Sistemas trifásicos.

Un sistema de corrientes trifásicas consta de tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que presentan una cierta diferencia de fase entre ellas, en torno a 120°, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las corrientes monofásicas que forman el sistema se designa con el nombre de fase.

Voltaje de las fases de un sistema trifásico. Entre cada una de las fases hay un desfase de 120º

Un sistema trifásico de tensiones se dice que es equilibrado cuando sus corrientes son iguales y están desfasados simétricamente.

Cuando alguna de las condiciones anteriores no se cumple (tensiones diferentes o distintos desfases entre ellas), el sistema de tensiones es un sistema desequilibrado o un sistema desbalanceado.

Recibe el nombre de sistema de cargas desequilibradas el conjunto de impedancias distintas que dan lugar a que por el receptor circulen corrientes de amplitudes diferentes o con diferencias de fase entre ellas distintas a 120°, aunque las tensiones del sistema o de la línea sean equilibradas o balanceadas.

El sistema trifásico presenta una serie de ventajas como son la economía de sus líneas de transporte de energía (hilos más finos que en una línea monofásica equivalente) y de los transformadores utilizados, así como su elevado rendimiento de los receptores, especialmente motores, a los que la línea trifásica alimenta con potencia constante y no pulsada, como en el caso de la línea monofásica.

Los generadores utilizados en centrales eléctricas son trifásicos, dado que la conexión a la red eléctrica ha de ser trifásica (salvo para centrales de poca potencia). La trifásica se usa mucho en industrias, donde las máquinas funcionan con motores para esta tensión.

Existen dos tipos de conexión; en triángulo y en estrella. En estrella, el neutro es el punto de unión de las fases.

Hoy en día se utilizan sistemas trifásicos para producir y distribuir la energía eléctrica. Esto presenta varias ventajas. La primera ventaja y, quizás la más significativa, es el ahorro que se obtiene al distribuir la energía eléctrica bajo un sistema trifásico. En un sistema trifásico tenemos dos tipos de tensiones diferentes, las tensiones de fases y las tensiones de líneas. Las tensiones de fases son las tensiones que existen entre cada fase y el neutro y, se denominan U10, U20 y U30, como se puede observar en el siguiente gráfico:

Las tensiones de línea son aquellas tensiones que existen entre diferentes fases. Estas tensiones se denominan U12, U23 y U31, como se puede observar en siguiente dibujo:

Como podréis imaginar, existe diferencias entre las tensiones de fases y las tensiones de línea. Las tensiones de líneas normalmente son √3 más elevadas que las tensiones de fases. Todo dependerá de como este conectado el generador. Puede estar conectado en estrella o en triágulo.

Al disponer de dos tensiones diferentes podemos dedicar la más elevada para la industria y la más baja para zonas residenciales o viviendas.

Además, tenemos que en la industria se utilizan máquinas eléctricas como son los transformadores, los motores trifásicos, etc.

Conceptos relacionados con el sistema trifásico.

En un sistema trifásico tenemos que tener claro ciertos conceptos y, además cada concepto tiene que ser interpretado según su contexto:

Fases o líneas de fase. Cuando se utiliza esta expresión es que nos estamos refiriendo a los tres conductores que conforman la línea o el tendido trifásico.

Tensión o voltaje de línea. Nos referimos a la tensión que hay entre dos fases.

Tensión o voltaje de fase. Nos referimos a la tensión que hay entre una fase y el neutro o la masa/tierra.

Voltaje trifásico. Nos referimos a la tensión de línea. Sistema desequilibrado o desbalanceado. También podemos encontrar

esta misma expresión expresada de otras maneras: corrientes desequilibradas o desbalanceadas, fases desequilibradas o desbalanceadas, etc. Cuando encontremos una expresión de este estilo quiere decir que no hay 120° de desplazamiento entre las diferentes

señales senoidales de fases y puede ser un serio problema porque estaremos cargando a una fase más que a otras.

Transformador de desplazamiento fase. Es un aparato o máquina eléctrica capaz de desplazar las fases. Se rige bajo el principio del transformador.

La secuencia de fases. Nos referimos al orden en que están colocadas las fases. Es importante conocer la secuencia de fases porque de ello dependerá el sentido de giro de un motor, por ejemplo.

Generador trifásico.

Una forma de producir un sistema de corriente trifásica es con un alternador o generador de tres bobinas, como el de la figura:

Las tres bobinas se encuentran soportadas en el estartor, mientras que el rotor esta imantado o lleva un electroimán para que genere el campo magnético y es la parte móvil del alternador. En los alternadores antiguos sucedía al revés, es decir, las bobinas se encontraban en el rotor y eran la parte móvil, esto tenía un inconveniente y es que se necesitaba un complejo sistema de colectores y escobillas para poder recoger las tensiones producidas. Los alternadores modernos, con las bobinas soportadas en el estartor son más económicos y fiables que los alternadores antiguos.

Los alternadores cuyo rotor lleva un electroimán, son alimentados con una fuente de corriente continua para activar el electroimán y poder generar el campo magnético.

Como se puede observar en el dibujo, del alternador de arriba, la distancia entre los centros de las bobinas es de 120°, gracias a ello tenemos tres

señales alternas diferentes y distanciadas entre si 120°, como se puede ver en el siguiente dibujo:

Ahora bien, de cada bobina, dibujo del alternador, se obtienen dos cables (no esta representado en el dibujo). Esto es útil saberlo porque un alternador lo podemos conectar en estrella o en triángulo. Pero, también hay que decir, que no tiene mucho sentido conectarlo en triángulo si lo que deseamos es utilizar un neutro. De hecho, lo más habitual es conectarlo en estrella.

Ahora bien, el generador trifásico se puede conectar de tres maneras diferentes: en estrella, en triángulo o con cada bobina de forma independiente.

Como se puede observar en el dibujo, tenemos un alternador conectado de forma independiente, es decir, cada bobina del alternador o generador se comporta como un generador monofásico. Con este sistema tenemos un sistema trifásico de 6 conductores.

En el supuesto que las resistencias o cargas sean iguales, tendremos que las tensiones estarán en fase con sus intensidades respectivas, y que habrá 120° de desfase entre las tensiones o intensidades.

Conexión en triángulo equilibrado.

En un sistema trifásico con una conexión en triángulo tenemos que las intensidades que aparecen entre las impedancias o resistencias se encuentran en fase con las respectivas tensiones de esas resistencias. Pero asimismo, existe un desfase de 120° entre estas intensidades. Lo mismo sucede con las tensiones, es decir, hay un desfase de 120°. Así tenemos, y para entendernos mejor, que las intensidades de fase: I12, I23 e I31 se encuentran en fase con sus respectivas tensiones, que son las generadas en cada línea: U12, U23 y U31.

Además, tenemos otras tres intensidades de línea: I1, I2 e I3 , a las cuales, si les aplicamos la ley de Kirchhoff, tendremos la siguiente relación entre intensidades de línea y fase:

El diagrama fasorial de las intensidades y su correspondencia lo podemos ver en el siguiente dibujo, que seguro nos aclarará los conceptos:

Como podemos observar en el diagrama fasorial, entre las intensidades: I1, I2 e I3 existe un desfase de 120°, lo mismo que sucede con las tres intensidades que atraviesan a las resistencias. Sin embargo, entre las intensidades: I1, I2 e I3 y las intensidades: I12, I23 e I31 existe un desfase de 30°. Esto lo vamos a aprovechar para emplear nuestros conocimientos de trigonometría y saber con exactitud la correspondencia existente entre las intensidades de fase y las intensidades de línea.

Escogiendo la primera relación entre intensidades:

y aplicando nuestros conocimientos en trigonometría, obtenemos el siguiente desarrollo ecuacional:

Lo cual, si generalizamos obtendremos la siguiente ecuación: