SISTEMA TRIFÁSICO

En otra web ya vimos la corriente contínua y alterna monofásica, en esta ocasión vamos a estudiar la corriente alterna trifásica. Si no tienes claro alguna cosa te recomendamos que la visites: Corriente Contínua y Alterna.

Generación y Características de los Sistemas Trifásicos

Los sistemas trifásicos de corriente alterna lo generan los alternadores trifásicos y son los mayoritariamente utilizados tanto en la generación de energía, como en el transporte, distribución y en las instalaciones industriales y de viviendas.

El alternador trifásico tiene 3 grupos de bobinas diferentes llamados bobinados o devanados, cada grupo de bobinas genera una onda de tensión senoidal, al igual que los alternadores monofásicos vistos en la corriente alterna monofásica, pero eso sí, cada una de ellas desfasadas eléctricamente a 120º respecto a la otra.





La suma de las tres f.e.m. generadas por un alternador es cero (0V) en cualquier momento.

Además, en función de la conexión de estos devanados, podemos obtener un sistema trifásico de 3 o 4 hilos conductores (3 fases o 3 fases y Neutro).

Despues de todo lo dicho podemos concluir que:

Un sistema trifásico es aquel que tiene 3 tensiones senoidales desfasadas 120º y está compuesto por 3 fases o 2 fases y un neutro.

En la imagen siguiente puedes ver un sistema trifásico creado por un alternador.

Tiene sus 3 fases (L1, L2 y L3) y el neutro (N) del sistema, las fuerzas electromotrices internas generadas por los bobinados (e), las tensiones externas (U), y si conectamos una carga las intensidades que generarían (I).



Nota: Aunque se llamen fuerzas electromotrices, realmente son también tensiones. Dentro de la máquina se llama fem y fuera tensión. Tienen casi el mismo valor.

Ventajas de los Sistemas Trifásicos

- Tenemos 2 tensiones diferentes, Tensión de línea, entre 2 fases y tensión de fase, entre la fase y el neutro.

- Los generadores trifásicos son más eficientes y pueden producir más energía con un tamaño físico menor en comparación con los generadores monofásicos.

- Otra ventaja es que las máquinas eléctricas trifásicas, ya sean alternadores, transformadores y/o motores eléctricos poseen un mayor rendimiento y, por lo general, son mucho más sencillas y económicas que los monofásicos.

- Al distribuir la carga entre tres fases, se reducen las pérdidas de energía y se mejora la eficiencia general del sistema.

- Facilita el equilibrio de cargas en el sistema, lo que ayuda a mantener la estabilidad y eficiencia de la red eléctrica.

- Los sistemas trifásicos son capaces de generar de campos magnéticos rotativos, esenciales para el funcionamiento de motores trifásicos.

Generación de las tensiones y corriente trifásicas

Un alternador genera 3 fuerzas electromotrices (fem = tensiones), una en cada fase, desfasadas 120º y con las siguientes ecuaciones de valores instantáneos:

e1 = Eo x seno wt
e2 = Eo x seno (wt-120º)
e3 = E0 x seno (wt-240º)

También podría ser:

e3 = Eo x seno (wt+120º)

Siendo “e” la fuerza electromotriz instantánea, y la Eo la fem máxima de la curva senoidal

Estas fem “e” son las generadas en cada una de los bobinados del alternador, cuando estas tensiones las medimos fuera de las bobinas, es decir en los bornes del alternador (tornillos), son las tensiones de la línea trifásica U (ver imagen anterior).

Tienen prácticamente el mismo valor, por eso podemos decir que un alternador trifásico genera las siguientes tensiones:

U1 = Uo x seno wt
U2 = Uo x seno (wt-120º)
U3 = Uo x seno (wt-240º)

Ya sabemos que los valores eficaces, los que miden los aparatos de medida, se relacionan con los máximos de la siguiente forma:

Uo/V = √2

Uo = VEficaz x √2

V = Uo/√2

Además en un sistema trifásico habrá tensiones eficaces diferentes, dependiendo de los 2 puntos entre las que midamos la tensión, Fase-Neutro o Fase-Fase:

De forma general tenemos:

- Tensión de fase (Vf): Es la tensión entre una fase y el neutro (L1-N, L2-N y L3-N).
- Tensión de línea (VL): Es la tensión entre dos fases (L1-L2, L1-L3 o L2-L3).
- Corriente de fase (If): Es la corriente que circula por cada fase.
- Corriente de línea (IL): Es la corriente que circula por la línea.




En Europa la relación entre la tensión de línea (VL​) y la tensión de fase (VF) en un sistema trifásico es:

VLínea/Vfase = √3 ; por ejemplo 400/230 = √3

¡¡¡OJO!!! no confundir con la relación entre la el valor máximo y el eficaz, ese sigue siendo √2.

Ejercicio 1: En un sistema trifásico equilibrado, la tensión de fase tiene un valor eficaz de Vef-fase = 127V. Calcula el valor eficaz de la tensión de línea (tensión entre dos fases). Solución VL = 220V

Ejercicio 2: En un sistema trifásico equilibrado, la corriente de fase tiene un valor máximo de Io= 10A. Calcula el valor eficaz de la corriente de línea. Solución ILínea = 7,07A

De Trifásica a Monofásica

Las centrales eléctricas utilizan alternadores trifásicos para la generación de la electricidad que posteriormente se consume tanto en la industria como a nivel doméstico.

En la práctica, no existen alternadores monofásicos para la producción de grandes cantidades de energía.

Por este motivo, las líneas monofásicas que se utilizan se obtienen a partir de una línea trifásica.

Por ejemplo, a un edificio suele llegar las 3 fases y el neutro y se dividen las fases entre los diferentes pisos de tal forma que queden equilibradas en cargas.

A cada piso le llega una fase y el neutro, es decir, sistema monofásico, de esta forma podemos conectar receptores en monofásica mediante una línea trifásica.

Conexión de los Receptores

Las bobinas de los alternadores trifásicos siempre están conectadas en estrella.

Otra cosa son los receptores, como motores, lámparas, resistencias, etc., que conectemos a la salida del alternador, que pueden ir conectados en estrella, triángulo, zig.zag o cualquier otro tipo de conexión (ver imagen de más abajo).

Si conectamos una carga al alternador, las corrientes que salen del alternador también estarían desfasadas 120º, pero OJO NO las corrientes que atraviesan los receptores, que dependen del tipo de receptor, como ya vimos en los sistemas monofásicos..

Las 2 principales formas de conectar los receptores son en estrella (Y) o en triángulo (Δ).

Conexión en Estrella de Receptores

Las tres fases están conectadas a un punto común llamado neutro. El neutro puede estar conectado a tierra.



- Los receptores se conectan a un punto común llamado neutro.

- Cada receptor está conectado entre una fase (L1, L2, L3) y el neutro.

- La tensión en cada receptor es la tensión de fase (Vf), que es menor que la tensión de línea (VL). VL = √3 x Vf

- La relación entre la tensión de línea y la tensión de fase es:

- La corriente de línea (IL) es igual a la corriente de fase (If): IL = If

Esta conexión es común en sistemas donde se necesita un conductor neutro, como en instalaciones domésticas o comerciales.

Nota: para la generación y transporte de energía el alternador está conectado en estrella pero el neutro se conecta a tierra junto con el chasis del alternador para garantizar la seguridad eléctrica de las instalaciones, no se utiliza para transportar la energía, la intensidad por el neutro debe ser 0A.

Cuando el sistema trifásico llega a las ciudades, entonces es cuando sacamos el neutro para utilizarlo en las instalaciones y normalmente lo sacamos de los centros de transformación..

Conexión en Triángulo de Receptores

Los receptores se conectan entre 2 fases o lo que es lo mismo, los receptores se conectan en serie formando un triángulo.


 
- Cada receptor está conectado entre dos fases (L1-L2, L2-L3, L3-L1).

- La tensión en cada receptor es igual a la tensión de línea (VL): Vf=VL

- La corriente de línea (IL) es mayor que la corriente de fase (If) y se relaciona mediante: IL = √3 x If

- Esta conexión se utiliza en sistemas donde no se requiere neutro, como en motores trifásicos.

Impedancia en Trifásica

En el caso de un sistema trifásico de impedancias, dado que estas magnitudes son las tensiones entre los extremos de las impedancias y las corrientes que circulan por ellas, se guarda la ley de Ohm entre las tensiones y corrientes de fase.

La impedancia se obtiene de lal ey de ohm Vf = If x Z; donde despejando Z tenemos:

Z = Vf /If





La impedancia total sería la suma de las 3 impedancias, una por cada rama de receptores, conectados en estrella o en triángulo, daría lo mismo.

Ejercicio 3: Un sistema trifásico con una VL de 400V y conectado a un motor a 400V y que consume una intensidad de 4A. Calcula la impedancia del motor. solución: Z = 57,74 ohmios

Potencias en un Sistema Trifásico

En un sistema trifásico la potencia total es igual a la suma de cada una de las potencias de cada fase:

Stotal = S fase 1 + S fase 2 + S fase 3

Stotal = 3 x Vf x If

Si queremos dejar los valores de las potencias en función de los valores de línea, entonces:

En estrella la If = IL y VLínea/Vfase = √3

V f = VL / √3

S = 3 x (VL / √3) x IL

Multiplicando y dividiendo entre √3, el valor de la fórmula no cambia, pero podemos dejarla más bonita:

S = 3 x√3/√3 x (VL / √3) x IL = √3 VL x IL

S = √3 VL x IL

En triángulo sería lo mismo ya que la √3 estaría en la intensidad, y la Vf sería igual a la VL

Lo mismo ocurre con las otras 2 potencias:

La Potencia Activa sería:

Pa = √3 VL x IL x cos fi

La Potencia Reactiva sería:

Q = √3 VL x IL x seno fi

Si nosotros colocamos aparatos de medida en una línea trifásica, los valores que obtenemos son los valores eficaces de línea, independientemente de cómo están conectados los receptores en esa línea.

Ese es el motivo por el que es mucho mejor poner las fórmulas en función de los valores de línea.

Un ejemplo: Un sistema trifásico tiene una tensión de línea de 400V, una corriente de línea de 10A y un factor de potencia de 0.9 (coseno de fi). Calcula las 3 potencias.

Podemos resolverlo directamente con las 3 fórmulas, o incluso la Potencia Reactiva calcularla por el triángulo de potencias:



Ejercicio 4: Se tiene un sistema trifásico con una corriente de 20A por fase y una tensión de 230V de fase. Si el factor de potencia es 0.85, calcula la potencia aparente. Solución : 6917,8VA

Ejercicio 5: Una carga equilibrada trifásica tiene una potencia de 15 kW y está conectada a una fuente de 400V de línea. El factor de potencia es 0.9 ¿Cuál es la corriente de línea? Solucion IL = 24A

Trifásica avanzada

Sistema Trifásico en 3 Sistemas Monófásicos

Imaginemos que tenemos un alternador al que se conectan unas cargas en estrella y con neutro.



Nota: la forma de nombrar las tensiones e intensidades puede ser esta, como la del esquema del principio de la web o cualquier otra forma.

Vemos como tenemos unas tensiones de fase o simples comportándose cada bobina del alternador trifásico como un generador monofásico, que genera entre sus terminales una tensión denominada simple o de fase U10, U20 y U30.

Incluso podríamos dividir el sistema trifásico en 3 sistemas monofásicos independientes.



Estas tensiones de fase quedan aplicadas a cada una de las cargas del receptor, y aparece una corriente por cada conductor de línea I1, I2 y I3.

La suma de estas tres corrientes dará como resultado la corriente de retorno del neutro IN.

En un principio podría parecer que el conductor del neutro debe conducir una gran corriente eléctrica.

Pero cuando las cargas (Z) son iguales, resulta que su valor es igual pero están desfasadas 120º, lo que hace que la suma vectorial de las 3 intensidades sea nula, es decir IN = 0A.

Nota: solo cuando Z1 = Z2 = Z3 tanto en tipo de carga (inductiva, capacitiva, resistiva) y en valor, es cuando el sistema se conoce como equilibrado y la IN es igual a 0A.

Esto se puede comprobar en los diagramas vectoriales, en el caso de que las cargas sean todas iguales (cargas equilibradas) esta corriente IN es cero amperios (0A).








En estos casos, incluso podría llevar a la anulación de este conductor en determinadas aplicaciones.

Las tensiones de línea las podemos obtener dividiendo el sistema en varias partes y aplicando Kirchhoff.



Cuando las cargas no son iguales tendríamos que calcular el valor de la intensidad y su desfase en cada receptor independiente (I´1, I´2 e I´3).

Si quieres aprender a calcular circuitos de este tipo visita: circuitos de corriente alterna.

Sumando vectorialmente esos valores (I´1, I´2 e I´3) obtendríamos el valor de IN.

A continuación puedes ver cómo sería el sistema trifásico con cargas en triángulo.


Hagamos un ejercicio:




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