Energía eléctrica trifásica

La energía eléctrica trifásica (abreviada 3ϕ ^[1] ) es un tipo común de corriente alterna (CA) utilizada en la generación , transmisión y distribución de electricidad . ^[2] Es un tipo de sistema polifásico que emplea tres cables (o cuatro incluido un cable de retorno neutro opcional) y es el método más común utilizado por las redes eléctricas en todo el mundo para transferir energía.

La energía eléctrica trifásica fue desarrollada en la década de 1880 por varias personas. En la energía trifásica, el voltaje en cada cable está desfasado 120 grados con respecto a cada uno de los otros cables. Debido a que es un sistema de CA, permite elevar fácilmente los voltajes mediante transformadores a alto voltaje para la transmisión y reducirlos para la distribución, lo que brinda una alta eficiencia.

Un circuito trifásico de tres cables suele ser más económico que un circuito monofásico equivalente de dos cables con el mismo voltaje de línea a tierra porque utiliza menos material conductor para transmitir una cantidad determinada de energía eléctrica. ^[3] La energía trifásica se utiliza principalmente de forma directa para alimentar grandes motores de inducción , otros motores eléctricos y otras cargas pesadas. Las cargas pequeñas a menudo utilizan solo un circuito monofásico de dos cables, que puede derivarse de un sistema trifásico.

Los conductores entre una fuente de voltaje y una carga se denominan líneas, y el voltaje entre dos líneas cualesquiera se denomina voltaje de línea . El voltaje medido entre cualquier línea y neutro se denomina voltaje de fase . ^[4] Por ejemplo, para un servicio de 208/120 voltios, el voltaje de línea es de 208 voltios y el voltaje de fase es de 120 voltios.

Los sistemas de energía polifásicos fueron inventados independientemente por Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson , William Stanley Jr. y Nikola Tesla a fines de la década de 1880. ^[5]

La energía trifásica surgió a partir del desarrollo del motor eléctrico. En 1885, Galileo Ferraris estaba investigando los campos magnéticos rotatorios . Ferraris experimentó con diferentes tipos de motores eléctricos asíncronos . La investigación y sus estudios dieron como resultado el desarrollo de un alternador , que puede considerarse como un motor de corriente alterna que funciona en sentido inverso, de modo de convertir la energía mecánica (rotativa) en energía eléctrica (como corriente alterna). El 11 de marzo de 1888, Ferraris publicó su investigación en un artículo para la Real Academia de Ciencias de Turín .

Dos meses después, Nikola Tesla obtuvo la patente estadounidense 381.968 para un diseño de motor eléctrico trifásico, solicitud presentada el 12 de octubre de 1887. La figura 13 de esta patente muestra que Tesla imaginó que su motor trifásico sería alimentado por el generador a través de seis cables.

Estos alternadores funcionaban creando sistemas de corrientes alternas desplazadas entre sí en fase en cantidades definidas y dependían de campos magnéticos rotatorios para su funcionamiento. La fuente resultante de energía polifásica pronto encontró una amplia aceptación. La invención del alternador polifásico es clave en la historia de la electrificación, al igual que el transformador de potencia. Estas invenciones permitieron transmitir energía por cables de manera económica a distancias considerables. La energía polifásica permitió el uso de la energía hidráulica (a través de plantas generadoras hidroeléctricas en grandes represas) en lugares remotos, lo que permitió que la energía mecánica del agua que caía se convirtiera en electricidad, que luego podía suministrarse a un motor eléctrico en cualquier lugar donde fuera necesario realizar un trabajo mecánico. Esta versatilidad impulsó el crecimiento de las redes de transmisión de energía en los continentes de todo el mundo.

En 1888, Mijaíl Dolivo-Dobrovolski desarrolló un generador eléctrico trifásico y un motor eléctrico trifásico y estudió las conexiones en estrella y delta . Su sistema de transmisión trifásica de tres cables se exhibió en 1891 en Alemania en la Exposición Electrotécnica Internacional , donde Dolivo-Dobrovolski utilizó el sistema para transmitir energía eléctrica a una distancia de 176 km (110 millas) con una eficiencia del 75 % . En 1891 también creó un transformador trifásico y un motor de inducción de cortocircuito ( de jaula de ardilla ) . ^{[6] [7] Diseñó la primera} planta de energía hidroeléctrica trifásica del mundo en 1891. El inventor Jonas Wenström recibió en 1890 una patente sueca sobre el mismo sistema trifásico. ^[8] La posibilidad de transferir energía eléctrica desde una cascada a distancia se exploró en la mina de Grängesberg .Se eligió la caída de 45  m en Hällsjön, Smedjebackens kommun, donde antes se encontraba una pequeña fábrica de hierro. En 1893 se construyó unEl sistema de 9,5  kV se utilizó para transferir 400 caballos de fuerza a una distancia de 15 km (10 millas), convirtiéndose en la primera aplicación comercial. ^[9]

En un sistema de suministro de energía trifásico simétrico, tres conductores transportan cada uno una corriente alterna de la misma frecuencia y amplitud de voltaje en relación con una referencia común, pero con una diferencia de fase de un tercio de ciclo (es decir, 120 grados de desfase) entre cada uno. La referencia común suele estar conectada a tierra y, a menudo, a un conductor que transporta corriente llamado neutro. Debido a la diferencia de fase, el voltaje en cualquier conductor alcanza su pico en un tercio de ciclo después de uno de los otros conductores y un tercio de ciclo antes del conductor restante. Este retraso de fase proporciona una transferencia de potencia constante a una carga lineal equilibrada. También permite producir un campo magnético giratorio en un motor eléctrico y generar otras disposiciones de fase utilizando transformadores (por ejemplo, un sistema bifásico que utiliza un transformador Scott-T ). La amplitud de la diferencia de voltaje entre dos fases es veces la amplitud del voltaje de las fases individuales.${\displaystyle {\sqrt {3}}=1,732\ldots }$

Los sistemas trifásicos simétricos aquí descritos se denominan simplemente sistemas trifásicos porque, si bien es posible diseñar e implementar sistemas de potencia trifásicos asimétricos (es decir, con voltajes desiguales o cambios de fase), no se utilizan en la práctica porque carecen de las ventajas más importantes de los sistemas simétricos.

En un sistema trifásico que alimenta una carga equilibrada y lineal, la suma de las corrientes instantáneas de los tres conductores es cero. En otras palabras, la corriente en cada conductor es igual en magnitud a la suma de las corrientes en los otros dos, pero con signo opuesto. El camino de retorno de la corriente en cualquier conductor de fase son los otros dos conductores de fase.

La transferencia de potencia constante es posible con cualquier número de fases mayor que uno. Sin embargo, los sistemas bifásicos no tienen cancelación de corriente neutra y, por lo tanto, utilizan los conductores de manera menos eficiente, y más de tres fases complican la infraestructura innecesariamente. Además, en algunos generadores y motores prácticos, dos fases pueden dar como resultado un par menos suave (pulsante). ^[10]

Los sistemas trifásicos pueden tener un cuarto cable, común en la distribución de bajo voltaje. Este es el cable neutro . El neutro permite que se proporcionen tres suministros monofásicos separados a un voltaje constante y se usa comúnmente para suministrar múltiples cargas monofásicas . Las conexiones están dispuestas de manera que, en la medida de lo posible en cada grupo, se extraiga la misma potencia de cada fase. Más arriba en el sistema de distribución , las corrientes suelen estar bien equilibradas. Los transformadores pueden estar cableados para tener un secundario de cuatro cables y un primario de tres cables, al tiempo que permiten cargas desequilibradas y las corrientes neutras asociadas del lado secundario.

El cableado trifásico suele identificarse mediante colores que varían según el país y el voltaje. Las fases deben conectarse en el orden correcto para lograr la dirección de rotación deseada de los motores trifásicos. Por ejemplo, las bombas y los ventiladores no funcionan como se espera en sentido inverso. Es necesario mantener la identidad de las fases si se pueden conectar dos fuentes al mismo tiempo. Una conexión directa entre dos fases diferentes es un cortocircuito y da lugar a un flujo de corriente desequilibrado.

En comparación con una fuente de alimentación de CA monofásica que utiliza dos conductores que transportan corriente (fase y neutro ), una fuente de alimentación trifásica sin neutro y con el mismo voltaje de fase a tierra y capacidad de corriente por fase puede transmitir tres veces más energía utilizando solo 1,5 veces más cables (es decir, tres en lugar de dos). Por lo tanto, la relación entre capacidad y material conductor se duplica. ^[11] La relación entre capacidad y material conductor aumenta a 3:1 con un sistema trifásico sin conexión a tierra y un sistema monofásico con conexión a tierra central (o 2,25:1 si ambos utilizan conexiones a tierra con el mismo calibre que los conductores). Eso conduce a una mayor eficiencia, menor peso y formas de onda más limpias.

Los suministros trifásicos tienen propiedades que los hacen deseables en los sistemas de distribución de energía eléctrica:

• Las corrientes de fase tienden a anularse entre sí, sumando cero en el caso de una carga equilibrada lineal, lo que permite reducir el tamaño del conductor neutro porque conduce poca o ninguna corriente. Con una carga equilibrada, todos los conductores de fase conducen la misma corriente y, por lo tanto, pueden tener el mismo tamaño.
• La transferencia de potencia a una carga equilibrada lineal es constante, lo que, en aplicaciones de motor/generador, ayuda a reducir las vibraciones.
• Los sistemas trifásicos pueden producir un campo magnético giratorio con una dirección específica y una magnitud constante, lo que simplifica el diseño de motores eléctricos, ya que no se requiere circuito de arranque.

Sin embargo, la mayoría de las cargas son monofásicas. En América del Norte, las casas unifamiliares y los apartamentos individuales reciben el suministro monofásico de la red eléctrica y utilizan un sistema de fase dividida hasta el tablero de distribución desde el que la mayoría de los circuitos derivados transportarán 120 V. Los circuitos diseñados para dispositivos de mayor potencia, como estufas, secadoras o enchufes para vehículos eléctricos, transportan 240 V.

En Europa, la energía trifásica normalmente se suministra al tablero de distribución y luego a dispositivos de mayor potencia.

En la central eléctrica , un generador eléctrico convierte la energía mecánica en un conjunto de tres corrientes eléctricas de CA , una de cada bobina (o devanado) del generador. Los devanados están dispuestos de tal manera que las corrientes tienen la misma frecuencia pero con los picos y valles de sus formas de onda desplazados para proporcionar tres corrientes complementarias con una separación de fase de un tercio de ciclo ( 120° o 2π ⁄ 3 radianes ). La frecuencia del generador suele ser de 50 o 60 Hz , según el país.

En la central eléctrica, los transformadores cambian el voltaje de los generadores a un nivel adecuado para la transmisión con el fin de minimizar las pérdidas.

Después de más conversiones de voltaje en la red de transmisión, el voltaje finalmente se transforma al uso estándar antes de suministrar energía a los clientes.

La mayoría de los alternadores de automóviles generan corriente alterna trifásica y la rectifican a corriente continua con un puente de diodos . ^[14]

Un devanado de transformador conectado en "delta" (Δ) se conecta entre fases de un sistema trifásico. Un transformador en "estrella" (Y) conecta cada devanado de un cable de fase a un punto neutro común.

Se puede utilizar un solo transformador trifásico o tres transformadores monofásicos.

En un sistema en delta abierto o en V, sólo se utilizan dos transformadores. Un delta cerrado formado por tres transformadores monofásicos puede funcionar como delta abierto si uno de los transformadores ha fallado o necesita ser retirado. ^[15] En un delta abierto, cada transformador debe transportar corriente para sus respectivas fases, así como corriente para la tercera fase, por lo que la capacidad se reduce al 87%. Con uno de los tres transformadores faltante y los dos restantes con una eficiencia del 87%, la capacidad es del 58% ( 2 ⁄ 3 del 87%). ^{[16] [17]}

Cuando un sistema alimentado en delta debe estar conectado a tierra para detectar corrientes parásitas a tierra o para protegerse de sobretensiones, se puede conectar un transformador de conexión a tierra (normalmente un transformador en zigzag ) para permitir que las corrientes de falla a tierra regresen desde cualquier fase a tierra. Otra variación es un sistema en delta "conectado a tierra en un vértice", que es un delta cerrado que está conectado a tierra en una de las uniones de los transformadores. ^[18]

Existen dos configuraciones trifásicas básicas: en estrella (Y) y en triángulo (Δ). Como se muestra en el diagrama, una configuración en triángulo requiere solo tres cables para la transmisión, pero una configuración en estrella (Y) puede tener un cuarto cable. El cuarto cable, si está presente, se proporciona como neutro y normalmente está conectado a tierra. Las designaciones de tres y cuatro cables no cuentan el cable de tierra presente sobre muchas líneas de transmisión, que es únicamente para protección contra fallas y no transporta corriente en condiciones normales de uso.

Un sistema de cuatro cables con voltajes simétricos entre fase y neutro se obtiene cuando el neutro está conectado al "punto de estrella común" de todos los devanados de alimentación. En un sistema de este tipo, las tres fases tendrán la misma magnitud de voltaje en relación con el neutro. Se han utilizado otros sistemas no simétricos.

El sistema de cuatro cables en estrella se utiliza cuando se debe suministrar una mezcla de cargas monofásicas y trifásicas, como cargas mixtas de iluminación y motores. Un ejemplo de aplicación es la distribución local en Europa (y en otros lugares), donde cada cliente puede ser alimentado sólo desde una fase y el neutro (que es común a las tres fases). Cuando un grupo de clientes que comparten el neutro consumen corrientes de fase desiguales, el cable neutro común transporta las corrientes resultantes de estos desequilibrios. Los ingenieros eléctricos intentan diseñar el sistema de energía trifásica para cualquier ubicación de modo que la energía extraída de cada una de las tres fases sea la misma, en la medida de lo posible en ese sitio. ^[19] Los ingenieros eléctricos también intentan organizar la red de distribución de modo que las cargas estén lo más equilibradas posible, ya que los mismos principios que se aplican a las instalaciones individuales también se aplican a la energía del sistema de distribución a gran escala. Por lo tanto, las autoridades de suministro hacen todo lo posible para distribuir la energía extraída en cada una de las tres fases en un gran número de instalaciones de modo que, en promedio, se vea una carga lo más equilibrada posible en el punto de suministro.

Para uso doméstico, algunos países como el Reino Unido pueden suministrar una fase y neutro a una corriente alta (hasta 100  A ) a una propiedad, mientras que otros como Alemania pueden suministrar 3 fases y neutro a cada cliente, pero con una clasificación de fusible más baja, normalmente 40–63 A por fase, y "rotados" para evitar el efecto de que se tienda a poner más carga en la primera fase. ^{[ cita requerida ]}

Basado en la conexión en estrella (Y) y en delta (Δ). En general, existen cuatro tipos diferentes de conexiones de devanados de transformadores trifásicos para fines de transmisión y distribución:

• Wye (Y): Wye (Y) se utiliza para corrientes pequeñas y voltaje alto,
• Delta (Δ) – Delta (Δ) se utiliza para corrientes grandes y voltajes bajos,
• Delta (Δ) – estrella (Y) se utiliza para transformadores elevadores, es decir, en estaciones generadoras,
• Wye (Y) – Delta (Δ) se utiliza para transformadores reductores, es decir, al final de la transmisión.

En América del Norte, a veces se utiliza una fuente de alimentación en delta de rama alta , en la que un devanado de un transformador conectado en delta que alimenta la carga tiene una toma central y esa toma central está conectada a tierra y como neutro, como se muestra en el segundo diagrama. Esta configuración produce tres voltajes diferentes: si el voltaje entre la toma central (neutro) y cada una de las tomas superior e inferior (fase y antifase) es de 120  V (100 %), el voltaje a través de las líneas de fase y antifase es de 240 V (200 %), y el voltaje entre el neutro y la "rama alta" es de ≈ 208 V (173 %). ^[15]

El motivo por el que se proporciona la alimentación conectada en delta suele ser para alimentar motores grandes que requieren un campo giratorio. Sin embargo, las instalaciones en cuestión también requerirán las fuentes de alimentación de 120 V "normales" de América del Norte, dos de las cuales se derivan (180 grados "desfasadas") entre el "neutro" y cualquiera de los puntos de fase con toma central.

En el caso de equilibrio perfecto, las tres líneas comparten cargas equivalentes. Al examinar los circuitos, podemos derivar relaciones entre el voltaje y la corriente de línea, y el voltaje y la corriente de carga para cargas conectadas en estrella y en delta.

En un sistema equilibrado, cada línea producirá magnitudes de voltaje iguales en ángulos de fase igualmente espaciados entre sí. Con V ₁ como referencia y V ₃ retrasado respecto de V ₂ , utilizando la notación de ángulos y V _{LN como} el voltaje entre la línea y el neutro, tenemos: ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ },\\V_{2}&=V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{aligned}}}$

Estos voltajes se alimentan a una carga conectada en estrella o en delta.

El voltaje visto por la carga dependerá de la conexión de la carga; para el caso en estrella, conectar cada carga a un voltaje de fase (línea a neutro) da ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{|Z_{\text{total}}|}}\ángulo (-\theta ),\\I_{2}&={\frac {V_{2}}{|Z_{\text{total}}|}}\ángulo (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\frac {V_{3}}{|Z_{\text{total}}|}}\ángulo (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

donde Z _total es la suma de las impedancias de línea y carga ( Z _total = Z _LN + Z _Y ), y θ es la fase de la impedancia total ( Z _total ).

La diferencia de ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de cada fase no es necesariamente 0 y depende del tipo de impedancia de carga, Z _y . Las cargas inductivas y capacitivas harán que la corriente se retrase o se adelante respecto del voltaje. Sin embargo, el ángulo de fase relativo entre cada par de líneas (1 a 2, 2 a 3 y 3 a 1) seguirá siendo −120°.

Al aplicar la ley de corriente de Kirchhoff (LKC) al nodo neutro, las corrientes trifásicas se suman para dar la corriente total en la línea neutra. En el caso equilibrado:

${\displaystyle I_{1}+I_{2}+I_{3}=I_{\text{N}}=0.}$

En el circuito delta, las cargas están conectadas a través de las líneas y, por lo tanto, las cargas ven voltajes de línea a línea: ^[20]

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{12}&=V_{1}-V_{2}=(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ })-(V_{\text{ LN}}\angle {-120}^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ }={\sqrt {3}} V_{1}\angle (\phi _{V_{1}}+30^{\circ }),\\V_{23}&=V_{2}-V_{3}=(V_{\text{LN }}\angle {-120}^{\circ })-(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ })\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN }}\ángulo {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\ángulo (\phi _{V_{2}}+30^{\circ }),\\V_{31}&=V_{3}-V_{1 }=(V_{\text{LN}}\ángulo 120^{\circ })-(V_{\text{LN}}\ángulo 0^{\circ })\\&={\sqrt {3}} V_{\text{LN}}\ángulo 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\ángulo (\phi _{V_{3}}+30^{\circ }).\ fin{alineado}}}$

(Φ _v1 es el desplazamiento de fase para el primer voltaje, comúnmente considerado como 0°; en este caso, Φ _v2 = −120° y Φ _v3 = −240° o 120°).

Más:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (30^{\circ }-\theta ),\\I_{23}&={\frac {V_{23}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (-90^{\circ }-\theta ),\\I_{31}&={\frac {V_{31}}{|Z_{\Delta }|}}\angle (150^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

donde θ es la fase de la impedancia delta ( Z _Δ ).

Los ángulos relativos se conservan, por lo que I ₃₁ se retrasa con respecto a I _{23 con respecto} a I ₁₂ en 120°. El cálculo de las corrientes de línea mediante la LCK en cada nodo delta da como resultado

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}\angle 120^{\circ }\\&={\sqrt {3}}I_{12}\angle (\phi _{I_{12}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta )\end{aligned}}}$

y lo mismo para cada otra línea:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle (\phi _{I_{23}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{23}\angle (-120^{\circ }-\theta ),\\I_{3}&={\sqrt {3}}I_{31}\angle (\phi _{I_{31}}-30^{\circ })={\sqrt {3}}I_{31}\angle (120^{\circ }-\theta ),\end{aligned}}}$

donde, nuevamente, θ es la fase de la impedancia delta ( Z _Δ ).

La inspección de un diagrama fasorial, o la conversión de la notación fasorial a la notación compleja, ilumina cómo la diferencia entre dos voltajes de línea a neutro produce un voltaje de línea a línea que es mayor por un factor de √ 3 . Como una configuración delta conecta una carga a través de las fases de un transformador, entrega la diferencia de voltaje de línea a línea, que es √ 3 veces mayor que el voltaje de línea a neutro entregado a una carga en la configuración en estrella. Como la potencia transferida es V ² / Z , la impedancia en la configuración delta debe ser 3 veces lo que sería en una configuración en estrella para que se transfiera la misma potencia.

Excepto en un sistema delta de patas altas y un sistema delta conectado a tierra en un vértice, las cargas monofásicas se pueden conectar a través de dos fases cualesquiera, o una carga se puede conectar de fase a neutro. ^[22] La distribución de cargas monofásicas entre las fases de un sistema trifásico equilibra la carga y permite un uso más económico de los conductores y transformadores.

En un sistema trifásico simétrico de cuatro conductores en estrella, los tres conductores de fase tienen el mismo voltaje con respecto al neutro del sistema. El voltaje entre los conductores de línea es √ 3 veces el voltaje del conductor de fase al neutro: ^[23]

${\displaystyle V_{\text{LL}}={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}.}$

Las corrientes que regresan de las instalaciones de los clientes al transformador de suministro comparten el cable neutro. Si las cargas se distribuyen uniformemente en las tres fases, la suma de las corrientes de retorno en el cable neutro es aproximadamente cero. Cualquier carga de fase desequilibrada en el lado secundario del transformador utilizará la capacidad del transformador de manera ineficiente.

Si se interrumpe el neutro de la alimentación, ya no se mantiene la tensión entre fases. Las fases con mayor carga relativa experimentarán una reducción de la tensión, y las fases con menor carga relativa experimentarán una elevación de la tensión, hasta alcanzar la tensión entre fases.

Un delta de alta tensión proporciona una relación de fase a neutro de VLL = 2  VLN  , sin embargo, la carga de LN se impone en una fase. ^{[15] La página de un fabricante de transformadores sugiere que la carga de LN} _{no exceda} el 5 % de la capacidad del transformador. ^[24]

Como √ 3 ≈ 1,73, al definir V _LN como 100% se obtiene V _LL ≈ 100% × 1,73 = 173% . Si V _LL se establece como 100%, entonces V _LN ≈ 57,7% .

Cuando las corrientes en los tres cables activos de un sistema trifásico no son iguales o no tienen un ángulo de fase exacto de 120°, la pérdida de potencia es mayor que en un sistema perfectamente equilibrado. El método de componentes simétricos se utiliza para analizar sistemas desequilibrados.

En las cargas lineales, el neutro solo transporta la corriente debido al desequilibrio entre las fases. Las lámparas de descarga de gas y los dispositivos que utilizan un condensador rectificador como las fuentes de alimentación conmutadas , las computadoras, los equipos de oficina y similares producen armónicos de tercer orden que están en fase en todas las fases de suministro. En consecuencia, dichas corrientes armónicas se suman en el neutro en un sistema en estrella (o en el transformador conectado a tierra (en zigzag) en un sistema delta), lo que puede hacer que la corriente del neutro supere la corriente de fase. ^{[22] [25]}

Una clase importante de carga trifásica es el motor eléctrico . Un motor de inducción trifásico tiene un diseño simple, un par de arranque inherentemente alto y una alta eficiencia. Dichos motores se aplican en la industria para muchas aplicaciones. Un motor trifásico es más compacto y menos costoso que un motor monofásico de la misma clase de voltaje y clasificación, y los motores de CA monofásicos de más de 10  hp (7,5 kW) son poco comunes. Los motores trifásicos también vibran menos y, por lo tanto, duran más que los motores monofásicos de la misma potencia utilizados en las mismas condiciones. ^[26]

Las cargas de calefacción resistivas, como las calderas eléctricas o la calefacción de espacios, pueden conectarse a sistemas trifásicos. La iluminación eléctrica también puede conectarse de manera similar.

El parpadeo de la frecuencia de línea en la luz es perjudicial para las cámaras de alta velocidad que se utilizan en la retransmisión de eventos deportivos para repeticiones en cámara lenta . Se puede reducir distribuyendo uniformemente las fuentes de luz que funcionan con frecuencia de línea en las tres fases, de modo que el área iluminada esté iluminada desde las tres fases. Esta técnica se aplicó con éxito en los Juegos Olímpicos de Pekín de 2008. ^[27]

Los rectificadores pueden utilizar una fuente trifásica para producir una salida de CC de seis pulsos. ^[28] La salida de estos rectificadores es mucho más suave que la monofásica rectificada y, a diferencia de la monofásica, no cae a cero entre pulsos. Estos rectificadores pueden usarse para cargar baterías, procesos de electrólisis como la producción de aluminio y el horno de arco eléctrico utilizado en la fabricación de acero , y para el funcionamiento de motores de CC. Los transformadores en zigzag pueden producir el equivalente a una rectificación de onda completa de seis fases, doce pulsos por ciclo, y este método se emplea ocasionalmente para reducir el costo de los componentes de filtrado, al tiempo que mejora la calidad de la CC resultante.

En muchos países europeos, las estufas eléctricas suelen estar diseñadas para una alimentación trifásica con conexión permanente. Las unidades de calefacción individuales suelen estar conectadas entre fase y neutro para permitir la conexión a un circuito monofásico si no hay disponible trifásica. ^[29] Otras cargas trifásicas habituales en el ámbito doméstico son los sistemas de calentamiento de agua sin tanque y los calentadores de almacenamiento . Las viviendas en Europa se han estandarizado en un nominal de 230 V ±10% entre cualquier fase y tierra. La mayoría de los grupos de casas se alimentan desde un transformador de calle trifásico para que los locales individuales con una demanda superior a la media puedan alimentarse con una conexión de segunda o tercera fase.

Los convertidores de fase se utilizan cuando es necesario que un equipo trifásico funcione con una fuente de alimentación monofásica. Se utilizan cuando no se dispone de energía trifásica o el coste no es justificable. Estos convertidores también pueden permitir variar la frecuencia, lo que permite controlar la velocidad. Algunas locomotoras de ferrocarril utilizan una fuente monofásica para accionar motores trifásicos alimentados a través de un accionamiento electrónico. ^[30]

Un convertidor de fase rotativo es un motor trifásico con disposiciones especiales de arranque y corrección del factor de potencia que produce voltajes trifásicos equilibrados. Cuando están diseñados adecuadamente, estos convertidores rotativos pueden permitir el funcionamiento satisfactorio de un motor trifásico con una fuente monofásica. En un dispositivo de este tipo, el almacenamiento de energía se realiza mediante la inercia (efecto volante) de los componentes giratorios. A veces se encuentra un volante externo en uno o ambos extremos del eje.

Un generador trifásico puede ser accionado por un motor monofásico. Esta combinación de motor y generador puede proporcionar una función de cambio de frecuencia, así como conversión de fase, pero requiere dos máquinas con todos sus gastos y pérdidas. El método de motor y generador también puede formar una fuente de alimentación ininterrumpida cuando se utiliza junto con un gran volante de inercia y un motor de CC alimentado por batería; dicha combinación proporcionará una potencia casi constante en comparación con la caída de frecuencia temporal que se experimenta con un grupo electrógeno de reserva hasta que se activa el generador de reserva.

Se pueden utilizar condensadores y autotransformadores para aproximar un sistema trifásico en un convertidor de fase estático, pero el voltaje y el ángulo de fase de la fase adicional solo pueden ser útiles para ciertas cargas.

Los variadores de frecuencia y los convertidores de fase digitales utilizan dispositivos electrónicos de potencia para sintetizar un suministro trifásico equilibrado a partir de una potencia de entrada monofásica.

La verificación de la secuencia de fases en un circuito es de considerable importancia práctica. Dos fuentes de energía trifásica no deben conectarse en paralelo a menos que tengan la misma secuencia de fases, por ejemplo, al conectar un generador a una red de distribución energizada o al conectar dos transformadores en paralelo. De lo contrario, la interconexión se comportará como un cortocircuito y fluirá una corriente excesiva. La dirección de rotación de los motores trifásicos se puede invertir intercambiando dos fases cualesquiera; puede resultar poco práctico o perjudicial probar una máquina energizando momentáneamente el motor para observar su rotación. La secuencia de fases de dos fuentes se puede verificar midiendo el voltaje entre pares de terminales y observando que los terminales con un voltaje muy bajo entre ellos tendrán la misma fase, mientras que los pares que muestran un voltaje más alto están en fases diferentes.

Cuando no se requiere la identidad absoluta de fase, se pueden utilizar instrumentos de prueba de rotación de fase para identificar la secuencia de rotación con una sola observación. El instrumento de prueba de rotación de fase puede contener un motor trifásico en miniatura, cuya dirección de rotación se puede observar directamente a través de la caja del instrumento. Otro patrón utiliza un par de lámparas y una red de cambio de fase interna para mostrar la rotación de fase. Otro tipo de instrumento se puede conectar a un motor trifásico desenergizado y puede detectar los pequeños voltajes inducidos por el magnetismo residual, cuando el eje del motor se gira con la mano. Una lámpara u otras luces indicadoras muestran la secuencia de voltajes en los terminales para la dirección dada de rotación del eje. ^[31]

Energía eléctrica de fase dividida

Se utiliza cuando no se encuentra disponible energía trifásica y permite suministrar el doble del voltaje de utilización normal para cargas de alta potencia.

Energía eléctrica bifásica

Utiliza dos voltajes de CA, con un desfase de 90 grados eléctricos entre ellos. Los circuitos bifásicos pueden cablearse con dos pares de conductores, o pueden combinarse dos cables, requiriendo solo tres cables para el circuito. Las corrientes en el conductor común se suman a 1,4 veces ( ) la corriente en las fases individuales, por lo que el conductor común debe ser más grande. Los sistemas bifásicos y trifásicos se pueden interconectar mediante un transformador Scott-T , inventado por Charles F. Scott . ^[32] Las primeras máquinas de CA, en particular los primeros generadores en las Cataratas del Niágara , utilizaban un sistema bifásico, y todavía existen algunos sistemas de distribución bifásicos remanentes, pero los sistemas trifásicos han desplazado al sistema bifásico para las instalaciones modernas.${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

Potencia monocíclica

Un sistema de energía bifásico modificado asimétrico utilizado por General Electric alrededor de 1897, defendido por Charles Proteus Steinmetz y Elihu Thomson . Este sistema fue ideado para evitar la infracción de patentes. En este sistema, un generador se enrollaba con un devanado monofásico de voltaje completo destinado a cargas de iluminación y con un devanado de fracción pequeña (generalmente 1/4 del voltaje de línea) que producía un voltaje en cuadratura con los devanados principales. La intención era utilizar este devanado adicional de "cable de energía" para proporcionar un par de arranque para motores de inducción, con el devanado principal proporcionando energía para cargas de iluminación. Después de la expiración de las patentes de Westinghouse sobre sistemas de distribución de energía bifásica y trifásica simétricos, el sistema monocíclico cayó en desuso; era difícil de analizar y no duró lo suficiente como para que se desarrollara una medición de energía satisfactoria.

Sistemas de alto orden de fase

Se han construido y probado para la transmisión de energía. Estas líneas de transmisión suelen utilizar seis o doce fases. Las líneas de transmisión de alto orden de fase permiten transferir una potencia ligeramente inferior a la proporcionalmente mayor a través de un volumen determinado sin el gasto de un convertidor de corriente continua de alto voltaje (HVDC) en cada extremo de la línea. Sin embargo, requieren, en consecuencia, más equipos.

corriente continua

Históricamente, se utilizaba la corriente alterna porque se podía transformar fácilmente en voltajes más altos para la transmisión a larga distancia. Sin embargo, la electrónica moderna puede aumentar el voltaje de la corriente continua con gran eficiencia, y la corriente continua carece de efecto pelicular , lo que permite que los cables de transmisión sean más livianos y económicos, por lo que la corriente continua de alto voltaje produce menores pérdidas en largas distancias.

Los conductores de un sistema trifásico suelen identificarse mediante un código de colores para facilitar el equilibrio de carga y garantizar la rotación de fases correcta de los motores . Los colores utilizados pueden cumplir con la Norma Internacional IEC 60446 (posteriormente IEC 60445 ), con normas más antiguas o con ninguna norma en absoluto y pueden variar incluso dentro de una misma instalación. Por ejemplo, en EE. UU. y Canadá, se utilizan diferentes códigos de colores para sistemas con y sin conexión a tierra.

• Neidhofer, Gerhard (2007). "La energía trifásica temprana [Historia]". Revista IEEE Power and Energy . 5 (5): 88–100. doi :10.1109/MPE.2007.904752. ISSN  1540-7977.

• Historia y cronología de la energía CA