Energía eléctrica trifásica

La energía eléctrica trifásica (abreviada 3ϕ ) ^{[ 1 ]} es la forma más utilizada de corriente alterna (CA) para la generación , transmisión y distribución de electricidad . ^{[ 2 ]} Es un tipo de sistema polifásico que utiliza tres cables (o cuatro, si se incluye un retorno neutro; sin contar ningún conductor de protección) y es el método estándar mediante el cual las redes eléctricas suministran energía en todo el mundo.

En un sistema trifásico, cada una de las tres fases está desfasada 120 grados con respecto a las demás. Esta configuración produce un flujo de energía más constante en comparación con los sistemas monofásicos , lo que lo hace especialmente eficiente para transmitir electricidad a largas distancias y para alimentar cargas pesadas como maquinaria industrial. Al ser un sistema de corriente alterna (CA), los voltajes se pueden aumentar o disminuir fácilmente con transformadores , lo que permite la transmisión de alta tensión y la distribución de baja tensión con pérdidas mínimas.

Los circuitos trifásicos también son más económicos: un sistema de tres hilos puede transmitir más potencia que un sistema monofásico de dos hilos con la misma tensión entre fases, utilizando menos material conductor. ^{[ 3 ]} Más allá de la transmisión, la energía trifásica se utiliza comúnmente para alimentar grandes motores de inducción , otros motores eléctricos y cargas industriales pesadas, mientras que los dispositivos más pequeños y los equipos domésticos suelen depender de circuitos monofásicos derivados de la misma red.

La energía eléctrica trifásica fue desarrollada por primera vez en la década de 1880 por varios inventores y, desde entonces, ha seguido siendo la base de los sistemas eléctricos modernos.

Los conductores entre una fuente de tensión y una carga , excluyendo aquellos que cumplen funciones de neutro , punto medio y protección , se denominan conductores de línea . ^{[ 4 ]}

La tensión entre dos conductores de línea cualesquiera se denomina tensión línea-línea , mientras que la tensión medida entre cualquier conductor de línea y un conductor neutro se denomina tensión línea-neutro , según la sección 195 de la norma IEC 60050. ^{[ 5 ]} Otras secciones definen variaciones de estos términos; la sección 601 incluye tensión fase-fase y tensión fase-neutro , ^{[ 6 ]} y la sección 141 incluye tensión línea-línea polifásica y tensión línea-neutro polifásica . ^{[ 7 ]} Algunos libros de texto de electricidad contienen los términos tensión de línea (equivalente a línea-línea) y tensión fase (equivalente a línea-neutro). ^{[ 8 ] [ 9 ]}

La tensión del sistema se suele expresar en la forma X/Y, como se indica en la norma IEC 60038 , donde X es la tensión entre fase y neutro, e Y es la tensión entre fases. Por ejemplo, en países con  una tensión nominal de 230 V (entre fase y neutro), donde la tensión entre fases es de 400  V, esto se puede expresar como 230/400  V.

Los devanados de los transformadores constan de configuraciones delta (a menudo simbolizada como 'Δ') o estrella (a menudo simbolizada como 'Y'), según la terminología de la norma IEC 60050. La configuración en estrella se conoce más comúnmente como configuración en Y en los EE. UU. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Los sistemas de energía polifásica fueron inventados independientemente por Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson , William Stanley Jr. y Nikola Tesla a finales de la década de 1880. ^{[ 12 ]}

La energía trifásica surgió del desarrollo del motor eléctrico. En 1885, Galileo Ferraris investigaba campos magnéticos rotatorios . Ferraris experimentó con diferentes tipos de motores eléctricos asíncronos . Su investigación y sus estudios dieron como resultado el desarrollo de un alternador , que puede considerarse un motor de corriente alterna que funciona en sentido inverso, para convertir la energía mecánica (rotatoria) en energía eléctrica (en forma de corriente alterna). El 11 de marzo de 1888, Ferraris publicó su investigación en un artículo para la Real Academia de Ciencias de Turín . ^{[ 13 ]}

Dos meses después, Nikola Tesla obtuvo la patente estadounidense número 381.968 para un diseño de motor eléctrico trifásico, cuya solicitud se presentó el 12 de octubre de 1887. La figura 13 de esta patente muestra que Tesla preveía que su motor trifásico se alimentaría desde el generador mediante seis cables.

Estos alternadores funcionaban creando sistemas de corrientes alternas desfasadas entre sí en cantidades definidas, y dependían de campos magnéticos giratorios para su funcionamiento. La fuente de energía polifásica resultante pronto gozó de gran aceptación. La invención del alternador polifásico es clave en la historia de la electrificación, al igual que la del transformador de potencia. Estos inventos permitieron transmitir energía eléctrica por cable de forma económica a distancias considerables. La energía polifásica posibilitó el uso de la energía hidráulica (a través de centrales hidroeléctricas en grandes represas) en lugares remotos, permitiendo así convertir la energía mecánica del agua en caída en electricidad, que luego podía alimentarse a un motor eléctrico en cualquier lugar donde se necesitara realizar trabajo mecánico. Esta versatilidad impulsó el crecimiento de las redes de transmisión de energía en continentes de todo el mundo.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló un generador eléctrico trifásico y un motor eléctrico trifásico en 1888 y estudió conexiones estrella y triángulo. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Su sistema de transmisión trifásico de tres cables se exhibió en 1891 en Alemania en la Exposición Electrotécnica Internacional , donde Dolivo-Dobrovolsky 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 ( jaula de ardilla ) . ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Diseñó la primera central hidroeléctrica trifásica del mundo en 1891. ^{[ 20 ]} El inventor Jonas Wenström recibió en 1890 una patente sueca sobre el mismo sistema trifásico. ^{[ 21 ]} En la mina de Grängesberg se exploró la posibilidad de transferir energía eléctrica desde una cascada a distancia .Se seleccionó una caída de 45 m  en Hällsjön, Smedjebackens kommun, donde se ubicaba una pequeña fundición de hierro. En 1893, se construyó un sistema trifásico.El sistema de 9,5 kV  se utilizó para transferir 400 caballos de fuerza (300 kW) a una distancia de 15 km (10 millas), convirtiéndose en la primera aplicación comercial. ^{[ 22 ]}  

En un sistema de alimentación trifásico simétrico, tres conductores transportan una corriente alterna de la misma frecuencia y amplitud de voltaje con respecto a una referencia común, pero con una diferencia de fase de un tercio de ciclo (es decir, 120 grados desfasados) entre cada uno. La referencia común generalmente se conecta a tierra y, a menudo, a un conductor portador de corriente llamado neutro. Debido a la diferencia de fase, el voltaje en cualquier conductor alcanza su valor máximo un tercio de ciclo después de uno de los otros conductores y un tercio de ciclo antes del conductor restante. Este desfase 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 configuraciones de fase utilizando transformadores (por ejemplo, un sistema bifásico utilizando un transformador Scott-T ). La amplitud de la diferencia de voltaje entre dos fases es${\displaystyle {\sqrt {3}}=1.732\ldots }$veces la amplitud del voltaje de las fases individuales.

Los sistemas trifásicos simétricos que se describen aquí se denominan simplemente sistemas trifásicos porque, si bien es posible diseñar e implementar sistemas de potencia trifásicos asimétricos (es decir, con voltajes desiguales o desfases), 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 magnitud de la corriente en cada conductor es igual a la suma de las corrientes en los otros dos, pero con signo opuesto. El camino de retorno para 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 una. Sin embargo, los sistemas bifásicos no tienen cancelación de corriente neutra y, por lo tanto, utilizan los conductores de forma menos eficiente, y más de tres fases complican innecesariamente la infraestructura. Además, en algunos generadores y motores prácticos, dos fases pueden dar como resultado un par menos uniforme (pulsante). ^{[ 23 ]}

Los sistemas trifásicos pueden tener un cuarto conductor, común en la distribución de baja tensión. Este es el conductor neutro . El neutro permite suministrar tres alimentaciones monofásicas independientes a tensión constante y se utiliza habitualmente para alimentar múltiples cargas monofásicas . Las conexiones se disponen de forma que, en la medida de lo posible, cada fase reciba la misma potencia. Más arriba en el sistema de distribución , las corrientes suelen estar bien equilibradas. Los transformadores pueden estar cableados con un secundario de cuatro conductores y un primario de tres, lo que permite cargas desequilibradas y las correspondientes corrientes neutras en el lado secundario.

En comparación con una fuente de alimentación de CA monofásica que utiliza dos conductores portadores de corriente sin neutro, una fuente de alimentación trifásica sin neutro y con la misma tensión entre fases puede transmitir la misma potencia utilizando solo 0,75 veces más material conductor. ^{[ 3 ]}

Los sistemas de alimentación trifásicos poseen propiedades que los hacen deseables en los sistemas de distribución de energía eléctrica:

• Las corrientes de fase tienden a anularse entre sí, sumándose a cero en el caso de una carga lineal equilibrada, lo que permite reducir el tamaño del conductor neutro, ya que transporta poca o ninguna corriente. Con una carga equilibrada, todos los conductores de fase transportan la misma corriente y, por lo tanto, pueden tener el mismo tamaño.
• La transferencia de potencia a una carga lineal equilibrada es constante, lo que, en aplicaciones de motores/generadores, 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 los motores eléctricos, ya que no se requiere un circuito de arranque.

Sin embargo, la mayoría de las cargas son monofásicas. En Norteamérica, las viviendas unifamiliares y los apartamentos individuales reciben alimentación monofásica de la red eléctrica y utilizan un sistema de fase dividida hasta el cuadro de distribución, desde donde la mayoría de los circuitos derivados reciben 120  V. Los circuitos diseñados para aparatos de mayor potencia, como cocinas, secadoras o tomas de corriente para vehículos eléctricos, reciben 240  V.

En Europa, la alimentación trifásica se suministra normalmente al cuadro eléctrico y, posteriormente, a los dispositivos de mayor potencia.

Imagen izquierda: alternador trifásico elemental de seis cables, donde cada fase utiliza un par de cables de transmisión independiente. ^{[ 24 ]} Imagen derecha: alternador trifásico elemental de tres cables que muestra cómo las fases pueden compartir solo tres cables. ^{[ 25 ]}

En la central eléctrica , un generador eléctrico convierte la energía mecánica en tres corrientes alternas , una proveniente de cada bobina. Las bobinas están dispuestas de manera que las corrientes tengan la misma frecuencia, pero con los picos y valles de sus ondas desfasados ​​para generar 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 modifican la tensión de los generadores a un nivel adecuado para la transmisión , con el fin de minimizar las pérdidas.

Tras realizar conversiones de voltaje adicionales en la red de transmisión, el voltaje se transforma finalmente al estándar de utilización antes de que se suministre energía a los clientes.

La mayoría de los alternadores automotrices generan corriente alterna trifásica y la rectifican a corriente continua con un puente de diodos . ^{[ 26 ]}

Un devanado de transformador en configuración delta conecta las fases de un sistema trifásico directamente entre sí. Un transformador en configuración estrella conecta cada devanado de fase a un punto central (neutro) común.

Se puede utilizar un transformador trifásico o tres transformadores monofásicos.

En un sistema en delta abierto o en V, solo se utilizan dos transformadores. Un delta cerrado compuesto por tres transformadores monofásicos puede funcionar como un delta abierto si uno de los transformadores falla o necesita ser retirado. ^{[ 27 ]} En el delta abierto, cada transformador debe suministrar corriente para sus respectivas fases, así como para la tercera fase; por lo tanto, la capacidad se reduce al 87 %. Si falta uno de los tres transformadores y los dos restantes funcionan con una eficiencia del 87 %, la capacidad es del 58 % ( 2/3 del 87 %). ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Cuando un sistema alimentado en delta debe conectarse a tierra para la detección de corrientes parásitas a tierra o para la protección contra sobretensiones, se puede conectar un transformador de puesta a tierra (generalmente un transformador en zigzag ) para permitir que las corrientes de falla a tierra regresen de cualquier fase a tierra. Otra variante es un sistema delta con puesta a tierra en una esquina, que es un delta cerrado conectado a tierra en una de las uniones de los transformadores. ^{[ 30 ]}

Existen dos configuraciones trifásicas básicas: estrella y triángulo. Como se muestra en el diagrama, una configuración triángulo requiere solo tres cables para la transmisión, mientras que una configuración estrella puede tener un cuarto cable. Este cuarto cable, si está presente, actúa como neutro y normalmente está conectado a tierra. Las denominaciones de tres y cuatro cables no incluyen el cable de tierra presente en muchas líneas de transmisión, cuya función es únicamente la protección contra fallas y no transporta corriente en condiciones normales de uso.

Se obtiene un sistema de cuatro hilos con tensiones simétricas entre fase y neutro cuando el neutro se conecta al punto neutro común de todos los devanados de alimentación. En dicho sistema, las tres fases tendrán la misma magnitud de tensión con respecto al neutro. También se han utilizado otros sistemas asimétricos.

El sistema de estrella de cuatro hilos se utiliza cuando se debe alimentar una combinación 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 alimentarse solo de 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 alimentación trifásica para cada ubicación de manera que la potencia consumida de cada una de las tres fases sea la misma, en la medida de lo posible, en ese sitio. ^{[ 31 ]} Los ingenieros eléctricos también intentan organizar la red de distribución de manera que las cargas estén lo más equilibradas posible, ya que los mismos principios que se aplican a las instalaciones individuales también se aplican al sistema de distribución de energía a gran escala. Por lo tanto, las autoridades de suministro hacen todo lo posible para distribuir la potencia consumida en cada una de las tres fases entre un gran número de instalaciones para que, en promedio, se observe 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 un neutro con una corriente alta (hasta 100 A ) a una sola vivienda, mientras que otros como Alemania pueden suministrar tres fases y un neutro a cada cliente, pero con un fusible de menor capacidad, normalmente de 40 a 63 A por fase, y "rotados" para evitar que se tienda a aplicar una mayor carga a la primera fase.  

Basado en conexión estrella y triángulo. Generalmente, existen cuatro tipos diferentes de conexiones de bobinado de transformadores trifásicos para fines de transmisión y distribución:

• Estrella – Estrella, utilizada para corrientes pequeñas y voltajes altos,
• Delta – Delta, utilizado para grandes corrientes y bajos voltajes,
• Delta – Estrella, utilizado para transformadores elevadores, es decir, en centrales generadoras,
• Estrella-triángulo, utilizada para transformadores reductores, es decir, al final de la transmisión.

En Norteamérica, a veces se utiliza una alimentación delta de alta tensión donde un devanado de un transformador conectado en delta que alimenta la carga tiene una toma central, la cual está conectada a tierra y funciona como neutro, como se muestra en el segundo diagrama. Esta configuración produce tres tensiones diferentes: si la tensión entre la toma central (neutro) y cada una de las tomas superior e inferior (fase y contrafase) es de 120 V (100 %), la tensión entre las líneas de fase y contrafase es de 240 V (200 %), y la tensión entre el neutro y la "pata alta" es de aproximadamente 208 V (173 %). ^{[ 27 ]}    

La razón para proporcionar una alimentación en configuración delta suele ser para alimentar motores grandes que requieren un campo giratorio. Sin embargo, las instalaciones en cuestión también requerirán las  fuentes de alimentación "normales" de 120 V de Norteamérica, dos de las cuales se derivan (  con un desfase de 180 grados) 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 deducir relaciones entre la tensión y la corriente entre líneas, y entre la tensión y la corriente de carga para cargas conectadas en estrella y en triángulo.

En un sistema equilibrado, cada línea producirá magnitudes de voltaje iguales en ángulos de fase igualmente espaciados entre sí. Con V ₁ como nuestra referencia y V ₃ retrasado con respecto a V ₂ retrasado con respecto a V ₁ , utilizando la notación angular , y V _LN el voltaje de línea a neutro, tenemos: ^{[ 32 ]}

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

Estos voltajes se aplican a una carga conectada en estrella o en triángulo.

Estrella

La tensión que ve la carga dependerá de la conexión de la carga; para el caso de estrella, conectar cada carga a una tensión de línea a neutro da ^{[ 32 ]}

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

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

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

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

Delta

En el circuito delta, las cargas están conectadas a través de las líneas, por lo que las cargas ven voltajes de línea a línea: ^{[ 32 ]}

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

(Φ _v1 es el desfase para la primera tensión, que normalmente se considera de 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 está retrasado con respecto a I ₂₃ y a su vez con respecto a I ₁₂ en 120°. El cálculo de las corrientes de línea mediante la ley de Kirchhoff de las corrientes 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 de forma similar para cada una de las demás líneas:

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

donde, de nuevo, 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, ilustra cómo la diferencia entre dos tensiones de línea a neutro produce una tensión de línea a línea que es mayor por un factor de √3 . Cuando una configuración delta conecta una carga a través de las fases de un transformador, proporciona una diferencia de tensión de línea a línea que es √3 veces mayor que la tensión de línea a neutro suministrada a una carga en la configuración estrella. Dado que la potencia transferida es V2 / ^{Z , la impedancia en la configuración delta debe ser} 3 veces mayor que la que tendría en una configuración estrella para que se transfiera la misma potencia.

Excepto en un sistema delta de rama alta y un sistema delta con conexión a tierra en esquina, las cargas monofásicas pueden conectarse entre dos fases cualesquiera, o bien una carga puede conectarse de fase a neutro. ^{[ 34 ]} La distribución de cargas monofásicas entre las fases de un sistema trifásico equilibra la carga y permite un uso más económico de conductores y transformadores.

En un sistema trifásico simétrico de cuatro hilos en estrella, los conductores trifásicos tienen la misma tensión respecto al neutro del sistema. La tensión entre líneas es √ 3 veces la tensión entre línea y neutro: ^{[ 35 ]}

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

Las corrientes que regresan desde las instalaciones de los clientes al transformador de suministro comparten el conductor neutro. Si las cargas se distribuyen uniformemente en las tres fases, la suma de las corrientes que regresan por el conductor neutro es aproximadamente cero. Cualquier carga desequilibrada en el lado secundario del transformador hará que su capacidad se utilice de forma ineficiente.

Si se interrumpe el neutro de la alimentación, la tensión entre línea y neutro deja de mantenerse. Las fases con mayor carga relativa experimentarán una tensión reducida, y las fases con menor carga relativa experimentarán una tensión elevada, hasta alcanzar la tensión entre línea.

Un delta de rama alta proporciona una relación fase-neutro de V _LL = 2 V _LN ; sin embargo, la carga de LN se impone en una fase. ^{[ 27 ]} La página de un fabricante de transformadores sugiere que la carga de LN no exceda el 5 % de la capacidad del transformador. ^{[ 36 ]}

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

Un tipo importante de carga trifásica es el motor eléctrico . Un motor de inducción trifásico tiene un diseño sencillo, un par de arranque inherentemente alto y una alta eficiencia. Estos motores se utilizan en la industria para numerosas aplicaciones. Un motor trifásico es más compacto y menos costoso que un motor monofásico de la misma tensión y potencia, 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. ^{[ 38 ]}  

Las cargas térmicas resistivas, como las calderas eléctricas o los sistemas de calefacción, pueden conectarse a sistemas trifásicos. La iluminación eléctrica también puede conectarse de forma similar.

El parpadeo de frecuencia lineal en la luz es perjudicial para las cámaras de alta velocidad utilizadas en la transmisión de eventos deportivos para repeticiones a cámara lenta . Se puede reducir distribuyendo uniformemente las fuentes de luz que funcionan con frecuencia lineal entre las tres fases, de modo que el área iluminada reciba luz de las tres fases. Esta técnica se aplicó con éxito en los Juegos Olímpicos de Pekín 2008. ^{[ 39 ]}

Los rectificadores pueden utilizar una fuente trifásica para producir una salida de CC de seis pulsos. ^{[ 40 ]} La salida de dichos rectificadores es mucho más suave que la rectificación monofásica y, a diferencia de esta, no cae a cero entre pulsos. Estos rectificadores pueden utilizarse para la carga de 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 realizar el equivalente a una rectificación de onda completa de seis fases, doce pulsos por ciclo, y este método se emplea ocasionalmente para reducir el coste de los componentes de filtrado, al tiempo que mejora la calidad de la CC resultante.

En muchos países europeos, las estufas eléctricas suelen diseñarse para una alimentación trifásica con conexión permanente. Las unidades de calefacción individuales a menudo se conectan entre fase y neutro para permitir la conexión a un circuito monofásico si no se dispone de trifásico. ^{[ 41 ]} Otras cargas trifásicas habituales en el ámbito doméstico son los sistemas de calentamiento de agua instantáneo y los calentadores de acumulación . En Europa, las viviendas han estandarizado una tensión nominal de 230  V  ±10 % entre cualquier fase y tierra. La mayoría de los grupos de viviendas se alimentan desde un transformador de calle trifásico, de modo que las viviendas individuales con una demanda superior a la media pueden alimentarse con una conexión de segunda o tercera fase.

Los convertidores de fase se utilizan cuando se requiere alimentar equipos trifásicos con una fuente de alimentación monofásica. Se emplean cuando no se dispone de alimentación trifásica o su costo no se justifica. Estos convertidores también permiten variar la frecuencia, posibilitando el control de velocidad. Algunas locomotoras ferroviarias utilizan una fuente monofásica para accionar motores trifásicos mediante un variador electrónico. ^{[ 42 ]}

Un convertidor de fase rotativo es un motor trifásico con un sistema especial de arranque y corrección del factor de potencia que genera tensiones trifásicas equilibradas. Con un diseño adecuado, estos convertidores permiten el funcionamiento satisfactorio de un motor trifásico alimentado con una fuente monofásica. En este tipo de dispositivo, el almacenamiento de energía se realiza mediante la inercia (efecto volante) de los componentes giratorios. En ocasiones, se incorpora un volante externo en uno o ambos extremos del eje.

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

Los condensadores y los autotransformadores pueden utilizarse para aproximar un sistema trifásico en un convertidor de fase estático, pero la tensión y el ángulo de fase de la fase adicional solo pueden ser útiles para determinadas cargas.

Los variadores de frecuencia y los convertidores de fase digitales utilizan dispositivos electrónicos de potencia para sintetizar una alimentación trifásica equilibrada a partir de una alimentación monofásica de entrada.

La verificación de la secuencia de fases en un circuito es de gran 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 circulará una corriente excesiva. El sentido de giro de los motores trifásicos puede invertirse intercambiando dos fases cualesquiera; puede resultar poco práctico o incluso peligroso probar una máquina energizando momentáneamente el motor para observar su rotación. La secuencia de fases de dos fuentes puede verificarse midiendo la tensión entre pares de terminales y observando que los terminales con una tensión muy baja entre ellos tendrán la misma fase, mientras que los pares que muestran una tensión mayor están en fases diferentes.

Cuando no se requiere la identidad de fase absoluta, 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 carcasa del instrumento. Otro modelo utiliza un par de lámparas y una red interna de desplazamiento de fase para mostrar la rotación de fase. Otro tipo de instrumento se puede conectar a un motor trifásico desenergizado y puede detectar las pequeñas tensiones inducidas por el magnetismo residual cuando el eje del motor gira manualmente. Una lámpara u otro indicador luminoso muestra la secuencia de tensiones en los terminales para la dirección de rotación del eje dada. ^{[ 43 ]}

Energía eléctrica bifásica

Se utiliza cuando no se dispone de alimentación trifásica y permite suministrar el doble de la tensión de utilización normal para cargas de alta potencia.

Energía eléctrica bifásica

Utiliza dos voltajes CA, con un desfase de 90 grados eléctricos entre ellos. Los circuitos bifásicos pueden cablearse con dos pares de conductores, o se pueden combinar dos cables, requiriendo solo tres cables para el circuito. Las corrientes en el conductor común suman 1,4 veces (${\displaystyle {\sqrt {2}}}$) la corriente en las fases individuales, por lo que el conductor común debe ser más grande. Los sistemas bifásicos y trifásicos pueden interconectarse mediante un transformador Scott-T , inventado por Charles F. Scott . ^{[ 44 ]} Las primeras máquinas de CA, en particular los primeros generadores en las Cataratas del Niágara , utilizaban un sistema bifásico, y aún existen algunos sistemas de distribución bifásicos remanentes, pero los sistemas trifásicos han reemplazado al sistema bifásico para las instalaciones modernas.

Potencia monocíclica

Un sistema de potencia bifásico modificado asimétrico utilizado por General Electric alrededor de 1897, impulsado por Charles Proteus Steinmetz y Elihu Thomson . Este sistema fue ideado para evitar la infracción de patentes. En este sistema, un generador estaba bobinado con un devanado monofásico de voltaje completo destinado a cargas de iluminación y con un pequeño devanado (generalmente 1/4 del voltaje de línea a línea) que producía un voltaje en cuadratura con los devanados principales. La intención era utilizar este devanado adicional, denominado "cable de potencia", para proporcionar el par de arranque a los motores de inducción, mientras que el devanado principal suministraba energía a las cargas de iluminación. Tras la expiración de las patentes de Westinghouse sobre sistemas de distribución de energía bifásicos y trifásicos 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 fases permiten transferir una potencia ligeramente inferior a la proporcionalmente mayor a través de un volumen determinado sin el coste de un convertidor de corriente continua de alta tensión (HVDC) en cada extremo de la línea. Sin embargo, requieren, en consecuencia, más equipos.

corriente continua

Históricamente, la corriente alterna (CA) se utilizaba porque podía transformarse fácilmente a voltajes más altos para la transmisión a larga distancia. Sin embargo, la electrónica moderna permite elevar el voltaje de la corriente continua (CC) con alta eficiencia, y la CC carece del efecto pelicular , lo que permite que los cables de transmisión sean más ligeros y económicos. Por lo tanto, la corriente continua de alto voltaje genera menores pérdidas en largas distancias.

Los conductores de un sistema trifásico suelen identificarse mediante un código de colores para facilitar la distribución equilibrada de la carga y asegurar la correcta rotación de fase de los motores . Los colores utilizados pueden ajustarse a la norma internacional IEC 60446 (posteriormente IEC 60445 ), a normas anteriores o no estar sujetos a ninguna norma, e incluso pueden variar dentro de una misma instalación. Por ejemplo, en Estados Unidos y Canadá se utilizan códigos de colores diferentes para sistemas con y sin conexión a tierra.

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

• Historia y cronología de la energía de corriente alterna.