Energía eléctrica trifásica

Transformador de tres fases con cuatro salidas de alambre para el servicio 208Y/120 voltios: un cable para neutral, otros para fases A, B y C

La energía eléctrica trifásica (abreviada 3φ) es un tipo común de corriente alterna utilizada en la generación, transmisión y distribución de electricidad. Es un tipo de sistema polifásico que emplea tres cables (o cuatro, incluido un cable de retorno neutral opcional) y es el método más común utilizado por las redes eléctricas en todo el mundo para transferir energía.

La energía eléctrica trifásica fue desarrollada en la década de 1880 por varias personas. La energía trifásica funciona cuando el voltaje y las corrientes están desfasados 120 grados en los tres cables. Como un sistema de CA, permite que los voltajes se eleven fácilmente utilizando transformadores a alto voltaje para transmisión y retrocedan para distribución, lo que brinda una alta eficiencia.

Un circuito trifásico de tres hilos suele ser más económico que un circuito monofásico de dos hilos equivalente con el mismo voltaje de línea a tierra porque utiliza menos material conductor para transmitir una cantidad determinada de energía eléctrica. La energía trifásica se usa principalmente directamente para alimentar grandes motores de inducción, otros motores eléctricos y otras cargas pesadas. Las cargas pequeñas a menudo usan solo un circuito monofásico de dos hilos, que puede derivarse de un sistema trifásico.

Terminología

Los conductores entre una fuente de voltaje y una carga se llaman líneas, y el voltaje entre dos líneas cualesquiera se llama voltaje de línea. La tensión medida entre cualquier línea y el neutro se denomina tensión de fase. Por ejemplo, para un servicio de 208/120 voltios, el voltaje de línea es de 208 voltios y el voltaje de fase es de 120 voltios.

Historia

Los sistemas de energía polifásicos fueron inventados de forma independiente por Galileo Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, Jonas Wenström, John Hopkinson, William Stanley Jr. y Nikola Tesla a fines de la década de 1880.

El primer motor AC desarrollado por el físico italiano Galileo Ferraris. Este era un motor de dos fases y requería cuatro cables.

La energía trifásica evolucionó a partir del desarrollo del motor eléctrico. En 1885, Galileo Ferraris estaba investigando sobre campos magnéticos giratorios. Ferraris experimentó con diferentes tipos de motores eléctricos asíncronos. La investigación y sus estudios dieron como resultado el desarrollo de un alternador, que puede considerarse como un motor de corriente alterna que funciona a la inversa, para convertir la potencia mecánica (giratoria) en energía eléctrica (como corriente alterna). El 11 de marzo de 1888, Ferraris publicó su investigación en un artículo de la Real Academia de Ciencias de Turín.

Dos meses después, Nikola Tesla ganó U.S. Patente 381.968 para un diseño de motor eléctrico trifásico, solicitud presentada el 12 de octubre de 1887. La figura 13 de esta patente muestra que Tesla imaginó que su motor trifásico sería alimentado desde el generador a través de seis cables.

Estos alternadores funcionaban creando sistemas de corrientes alternas desplazadas unas de otras en fase por cantidades definidas y dependían de campos magnéticos giratorios para su funcionamiento. La fuente resultante de energía polifásica pronto encontró una amplia aceptación. La invención del alternador polifásico es clave en la historia de la electrificación, al igual que el transformador de potencia. Estos inventos permitieron que la energía se transmitiera por cable de forma económica a distancias considerables. La energía polifásica permitió el uso de energía hidráulica (a través de plantas generadoras hidroeléctricas en grandes represas) en lugares remotos, lo que permitió que la energía mecánica del agua que caía se convirtiera en electricidad, que luego podría alimentarse a un motor eléctrico en cualquier lugar donde había que hacer trabajos mecánicos. Esta versatilidad provocó el crecimiento de las redes de redes de transmisión de energía en continentes de todo el mundo.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló un generador eléctrico trifásico y un motor eléctrico trifásico en 1888 y estudió las conexiones en estrella y delta. Su sistema de transmisión trifásico de tres hilos se exhibió en Europa en la Exposición Electrotécnica Internacional de 1891, donde Dolivo-Dobrovolsky usó el sistema para transmitir energía eléctrica a una distancia de 176 km con una eficiencia del 75%. En 1891 también creó un transformador trifásico y un motor de inducción en cortocircuito (jaula de ardilla). Diseñó la primera central hidroeléctrica trifásica del mundo en 1891.

Principio

Formas de onda normalizadas de los voltajes instantáneos en un sistema de tres fases en un ciclo con el tiempo aumentando a la derecha. El orden de fase es 1‐2‐3. Este ciclo repite con la frecuencia del sistema de energía. Idealmente, el voltaje, corriente y potencia de cada fase se compensa con 120°.

Líneas de transmisión eléctrica de tres fases

Transformador de tres fases (Békéscsaba, Hungría): a la izquierda están los alambres primarios y a la derecha los alambres secundarios

En un sistema simétrico de suministro de energía de tres fases, tres conductores llevan una corriente alterna de la misma amplitud de frecuencia y tensión relativa a una referencia común, pero con una diferencia de fase de un tercio de un ciclo (es decir, 120 grados fuera de fase) entre cada uno. La referencia común suele estar conectada al suelo y a menudo a un conductor de carga actual llamado neutral. Debido a la diferencia de fase, el voltaje en cualquier conductor alcanza su pico a un tercio de un ciclo después de uno de los otros conductores y un tercio de un ciclo antes del conductor restante. Esta demora de fase proporciona una transferencia constante de energía a una carga lineal equilibrada. También permite producir un campo magnético giratorio en un motor eléctrico y generar otros arreglos de fase utilizando transformadores (por ejemplo, un sistema de dos fases utilizando un transformador Scott-T). La amplitud de la diferencia de tensión entre dos fases es ${displaystyle {sqrt {3}}$ (1.732...) veces la amplitud del voltaje de las fases individuales.

Los sistemas trifásicos simétricos descritos aquí se denominan simplemente sistemas trifásicos porque, aunque es posible diseñar e implementar sistemas de potencia trifásicos asimétricos (es decir, con voltajes o cambios de fase), no se utilizan en la práctica porque carecen de las ventajas más importantes de los sistemas simétricos.

En un sistema trifásico alimentando una carga balanceada y lineal, la suma de las corrientes instantáneas de los tres conductores es cero. En otras palabras, la corriente en cada conductor es igual en magnitud a la suma de las corrientes en los otros dos, pero con signo opuesto. El camino de retorno para la corriente en cualquier conductor de fase son los otros dos conductores de fase.

La transferencia de potencia constante y la cancelación de corrientes de fase son posibles con cualquier número (más de uno) de fases, manteniendo la relación entre capacidad y material conductor que es el doble que la potencia monofásica. Sin embargo, dos fases dan como resultado una corriente menos suave (pulsante) para la carga (lo que hace que la transferencia de energía sea un desafío), y más de tres fases complican la infraestructura innecesariamente.

Los sistemas trifásicos pueden tener un cuarto cable, común en la distribución de baja tensión. Este es el cable neutro. El neutro permite que se proporcionen tres suministros monofásicos separados a un voltaje constante y se usa comúnmente para suministrar múltiples cargas monofásicas. Las conexiones están dispuestas de modo que, en la medida de lo posible, en cada grupo, se extraiga la misma potencia de cada fase. Más arriba en el sistema de distribución, las corrientes suelen estar bien equilibradas. Los transformadores se pueden cablear para tener un secundario de cuatro hilos y un primario de tres hilos, al mismo tiempo que permiten cargas desequilibradas y las corrientes neutras del lado secundario asociadas.

Secuencia de fase

El cableado de las tres fases suele identificarse con colores que varían según el país. Las fases deben conectarse en el orden correcto para lograr el sentido de giro previsto de los motores trifásicos. Por ejemplo, las bombas y los ventiladores no funcionan a la inversa. Se requiere mantener la identidad de las fases si se pueden conectar dos fuentes al mismo tiempo; una interconexión directa entre dos fases diferentes es un cortocircuito.

Ventajas

En comparación con una fuente de alimentación de CA monofásica que utiliza dos conductores (fase y neutro), una fuente trifásica sin neutro y con el mismo voltaje de fase a tierra y capacidad de corriente por fase puede transmitir tres veces más que mucha potencia utilizando solo 1,5 veces más cables (es decir, tres en lugar de dos). Por lo tanto, la relación entre la capacidad y el material conductor se duplica. La relación entre la capacidad y el material del conductor aumenta a 3:1 con un sistema trifásico sin conexión a tierra y monofásico con conexión a tierra central (o 2,25:1 si ambos emplean conexiones a tierra del mismo calibre que los conductores). Esto conduce a una mayor eficiencia, menor peso y formas de onda más limpias.

Los suministros trifásicos tienen propiedades que los hacen deseables en los sistemas de distribución de energía eléctrica:

• Las corrientes de fase tienden a cancelarse entre sí, resumiendo a cero en el caso de una carga balanceada lineal. Esto hace posible reducir el tamaño del conductor neutral porque lleva poca o ninguna corriente. Con una carga equilibrada, todos los conductores de fase llevan la misma corriente y así puede ser el mismo tamaño.
• La transferencia de energía a una carga balanceada lineal es constante. En aplicaciones motor/generador, esto ayuda a reducir las vibraciones.
• Los sistemas trifásicos pueden producir un campo magnético giratorio con una dirección específica y una magnitud constante, lo que simplifica el diseño de motores eléctricos, ya que no se requiere ningún circuito inicial.

La mayoría de las cargas domésticas son monofásicas. En las residencias de América del Norte, la energía trifásica puede alimentar un bloque de apartamentos, mientras que las cargas domésticas están conectadas como monofásicas. En áreas de baja densidad, se puede usar una sola fase para la distribución. Algunos electrodomésticos de alta potencia, como estufas eléctricas y secadoras de ropa, se alimentan de un sistema de fase dividida a 240 voltios o de dos fases de un sistema trifásico a 208 voltios.

Generación y distribución

Animación de la corriente trifásica

Imagen izquierda: alternador trifásico elemental de seis hilos con cada fase usando un par separado de cables de transmisión. Imagen correcta: alternador trifásico elemental que muestra cómo las fases pueden compartir sólo tres cables.

En la central eléctrica, un generador eléctrico convierte la energía mecánica en un conjunto de tres corrientes eléctricas de CA, una de cada bobina (o devanado) del generador. Los devanados están dispuestos de manera que las corrientes tengan la misma frecuencia pero con los picos y valles de sus formas de onda desplazados para proporcionar tres corrientes complementarias con una separación de fase de un tercio de ciclo (120° o 2π⁄3 radianes). La frecuencia del generador suele ser de 50 o 60 Hz, según el país.

En la central eléctrica, los transformadores cambian el voltaje de los generadores a un nivel adecuado para la transmisión a fin de minimizar las pérdidas.

Después de más conversiones de voltaje en la red de transmisión, el voltaje finalmente se transforma a la utilización estándar antes de que se suministre energía a los clientes.

La mayoría de los alternadores de automóviles generan CA trifásica y la rectifican a CC con un puente de diodos.

Conexiones de transformadores

Un "delta" El devanado del transformador conectado está conectado entre las fases de un sistema trifásico. Una "estrella" El transformador conecta cada devanado desde un cable de fase a un punto neutro común.

Se puede utilizar un solo transformador trifásico o tres transformadores monofásicos.

En un "delta abierto" o "V" sistema, sólo se utilizan dos transformadores. Un delta cerrado hecho de tres transformadores monofásicos puede operar como un delta abierto si uno de los transformadores falla o necesita ser removido. En triángulo abierto, cada transformador debe llevar corriente para sus respectivas fases así como corriente para la tercera fase, por lo que la capacidad se reduce al 87%. Con uno de los tres transformadores faltantes y los dos restantes con una eficiencia del 87 %, la capacidad es del 58 % (2⁄3 del 87%).

Cuando un sistema alimentado en delta deba estar conectado a tierra para la detección de corrientes parásitas a tierra o protección contra sobretensiones, se puede conectar un transformador de conexión a tierra (generalmente un transformador en zigzag) para permitir que las corrientes de falla a tierra regresen desde cualquier fase a tierra. Otra variación es una "esquina conectada a tierra" sistema delta, que es un delta cerrado que está conectado a tierra en una de las uniones de los transformadores.

Circuitos de tres y cuatro hilos

Circuitos de Wye (Y) y delta (Δ)

Hay dos configuraciones trifásicas básicas: estrella (Y) y triángulo (Δ). Como se muestra en el diagrama, una configuración delta requiere solo tres cables para la transmisión, pero una configuración en estrella (estrella) puede tener un cuarto cable. El cuarto cable, si está presente, se proporciona como neutro y normalmente está conectado a tierra. Las designaciones de tres y cuatro hilos no cuentan el cable de tierra presente sobre muchas líneas de transmisión, que es únicamente para protección contra fallas y no transporta corriente en condiciones normales de uso.

Se obtiene un sistema de cuatro hilos con voltajes simétricos entre fase y neutro cuando el neutro está conectado al "punto estrella común" de todos los devanados de suministro. En tal sistema, las tres fases tendrán la misma magnitud de voltaje en relación con el neutro. Se han utilizado otros sistemas no simétricos.

El sistema en Y de cuatro hilos se usa cuando se va a servir una combinación de cargas monofásicas y trifásicas, como cargas mixtas de iluminación y motores. Un ejemplo de aplicación es la distribución local en Europa (y en otros lugares), donde cada cliente puede ser alimentado solo desde una fase y el neutro (que es común a las tres fases). Cuando un grupo de clientes que comparten el neutro extraen corrientes de fase desiguales, el cable neutro común transporta las corrientes resultantes de estos desequilibrios. Los ingenieros eléctricos intentan diseñar el sistema de energía trifásico para cualquier ubicación de modo que la energía extraída de cada una de las tres fases sea la misma, en la medida de lo posible en ese sitio. Los ingenieros eléctricos también intentan organizar la red de distribución para que las cargas estén lo más equilibradas posible, ya que los mismos principios que se aplican a las instalaciones individuales también se aplican al sistema de distribución de energía a gran escala. Por lo tanto, las autoridades de suministro hacen todo lo posible para distribuir la energía consumida en cada una de las tres fases en un gran número de instalaciones para que, en promedio, se vea lo más cerca posible de una carga equilibrada en el punto de suministro.

Una configuración del delta-wye a través de un núcleo transformador (nota que un transformador práctico normalmente tendría un número diferente de giros en cada lado).

Para uso doméstico, algunos países, como el Reino Unido, pueden suministrar una fase y el neutro con una corriente alta (hasta 100 A) a una propiedad, mientras que otros, como Alemania, pueden suministrar tres fases y el neutro a cada cliente, pero a una clasificación de fusible más baja, normalmente de 40 a 63 A por fase, y "girado" para evitar el efecto de que se tienda a poner más carga en la primera fase.

Un transformador para un sistema de "delta de alto nivel" utilizado para cargas mixtas monofásicas y trifásicas en el mismo sistema de distribución. Cargas de tres fases como motores se conectan a L1, L2, y L3. Las cargas de una fase se conectarían entre L1 o L2 y neutral, o entre L1 y L2. La fase L3 es 1.73 veces el voltaje L1 o L2 para neutral, por lo que esta pierna no se utiliza para cargas de una sola fase.

Basado en conexión estrella (Y) y delta (Δ). En general, existen cuatro tipos diferentes de conexiones de devanados de transformadores trifásicos para fines de transmisión y distribución.

• wye (Y) - wye (Y) se utiliza para pequeña corriente y alta tensión.
• Delta (Δ) - Delta (Δ) se utiliza para grandes corrientes y baja tensión.
• Delta (Δ) - wye (Y) se utiliza para transformadores de paso, es decir, en estaciones generadoras.
• wye (Y) - Delta (Δ) se utiliza para los transformadores de paso hacia abajo, es decir, al final de la transmisión.

En América del Norte, a veces se usa un suministro delta de tramo alto donde un devanado de un transformador conectado en delta que alimenta la carga tiene una derivación central y esa derivación central está conectada a tierra y conectada como neutral, como se muestra en el segundo diagrama. Esta configuración produce tres voltajes diferentes: si el voltaje entre la derivación central (neutro) y cada una de las derivaciones superior e inferior (fase y antifase) es de 120 V (100 %), el voltaje en las líneas de fase y antifase es 240 V (200 %) y el neutro a "pierna alta" el voltaje es ≈ 208 V (173%).

La razón para proporcionar el suministro conectado en delta suele ser para alimentar motores grandes que requieren un campo giratorio. Sin embargo, los locales en cuestión también requerirán el "normal" Suministros norteamericanos de 120 V, dos de los cuales se derivan (180 grados "fuera de fase") entre el "neutro" y cualquiera de los puntos de fase con derivación central.

Circuitos balanceados

En el caso perfectamente equilibrado, las tres líneas comparten cargas equivalentes. Examinando los circuitos, podemos derivar relaciones entre el voltaje y la corriente de línea, y el voltaje y la corriente de carga para cargas conectadas en estrella y delta.

En un sistema balanceado, cada línea producirá magnitudes de voltaje iguales en ángulos de fase igualmente espaciados entre sí. Con V₁ como nuestra referencia y V₃ atrasado V₂ atrasado V₁, usando notación de ángulo, y V _LN la tensión entre la línea y el neutro tenemos:

${displaystyle {begin{aligned}V_{1}duc=V_{text{LN}angle 0^{circ },\V_{2} limit=V_{text{LN}angle {-120}{circ },\V_{3} limit=V_{text{LN}angle {+120} {fnuncio}$

Estos voltajes alimentan una carga conectada en estrella o en delta.

E (o estrella; Y)

Generador de AC de tres fases conectado como fuente de wye o estrella a una carga conectada con estrella

El voltaje visto por la carga dependerá de la conexión de la carga; para el caso de estrella, conectar cada carga a un voltaje de fase (línea a neutro) da:

${displaystyle {begin{aligned}I_{1} {V_{1}} {left habitZ_{text{total}}angle (-theta),[2pt]I_{2} limit={frac {V_{2}}{left habitZ_{text{total}}angle left(-120^{circ }-theta right),[2pt]I_{3} {frac {V_{3}{left}{text{total}} {}{}{}{}{}{}} {}{}{}{}{}}}}}{}{}}}}}{}{}}}}{}{}{}}}}}{}}}}}}}{}{}{}}}}}{}}{}}}}}}}}}}}{}}}}}}}}}}}}}}}{}}}}}}}}}}}}}}}{}}}}}}}}}}}}}}}{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

donde Z_total es la suma de las impedancias de línea y carga (Z_total = Z _LN + Z_Y), y θ es la fase de la impedancia total (Z_total).

La diferencia del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de cada fase no es necesariamente 0 y depende del tipo de impedancia de carga, Z_y. Las cargas inductivas y capacitivas harán que la corriente se retrase o se adelante con respecto al voltaje. Sin embargo, el ángulo de fase relativo entre cada par de líneas (1 a 2, 2 a 3 y 3 a 1) seguirá siendo −120°.

Un diagrama de phasor para una configuración de wye, en la que V_ab representa un voltaje de línea y V_an representa un voltaje de fase. Los voltajes están equilibrados como:

• V_ab = (1∠α − 1∠α + 120°) √3TENV sobreviviente
• V_bc = √3←.
• V_ca = √3TENV sobreviviente

(α = 0 en este caso.)

Al aplicar la ley de corriente de Kirchhoff (KCL) al nodo neutro, las corrientes trifásicas se suman a la corriente total en la línea neutra. En el caso balanceado:

${displaystyle I_{1}=0.}$

Delta (Δ)

Generador de AC de tres fases conectado como fuente de wye a una carga conectada con el delta

En el circuito delta, las cargas están conectadas a través de las líneas, por lo que las cargas ven voltajes de línea a línea:

${fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fn}f}gn}gu}gu}gn0}gn0}nMicrosoft Sans Ser)-nMicrosoft (V_text{n}}f}cH0}cH0} {cH0}cH0} {cH0}cH0}cH0}}cH0}cH0}cH0}cH0}cH0}cH0}cH0}cH0}cH00}cH0}cH0}cH0}cH0}cH0}cH0}b}cH00}cH00}cH00}cH00}cH00}cH00}cH00}cH00}cH00}cH00}cH0}cH00} #={sqrt {3}V_{1}angle left(phi) {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}fnMicrosoft Sans Serif} {f}fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {-90}{circ} }={sqrt {3}V_{2}angle left(phi) ¿Por qué? }={sqrt {3}V_{3}angle left(phi) ¿Por qué?$

(Φ_v1 es el cambio de fase para el primer voltaje, comúnmente tomado como 0°; en este caso, Φ_v2 = −120° y Φ_v3 = −240° o 120°.)

Además:

${fnMicrosoft} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}$

donde θ es la fase de impedancia delta (Z_Δ).

Los ángulos relativos se conservan, por lo que I₃₁ se retrasa I₂₃ se retrasa I₁₂ por 120°. El cálculo de las corrientes de línea mediante el uso de KCL en cada nodo delta da:

${displaystyle {begin{aligned}I_{1} {=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}angle 120^{circ }\={sqrt {3}I_{12}angle left(phiphi_ ¿Por qué?$

y de manera similar para cada línea:

${displaystyle {begin{aligned}I_{2} {sqrt {3}I_{23}angle left(phisqrt) {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} ¿Por qué?$

donde, de nuevo, θ es la fase de la impedancia delta (Z_Δ).

Una configuración del delta y un diagrama de phasor correspondiente de sus corrientes. Los voltajes de fase son iguales a los voltajes de línea, y las corrientes se calculan como:

• I_a I_ab I - I_ca = √3I_ab∠−30°
• I_b I_bc I - I_ab
• I_c I_ca I - I_bc

La energía total transferida es:

• S_{3 Negotiat} = 3V_faseI*_fase

La inspección de un diagrama fasorial, o la conversión de notación fasorial a notación compleja, ilustra cómo la diferencia entre dos voltajes de línea a neutro produce un voltaje de línea a línea que es mayor por un factor de √3. Como una configuración delta conecta una carga a través de las fases de un transformador, entrega la diferencia de voltaje de línea a línea, que es √3 veces mayor que el voltaje de línea a neutro entregado a una carga en la configuración en estrella. Como la potencia transferida es V²/Z, la impedancia en la configuración delta debe ser 3 veces la que sería en una configuración en estrella para que se transfiera la misma potencia.

Cargas monofásicas

Excepto en un sistema delta de tramo alto y un sistema delta con conexión a tierra en una esquina, las cargas monofásicas se pueden conectar a través de dos fases, o una carga se puede conectar de fase a neutro. La distribución de cargas monofásicas entre las fases de un sistema trifásico equilibra la carga y hace que el uso de conductores y transformadores sea más económico.

En un sistema en estrella trifásico simétrico de cuatro hilos, los conductores trifásicos tienen el mismo voltaje que el neutro del sistema. La tensión entre los conductores de línea es √3 veces la tensión entre el conductor de fase y el neutro:

${displaystyle V_{text{LL}={sqrt {3}V_{text{LN}$

Las corrientes que regresan de los clientes' locales al transformador de suministro todos comparten el cable neutro. Si las cargas se distribuyen uniformemente en las tres fases, la suma de las corrientes de retorno en el cable neutro es aproximadamente cero. Cualquier carga de fase desequilibrada en el lado secundario del transformador utilizará la capacidad del transformador de manera ineficiente.

Si se interrumpe el suministro neutro, ya no se mantiene el voltaje de fase a neutro. Las fases con una carga relativa más alta experimentarán un voltaje reducido y las fases con una carga relativa más baja experimentarán un voltaje elevado, hasta el voltaje de fase a fase.

Un delta de tramo alto proporciona una relación de fase a neutro de V_LL = 2 V _LN , sin embargo, la carga LN se impone en una fase. La página de un fabricante de transformadores sugiere que la carga de LN no supere el 5 % de la capacidad del transformador.

Dado que √3 ≈ 1,73, definiendo V_LN como 100% da V_LL ≈ 100 % × 1,73 = 173 %. Si V_LL se configuró como 100 %, entonces V_LN ≈ 57,7 %.

Cargas desequilibradas

Cuando las corrientes en los tres cables vivos de un sistema trifásico no son iguales o no tienen un ángulo de fase exacto de 120°, la pérdida de potencia es mayor que en un sistema perfectamente equilibrado. El método de componentes simétricos se utiliza para analizar sistemas desequilibrados.

Cargas no lineales

Con cargas lineales, el neutro solo lleva la corriente debido al desequilibrio entre las fases. Las lámparas de descarga de gas y los dispositivos que utilizan un rectificador-condensador frontal, como fuentes de alimentación conmutadas, computadoras, equipos de oficina y similares, producen armónicos de tercer orden que están en fase en todas las fases de suministro. En consecuencia, tales corrientes armónicas se suman al neutro en un sistema en estrella (o en el transformador conectado a tierra (zigzag) en un sistema delta), lo que puede causar que la corriente del neutro exceda la corriente de fase.

Cargas trifásicas

Máquina eléctrica de tres fases con campos magnéticos giratorios

Una clase importante de carga trifásica es el motor eléctrico. Un motor de inducción trifásico tiene un diseño simple, un par de arranque inherentemente alto y una alta eficiencia. Dichos motores se aplican en la industria para muchas aplicaciones. Un motor trifásico es más compacto y menos costoso que un motor monofásico de la misma clase y clasificación de voltaje, y motores de CA monofásicos de más de 10 HP (7,5 kW) son poco comunes. Los motores trifásicos también vibran menos y por lo tanto duran más que los motores monofásicos de la misma potencia utilizados en las mismas condiciones.

Las cargas de calefacción de resistencia, como calderas eléctricas o calefacción de espacios, pueden conectarse a sistemas trifásicos. La iluminación eléctrica también se puede conectar de manera similar.

El parpadeo de la frecuencia de línea en la luz es perjudicial para las cámaras de alta velocidad utilizadas en la transmisión de eventos deportivos para repeticiones en cámara lenta. Se puede reducir distribuyendo uniformemente las fuentes de luz operadas por frecuencia de línea en las tres fases para que el área iluminada se ilumine desde las tres fases. Esta técnica se aplicó con éxito en los Juegos Olímpicos de Beijing 2008.

Los rectificadores pueden usar una fuente trifásica para producir una salida de CC de seis pulsos. La salida de tales rectificadores es mucho más suave que la monofásica rectificada y, a diferencia de la monofásica, no cae a cero entre pulsos. Dichos rectificadores pueden usarse para cargar baterías, procesos de electrólisis como la producción de aluminio o para operar motores de corriente continua. "Zigzag" Los transformadores pueden hacer el equivalente a la rectificación de onda completa de seis fases, doce pulsos por ciclo, y este método se emplea ocasionalmente para reducir el costo de los componentes de filtrado, al tiempo que mejora la calidad de la CC resultante.

Enchufe de tres fases utilizado en el pasado en estufas eléctricas en Alemania

Un ejemplo de una carga trifásica es el horno de arco eléctrico utilizado en la fabricación de acero y en el refinado de minerales.

En muchos países europeos las estufas eléctricas suelen estar diseñadas para una alimentación trifásica con conexión permanente. Las unidades de calefacción individuales a menudo se conectan entre la fase y el neutro para permitir la conexión a un circuito monofásico si el trifásico no está disponible. Otras cargas trifásicas habituales en el ámbito doméstico son los sistemas de calentamiento de agua sin depósito y los acumuladores. Los hogares en Europa y el Reino Unido se han estandarizado en 230 V nominales entre cualquier fase y tierra. (Los suministros existentes se mantienen cerca de 240 V en el Reino Unido). La mayoría de los grupos de casas se alimentan de un transformador de calle trifásico, por lo que las instalaciones individuales con una demanda superior a la media pueden alimentarse con una conexión de segunda o tercera fase.

Convertidores de fase

Los convertidores de fase se utilizan cuando los equipos trifásicos deben funcionar con una fuente de alimentación monofásica. Se utilizan cuando no se dispone de energía trifásica o el costo no es justificable. Dichos convertidores también pueden permitir variar la frecuencia, lo que permite el control de la velocidad. Algunas locomotoras ferroviarias utilizan una fuente monofásica para accionar motores trifásicos alimentados a través de un accionamiento electrónico.

Un convertidor de fase rotatorio es un motor trifásico con arreglos especiales de arranque y corrección del factor de potencia que produce voltajes trifásicos balanceados. Cuando se diseñan correctamente, estos convertidores rotativos pueden permitir el funcionamiento satisfactorio de un motor trifásico en una fuente monofásica. En tal dispositivo, el almacenamiento de energía se realiza por la inercia (efecto volante) de los componentes giratorios. A veces se encuentra un volante externo en uno o ambos extremos del eje.

Un generador trifásico puede ser accionado por un motor monofásico. Esta combinación de motor y generador puede proporcionar una función de cambio de frecuencia así como conversión de fase, pero requiere dos máquinas con todos sus gastos y pérdidas. El método del motor-generador también puede formar una fuente de alimentación ininterrumpida cuando se usa junto con un volante grande y un motor de CC alimentado por batería; dicha combinación entregará una potencia casi constante en comparación con la caída de frecuencia temporal que se experimenta con un grupo electrógeno de reserva hasta que se activa el generador de reserva.

Se pueden usar capacitores y autotransformadores para aproximarse a un sistema trifásico en un convertidor de fase estático, pero el voltaje y el ángulo de fase de la fase adicional solo pueden ser útiles para ciertas cargas.

Las unidades de frecuencia variable y los convertidores de fase digitales utilizan dispositivos electrónicos de potencia para sintetizar un suministro trifásico equilibrado a partir de una potencia de entrada monofásica.

Pruebas

La verificación de la secuencia de fases en un circuito tiene una importancia práctica considerable. Dos fuentes de energía trifásica no deben conectarse en paralelo a menos que tengan la misma secuencia de fase, por ejemplo, cuando se conecta un generador a una red de distribución energizada o cuando se conectan dos transformadores en paralelo. De lo contrario, la interconexión se comportará como un cortocircuito y fluirá un exceso de corriente. La dirección de rotación de los motores trifásicos se puede invertir intercambiando dos fases cualesquiera; puede ser poco práctico o dañino probar una máquina energizando momentáneamente el motor para observar su rotación. La secuencia de fase de dos fuentes se puede verificar midiendo el voltaje entre pares de terminales y observando que los terminales con un voltaje muy bajo entre ellos tendrán la misma fase, mientras que los pares que muestran un voltaje más alto están en diferentes fases.

Cuando no se requiere la identidad de fase absoluta, se pueden usar instrumentos de prueba de rotación de fase para identificar la secuencia de rotación con una observación. El instrumento de prueba de rotación de fase puede contener un motor trifásico en miniatura, cuya dirección de rotación se puede observar directamente a través de la caja del instrumento. Otro patrón utiliza un par de lámparas y una red interna de cambio de fase para mostrar la rotación de fase. Otro tipo de instrumento se puede conectar a un motor trifásico desenergizado y puede detectar los pequeños voltajes inducidos por el magnetismo residual, cuando el eje del motor se gira con la mano. Una lámpara u otro indicador se enciende para mostrar la secuencia de voltajes en las terminales para la dirección dada de rotación del eje.

Alternativas a la trifásica

Energía eléctrica de fase dividida

Se utiliza cuando la potencia de tres fases no está disponible y permite duplicar el voltaje de utilización normal para ser suministrado para cargas de alta potencia.

Energía eléctrica de dos fases

Utiliza dos voltajes AC, con un cambio de fase de 90 grados eléctricos entre ellos. Los circuitos de dos fases se pueden conectar con dos pares de conductores, o dos cables pueden combinarse, requiriendo sólo tres cables para el circuito. Las corrientes en el conductor común agregan a 1,4 veces la corriente en las fases individuales, por lo que el conductor común debe ser más grande. Los sistemas de dos fases y tres fases pueden ser interconectados por un transformador Scott-T, inventado por Charles F. Scott. Las máquinas AC muy tempranas, en particular los primeros generadores de Niagara Falls, utilizaron un sistema de dos fases, y algunos sistemas de distribución de dos fases restantes todavía existen, pero los sistemas de tres fases han desplazado el sistema de dos fases para instalaciones modernas.

Potencia monocíclica

Un sistema de potencia de dos fases modificado asimétrico utilizado por General Electric alrededor de 1897, impulsado por Charles Proteus Steinmetz y Elihu Thomson. Este sistema fue diseñado para evitar la violación de patentes. En este sistema, un generador se hirió con un viento de fase única de voltaje completo destinado a cargas de iluminación y con una pequeña fracción (normalmente 1/4 del voltaje de línea) que produjo un voltaje en cuadratura con los principales vientos. La intención era utilizar este "alambrado eléctrico" adicional para proporcionar el par inicial para motores de inducción, con el principal enrollamiento que proporciona energía para cargas de iluminación. Después de la expiración de las patentes de Westinghouse sobre sistemas simétricos de distribución de energía de dos fases y tres fases, el sistema monocíclico cayó fuera de uso; fue difícil analizar y no duró lo suficiente para desarrollar una medición de energía satisfactoria.

Sistemas de orden de fase alta

Se han construido y probado para la transmisión de energía. Tales líneas de transmisión normalmente utilizarían seis o doce fases. Las líneas de transmisión de alta fase permiten transferir una potencia ligeramente inferior a la proporcionalmente mayor a través de un volumen dado sin el gasto de un convertidor de corriente directa de alta tensión (HVDC) en cada extremo de la línea. Sin embargo, requieren correspondientemente más piezas de equipo.

DC

AC fue utilizado históricamente porque podría ser fácilmente transformado a voltajes más altos para la transmisión de larga distancia. Sin embargo, la electrónica moderna puede elevar el voltaje de DC con alta eficiencia, y DC carece de efecto de la piel que permite que los alambres de transmisión sean más ligeros y más baratos y así la corriente directa de alto voltaje da menos pérdidas a largas distancias.

Códigos de color

Los conductores de un sistema trifásico generalmente se identifican mediante un código de color, para permitir una carga equilibrada y asegurar la rotación de fase correcta para los motores. Los colores utilizados pueden cumplir con el estándar internacional IEC 60446 (más tarde IEC 60445), estándares más antiguos o ningún estándar y pueden variar incluso dentro de una sola instalación. Por ejemplo, en los EE. UU. y Canadá, se utilizan diferentes códigos de color para los sistemas con y sin conexión a tierra.