Una carga trifásica es una serie de tres combinaciones similares de componentes eléctricos dispuestos de la misma manera (en serie, en paralelo o de otra manera). La razón de tener cargas trifásicas es la mayor demanda de potencia.
Por ejemplo, en la industria, la mayoría de los motores son trifásicos, especialmente los grandes motores que proporcionan alta potencia a transportadores, bombas, sopladores, máquinas herramienta, etc.
Los tres componentes de la corriente alterna son resistencias, inductores y condensadores. En este sentido, las cargas trifásicas pueden ser puramente resistivas (que contienen solo elementos calefactores), resistivas e inductivas (como los motores eléctricos) y resistivas, inductivas y capacitivas (como muchos motores combinados con condensadores por diversas razones).
Dado que los tres conjuntos separados de cargas son iguales y están eléctricamente conectados simultáneamente, están balanceados. Así, cada carga trifásica crea automáticamente una carga equilibrada para un circuito trifásico.
Las cargas trifásicas son mucho más fáciles de manejar que las cargas monofásicas independientes conectadas a un circuito trifásico.
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De hecho, muchas de las relaciones y cálculos para cargas trifásicas son similares a sus contrapartes para sistemas monofásicos. De hecho, las diferentes partes de las cargas en las tres fases se comportan de la misma manera. Por ejemplo, en una carga que consta de resistencias e inductores, hay un cambio de fase entre la corriente y el voltaje. En el caso de una carga trifásica, esta diferencia de fase es la misma para las tres fases, por lo que debemos encontrarla para una fase.
Figura 1 Conexión estrella y triángulo de la misma carga.
Para analizar cargas trifásicas, necesitamos conocer las relaciones entre voltaje, impedancia, corriente, potencia y factor de potencia, así como la corrección del factor de potencia.
Nuevamente, tenemos tres tipos de poder aquí: potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente. Sin embargo, debemos distinguir entre la conexión delta y la conexión en estrella.
Inicialmente se puede abrir una carga trifásica, con seis terminales a gestionar. Según cómo estos terminales estén conectados entre sí y con líneas externas, forman una conexión en estrella o en triángulo.
Figura 1 muestra cómo se pueden conectar los 6 terminales A, B, C, A′, B′ y C′ para conexión en estrella y triángulo. Los dos métodos de conexión no son iguales y afectan la corriente y la potencia extraída de un circuito.
Las cargas desequilibradas son más difíciles de manejar y cada rama debe analizarse individualmente y los resultados agregados.
Conexiones trifásicas para cargas equilibradas
Con referencia a la siguiente figura, que muestra la definición de las corrientes de línea y de fase, así como los voltajes de línea y de fase para una conexión delta y estrella de una carga, siempre existen las siguientes relaciones:
Figura: Definición de corriente de fase y corriente de línea.
Para carga conectada en estrella,
[begin{align} & begin{matrix} {{I}_{L}}={{I}_{ph}} & {} & left( 1 right) end{matrix} & begin{matrix} {{V}_{L}}=sqrt{3}{{V}_{ph}} & {} & left( 2 right) end{matrix} end{align}]
Para la carga conectada delta,
[begin{align} & begin{matrix} {{I}_{L}}=sqrt{3}{{I}_{ph}} & {} & left( 3 right) end{matrix} & begin{matrix} {{V}_{L}}={{V}_{ph}} & {} & left( 4 right) end{matrix} end{align}]
La corriente en un empalme siempre se puede encontrar por la ley de Ohm. Si la impedancia de cada uno de los tres elementos de una carga trifásica está definida por Zdespués
[begin{matrix} {{I}_{ph}}=frac{{{V}_{ph}}}{Z} & {} & left( 5 right) end{matrix}]
Ecuación 1 a 5 capaz de determinar cada valor si se conocen dos de ellos.
Tenga en cuenta que para una carga equilibrada, todas las corrientes de fase son iguales y todas las corrientes de línea también son iguales. También, refiriéndose a Figura 2aunque las corrientes de línea son iguales en magnitud, no pueden estar en fase entre sí.
Como se muestra, para una carga conectada en delta y una carga conectada en estrella, en cualquier momento dado, aunque las corrientes estén en dos fases en la dirección de la carga, la corriente en la tercera fase está en la dirección opuesta (recuerde que en la electricidad de CA la dirección de la corriente cambia continuamente, aquí la dirección de la corriente implica si su magnitud es positiva o negativa en un instante dado).
Dado que la corriente alterna cambia de dirección continuamente, las que se muestran en Figura 2 son valores momentáneos y para un momento después las direcciones serán diferentes.
Queremos decir que para una carga balanceada, las tres corrientes y voltajes tienen las mismas relaciones. Es decir, para una tensión sinusoidal, el cambio de las corrientes es sinusoidal y con cambio de fase, y además su suma instantánea es cero.
$begin{matriz} {{I}_{1}}+{{I}_{2}}+{{I}_{3}}=0 & {} & left( 6 right) end{matriz}$
Figura 2 Sentido instantáneo de las corrientes en sistemas trifásicos.
Ecuación 6 implica que la suma de las corrientes en las tres líneas de un sistema trifásico es cero en cualquier momento para cargas balanceadas. En este sentido, la actual yo0, que está relacionado con el cable de tierra o la línea neutral (cuando está presente) cero. Es por esto que la línea neutra es más pequeña que las líneas trifásicas.
Potencia en el sistema trifásico
Las relaciones de potencia para los sistemas trifásicos deben enumerarse por separado. Hay dos aspectos de la relación de potencia, uno se trata de los tres tipos de potencia (activa, reactiva y aparente), y el otro se debe al hecho de que tenemos voltaje de fase y corriente de fase versus voltaje de línea y corriente de línea. .
Las relaciones entre potencia activa, reactiva y aparente se pueden observar en las siguientes ecuaciones:
$begin{align} & begin{matriz} PF=cos left( fasetext{ }ángulo right) & {} & left( 7 right) end{matriz} & start{matrix} ActivePowerleft( P right)=Vertext{ }Power*Powertext{ }Factor=S*PF & {} & left(8 right) end{matrix} & Potencia reactivaleft( Q right)=Potencia aparente*sin left(fasetext{ }ángulo right) & begin{matriz} =S*sqrt{1-P{{F}^ {2 } }} & {} & left( 9 right) end{matriz} end{align}$
Pero, entonces la manifestación del poder aparente S es para conexión delta y carga de conexión en estrella
[begin{align} & begin{matrix} S=sqrt{3}*{{V}_{L}}*{{I}_{L}} & {} & left( 10 right) end{matrix} & Or & begin{matrix} S=3*{{V}_{ph}}*{{I}_{ph}} & {} & left( 11 right) end{matrix} end{align}]
Ambas expresiones i ecuaciones 10 y 11 son equivalentes debido a la conexión delta, donde la tensión de fase y de línea son iguales, la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase y en la conexión en estrella donde la corriente de línea y la corriente son iguales, la tensión de línea es √3 veces el voltaje de fase.
ecuaciones 10 y 11 Debe usarse con ecuaciones 8 y 9 para evitar confusiones cuando una carga es puramente resistiva o puramente reactiva.
Cuando la carga es completamente resistiva, el factor de potencia es 1 y la potencia aparente y la potencia activa es lo mismo.
De manera similar, cuando una carga es completamente reactiva, por ejemplo cuando se conecta una serie de capacitores en una línea, el factor de potencia es cero y la potencia aparente y la potencia reactiva son las mismas.
Interruptor estrella-triángulo
Hay algunos hechos que se utilizan en aplicaciones prácticas. Estos son
- Para una misma carga, la corriente en la línea y el consumo eléctrico son menores (un tercio, para ser precisos) si la carga está conectada en estrella en lugar de en triángulo.
- Del mismo modo, un generador puede entregar más potencia si los devanados están conectados en triángulo.
Por las razones anteriores, para reducir la corriente de arranque de ciertas aplicaciones, especialmente motores eléctricos trifásicos con alta corriente de irrupciónse utiliza un tipo especial de interruptor que conecta una carga trifásica con electricidad en dos fases.
En primer paso El primer giro del interruptor establece una conexión en estrella y un giro adicional cambia la conexión a Delta. Esta disposición se muestra esquemáticamente en imagen 3.
imagen 3 Diagrama de un interruptor estrella-triángulo para un motor de arranque trifásico.
Primero, los puntos R, S y T, que son los extremos libres de la carga (devanado), se conectan a A', B' y C'. Esto establece una conexión en estrella, pero si R, S y T están conectados a A, B y C (es decir, lo que se hace después de otra rotación del interruptor), la carga se conecta en delta a la línea trifásica.
corriente de irrupción: Una corriente relativamente alta que un motor experimenta inicialmente cuando está conectado a la electricidad (a velocidad cero). La corriente disminuye a medida que el motor se acelera.
Sin embargo, un interruptor estrella-triángulo es un sistema mecánico y pertenece a la tecnología del pasado. Hoy, esta tecnología se reemplaza por la conmutación electrónica; en cambio, para arrancar los motores se utiliza un variador de frecuencia (VFD), que también ofrece otras ventajas.
Un convertidor de frecuencia variable se basa en la conversión CA-CC y CC-CA, que también se puede considerar como un convertidor de frecuencia. Con un dispositivo de este tipo, se puede cambiar la frecuencia de la electricidad de corriente alterna. Por tanto, se puede modificar la velocidad de giro de un motor, que depende de la frecuencia de la línea.
lo contrario, ya que es un dispositivo electrónico, se puede utilizar para arrancar un motor mediante la limitación de la corriente. Por lo tanto, proporciona la misma ventaja que el interruptor estrella-triángulo.
Los VFD vienen en diferentes capacidades (por ejemplo, para impulsar un motor de 0,5 hp o un motor de 500 hp). Deben poder manejar la potencia requerida por un motor; por lo tanto, su tamaño físico depende de la cantidad de potencia que puedan proporcionar a un motor. Un ejemplo muy pequeño de tal dispositivo se muestra en Figura 4.
Figura 4 Ejemplo de un pequeño convertidor de frecuencia.
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