Sistemas Trifásicos de Potencia: Fundamentos y Beneficios

¿Qué es la Potencia Bifásica (Split-Phase)?

Los sistemas bifásicos mejoran la eficiencia de conductores mientras reducen riesgos de seguridad al dividir el voltaje total en niveles más bajos. Cada carga opera a voltaje reducido, pero las corrientes permanecen típicas de un sistema de voltaje completo.

Aunque el término "fase" es estrictamente un concepto CA, el mismo principio aplica a CC. Estos suelen llamarse sistemas de tres hilos en lugar de bifásicos.

Como los voltajes CA fuera de fase no simplemente se suman, podemos explotar este comportamiento para crear sistemas de potencia con eficiencia de conductores aún mayor y menores riesgos de choque que el bifásico.

Ejemplos

Dos Fuentes de Voltaje Desfasadas 120°

Considere dos fuentes de voltaje CA conectadas en serie como en un sistema bifásico, pero cada fuente está 120° fuera de fase con la otra:

 

Par de fuentes 120 Vac desfasadas 120°, similar a bifásico.

 

Cada fuente suministra 120 V, y cada resistor de carga está directamente en paralelo con su respectiva fuente. Consecuentemente, el voltaje a través de cada carga es 120 V, y con corriente de carga de 83,33 A cada carga disipa 10 kW.

El voltaje entre los dos conductores "calientes" no es 240 V (120° – 180°) porque la diferencia de fase es 120°. En su lugar, el voltaje línea-a-línea es:

 

 

Nominalmente decimos que el voltaje entre conductores calientes es 208 V (redondeado), por lo que el sistema se designa como 120/208.

Calcular la corriente del neutro revela que no es cero incluso con cargas balanceadas. La Ley de Corrientes de Kirchhoff dicta que las corrientes entrando y saliendo del nodo entre las dos cargas deben cancelarse:

 

 

El conductor neutro lleva 83,33 A completos, igual que cada conductor caliente.

 

Hallazgos y Conclusiones

Aunque el neutro aún lleva la misma corriente que los conductores calientes, la potencia total entregada permanece 20 kW (10 kW por carga). Como el voltaje caliente-a-caliente es solo 208 V —32 V menor que el bifásico 240 V— la seguridad mejora sin cambiar coste de conductor, ya que se requiere el mismo calibre de cobre.

Tres Fuentes de Voltaje Desfasadas 120°

La corriente del neutro sugiere que podríamos usarlo como conductor caliente adicional. Agregando una tercera fuente de 120 V a 240° fuera de fase permite una cuarta carga compartir los mismos tres conductores:

 

Con una tercera carga desfasada 120° a las otras dos, las corrientes permanecen igual que para dos cargas.

 

Cálculos SPICE para un Sistema Trifásico

Mientras un análisis de red completo usaría el Teorema de Superposición, el resultado intuitivo es que tres fuentes de 120 V a 120° de separación entregan 120 V a cada resistor de carga balanceado.

SPICE lo confirma:

 

Circuito SPICE: Tres cargas 3-Φ desfasadas 120°.

 

120/208 sistema polifásico de potencia v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 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) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2) i(v3) .end

VOLTAJE A TRAVÉS DE CADA CARGA freq 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 VOLTAJE freq i(v1) i(v2) i(v3) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

Los resultados muestran 120 V a través de cada carga, ~208 V entre cualesquiera dos conductores calientes, y 83,33 A en cada conductor. Cada carga disipa así 10 kW.

El circuito carece de conductor neutro para estabilidad de voltaje. Si una carga se abre, las cargas restantes ven voltajes alterados. Añadir un neutro asegura operación estable cuando las cargas están balanceadas, y no lleva corriente a menos que una carga falle o se desconecte.

 

Circuito SPICE anotado con resultados de simulación: Tres cargas 3-Φ desfasadas 120°.

 

Circuito Polifásico

Lo que hemos examinado —tres fuentes de voltaje con ángulos de fase distintos— se llama circuito polifásico. El prefijo "poli" significa "más de uno", como en "politeísmo" o "polígono". En sistemas de potencia, denota múltiples formas de onda de voltaje con desfase de fase.

Específicamente, un circuito trifásico es la forma más común de sistema polifásico, alimentando redes de distribución a gran escala.

Sistema Trifásico vs. Sistema Monofásico

Sistema Monofásico

Tres cargas idénticas en un sistema monofásico de 120 V consumen 250 A total (83,33 A × 3). Para manejar esta corriente, se requeriría cobre 3/0 AWG (≈510 lb/1,000 ft). En 1,000 ft, se necesitaría más de media tonelada de cobre.

 

Para comparación, tres cargas de 10 kW en sistema 120 Vac consumen 250 A.

 

Sistema Bifásico

Un sistema bifásico puede reducir la corriente a la mitad. Dos cargas de 15 kW, 120 V consumen 125 A a 240 V línea, permitiendo uso de cobre 2 AWG (≈200 lb/1,000 ft). Sin embargo, la presencia de 240 V introduce mayor riesgo de choque.

 

Sistema bifásico consume la mitad de corriente (125 A) a 240 Vac comparado a sistema 120 Vac.

 

Sistema Trifásico

Comparado con los dos anteriores, un sistema trifásico balanceado usa solo 83,33 A por conductor. Cobre 4 AWG (≈125 lb/1,000 ft) basta, reduciendo coste de material mientras mantiene el voltaje máximo a 208 V —menor que los 240 V en bifásico.

La pregunta principal es cómo generar tres fuentes de voltaje CA 120° aparte. A diferencia del bifásico, que usa toma central, un alternador trifásico coloca tres juegos de devanados 120° alrededor del rotor, produciendo el desfase requerido directamente en la fuente.

En la figura abajo, los seis devanados de polos forman tres pares; cada par entrega una forma de onda CA de 120 V 120° fuera de fase con las otras. Los devanados típicamente se cablean en configuración "Y" (estrella), conectando un extremo de cada devanado a un nodo neutro común.

 

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

 

Configuración Y del alternador.

 

Resumen

• Un sistema monofásico tiene una fuente de voltaje CA.
• Un sistema bifásico usa dos fuentes 180° fuera de fase, reduciendo corrientes de conductor mientras mantiene voltajes de carga bajos.
• Un sistema polifásico emplea múltiples fuentes de voltaje con diferentes ángulos de fase, entregando más potencia a menor voltaje y con conductores menores.
• Fuentes de voltaje con desfase de fase se crean en alternadores con múltiples juegos de devanados espaciados alrededor del rotor.

Hojas de Trabajo Relacionadas

• Hoja de Trabajo de Sistemas de Potencia Polifásicos