Revista sistema trifasico by sofia berrios

1ERA EDICION

EDITADO POR SOFIA BERRIOS

PROLOGO Esta es la primera edición de la revista sistemas trifásicos. En la misma quise recopilar los conceptos básicos que se deben manejar para entender el funcionamiento del sistema trifásico, de manera tal que esta obra pueda comprenderse por personas que estén comenzando dentro del mundo de la electricidad. Además procuramos realizar una edición que resulte accesible a todo el público que lo requiera. Si bien en un principio fue destinado principalmente a los conocedores de la electricidad, ahora lectores que se introducen en este maravilloso mundo, confió que muchas personas que obtendrán en el la información que necesitan. Incluso esperamos que se acerquen personas que aún no han tenido la suerte de incursionarse en estas páginas por distintos motivos. Si bien nuestros objetivos parecen difíciles de alcanzar, consideramos que será posible llegar a mucha gente por la importancia de esta investigación. La editora

CONTENIDO En esta edición Historia del sistema trifásico

Pag. 4

Conceptos básicos para entender sistemas trifásicos Pag. 5 y 7 Fundamento teórico del sistema trifásico

Pag.8 y 9

Conexiones normadas en sistemas trifásicos

Pag. 10-16

Procedimientos a seguir para el cálculo de las corrientes, voltajes y potencias Pag. 17 y 18

Cargas equilibradas en estrella

Pag.19

Ejercicio resuelto cargas equilibrada en estrella

Pag. 20

Carga desequilibrada en estrella

Pag. 21 3

HISTORIA DEL SISTEMA TRIFASICO Nikola Tesla, un inventor Serbio-Americano fue quien descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el cual es la base de la maquinaria de corriente alterna. Él inventó el sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía al planeta. Sin sus inventos el día de hoy no sería posible la electrificación que impulsa al crecimiento de la industria y al desarrollo de las comunidades. El descubrimiento de el campo magnético rotatorio producido por las interacciones de corrientes de dos y tres fases en un motor fue uno de sus más grandes logros y fue la base para la creación de su motor de inducción y el sistema polifásico de generación y distribución de electricidad. Gracias a esto, grandes cantidades de energía eléctrica pueden ser generadas y distribuidas eficientemente a lo largo de grandes distancias, desde las plantas generadoras hasta las poblaciones que alimentan. Aún en estos días se continúa utilizando la forma trifásica de el sistema polifásico de Tesla para la transmisión de la electricidad, además la conversión de electricidad en energía mecánica es posible debido a versiones mejoradas de los motores trifásicos de Tesla

SISTEMAS TRIFASICOS Es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por 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. CONCEPTOS BASICOS PARA ENTENDER EL SISTEMA TRIFASICO Voltajes trifásicos balanceados Para que los tres voltajes de un sistema trifásico estén balanceados deberán tener amplitudes y frecuencias idénticas y estar fuera de fase entre sí exactamente 120°.

Importante: En un sistema trifásico balanceado la suma de los voltajes es igual a cero: Va + Vb + Vc = 0

Circuito trifásico balanceado Si las cargas se encuentran de manera que las corrientes producidas por los voltajes balanceados del circuito también están balanceadas entonces todo el circuito está balanceado. Voltajes de fase

Cada bobina del generador puede ser representada como una fuente de voltaje senoidal. Para identificar a cada voltaje se les da el nombre de voltaje de la fase a, de la fase b y de la fase c.

Secuencia de fase positiva Por convención se toma siempre como voltaje de referencia al voltaje de fase a. Cuando el voltaje de fase b está retrasado del voltaje de fase a 120° y el voltaje de fase c está adelantado al de fase a por 120° se dice que la secuencia de fase es positiva. En esta secuencia de fase los voltajes alcanzan su valor pico en la secuencia a-b-c.

Los voltajes de a, b y c representados con fasores son los siguientes:

en donde Vm es la magnitud del voltaje de la fase a. Secuencia de fase negativa En la secuencia de fase negativa el voltaje de fase b está adelantado 120° al de la fase a. y el voltaje de fase c está atrasado 120° al de la fase a.

Neutro Normalmente los generadores trifásicos están conectados en Y para así tener un punto neutro en común a los tres voltajes. Raramente se conectan en delta los voltajes del generador ya que en conexión en delta los voltajes no están perfectamente balanceados provocando un voltaje neto entre ellos y en consecuencia una corriente circulando en la delta.

Fundamento teórico del sistema trifásico Si se coloca tres bobinas separadas por ángulos de 120° se estarán produciendo tres voltajes con una diferencia de fase de 120° cada uno

Los alternadores de las centrales eléctricas generan sistemas trifásicos equilibrados en tensiones, de frecuencia 60 Hz y donde las tensiones tienen el mismo valor eficaz pero están desfasadas 120º entre si. A lo largo de la red eléctrica este equilibrio se va perdiendo y la calidad del suministro disminuye. Sin embargo los avances técnicos consiguen a través de potentes y precisos filtros eléctricos, que se compense la distorsión de las tensiones y disminuya el grado de desequilibrio. Los técnicos de electrotecnia sobretodo en Baja Tensión, debemos de suponer por tanto que la compañía eléctrica, nos suministra una acometida con un sistema trifásico equilibrado en tensiones. 8

Generación y transporte de tensión trifásica

Para generar tensiones trifásicas es necesario un alternador con tres devanados iguales pero desfasados 120 en el espacio. Normalmente estos devanados se encuentran en la parte no giratoria de la máquina llamada estator. La variación de flujo magnético, necesaria para generar fem, se consigue al circular corriente continua por un devanado inductor situado en la parte móvil llamada rotor, que se somete a giro mediante una fuerza motriz exterior llamada turbina, de esta forma el campo magnético creado por el devanado rotorico es constante, sin embargo los devanados del estator lo ven variable debido a que el rotor esta girando.

Conexiones normadas del generador y la carga trifásica CONEXIÓN DELTA - DELTA (Δ-Δ)

Este tipo de conexiones se utiliza mucho en autotransformadores, cuando se quiere recuperar la caída de tensión por longitud de los alimentadores, debido a cierta distancia del circuito alimentador se tiene una caída en el voltaje de suministro por lo que es necesario transformar esa energía para recuperar de alguna manera esas pérdidas para lo cual se utilizan estos transformadores con conexión delta-delta. PRINCIPIO BASICO

Esta conexión también se denomina como triangulotriangulo, y la relación de voltajes entre primario y secundario viene dada por

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VENTAJAS: No tiene desplazamiento de fase No tiene problemas con cargas desequilibrada o armónicas Se puede quitar un transformador para mantenimiento o reparación y queda funcionando con dos transformadores pero como banco trifásico, cuando hablamos de un banco de transformadores monofásicos y seria el 58% de su 100% de trabajo (Delta abierta). Los desequilibrios motivados por las cargas en el secundario se reparten igualmente entre las fases del primario, evitando los desequilibrios de flujos magnéticos.

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DESVENTAJAS Cuando las cargas están desequilibradas los voltajes en las fases del tramo pueden desequilibrarse bastante. Los voltajes de terceros armónicos pueden ser muy grandes. No dispone de salida de neutro, tanto en el primario como en el secundario, con la consiguiente limitación en su utilización. Cada bobinado debe soportar la tensión de red (compuesta), con el consiguiente aumento del número de espiras. No se puede suministrar energía con cuatro conductores. Cuando opera con altas tensiones de línea, los costos de diseño de las bobinas son mayores.

CONEXIÓN DELTA – ESTRELLA (Δ-Y) Este tipo de conexión no presenta muchos inconvenientes, pues su utilización ha de ser adecuada a las características generales que presenta la conexión en triangulo y estrella. Es muy empleado como conexión para transformadores elevador al principio de la línea y no al final, porque cada fase del devanado primario ha de soportar la tensión entre fase de red. PRINCIPIO BASICO

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VENTAJAS No presenta problemas con las componentes en sus voltajes de terceros armónicos. Es muy útil para elevar el voltaje a un valor muy alto. Utilizando esta conexión en el lado de alta, se puede poner a tierra el neutro permitiendo que quede limitado el potencial sobre cualquier carga. Al producirse un desequilibrio en la carga, no motiva asimetría del flujo, por producirse un reparto entre las tres columnas del primario. Las ventajas que esta conexión presenta y los escasos inconvenientes motivan la utilización de este transformador tanto en trasmisión como en distribución de energía.

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DESVENTAJAS La falla de una fase deja fuera de operación al transformador. No se dispone de neutro en el primario para conectarlo con la tierra. Esto no es precisamente un inconveniente, pues, por lo general en el circuito del primario del transformador hay una toma de tierra, sea en el generador, sea en el secundario del transformador elevador de tensión. El devanado en delta puede ser mecánicamente débil. Debido al desplazamiento que existe en las fases entre las mitades de los enrollamientos, que están conectados en serie para formar cada fase, los enrollamientos que están en estrella interconectadas, requieren de un 15.5% más de cobre, con el consiguiente aumento del aislamiento total. El tamaño del armazón, debido a las razones expuestas anteriormente, es mayor con el aumento consiguiente del coste del transformador.

CONEXIÓN ESTRELLA – ESTRELLA (Y-Y) . La conexión ye – ye o estrella – estrella al igual que la triangulo – triangulo el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de línea primario multiplicado por el inverso de la relación de transformación. Esta conexión solo se utiliza cuando el neutro del primario puede unirse eficazmente al neutro de la fuente, corrientemente a través de tierra, si los neutros no están unidos, la tensión entre línea y neutro resulta distorsionada (no senoidal). Sin embargo, puede emplearse la conexión estrella-estrella sin unir los neutros, si cada transformador posee un tercer devanado llamado terciario. Los terciarios de los tres transformadores se conectan siempre en triangulo y muchas veces se utilizan para alimentar los servicios de la sub-estación en que están instalados. PRINCIPIO BASICO La relación de transformación simple Ms se determina como cociente entre el numero de espiras de una fase del primario y otra del secundario y coinciden con la relación entre las ff.ee.mm. por fase de ambas en vacio. 14

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VENTAJAS La posibilidad de sacar un neutro, tanto en el lado de b.t como en el de A.T, y esto le permite obtener dos tensiones (230/400 V), o bien conectarlo a tierra como medida de seguridad en cierto tipo de instalaciones. Su buen funcionamiento para pequeñas potencias, ya que además de poder disponer de dos tensiones, es más económico, por aplicar una tensión a cada fase VL/√3 y por consiguiente, disminuir el número de espiras, aunque ha de aumentar la sección de los conductores, por circular la corriente de línea IL por cada fase. El aumento de sección de conductores favorece la resistencia mecánica a los esfuerzos de cortocircuito. Si una fase en cualquier bobinado funciona defectuosa, las dos fases restantes pueden funcionar resultando una transformación monofásica, la carga que podría suministrar seria del 58% de la potencia normal trifásica. La construcción de los enrollamientos es más dificultosa y su coste, más elevado, especialmente cuando es para corrientes altas.

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DESVENTAJAS: Esta conexión es poco usada debido a las dificultades que presenta: Si las cargas en el circuito del transformador no están equilibradas (es lo que comúnmente ocurre), entonces los voltajes en las fases del transformador pueden llegar a desequilibrarse severamente. Los voltajes de terceros armónicos son grandes, debido a la no linealidad del circuito magnético del hierro. Los neutros negativos son muy inestables, a menos que sean sólidamente conectados a una toma a tierra. Las unidades trifásicas de polaridad opuesta no pueden funcionar en paralelo, a no ser que la conexión de las fases del primario o del secundario de un transformador se invierta.

CONEXIÓN ESTRELLA – DELTA (Y-Δ) En esta clase de transformadores las tres fases del bobinado primario están conectadas en estrella y las del secundario en triángulo. Aquí el voltaje de línea primario está relacionado con el voltaje de fase por: VL1 = √3 VF2, mientras que el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario VL1 = VF2, por tanto la relación de voltajes de fase es: m= VF1 / VF2, por lo que la relación general entre voltajes de línea será: VL1 / VL2 = √3 VF1/VF2 = √3 m Se usa generalmente para bajar de un voltaje alto a uno medio o bajo.

Procedimientos a seguir para el cรกlculo de las corrientes, voltajes y potencias Los cรกlculos que se realizan se resumen en la siguiente tabla

CARGAS EQUILIBRADAS EN ESTRELLA

Ejercicio resuelto

CARGAS DESEQUILIBRADA EN ESTRELLA

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