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Circuitos Trifasicos




Enviado por pingui_2



     

    1. Abstract
    2. Objetivos
    3. Marco
      teórico
    4. Gráficas y
      figuras
    5. Referencias

     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.

    INTRODUCCION

     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.

    OBJETIVOS

    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.

    MARCO
    TEÓRICO

    1. 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.

    2. Historia
    3. 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

    1. 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 presas

      La 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.

    2. 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
      phi

      Siendo: 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
      phi

      Siendo: 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

    3. Potencia Eléctrica
    4. 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.

    GRAFICAS Y
    FIGURAS

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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.

    REFERENCIAS

    1. http://www.trifasicos.com/

    2. http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/23510/cap02/02_04_01.html

    3. http://www.electrica.frba.utn.edu.ar/electrotecnia/trifas/potrif/
    4. 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

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