Energía eléctrica bifásica

Un sistema trifásico o monofásico de tres hilos es una forma de distribución de energía eléctrica monofásica . Es el equivalente en corriente alterna (CA) del sistema original de corriente continua (CC) de tres hilos desarrollado por Edison Machine Works . La principal ventaja de la distribución monofásica es que, para una capacidad de potencia determinada, requiere menos material conductor que un sistema monofásico de dos hilos. ^{[ 1 ]}

La distribución bifásica se utiliza ampliamente en Norteamérica para servicios residenciales y comerciales ligeros. Una instalación típica suministra dos líneas de 120 V CA desfasadas 180 grados entre sí (con respecto al neutro), junto con un conductor neutro compartido. El neutro se conecta a tierra en la toma central del transformador .

En Norteamérica, los circuitos domésticos estándar para iluminación y pequeños electrodomésticos se conectan entre una línea y el neutro, proporcionando 120 V. Los electrodomésticos de mayor consumo, como hornos, secadoras o calentadores de agua, se alimentan mediante circuitos de 240 V , conectados entre las dos líneas de 120 V. Estas cargas de 240 V se instalan mediante cableado fijo o utilizan tomacorrientes diseñados para no ser intercambiables con los de 120 V.

Los sistemas de fase partida también se utilizan en algunas aplicaciones especializadas para reducir el riesgo de descarga eléctrica o para minimizar el ruido electromagnético.

Un transformador que alimenta un sistema de distribución trifásico tiene un devanado de entrada monofásico (primario). El devanado de salida (secundario) tiene una toma central conectada a un neutro conectado a tierra . Como se muestra en la figura 1 , la tensión entre los extremos es la mitad de la tensión entre los extremos. La figura 2 ilustra el diagrama fasorial de las tensiones de salida para un transformador monofásico dividido. Dado que los dos fasores no definen una única dirección de rotación para un campo magnético giratorio , un transformador monofásico dividido no es un sistema bifásico.

En Estados Unidos y Canadá, esta práctica se originó con el sistema de distribución de corriente continua (CC) desarrollado por Thomas Edison . Al conectar pares o grupos de lámparas en serie en el mismo circuito y duplicar la tensión de alimentación, se redujo considerablemente el tamaño de los conductores. Cuando hay dos circuitos, cada uno con cargas distintas, el conductor común de ambos circuitos puede sustituirse por un único conductor conectado a la toma central de la tensión de alimentación, estabilizando así las tensiones de los circuitos derivados ante las variaciones que se producen al encender y apagar las cargas. La corriente que circula por el neutro es simplemente el desequilibrio de corriente que fluye de un grupo de cargas al otro. Esta disposición reduce el número de conductores de cuatro a tres, además de suponer un importante ahorro en mano de obra y materiales.

La tensión entre línea y neutro es la mitad de la tensión entre líneas. La iluminación y los pequeños electrodomésticos pueden conectarse entre un conductor de línea y el neutro. Los electrodomésticos de mayor potencia, como equipos de cocina, calefacción, calentadores de agua, secadoras de ropa, aires acondicionados y equipos de carga de vehículos eléctricos , se conectan a los dos conductores de línea. Esto significa que, para suministrar la misma cantidad de potencia, la corriente se reduce a la mitad. Se pueden utilizar conductores de menor calibre que los necesarios si los electrodomésticos estuvieran diseñados para funcionar con la tensión más baja. ^{[ 2 ]}

Si se garantizara que la carga estuviera equilibrada (con la misma corriente en cada línea), el conductor neutro no transportaría corriente y el sistema sería equivalente a un sistema de un solo extremo con el doble de voltaje, donde los cables de línea transportarían la mitad de la corriente. Esto no requeriría un conductor neutro, pero resultaría poco práctico para cargas variables; simplemente conectar los grupos en serie provocaría una variación excesiva de voltaje y brillo al encender y apagar las lámparas.

Al conectar los dos grupos de lámparas a un neutro, con un potencial intermedio entre las dos fases, cualquier desequilibrio en la carga será compensado por una corriente en el neutro, lo que proporciona una tensión prácticamente constante en ambos grupos. La corriente total que circula por los tres cables (incluido el neutro) siempre será el doble de la corriente de alimentación de la mitad con mayor carga.

Para tramos de cableado cortos, limitados por la capacidad de conducción de corriente del conductor , esto permite sustituir dos conductores de tamaño completo por tres conductores de tamaño reducido, utilizando el 75 % del cobre de un sistema monofásico equivalente.

Las longitudes de cableado están limitadas por el límite de caída de tensión permitido en los conductores. Dado que la tensión de alimentación se duplica, una carga equilibrada puede tolerar el doble de caída de tensión, lo que permite utilizar conductores de un cuarto de pulgada; esto consume 3/8 de la cantidad de cobre de un sistema monofásico equivalente.

En la práctica, se elige un valor intermedio. Por ejemplo, si el desequilibrio se limita al 25 % de la carga total (la mitad de la mitad) en lugar del peor caso absoluto del 50 %, entonces los conductores de 3/8 del tamaño monofásico garantizarán la misma caída de tensión máxima, lo que equivale a 9/8 de un conductor monofásico, el 56 % del cobre de los dos conductores monofásicos.

En un sistema de alimentación balanceada , también conocido como "alimentación técnica", se utiliza un transformador de aislamiento con toma central para crear una alimentación independiente con conductores a voltajes balanceados con respecto a tierra. El objetivo de un sistema de alimentación balanceada es minimizar el ruido que la fuente de alimentación transmite a los equipos sensibles.

A diferencia de un sistema de distribución trifásico, el neutro conectado a tierra no se distribuye a las cargas; solo se utilizan conexiones línea a línea a 120 V. Un sistema de alimentación balanceada se utiliza únicamente para la distribución especializada en estudios de producción de audio y video, radiodifusión sonora y televisiva, e instalaciones de instrumentos científicos sensibles.

El Código Eléctrico Nacional de EE. UU. establece normas para las instalaciones eléctricas técnicas. ^{[ 3 ]} Estos sistemas no deben utilizarse para iluminación de uso general ni para otros equipos, y pueden emplear tomas especiales para garantizar que solo se conecten al sistema equipos aprobados. Además, los sistemas eléctricos técnicos prestan especial atención a la forma en que se conecta a tierra el sistema de distribución.

Un riesgo al usar un sistema de alimentación balanceada en una instalación que también utiliza alimentación convencional en las mismas habitaciones es que el usuario pueda interconectar inadvertidamente ambos sistemas a través de un sistema intermedio de equipos de audio o video, cuyos componentes podrían estar conectados a sistemas de alimentación diferentes. Esta posibilidad se puede reducir mediante el etiquetado adecuado de las tomas de corriente balanceadas y el uso de un tipo de toma de corriente para el sistema balanceado que sea físicamente diferente a la del sistema de alimentación convencional, para así diferenciarlos aún más.

En la electrificación ferroviaria se utiliza energía eléctrica bifásica en líneas de alta velocidad con electrificación ferroviaria de 25 kV CA. Dos conductores separados recorren la vía: el conductor de contacto para la locomotora y un conductor de alimentación eléctricamente independiente. Cada conductor recibe 25  kV con respecto a tierra (la toma central está conectada a tierra), con una diferencia de potencial de 50  kV entre ellos. Los autotransformadores a lo largo de la vía equilibran las cargas entre los conductores de contacto y de alimentación, y un polo se alimenta a una sección de catenaria, mientras que el otro conductor se utiliza para otra sección, reduciendo así las pérdidas resistivas. Véase: Electrificación ferroviaria de 25 kV CA n.° 2, sistema de autotransformadores de 25 kV.

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