Configuraciones trifásicas Y y Delta

Conexión en estrella trifásica (Y)

Inicialmente, exploramos la idea de los sistemas de energía trifásicos conectando tres fuentes de voltaje juntas en lo que comúnmente se conoce como la configuración en "Y" (o "estrella").

Esta configuración de fuentes de voltaje se caracteriza por un punto de conexión común que une un lado de cada fuente. (Figura siguiente)

La conexión trifásica en “Y” tiene tres fuentes de voltaje conectadas a un punto común.

Si dibujamos un circuito que muestra que cada fuente de voltaje es una bobina de cable (alternador o devanado del transformador) y realizamos una ligera reorganización, la configuración en "Y" se vuelve más obvia en la Figura siguiente.

La conexión "Y" trifásica de cuatro cables utiliza un cuarto cable "común".

Los tres conductores que se alejan de las fuentes de voltaje (devanados) hacia una carga se denominan normalmente líneas , mientras que los devanados se denominan normalmente fases .

En un sistema conectado en Y, puede haber o no (Figura siguiente) un cable neutro conectado en el punto de unión en el medio, aunque ciertamente ayuda a aliviar los problemas potenciales si un elemento de una carga trifásica falla al abrirse, como se discutió. antes.

La conexión en "Y" trifásica de tres cables no utiliza el cable neutro.

Valores de voltaje y corriente en sistemas trifásicos

Cuando medimos voltaje y corriente en sistemas trifásicos, debemos ser específicos en cuanto a dónde estamos midiendo.

Voltaje de línea se refiere a la cantidad de voltaje medido entre dos conductores de línea cualesquiera en un sistema trifásico balanceado. Con el circuito anterior, el voltaje de línea es de aproximadamente 208 voltios.

Voltaje de fase se refiere al voltaje medido en cualquier componente (devanado de la fuente o impedancia de carga) en una fuente o carga trifásica balanceada.

Para el circuito que se muestra arriba, el voltaje de fase es de 120 voltios. Los términos línea actual y corriente de fase sigue la misma lógica:el primero se refiere a la corriente a través de cualquier conductor de línea y el segundo a la corriente a través de cualquier componente.

Las fuentes y cargas conectadas en Y siempre tienen voltajes de línea mayores que los voltajes de fase y corrientes de línea iguales a las corrientes de fase. Si la fuente o carga conectada en Y está equilibrada, el voltaje de línea será igual al voltaje de fase multiplicado por la raíz cuadrada de 3:

Sin embargo, la configuración "Y" no es la única válida para conectar una fuente de voltaje trifásico o elementos de carga juntos.

Configuración delta trifásico (Δ)

Otra configuración se conoce como "Delta", por su semejanza geométrica con la letra griega del mismo nombre (Δ). Fíjese bien en la polaridad de cada devanado en la siguiente figura.

La conexión Δ trifásica de tres cables no tiene ningún común.

A primera vista, parece que tres fuentes de voltaje como esta crearían un cortocircuito, electrones fluyendo alrededor del triángulo sin nada más que la impedancia interna de los devanados para detenerlos.

Sin embargo, debido a los ángulos de fase de estas tres fuentes de voltaje, este no es el caso.

Ley de voltaje de Kirchhoff en conexiones delta

Una comprobación rápida de esto es usar la Ley de voltaje de Kirchhoff para ver si los tres voltajes alrededor del lazo suman cero. Si lo hacen, entonces no habrá voltaje disponible para impulsar la corriente alrededor y alrededor de ese bucle y, en consecuencia, no habrá corriente circulante.

Comenzando con el bobinado superior y avanzando en sentido antihorario, nuestra expresión KVL se parece a esto:

De hecho, si sumamos estas tres cantidades vectoriales, suman cero. Otra forma de verificar el hecho de que estas tres fuentes de voltaje se pueden conectar juntas en un bucle sin generar corrientes circulantes es abrir el bucle en un punto de unión y calcular el voltaje a través de la ruptura:(figura siguiente)

El voltaje a través del Δ abierto debe ser cero.

Comenzando con el devanado correcto (120 V ∠ 120 °) y progresando en sentido antihorario, nuestra ecuación KVL se ve así:

Efectivamente, habrá cero voltaje a través de la ruptura, lo que nos dice que no circulará corriente dentro del bucle triangular de devanados cuando se complete la conexión.

Habiendo establecido que una fuente de voltaje trifásica conectada en Δ no se quemará a sí misma debido a las corrientes circulantes, pasamos a su uso práctico como fuente de energía en circuitos trifásicos.

Debido a que cada par de conductores de línea está conectado directamente a través de un solo devanado en un circuito Δ, el voltaje de línea será igual al voltaje de fase.

A la inversa, debido a que cada conductor de línea se conecta a un nodo entre dos devanados, la corriente de línea será la suma vectorial de las dos corrientes de fase de unión.

No es sorprendente que las ecuaciones resultantes para una configuración Δ sean las siguientes:

Análisis de circuito de ejemplo de conexión delta

Veamos cómo funciona esto en un circuito de ejemplo:(Figura siguiente)

La carga en la fuente Δ está conectada en un Δ.

Con cada resistencia de carga recibiendo 120 voltios de su respectivo devanado de fase en la fuente, la corriente en cada fase de este circuito será de 83,33 amperios:

Ventajas del sistema trifásico Delta

Entonces, cada corriente de línea en este sistema de energía trifásica es igual a 144.34 amperios, que es sustancialmente más que las corrientes de línea en el sistema conectado en Y que vimos anteriormente.

Uno podría preguntarse si hemos perdido todas las ventajas de la energía trifásica aquí, dado el hecho de que tenemos corrientes de conductor tan grandes, lo que requiere un cable más grueso y costoso.

La respuesta es no. Aunque este circuito requeriría tres conductores de cobre de calibre 1 (a 1000 pies de distancia entre la fuente y la carga, esto equivale a un poco más de 750 libras de cobre para todo el sistema), aún es menos que las 1000+ libras de cobre requeridas para un sistema monofásico que entrega la misma potencia (30 kW) al mismo voltaje (120 voltios de conductor a conductor).

Una clara ventaja de un sistema conectado en Δ es la falta de un cable neutro. Con un sistema conectado en Y, se necesitaba un cable neutro en caso de que una de las cargas de fase fallara al abrirse (o se apagara), para evitar que cambiaran los voltajes de fase en la carga.

Esto no es necesario (¡ni siquiera posible!) En un circuito conectado en Δ.

Con cada elemento de fase de carga conectado directamente a través de un devanado de fase de fuente respectivo, el voltaje de fase será constante independientemente de las fallas abiertas en los elementos de carga.

Quizás la mayor ventaja de la fuente conectada en Δ es su tolerancia a fallas.

¡Es posible que uno de los devanados en una fuente trifásica conectada en Δ no se abra (Figura siguiente) sin afectar el voltaje o la corriente de carga!

Incluso con una falla en el devanado de la fuente, el voltaje de la línea sigue siendo de 120 V y el voltaje de la fase de carga sigue siendo de 120 V. La única diferencia es la corriente adicional en el resto funcional devanados de la fuente.

La única consecuencia de que un devanado de la fuente no se abra para una fuente conectada en Δ es un aumento de la corriente de fase en los devanados restantes. Compare esta tolerancia a fallas con un sistema conectado en Y que sufre un devanado de fuente abierta en la figura siguiente.

El devanado de fuente "Y" abierto reduce a la mitad el voltaje en dos cargas de un Δ conectado a la carga.

Con una carga conectada en Δ, dos de las resistencias sufren un voltaje reducido mientras que una permanece en el voltaje de línea original, 208. Una carga conectada en Y sufre un destino aún peor (Figura siguiente) con la misma falla de devanado en una fuente conectada en Y .

El devanado de fuente abierta de un sistema "Y-Y" reduce a la mitad el voltaje en dos cargas y pierde una carga por completo.

En este caso, dos resistencias de carga sufren una reducción de voltaje mientras que la tercera pierde completamente el voltaje de alimentación. Por esta razón, se prefieren las fuentes conectadas en Δ por su confiabilidad.

Sin embargo, si se necesitan voltajes duales (por ejemplo, 120/208) o se prefieren para corrientes de línea más bajas, los sistemas conectados en Y son la configuración de elección.

REVISAR:

• Los conductores conectados a los tres puntos de una fuente o carga trifásica se denominan líneas .
• Los tres componentes que comprenden una fuente o carga trifásica se denominan fases .
• Voltaje de línea es el voltaje medido entre dos líneas en un circuito trifásico.
• Tensión de fase es el voltaje medido en un solo componente en una fuente o carga trifásica.
• Línea actual es la corriente a través de cualquier línea entre una fuente trifásica y la carga.
• Corriente de fase es la corriente a través de cualquier componente que comprenda una fuente o carga trifásica.
• En circuitos balanceados en "Y", el voltaje de línea es igual al voltaje de fase multiplicado por la raíz cuadrada de 3, mientras que la corriente de línea es igual a la corriente de fase.

• En circuitos Δ balanceados, el voltaje de línea es igual al voltaje de fase, mientras que la corriente de línea es igual a la corriente de fase multiplicada por la raíz cuadrada de 3.

• Las fuentes de voltaje trifásicas conectadas en Δ brindan mayor confiabilidad en caso de falla del devanado que las fuentes conectadas en Y. Sin embargo, las fuentes conectadas en Y pueden entregar la misma cantidad de energía con menos corriente de línea que las fuentes conectadas en Δ.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de circuitos trifásicos en estrella y en triángulo