Rotación de Fase en Alternadores Trifásicos: Mecánica, Detección e Inversión de Hilos

Alternador Trifásico

Revisemos el diseño de alternador trifásico discutido anteriormente y observemos los efectos de la rotación del imán en los voltajes generados.

Alternador trifásico

El desfase de 120° es resultado directo del desplazamiento angular real de los tres pares de devanados. Si el imán gira en sentido horario, el devanado 3 alcanza su pico de voltaje 120° de rotación del eje después del devanado 2, que a su vez pica 120° después del devanado 1. El imán pasa cada par de polos en ángulos de eje distintos.

La colocación de los devanados determina el desfase entre las formas de onda CA de cada devanado. Usando el devanado 1 como referencia (0°), el devanado 2 es –120° (o +240°) y el devanado 3 es –240° (o +120°).

Secuencia de Fase

La rotación del eje en sentido horario produce una secuencia repetible: 1 → 2 → 3. La secuencia persiste mientras el alternador continúe girando.

Secuencia de fase rotación horaria: 1-2-3.

Invirtiendo la dirección del eje (antihorario) se invierte el orden a 3 → 2 → 1. En este caso, el devanado 2 lidera al devanado 1 por 120°, y el devanado 3 lidera al devanado 2 por otros 120°.

Secuencia de fase rotación antihoraria: 3-2-1.

El arreglo de formas de onda de voltaje en un sistema polifásico se llama rotación de fase o secuencia de fase. Para cargas puramente resistivas, la secuencia no hace diferencia —las magnitudes permanecen idénticas sin importar 1-2-3 o 3-2-1. Sin embargo, ciertas aplicaciones trifásicas, especialmente aquellas que involucran cargas reactivas desbalanceadas, son sensibles a la dirección de rotación de fase.

Detectores de Secuencia de Fase

Voltímetros y amperímetros estándar no pueden revelar la secuencia de un sistema de potencia vivo. En su lugar, un circuito detector simple emplea un capacitor para introducir un desfase entre voltaje y corriente, que luego se manifiesta como diferencia en el brillo de dos lámparas indicadoras.

Detector de secuencia de fase compara el brillo de dos lámparas.

Ambas lámparas tienen resistencia de filamento y potencia idénticas. El capacitor se dimensiona para proporcionar una reactancia aproximadamente igual a la resistencia de cada lámpara a la frecuencia del sistema. Reemplazando el capacitor con un resistor de igual valor balancearía el circuito, produciendo brillo igual en las lámparas. El capacitor, sin embargo, introduce un desfase de 90° en la tercera pata, sesgando el voltaje y corriente vistos por las lámparas basado en sus offsets de fase relativos.

Análisis SPICE para Detectores de Secuencia de Fase

La siguiente simulación SPICE, etiquetada detector rotación fase – secuencia = v1-v2-v3, ilustra el efecto de un desfase de 90°.

Circuito SPICE para detector de secuencia de fase.

detector rotación fase -- secuencia = v1-v2-v3 v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 2650 r2 2 4 2650 c1 3 4 1u .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .end freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 4.810E+01 1.795E+02 1.610E+02

El desfase del capacitor reduce el voltaje a través de la primera lámpara a 48,1 V mientras eleva el de la segunda a 179,5 V, causando que la primera se atenúe y la segunda brille. Invirtiendo la secuencia de fase (i.e., detector rotación fase – secuencia = v3-v2-v1) invierte el resultado: la primera lámpara se vuelve brillante y la segunda tenue.

detector rotación fase -- secuencia = v3-v2-v1 v1 1 0 ac 120 240 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 0 sin r1 1 4 2650 r2 2 4 2650 c1 3 4 1u .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .end freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.795E+02 4.810E+01 1.610E+02

Así, la rotación de fase está gobernada por el orden en que el imán rotativo del alternador pasa los pares de polos, e invertir la dirección del eje altera ese orden. En la práctica, los usuarios finales no pueden invertir la rotación de los alternadores combinados de la red nacional, pero pueden lograr el mismo efecto intercambiando cualesquiera dos de los tres hilos calientes suministrados a una carga trifásica.

Intercambio de Hilos Calientes

Intercambiar dos hilos calientes es un método directo para invertir la secuencia de fase. Considere una rotación 1-2-3 en marcha: 1-2-3-1-2-3-… Invertir la secuencia a 3-2-1 es equivalente a intercambiar quaisquiera dos hilos. El resultado es siempre un orden invertido (p. ej., 2-1-3, 1-3-2, o 3-2-1).

Todas las posibilidades de intercambiar quaisquiera dos hilos.

Resumen

• Rotación de fase (o secuencia de fase) se refiere al orden en que las formas de onda de voltaje de una fuente CA polifásica alcanzan sus picos. Para un sistema trifásico, solo existen dos secuencias: 1-2-3 y 3-2-1, correspondientes a las dos direcciones posibles de rotación del alternador.
• La rotación de fase no impacta cargas puramente resistivas pero afecta cargas reactivas desbalanceadas, como demuestra el circuito detector de rotación de fase.
• Invertir la secuencia de fase puede lograrse intercambiando quaisquiera dos de los tres hilos calientes que alimentan una carga trifásica.

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