Sistema polifásico

Un ciclo de tensión de un sistema de tres fases

Un sistema polifásico es un medio de distribución de energía eléctrica de corriente alterna (CA) donde la transferencia de energía es constante durante cada ciclo eléctrico. Fase de CA se refiere al valor de compensación de fase (en grados) entre CA en varios cables conductores; fases también puede referirse a los terminales y conductores correspondientes, como en los códigos de colores. Los sistemas polifásicos tienen tres o más conductores eléctricos energizados que transportan corrientes alternas con una fase definida entre las ondas de voltaje en cada conductor; para voltaje trifásico, el ángulo de fase es de 120 ° o 2π/3 radianes (aunque los primeros sistemas usaban dos fases de 4 hilos). Los sistemas polifásicos son particularmente útiles para transmitir potencia a motores eléctricos que dependen de corriente alterna para girar. El ejemplo más común es el sistema de energía trifásico utilizado para aplicaciones industriales y para la transmisión de energía. En comparación con un sistema monofásico de dos hilos, un sistema trifásico de tres hilos transmite tres veces más potencia para el mismo tamaño de conductor y voltaje.

Los sistemas con más de tres fases se utilizan a menudo para rectificadores y sistemas de conversión de energía, y se han estudiado para la transmisión de energía.

Número de fases

En los primeros días de la energía eléctrica comercial, algunas instalaciones usaban sistemas bifásicos de cuatro hilos para motores. La principal ventaja de estos era que la configuración del devanado era la misma que la de un motor de arranque por condensador monofásico y, mediante el uso de un sistema de cuatro hilos, las fases eran conceptualmente independientes y fáciles de analizar con las herramientas matemáticas disponibles en ese momento.

Los sistemas bifásicos también se pueden implementar utilizando tres cables (dos "calientes" más un neutro común). Sin embargo, esto introduce asimetría; la caída de tensión en el neutro hace que las fases no estén separadas exactamente 90 grados.

Los sistemas bifásicos han sido reemplazados por sistemas trifásicos. Un suministro bifásico con 90 grados entre fases se puede derivar de un sistema trifásico utilizando un transformador conectado a Scott.

Un sistema polifásico debe proporcionar una dirección definida de rotación de fase, de modo que los voltajes de imagen especular no cuenten para el orden de fase. Un sistema de 3 hilos con conductores bifásicos separados 180 grados sigue siendo solo monofásico. Dichos sistemas a veces se describen como de fase dividida.

Motores

Máquina eléctrica de tres fases con campos magnéticos giratorios

La energía polifásica es especialmente útil en motores de CA, como el motor de inducción, donde genera un campo magnético giratorio. Cuando un suministro de tres o más fases completa un ciclo completo, el campo magnético de un motor de dos polos por fase ha girado 360° en el espacio físico; los motores con más de dos polos por fase requieren más ciclos de suministro de energía para completar una revolución física del campo magnético, por lo que estos motores funcionan más lentamente. Los motores de inducción que utilizan un campo magnético giratorio fueron inventados de forma independiente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla y desarrollados en forma trifásica por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky en 1889. Anteriormente, todos los motores comerciales eran de CC, con conmutadores caros, cepillos de alto mantenimiento y características inadecuadas. para el funcionamiento en una red de corriente alterna. Los motores polifásicos son fáciles de construir, arrancan automáticamente y tienen poca vibración en comparación con los motores monofásicos.

Orden de fase superior

Una vez que la energía polifásica está disponible, se puede convertir a cualquier número deseado de fases con una disposición adecuada de transformadores. Por tanto, la necesidad de más de tres fases es inusual, pero se han utilizado números de fase superiores a tres.

Entre 1992 y 1995, New York State Electric & Gas operaba una línea de transmisión de 1.5 millas convertida de una línea de transmisión trifásica de 115 KV de circuito doble a una línea de transmisión de 6 fases de 93 KV. El resultado principal fue que es económicamente favorable operar una línea trifásica de 115 KV de doble circuito existente como una línea de 6 fases para distancias mayores de 23 a 28 millas.

Se han propuesto diseños de generación de energía multifásica con 5, 7, 9, 12 y 15 fases junto con generadores de inducción multifásicos (MPIG) impulsados por turbinas eólicas. Un generador de inducción produce energía eléctrica cuando su rotor gira más rápido que la velocidad sincrónica. Un generador de inducción multifásico tiene más polos y, por lo tanto, una velocidad síncrona más baja. Dado que la velocidad de rotación de una turbina eólica puede ser demasiado lenta para que una parte sustancial de su funcionamiento genere energía de CA monofásica o incluso trifásica, los órdenes de fase más altos permiten que el sistema capture una mayor parte de la energía de rotación como energía eléctrica..

La transmisión de energía de alto orden de fase (HPO) se ha propuesto con frecuencia como una forma de aumentar la capacidad de transmisión dentro de un derecho de vía de ancho limitado. El espaciamiento de conductores requerido está determinado por los voltajes de fase a fase, y la potencia de seis fases tiene el mismo voltaje entre fases adyacentes que entre fase y neutro. Sin embargo, los voltajes entre conductores de fase no adyacentes aumentan a medida que aumenta la diferencia entre los ángulos de fase de los conductores. Los conductores pueden disponerse de modo que las fases no adyacentes estén más separadas que las fases adyacentes.

Esto permite que una línea de transmisión de doble circuito existente transporte más energía con un cambio mínimo en la planta de cable existente. Esto es particularmente económico cuando la alternativa es actualizar una línea de transmisión existente de voltaje extra alto (EHV, más de 345 kV entre fases) a estándares de voltaje ultra alto (UHV, más de 800 kV).

Por el contrario, la energía trifásica tiene voltajes de fase a fase iguales a √3 = 1,732 veces el voltaje de fase a neutro.