Se utilizan principalmente para lograr un equilibrio entre la eficiencia del sistema (bajas corrientes de los conductores) y la seguridad (bajas tensiones de carga).
• Las fuentes de CA de fase dividida se pueden crear fácilmente conectando en el centro los devanados de la bobina de los transformadores o alternadores.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de sistemas eléctricos polifásicos