El análisis de sistemas polifásicos

Sistemas polifásicos

Hernández Martinez Alejandro

alehm_95@hotmail.com

División de Ingenierías del Campus Irapuato-Salamanca

El análisis de sistemas polifásicos es de gran importancia debido a su aplicación tanto residencial como industrialmente. Existen diversas ventajas al usar maquinaria que genere potencia trifásica, en vez de monofásica, de igual forma la transmisión de potencia de un sistema trifásico provoca ventajas económicas.

A continuación se presentara el concepto de sistemas polifásicos, enfocándonos en particular en los circuitos trifásicos, utilizados en la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica para fábricas.

INTRODUCCIÓN

Un sistema o circuito polifásico es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por dos o más fuentes de tensión en corriente alterna que operan a la misma frecuencia y amplitud pero con diferencia de fase constante, como se observa en la figura 1.1.

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Fig. 1.1 Sistema polifásico.

Dichos circuitos pueden ser bifásicos, trifásicos, tetrafásicos, y así sucesivamente.

En un sistema bifásico, a diferencia de uno monofásico, se hace uso de un generador que consta de dos fuentes dispuestas perpendicularmente entre sí a fin de que la tensión generada por una se atrase 90° de la otra. Mientras que en un sistema trifásico disponemos de tres fuentes desfasadas 120° entre sí.

Al menos tres razones existen para afirmar la importancia de los sistemas trifásicos: en primera instancia casi toda la potencia eléctrica se genera y distribuye en forma trifásica, cuando son necesarias las entradas monofásicas o bifásicas, se les toma del sistema trifásico en vez de generarlas en forma independiente, aun así si se ocupan más de tres fases, como lo es en la industria del aluminio donde se requieren 48 fases  para efectos de fundición es posible obtenerlas manipulando las tres fases dadas.

Segundo, la potencia instantánea en un sistema trifásico puede ser constante esto produce una mejor transmisión uniforme de potencia y menos vibración de las máquinas trifásicas.

Y por último como se había mencionado el sistema trifásico es más económico que el monofásico, ya que la cantidad de alambre conductor necesaria para un sistema trifásico es mucho menor que para un sistema monofásico equivalente, respecto a la misma cantidad de potencia.

CIRCUITOS TRIFÁSICOS

Como lo indica su nombre, los circuitos trifásicos son aquellos en los que la función forzante es un sistema de voltajes trifásicos.

Si las tres tensiones senoidales tienen la misma magnitud y frecuencia desfasadas 120° se dice que las tensiones están balanceadas. Si las cargas son tales que las corrientes producidas por las tensiones también están balanceadas, se refiere uno a todo el circuito como un circuito trifásico balanceado.

Para una mayor comprensión profundizaremos en el tema para demostrar lo antes dicho.

TENSIONES TRIFÁSICAS BALANCEADAS

Por lo regular un alternador es el artefacto utilizado para generar tensiones trifásicas de corriente alterna, la figura 2.1 nos muestra la apariencia de su sección transversal.

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Fig. 2.1 Generador trifásico.

Al girar el rotor, su campo magnético “corta” el flujo de las tres bobinas e induce tensiones en ellas causando tensiones de igual magnitud pero desfasadas 120° como se observa en la figura 2.2.

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Fig. 2.2 Tensiones desfadas.

Gracias a que cada bobina puede actuar como un generador monofásico, el generador trifásico puede abastecer potencia a cargas monofásicas y trifásicas.

Un sistema trifásico común consta de tres fuentes de tensión conectadas a cargas mediante tres o cuatro lineas de transmisión.

Las fuentes pueden conectarse en estrella Υ, como se observa en la figura 2.3a), o en delta Δ, como en la figura 2.3b).

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Fig. 2.3 Conexiones en Υ y Δ.

Analizando la figura 2.3a) notamos que Van, Vbn y Vcn, llamadas tensiones de fase, se encuentran respectivamente entre las líneas a, b y c y la línea neutra n. Teniendo dichas tensiones misma amplitud y frecuencia desfasadas entre sí 120° podemos decir que están balanceadas. Es decir:

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Dado los 120° de desfase entre las tensiones, existen dos combinaciones posibles (Fig. 2.4).

1. abc o secuencia positiva (Fig. 2.4a).

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En esta secuencia de fases, Van se adelanta a Vbn, la que a su vez se adelanta a Vcn.

1. acb o secuencia negativa (Fig. 2.4b).

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En esta secuencia de fases, Van se adelanta a Vcn, la que a su vez se adelanta a Vbn.

Usando las ecuaciones (2.2) o (2.3) demostramos con certeza la ecuación (2.1).

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Donde Vp es el valor eficaz o rms de las tensiones de fase.

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Fig. 2.4 Secuencias de fases.

La secuencia de fases es el orden temporal en que las tensiones pasan por sus respectivos valores máximos.

La secuencia de fases es importante en la distribución de potencia trifásica. Determina la dirección de la rotación de un motor conectado a la fuente de potencia, por ejemplo.

Al igual que las conexiones del generador, una carga trifásica puede conectarse en estrella (Fig. 2.5a) o en delta (Fig. 2.5b).

La línea neutra de la figura puede existir o no, dependiendo de si el sistema es de cuatro o de tres conductores.

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Fig. 2.5 Conexiones para cargas trifásicas.

Una carga balanceada es aquella en la que las impedancias de las fases son iguales en magnitud y en fase.

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