Introducción a los sistemas trifásicos

La tensión alterna que está presente en nuestros hogares se llama monofásica. Sin embargo, este tipo de tensión alterna no es la mas apropiada para aplicaciones industriales, donde hace falta mucha potencia. En esos casos se emplea la tensión alterna trifásica que veremos de manera introductoria en este artículo.

La alterna trifásica

En un artículo anterior vimos que la corriente alterna se genera en alternadores, en los que una espira (o un arrollamiento de muchas espiras) gira dentro de un campo magnético.

Al girar, en los extremos del arrollamiento se induce un voltaje variable en el tiempo, que tiene una forma que coincide con la de la función matemática seno y por tanto se le denomina senoidal.

Fig. 1. Alternador

En la Fig. 2. podemos podemos ver el mismo alternador de la Fig. 1 de lado, con la espira A girando dentro de los imanes y a su lado la forma de la tensión inducida VA y su representación fasorial.

Fig. 2. Tensión y fasor generados en un alternador

Como este alternador produce una sola tensión, se le llama monofásico.

¿Qué pasaría si en vez de una espira ponemos dos, giradas un ángulo de 90 grados?

Si ponemos dos espiras a 90 grados, cada espira generará un voltaje independiente, pero estos voltajes no variarán de la misma forma, ya que cuando una espira esté vertical no producirá voltaje, pero la otra estará horizontal, produciendo el voltaje máximo.

Las formas de ondas y fasores generados de esta manera pueden verse en la Fig. 3.

Fig. 3. Alternador bifásico

Como podemos ver en la imagen, este alternador tiene dos espiras, A y B y por lo tanto produce dos tensiones o fases independientes, VA y VB desfasadas 90 grados, el mismo ángulo que hay entre las espiras.

Un alternador construido de esta forma se llamará entonces bifásico.

Agreguemos ahora un bobinado adicional. Para que los tres bobinados esté igualmente espaciados, deben estar separados un ángulo de 360º/3 = 120º Este alternador producirá tres tensiones independientes VA, VB y VC que estarán desfasadas también 120 grados, como se puede ver en la siguiente imagen y como se pueden imaginar, recibe el nombre de alternador trifásico.

Fig. 4. Alternador trifásico

Un alternador trifásico es equivalente a tres generadores monofásicos, cada uno con una diferencia de fase de 120 grados, como se ve en la Fig. 5.

En este circuito tenemos cuatro conexiones: un extremo de cada generador que se corresponde con cada una de las fases (denominadas L1, L2 y L3) y el punto de conexión común en el centro que se denomina NEUTRO.

Fig. 5. Equivalente de tres generadores independientes

¿Podemos seguir añadiendo más fases? ¿Podemos crear alternadores tetra o pentafásicos? La respuesta es sí, solo que algunos tienen aplicaciones prácticas y otros no.

Los alternadores bifásicos se usaron durante un tiempo, pero en la actualidad están en desuso. También existen algunas máquinas que funcionan con seis y hasta dieciocho fases, pero son poco comunes. El sistema que se impuso y se utiliza en la actualidad por sus características y ventajas es el trifásico, es decir el que emplea tres fases.

Tensiones en un sistema trifásico
Fig. 6. Tensiones en un sistema trifásico

Ventajas de la trifásica

El empleo de un sistema trifásico tiene varias ventajas por sobre el monofásico cuando se trata de potencias importantes.

  • No se necesitan tantos cables: Como vimos en referencia a la Fig. 5, conectando los generadores a un punto común nos quedan sólo 4 conexiones o cables, mientras que si tuviéramos 3 generadores independientes la cantidad de conexiones sería de 6. Esto es muy importante si estamos llevando energía eléctrica a través de grandes distancias.
  • En un sistema trifásico tenemos dos tensiones: Otra vez en referencia a la Fig. 5, entre dos fases como L1 y L2, que son los extremos de dos generadores tendremos una tensión mayor que entre una de esas fases y neutro (ya volveremos sobre esto después).
  • Las máquinas eléctricas como los motores son mas eficientes con trifásica que con monofásica: para la misma potencia mecánica (HP) un motor trifásico es mas pequeño que un motor monofásico porque se aprovecha mejor la energía.

Tensiones en un sistema trifásico

En un sistema trifásico como el de la Fig. 5 tendremos dos valores de tensión diferentes:

Tensión de fase

Es la tensión que aparece entre cualquier fase y el neutro. Por ejemplo, entre la fase L1 y el Neutro o entre L2 y el Neutro o entre L3 y el Neutro.

Como se puede ver en la Fig. 5, es igual a la tensión de cada generador independiente y es igual a la tensión monofásica de red (230V, 220V o 120V, según el país).

Tensión de línea

Es la tensión medida entre dos fases cualquiera, es decir entre L1 y L2 o entre L2 y L3, por ejemplo.

A simple vista podría pensarse que es el doble de la tensión de cada generador pero no es así porque los generadores tienen una diferencia de 120 grados de fase, así que debemos sumar los fasores que corresponden a cada una de las fases.

No lo vamos a demostrar aquí, pero haciendo esta operación obtendremos que la relación entre la tensión de línea (VL) y de fase (VF) es:

V_L = \sqrt 3 \cdot V_F = 1,73 \cdot V_F

Por ejemplo, si tenemos que la tensión de fase es de 230 Voltios, la tensión de línea será:

V_L = 1,73 \cdot V_F = 1,73 \cdot 230V = 398V

Conexión de cargas

Una carga es todo aquello que se conecta a un generador y que realiza algún tipo de transformación de energía, como por ejemplo un motor.

Un motor trifásico tiene tres bobinados, como se puede ver en la siguiente imagen:

Fig. 7. Bobinados de un motor trifásico

Esos tres bobinados tienen 6 extremos (U, V, W y X, Y, Z) ¿Cómo los conectamos a una línea trifásica?

Podemos conectarlo de dos maneras: en estrella o en triángulo.

Cargas conectadas en estrella

Esta conexión se logra uniendo los extremos X, Y y Z al punto Neutro y los otros tres, U, V y W a cada una de las fases:

Fig. 8. Conexión estrella

Cargas conectadas en triángulo

Esta conexión, también llamada delta, se puede realizar uniendo los extremos como se ve a continuación:

Fig. 9. Conexión en triángulo

En el primer caso se usa la conexión de neutro y en el segundo no.

Conexión del alternador

A los fines de proveer dos tensiones y un neutro, el alternador usualmente se conecta en estrella

Cargas equilibradas y desequilibradas

Una carga trifásica se dice equilibrada cuando tiene el mismo valor en cada una de las fases.

Por ejemplo, el siguiente circuito de tres resistencias iguales de 100 ohms es una carga equilibrada.

Fig. 10. Carga equilibrada

Por el contrario, una carga está desequilibrada cuando su valor en alguna de las fases es diferente.

Fig. 11. Carga desequilibrada

Comprueba lo que aprendiste

6 comentarios en «Introducción a los sistemas trifásicos»

  1. hola profesor muy bueno el material… soy electricista hice el curso de electricidad domiciliaria, pero me gustaria aprender mas de electricidad, espero que pueda subir mas material de corriente trifasico…

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  2. Hola profesor: Instale en un tablero un DF tetrapolar 4x40A 0.30mA y por error conecte un cable de fase en el borne de neutro y en el borne de fase conecte el cable neutro, con estas conexiones levante la manilla del DF y al hacer la comprobación de continuidad aguas abajo el borne neutro del DF no tenia alimentación, ahora bien como este tablero alimentaba una maquina que funciona en parte con 380V y otra parte con MBT 24 y 12 V, afecto la fuente y un PLC. Podria darme una indicación de lo que pudo pasar

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