Corriente alterna trifásica

Hoy en día, es el sistema de corriente alterna trifásica más común en todo el mundo.

Se denomina circuito eléctrico trifásico a un sistema formado por tres circuitos en los que operan corrientes alternas, FEM de la misma frecuencia, desfasadas entre sí por 1/3 del periodo (φ=2π/ 3). Cada circuito individual de dicho sistema se denomina brevemente su fase, y el sistema de tres corrientes alternas desfasadas en dichos circuitos se denomina simplemente corriente trifásica.

Casi todos los generadores instalados en nuestras centrales eléctricas son generadores de corriente trifásica... En esencia, cada uno de estos generadores es una conexión en una máquina eléctrica de tres alternadores, diseñados de tal manera que la inducida en ellos campos electromagnéticos desplazados entre sí por un tercio del período como se muestra en la fig. 1.

Arroz. 1. Gráficos de la dependencia del tiempo de la FEM inducida en los devanados del inducido de un generador de corriente trifásico

Cómo se implementa dicho generador es fácil de entender a partir del circuito de la fig. 2.

Arroz. 2. Tres pares de cables independientes conectados a tres armaduras de un generador de corriente trifásico alimentan la red de iluminación

Hay tres armaduras independientes ubicadas en el estator de una máquina eléctrica y desplazadas por 1/3 de un círculo (120O). Un inductor común a todas las armaduras gira en el centro de la máquina eléctrica que se muestra en el diagrama en la forma imán permanente.

En cada bobina se induce una EMF alterna misma frecuencia, pero los momentos en que estas fem pasan por cero (o por el máximo) en cada una de las bobinas se desplazarán 1/3 de un período entre sí porque el inductor pasa a través de cada bobina 1/3 de un período más tarde del anterior.

Cada devanado de un generador trifásico es un generador de corriente independiente y una fuente de energía eléctrica. Conectando los cables a los extremos de cada uno como se muestra en la fig. 2, obtendríamos tres circuitos independientes, cada uno de los cuales podría alimentar ciertos receptores eléctricos, por ejemplo lamparas electricas.

En este caso, para transferir toda la energía que se absorbe receptores electricos, se requerirán seis cables. Sin embargo, es posible conectar los devanados de un generador de corriente trifásico de tal manera que manejen cuatro o incluso tres hilos, es decir, se ahorre mucho cableado.

La primera de estas formas se llama conexión en estrella (Fig. 3).

Arroz. 3. Sistema de cableado de cuatro hilos cuando se conecta un generador trifásico con una estrella. Las cargas (grupos de lámparas eléctricas I, II, III) se alimentan con voltajes de fase.

Llamaremos a los terminales de las bobinas 1, 2, 3 el principio, y a los terminales 1', 2', 3' los extremos de las respectivas fases.

La conexión de las estrellas es que conectamos los extremos de todos los devanados a un punto del generador, que se llama punto cero o neutro, y conectamos el generador a los receptores de electricidad con cuatro cables: tres llamados lineales cables provenientes del inicio de los devanados 1, 2, 3 y cable neutro o neutral que va desde el punto cero del generador. Este sistema de cableado se llama cuatro hilos.

Las tensiones entre el punto cero y el origen de cada fase se denominan tensiones de fase, y las tensiones entre el origen de los devanados, es decir, los puntos 1 y 2, 2 y 3, 3 y 1, se denominan de línea... Fase los voltajes generalmente significan U1, U2, U3 o, en general, Uf, y el voltaje de línea: U12, U23, U31 o, en general, Ul.

Entre amplitudes o valores medios tensión de fase y de línea al conectar los devanados del generador con una estrella, existe una relación Ul = √3Uf ≈ 1.73Ue

Entonces, por ejemplo, si el voltaje de fase del generador es Uf = 220 V, entonces, al conectar los devanados del generador en una estrella, el voltaje de línea Ul — 380 V.

En el caso de carga uniforme de las tres fases del generador, es decir, con corrientes aproximadamente iguales en cada una de ellas, la corriente en el cable neutro es cero... Por lo tanto, en este caso, puede quitar el cable neutro y cambie a un sistema de tres hilos aún más económico. En este caso, todas las cargas están conectadas entre los correspondientes pares de conductores de línea.

En una carga desequilibrada, la corriente en el conductor neutro no es cero, pero en términos generales es menor que la corriente en los conductores de línea. Por lo tanto, el cable neutro puede ser más delgado que el cable de línea.

Al operar con corriente alterna trifásica, se esfuerzan por hacer que la carga en las diferentes fases sea lo más igual posible.Es por eso que, por ejemplo, cuando se dispone la red de iluminación de una casa grande con un sistema de cuatro hilos, se introduce un cable neutro y uno de los lineales en cada apartamento de tal manera que en promedio cada fase tiene aproximadamente el mismo carga.

Otra forma de conectar los devanados del generador, que también permite el cableado de tres hilos, es la conexión delta que se muestra en la fig. 4.

Arroz. 4. Diagrama de conexión de los devanados de un generador trifásico con un triángulo.

Aquí, el final de cada bobina está conectado al comienzo de la siguiente, por lo que forman un triángulo cerrado, y los cables de línea están conectados a los vértices de este triángulo: los puntos 1, 2 y 3. Cuando están conectados con un triángulo, la tensión de línea del generador es igual a su tensión de fase: Ul = Ue.

Por lo tanto, cambiar los devanados del generador de estrella a triángulo conduce a una disminución en el voltaje de la red en √3 ≈ 1.73 veces... La conexión en triángulo también está permitida solo con la misma o casi la misma carga de fase. De lo contrario, la corriente en el circuito cerrado de los devanados será demasiado fuerte, lo que es peligroso para el generador.

Cuando se usa corriente trifásica, los receptores separados (cargas) alimentados por pares de cables separados también se pueden conectar en una estrella, es decir, de modo que un extremo de ellos esté conectado a un punto común, y los otros tres extremos libres son conectado a los cables de línea de la red o con un triángulo, es decir, para que todas las cargas estén conectadas en serie y formen un circuito común, a los puntos 1, 2, 3 de los cuales están conectados los cables lineales de la red.

En la Fig. 5 muestra la conexión en estrella de las cargas con un sistema de cableado de tres hilos, y en la fig.6: con un sistema de cableado de cuatro hilos (en este caso, el punto común de todas las cargas está conectado al cable neutro).

En la Fig. 7 muestra un diagrama de conexión de carga delta para un sistema de cableado de tres hilos.

Arroz. 5. Conexión en estrella de cargas con sistema de cableado de tres hilos

Arroz. 6. Conexión en estrella de cargas con sistema de cableado de cuatro hilos

Arroz. 7. Conexión delta de cargas con un sistema de cableado de tres hilos

En la práctica, es importante tener en cuenta lo siguiente. Cuando las cargas están conectadas en triángulo, cada carga está bajo voltaje de línea, y cuando están conectadas en estrella, bajo voltaje √3 veces menos. Para el caso de un sistema de cuatro hilos, esto queda claro en la fig. 6. Pero lo mismo ocurre con un sistema de tres hilos (Fig. 5).

Aquí, entre cada par de voltajes de línea, dos cargas están conectadas en serie, cuyas corrientes están desfasadas en 2π/ 3. El voltaje en cada carga es igual al voltaje de red correspondiente dividido por √3.

Por lo tanto, al cambiar cargas de estrella a triángulo, los voltajes en cada carga y, por lo tanto, la corriente en ella, aumentan en √3 ≈ 1,73 veces. Si, por ejemplo, el voltaje de línea de una red de tres hilos es de 380 V, entonces cuando se conecta en estrella (fig. 5) el voltaje de cada una de las cargas será igual a 220 V, y cuando se conecta con un triángulo (fig. 7) será igual a 380 V.

En la preparación del artículo se utilizó información de un libro de texto de física editado por G. S. Landsberg.