Circuitos Trifasicos

Enviado por pingui_2

Abstract— Un vistazo del análisis de los circuitos trifásicos de diferentes topologías, su configuración, funcionamiento, utilidad y medición en la vida industrial y diaria es el tema que se aborda en este informe.

Index Terms—Circuitos trifásicos, transformadores, generadores, centrales hidroeléctricas, motores, potencia trifásica.

INTRODUCCION

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.

OBJETIVOS

Observar a través de este documento la funcionalidad de la corriente trifásica, sus aplicaciones y la relevancia que tiene desde su descubrimiento hasta nuestros días.

MARCO TEÓRICO

El descubrimiento del campo magnético rotatorio producido por las interacciones de corrientes de dos y tres fases en un motor fue uno de los más grandes logros de Tesla [figura 1.] 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 del 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.
En Mayo de 1885, George Westinghouse, cabeza de la compañía de electricidad Westinhouse compró las patentes del sistema polifásico de generadores, transformadores y motores de corriente alterna de Tesla.
En octubre de 1893 la comisión de las cataratas del Niagara otorgó a Westinghouse un contrato para construir la planta generadora en las cataratas, la cual sería alimentada por los primeros dos de diez generadores que Tesla diseñó. Dichos dinamos de 5000 caballos de fuerza fueron los más grandes construidos hasta el momento. General Electric registró algunas de las patentes de Tesla y recibió un contrato para construir 22 millas de líneas de transmisión hasta Buffalo. Para este proyecto se utilizo el sistema polifásico de Tesla. Los primeros tres generadores de corriente alterna en el Niagara fueron puestos en marcha el 16 de noviembre de 1896.
Historia
Justificación de los Circuitos trifásicos

La principal aplicación para los circuitos trifásicos se encuentra en la distribución de la energía eléctrica por parte de la compañía de luz a la población. Nikola Tesla probó que la mejor manera de producir, transmitir y consumir energía eléctrica era usando circuitos trifásicos. Algunas de las razones por las que la energía trifásica es superior a la monofásica son:

La potencia en KVA (Kilovoltio amperio) de un motor trifásico es aproximadamente 150% mayor que la de un motor monofásico.
En un sistema trifásico balanceado los conductores necesitan ser el 75% del tamaño que necesitarían para un sistema monofásico con la misma potencia en VA por lo que esto ayuda a disminuir los costos y por lo tanto a justificar el tercer cable requerido.
La potencia proporcionada por un sistema monofásico cae tres veces por ciclo. La potencia proporcionada por un sistema trifásico nunca cae a cero por lo que la potencia enviada a la carga es siempre la misma.

Las Ondas representativas se muestran en las figuras 2 y 3

Si rotamos un campo magnético a través de una bobina entonces se produce un voltaje monofásico y se observaría una señal de voltaje como se muestra en la grafica 4, En cambio, si colocamos tres bobinas separadas por ángulos de 120° se estarán produciendo tres voltajes con una diferencia de fase de 120° cada uno como los que se observan en la grafica 5.
La energía trifásica se genera en unos sitios específicos llamados plantas generadoras en nuestro país de tipo hidroeléctrico (generación por aprovechamiento del agua)
El funcionamiento de la centrales hidroeléctricas o hidráulicos se basa en el aprovechamiento de la energía cinética proporcionada por el agua que, al caer sobre los alabes (hélices) de una turbina, da a ésta última un movimiento mecánico de rotación que se transmite a un generador eléctrico. La planta hidroeléctrica, utiliza la fuerza de ríos, cascadas y artificialmente mediante presas
La Generación y Distribución de electricidad, son un conjunto de instalaciones que se utilizan para transformar otros tipos de energía en electricidad y transportarla hasta los lugares donde se consume. La generación y transporte de energía en forma de electricidad tiene importantes ventajas económicas debido al coste por unidad generada. Las instalaciones eléctricas también permiten utilizar la energía hidroeléctrica a mucha distancia del lugar donde se genera. Estas instalaciones suelen utilizar corriente alterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje con transformadores. De esta manera, cada parte del sistema puede funcionar con el voltaje apropiado. Las instalaciones eléctricas tienen seis elementos principales: la central eléctrica, los transformadores, que elevan el voltaje de la energía eléctrica generada a las altas tensiones utilizadas en las líneas de transporte, las líneas de transporte, las subestaciones donde la señal baja su voltaje para adecuarse a las líneas de distribución, las líneas de distribución y los transformadores que bajan el voltaje al valor utilizado por los consumidores.
Cualquier sistema de distribución de electricidad requiere una serie de equipos suplementarios para proteger los generadores, transformadores y las propias líneas de conducción. Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensión que se proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.
Subestación: es el conjunto de elementos que nos permiten controlar, medir y transformar la energía eléctrica.
Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos los elementos de la instalación contra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de conmutación ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modo automático cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómala produce una subida repentina de la corriente. En el momento en el que este dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco eléctrico entre sus terminales.
Un Transformador, es una máquina estática, constituida de dos circuitos inductivos llamados primario y secundario, los cuales no esta conectados físicamente, sino acoplados magnéticamente, existen 3 tipos: elevador (El número de vueltas del secundario es mayor que el primario), reductor (El número de vueltas del secundario es menor que el primario), relación uno a uno ó compensador (El número de vueltas es igual para el primario y secundario)
Un motor, es una máquina que convierte energía en movimiento o trabajo mecánico. La energía se suministra en forma de combustible químico, como gasóleo o gasolina, vapor de agua o electricidad, y el trabajo mecánico que proporciona suele ser el movimiento rotatorio de un árbol o eje.
Los Motores y generadores eléctricos, son un grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dinamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831.
Los motores eléctricos pueden ser de corriente eléctrica, de corriente alterna, y de corriente alterna y directa simultáneamente. A los motores de corriente alterna también se les conoce como motores de inducción o asíncronos. A los motores que operan con energía alterna y directa se les conoce como motores síncronos. Los motores de energía eléctrica alterna, trabajan con dos líneas de alimentación por lo que podemos decir que son que son monofásicos, cuando trabajan con tres líneas de alimentación se conocen como trifásicos.
Generación y Elementos
Potencia es una magnitud física que representa la capacidad para realizar un trabajo, o lo que es lo mismo, la cantidad de trabajo realizada en cada unidad de tiempo. Con carácter general podemos que, la potencia eléctrica de un circuito se corresponde con el producto de los valores de la tensión existente en sus extremos multiplicado por la intensidad de la corriente que lo recorre. La unidad empleada para su representación es el vatio (o alguno de sus múltiplos) y se representa por la letra P. Siendo un vatio la potencia que corresponde a un circuito eléctrico en cuyos extremos existe una diferencia de potencial (tensión) de un voltio y es recorrido por una corriente de un amperio de intensidad. (Estando tensión y corriente en fase).
En un circuito de corriente alterna puramente resistivo, las magnitudes tensión y corriente están en fase es decir ambas pasan por sus estados máximos o mínimos simultáneamente. En un circuito de corriente alterna común, las magnitudes corriente y tensión no están en fase debido a las componentes inductivas y capacitabas de los diferentes elementos que componen los circuitos en la práctica.
El factor de potencia, o coseno de phi, es una función del desfase de la intensidad en relación a la tensión. Su valor puede oscilar entre 0 y 1. En un circuito puramente resistivo la tensión y la intensidad se encuentran en fase y el valor de la magnitud en este caso es igual a la unidad. En un circuito en el que existan inductancias y o condensadores, se producirá un desfase entre la tensión y la intensidad, adelantándose o retrasándose ésta respecto de la otra. Este desfase lo definirá el factor de potencia y oscilará como se ha dicho, entre 0 y 1. En un circuito puramente resistivo la tensión y la intensidad están en fase.
La existencia de inductancia, (importante por ejemplo en los motores) provoca un desfase por retraso entre la intensidad y la tensión. Por el contrario en el caso de presencia de condensadores en el circuito, se produce igualmente un desfase pero en este caso la intensidad está adelantada respecto de la tensión. Este resultado se ve reflejado en la figura 8, donde se muestran, en color azul, la señal de voltaje y la de corriente, en color rojo; además de esto sus desfases con un coseno phi planteado. Desde el punto de vista del usuario, la potencia activa es la única transformable en trabajo mecánico, calorífico o químico. La potencia activa, reactiva y aparente están relacionadas.
Las consecuencias de un mal coseno de phi, se traducen en un mal aprovechamiento de las líneas, ya que la potencia perdida por el efecto Joule es importante. Para compensar estas perdidas las compañías eléctricas penaliza las instalaciones con un bajo coseno de phi, mediante recargos en la facturación. Para el usuario además es igualmente desventajoso ya que le obliga a sobredimensionar las líneas por encima de sus necesidades.
Se mejora el coseno de phi colocando en la instalación baterías de condensadores para compensación capacitaba de los efectos inductivos que se producen en los receptores.
Potencia activa (P): En corriente alterna se expresa en vatios y fórmula:
P = U * I * cos phi
Siendo: U, la tensión eficaz, I, la intensidad eficaz y cos de phi el factor de potencia.
Potencia reactiva (Q): En corriente alterna se expresa en voltiamperios reactivos y fórmula:
Q = U * I * seno phi
Siendo: U, la tensión eficaz, I, la intensidad eficaz y phi el ángulo de desfase entre tensión e intensidad.
Potencia aparente (S): En corriente alterna se expresa en voltiamperios y fórmula:
S = U * I
Siendo: U, la tensión eficaz, I, la intensidad eficaz.
Las tres potencias señaladas se encuentran relacionadas, pudiéndose formular:
S^2 = P^2 + Q^2
Seno de phi = Q/S
Cos de phi = P/S
Potencia Eléctrica
Teorema de Blondell

En un circuito n-filar la potencia activa puede medirse como suma algebraica de las lecturas de n-1 vatímetros. Este enunciado es evidente en el caso de un circuito tetrafilar en que tenemos acceso al neutro de la carga. [Figura 9]

En este caso particular cada vatímetro indica la potencia de la fase a la que está conectado. De este modo, la potencia trifásica resulta igual a:

P=W1+W2+W3

o sea que la potencia total es suma de las tres lecturas.

GRAFICAS Y FIGURAS

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Figura 1. Nikola Tesla

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Figura 2. Gráfica de potencia en un sistema monofásico.

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Figura 3. Gráfica de potencia en un sistema trifásico.