Abstract— Un vistazo del análisis de los circuitos
trifásicos de diferentes topologías, su configuración,
funcionamiento, utilidad y
medición en la vida industrial y diaria es
el tema que se aborda en este informe.
Index
Terms—Circuitos trifásicos, transformadores,
generadores, centrales hidroeléctricas, motores, potencia
trifásica.
Nikola Tesla, un inventor
Serbio-Americano fue quien descubrió el principio del
campo
magnético rotatorio en 1882, el cual es la base de la
maquinaria de corriente
alterna.
Él inventó el sistema de
motores y generadores de corriente alterna polifásica que
da energía al planeta. Sin sus inventos el
día de hoy no sería posible la
electrificación que impulsa al crecimiento de la industria y al
desarrollo de
las comunidades.
Observar a través de este documento la
funcionalidad de la corriente trifásica, sus aplicaciones
y la relevancia que tiene desde su descubrimiento hasta nuestros
días.
El descubrimiento del campo magnético
rotatorio producido por las interacciones de corrientes de
dos y tres fases en un motor
fue uno de los más grandes logros de Tesla [figura
1.] y fue la base para la creación de su motor de
inducción y el sistema
polifásico de generación y distribución de electricidad.Gracias a esto, grandes cantidades de energía eléctrica pueden ser
generadas y distribuidas eficientemente a lo largo de
grandes distancias, desde las plantas
generadoras hasta las poblaciones que alimentan. Aún
en estos días se continúa utilizando la forma
trifásica del sistema polifásico de Tesla
para la transmisión de la electricidad,
además la conversión de electricidad en
energía mecánica es posible debido a
versiones mejoradas de los motores trifásicos de
Tesla.En Mayo de 1885, George Westinghouse, cabeza de la
compañía de electricidad Westinhouse
compró las patentes del sistema polifásico de
generadores, transformadores y motores de corriente alterna
de Tesla.En octubre de 1893 la comisión de las
cataratas del Niagara otorgó a Westinghouse un
contrato
para construir la planta generadora en las cataratas, la
cual sería alimentada por los primeros dos de diez
generadores que Tesla diseñó. Dichos dinamos
de 5000 caballos de fuerza
fueron los más grandes construidos hasta el momento.
General Electric registró algunas de las patentes de
Tesla y recibió un contrato para construir 22 millas
de líneas de transmisión hasta Buffalo. Para
este proyecto
se utilizo el sistema polifásico de Tesla. Los
primeros tres generadores de corriente alterna en el
Niagara fueron puestos en marcha el 16 de noviembre de
1896.- Historia
- Justificación de los Circuitos
trifásicos
La principal aplicación
para los circuitos trifásicos se encuentra en la
distribución de la energía eléctrica por
parte de la compañía de luz a la población. Nikola Tesla
probó que la mejor manera de producir, transmitir y
consumir energía eléctrica era usando circuitos
trifásicos. Algunas de las razones por las que la
energía trifásica es superior a la
monofásica son:
- La potencia en KVA (Kilovoltio amperio) de un motor
trifásico es aproximadamente 150%
mayor que la de un motor monofásico. - En un sistema trifásico balanceado los
conductores necesitan ser el 75% del tamaño
que necesitarían para un sistema
monofásico con la misma potencia en VA por lo que
esto ayuda a disminuir los costos y por lo
tanto a justificar el tercer cable requerido. - La potencia proporcionada por un sistema
monofásico cae tres veces por ciclo. La potencia
proporcionada por un sistema trifásico nunca cae a cero
por lo que la potencia enviada a la carga es siempre la
misma.
Las Ondas
representativas se muestran en las figuras 2 y 3
Si rotamos un campo magnético a
través de una bobina entonces se produce un voltaje
monofásico y se observaría una señal
de voltaje como se muestra
en la grafica 4, En cambio,
si colocamos tres bobinas separadas por ángulos de
120° se estarán produciendo tres voltajes con
una diferencia de fase de 120° cada uno como los que se
observan en la grafica 5.La energía trifásica se genera en
unos sitios específicos llamados plantas generadoras
en nuestro país de tipo hidroeléctrico
(generación por aprovechamiento del agua)El funcionamiento de la centrales
hidroeléctricas o hidráulicos se basa en el
aprovechamiento de la energía cinética
proporcionada por el agua
que, al caer sobre los alabes (hélices) de una
turbina, da a ésta última un movimiento mecánico de
rotación que se transmite a un generador
eléctrico. La planta hidroeléctrica, utiliza
la fuerza de ríos, cascadas y artificialmente
mediante presasLa Generación y Distribución de
electricidad, son un conjunto de instalaciones que se
utilizan para transformar otros tipos de energía en
electricidad y transportarla hasta los lugares donde se
consume. La generación y transporte de energía en forma de
electricidad tiene importantes ventajas económicas
debido al coste por unidad generada. Las instalaciones eléctricas
también permiten utilizar la energía
hidroeléctrica a mucha distancia del lugar donde se
genera. Estas instalaciones suelen utilizar corriente
alterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje
con transformadores. De esta manera, cada parte del sistema
puede funcionar con el voltaje apropiado. Las instalaciones
eléctricas tienen seis elementos principales: la
central eléctrica, los transformadores, que elevan
el voltaje de la energía eléctrica generada a
las altas tensiones utilizadas en las líneas de
transporte, las líneas de transporte, las
subestaciones donde la señal baja su voltaje para
adecuarse a las líneas de distribución, las
líneas de distribución y los transformadores
que bajan el voltaje al valor
utilizado por los consumidores.Cualquier sistema de distribución de
electricidad requiere una serie de equipos suplementarios
para proteger los generadores, transformadores y las
propias líneas de conducción. Suelen incluir
dispositivos diseñados para regular la
tensión que se proporciona a los usuarios y corregir
el factor de potencia del sistema.Subestación: es el conjunto de elementos
que nos permiten controlar, medir y transformar la
energía eléctrica.Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos
los elementos de la instalación contra
cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones
de conmutación ordinarias. Estos cortacircuitos son
grandes interruptores que se activan de modo
automático cuando ocurre un cortocircuito o cuando
una circunstancia anómala produce una subida
repentina de la corriente. En el momento en el que este
dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco
eléctrico entre sus terminales.Un Transformador, es una máquina estática, constituida de dos
circuitos inductivos llamados primario y secundario, los
cuales no esta conectados físicamente, sino
acoplados magnéticamente, existen 3 tipos: elevador
(El número de vueltas del secundario es mayor que el
primario), reductor (El número de vueltas del
secundario es menor que el primario), relación uno a
uno ó compensador (El número de vueltas es
igual para el primario y secundario)Un motor, es una máquina que convierte
energía en movimiento o trabajo
mecánico. La energía se suministra en forma
de combustible químico, como gasóleo o gasolina, vapor de agua o
electricidad, y el
trabajo mecánico que proporciona suele ser el
movimiento rotatorio de un árbol o eje.Los Motores y generadores eléctricos, son
un grupo de
aparatos que se utilizan para convertir la energía
mecánica en eléctrica, o a la
inversa, con medios
electromagnéticos. A una máquina que
convierte la energía mecánica en
eléctrica se le denomina generador, alternador o
dinamo, y a una máquina que convierte la
energía eléctrica en mecánica se le
denomina motor. Dos principios
físicos relacionados entre sí sirven de base
al funcionamiento de los generadores y de los motores. El
primero es el principio de la inducción descubierto
por el científico e inventor británico
Michael Faraday en 1831.Los motores
eléctricos pueden ser de corriente
eléctrica, de corriente alterna, y de corriente
alterna y directa simultáneamente. A los motores de
corriente alterna también se les conoce como motores
de inducción o asíncronos. A los motores que
operan con energía alterna y directa se les conoce
como motores síncronos. Los motores de
energía eléctrica alterna, trabajan con dos
líneas de alimentación
por lo que podemos decir que son que son
monofásicos, cuando trabajan con tres líneas
de alimentación se conocen como
trifásicos.- Generación y Elementos
Potencia es una magnitud física que representa la capacidad
para realizar un trabajo, o lo que es lo mismo, la cantidad
de trabajo realizada en cada unidad de tiempo.
Con carácter general podemos que, la
potencia eléctrica de un circuito se corresponde con
el producto
de los
valores de la tensión existente en sus extremos
multiplicado por la intensidad de la corriente que lo
recorre. La unidad empleada para su representación
es el vatio (o alguno de sus múltiplos) y se
representa por la letra P. Siendo un vatio la potencia que
corresponde a un circuito eléctrico en cuyos
extremos existe una diferencia de potencial
(tensión) de un voltio y es recorrido por una
corriente de un amperio de intensidad. (Estando
tensión y corriente en fase).En un circuito de corriente alterna puramente
resistivo, las magnitudes tensión y corriente
están en fase es decir ambas pasan por sus estados
máximos o mínimos simultáneamente. En
un circuito de corriente alterna común, las
magnitudes corriente y tensión no están en
fase debido a las componentes inductivas y capacitabas de
los diferentes elementos que componen los circuitos en la
práctica.El factor de potencia, o coseno de phi, es una
función del desfase de la intensidad
en relación a la tensión. Su valor puede
oscilar entre 0 y 1. En un circuito puramente resistivo la
tensión y la intensidad se encuentran en fase y el
valor de la magnitud en este caso es igual a la unidad. En
un circuito en el que existan inductancias y o condensadores, se producirá un
desfase entre la tensión y la intensidad,
adelantándose o retrasándose ésta
respecto de la otra. Este desfase lo definirá el
factor de potencia y oscilará como se ha dicho,
entre 0 y 1. En un circuito puramente resistivo la
tensión y la intensidad están en
fase.La existencia de inductancia, (importante por
ejemplo en los motores) provoca un desfase por retraso
entre la intensidad y la tensión. Por el contrario
en el caso de presencia de condensadores en el circuito, se
produce igualmente un desfase pero en este caso la
intensidad está adelantada respecto de la
tensión. Este resultado se ve reflejado en la figura
8, donde se muestran, en color
azul, la señal de voltaje y la de corriente, en
color rojo; además de esto sus desfases con un
coseno phi planteado. Desde el punto de vista del usuario,
la potencia activa es la única transformable en
trabajo mecánico, calorífico o químico. La
potencia activa, reactiva y aparente están
relacionadas.Las consecuencias de un mal coseno de phi, se
traducen en un mal aprovechamiento de las líneas, ya
que la potencia perdida por el efecto Joule es importante.
Para compensar estas perdidas las compañías
eléctricas penaliza las instalaciones con un bajo
coseno de phi, mediante recargos en la facturación.
Para el usuario además es igualmente desventajoso ya
que le obliga a sobredimensionar las líneas por
encima de sus necesidades.Se mejora el coseno de phi colocando en la
instalación baterías de condensadores para
compensación capacitaba de los efectos inductivos
que se producen en los receptores.Potencia activa (P): En corriente alterna se
expresa en vatios y fórmula:P = U * I * cos
phiSiendo: U, la tensión eficaz, I, la
intensidad eficaz y cos de phi el factor de
potencia.Potencia reactiva (Q): En corriente alterna se
expresa en voltiamperios reactivos y
fórmula:Q = U * I * seno
phiSiendo: U, la tensión eficaz, I, la
intensidad eficaz y phi el ángulo de desfase entre
tensión e intensidad.Potencia aparente (S): En corriente alterna se
expresa en voltiamperios y fórmula:S = U * I
Siendo: U, la tensión eficaz, I, la
intensidad eficaz.Las tres potencias señaladas se encuentran
relacionadas, pudiéndose formular:S^2 = P^2 + Q^2
Seno de phi = Q/S
Cos de phi = P/S
- Potencia Eléctrica
- Teorema de Blondell
En un circuito n-filar la potencia
activa puede medirse como suma algebraica de las lecturas de
n-1 vatímetros. Este enunciado es evidente en el
caso de un circuito tetrafilar en que tenemos acceso al neutro de
la carga. [Figura 9]
En este caso particular cada vatímetro indica la
potencia de la fase a la que está conectado. De este modo,
la potencia trifásica resulta igual a:
P=W1+W2+W3
o sea que la potencia total es suma de las tres
lecturas.
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Figura 1. Nikola Tesla
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Figura 2. Gráfica de potencia en un sistema
monofásico.
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Figura 3. Gráfica de potencia en
un sistema trifásico.
Figura 4. Generación de un Voltaje
Monofásico
Figura 5. Generación de un Voltaje
Trifásico.
Figura 6. Representación grafica
de un motor trifásico
Figura 7. Representación
gráfica de un transformador, izquierda con tap central o
punto neutro, en su secundario; derecha transformador
común.
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Figura 8. Desfase entre
magnitudes
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Figura 9.Esquema de medición de
potencia con vatímetros.
- http://www.trifasicos.com/
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/23510/cap02/02_04_01.html
http://www.electrica.frba.utn.edu.ar/electrotecnia/trifas/potrif/- http://www.monografias.com/search:%20circuitos_trifasicos
Las páginas de Internet seleccionadas,
fueron consultadas el 22 de Mayo de 2004, entre las 09:00 a
11:00.
Alexander Maldonado