conexión estrella

Para poder resolver circuitos trifásicos basta con entender primero cómo resolver un circuito Y–Y ya que cualquier otra configuración se puede reducir a esta configuración utilizando algunas transformaciones.

La conexión en estrella o Y se realiza usando un punto común a las tres fuentes, este punto es el neutro.

Los tres voltajes presentes entre cada una de las líneas y el neutro se llaman voltajes de fase, en estos voltajes se pueden tener distintas secuencias de fase

Suponiendo que los voltajes tienen una magnitud de 100 Vrms se tiene que:

El voltaje de linea en la conexión estrella equivale a  veces el voltaje de fase esto es:

donde  es el voltaje de línea y  es el voltaje de fase.

sistemas bifasicos y trifasicos

En ingeniería eléctrica un sistema bifásico es un sistema de producción y distribución de energía eléctrica basado en dos tensiones eléctricas alternas desfasadas en su frecuencia 90º. En un generador bifásico, el sistema está equilibrado y simétrico cuando la suma vectorial de las tensiones es nula (punto neutro).

Por lo tanto, designando con U a la tensión entre fases y con E a la tensión entre fase y neutro, es válida la siguiente fórmula:

De la misma forma, designando con I a la intensidad de corriente del conductor de fase y con I₀ a la del neutro, es válida la relación:

En una línea bifásica se necesitan cuatro conductores, dos por cada una de las fases.

Actualmente el sistema bifásico está en desuso por considerarse más peligroso que el actual sistema monofásico a 230 V, además de ser más costoso al necesitar más conductores.

sistemas trifasicos

En ingeniería eléctrica un sistema trifásico es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por trescorrientes 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.

Cuando alguna de las condiciones anteriores no se cumple (corrientes diferentes o distintos desfases entre ellas), el sistema de tensiones es un desequilibrado o más comúnmente llamado un sistema desbalanceado. Recibe el nombre de sistema de cargas desequilibradas el conjunto de impedancias distintas que dan lugar a que por el receptor circulen corrientes de amplitudes diferentes o con diferencias de fase entre ellas distintas a 120°, aunque las tensiones del sistema o de la línea sean equilibradas o balanceadas.Un sistema trifásico de tensiones se dice que es equilibrado cuando sus corrientes son iguales y están desfasados simétricamente.

El sistema trifásico presenta una serie de ventajas como son la economía de sus líneas de transporte de energía (hilos más finos que en una línea monofásica equivalente) y de los transformadores utilizados, así como su elevado rendimiento de los receptores, especialmente motores, a los que la línea trifásica alimenta conpotencia constante y no pulsada, como en el caso de la línea monofásica.

Los generadores utilizados en centrales eléctricas son trifásicos, dado que la conexión a la red eléctrica debe ser trifásica (salvo para centrales de poca potencia). La trifásica se usa mucho en industrias, donde las máquinas funcionan con motores para esta tensión.

Existen dos tipos de conexión; en triángulo y en estrella. En estrella, el neutro es el punto de unión de las fases.

Conexión en estrella (del generador o de la carga)

En un generador en configuración estrella, las intensidades de fase coinciden con las correspondientes de línea, por lo que se cumple (en caso de equilibrio) I_F = I_L.

Las tensiones de fase y de línea en configuración estrella (en caso de equilibrio) se relacionan por √3U_F = U_L, relación obtenida al aplicar la segunda ley de Kirchhoff a los fasores U_an, U_bn y U_ab de modo que resulta (transformando los fasores en vectores (x,y) para facilitar el cálculo): U_an - U_bn = U_ab = √3U_an *(1(30º)) siendo U_an = U_F y U_ab = U_L. Esta relación es visualizable dibujando el diagrama de estos fasores de tensión.

Conexión en triángulo (del generador o de la carga)

Si se conectan entre sí las fases del generador o de la carga, conectando el principio de cada fase con el final de la siguiente, se obtiene la configuración triángulo.

En configuración triángulo, la intensidad de fase y la intensidad de línea se relacionan por √3I_F = I_L, relación obtenida al aplicar la primera ley de Kirchhoff a los fasores de intensidad de cualquiera de los tres nudos de modo que resulta I_ba - I_ac = I_a = √3I_ba *(1(-30º)) siendo I_a = I_L. Esta relación es visualizable dibujando el diagrama de estos fasores de intensidad.

Las tensiones de fase y de línea en configuración triángulo coinciden U_F = U_L, lo que es evidente porque cada rama de fase conecta dos líneas entre sí.

Potencia en los sistemas trifásicos equilibrados

La potencia suministrada por un generador trifásico o la consumida por un receptor trifásico es la suma de las suministradas o consumidas por cada fase.

La potencia aparente S es el producto de la intensidad y la tensión que recorre el elemento de potencia: S = I*U. La potencia activa P = S*cos(φ) y la potencia reactiva Q = S*sen(φ), siendo φ = φ_U - φ_I. Vector potencia aparente S = (P,Q). .

Compensación de potencia[editar]

Dado el coste económico que supone la potencia reactiva para una central eléctrica, se tiende a eliminarla ("compensarla") añadiendo condensadores o bobinas a la carga.

Para deducir la fórmula directa del valor de, por ejemplo, los condensadores hay que partir de saber cuánta potencia reactiva Q se quiere compensar. Los condensadores se colocarán inicialmente en paralelo a la carga (en estrella), por tanto su U será igual a la de fase en la carga. Toda la potencia de un condensador es reactiva Q = I*U. Sabiendo que la admitancia compleja del condensador Y = jωC, que Z = 1/Y y que por la ley de Ohm U = I*Z = I*(-1/ωC) = I/(-ωC) (cuidado con la inversa de un número complejo) se obtiene que para un condensador Q = I*U = -ωC*U². Dado que no siempre se tiene Q sino la potencia activa P y el factor de potencia o el ángulo φ, la ecuación se suele escribir en función de la potencia activa de fase P_F y del ángulo φ de forma el condensador aporte la variación ΔQ que se pretende en el circuito (siendo por definición tgφ = Q/P y U = U_F = U de fase en la carga) ΔQ = Q₂ - Q₁ = (tgφ₂ - tgφ₁)*P_F = -ωC*U_F².

Disposición de la bornera o placa de conexiones[editar]

Para permitir una rápida y segura conexión a la red de las máquinas trifásica de C.A. los extremos de sus arrollamientos convergen a una bornera o placa de conexión ubicada sobre la carcasa exterior de dicha máquina. Lo bornes de dicha placa llevan la marca correspondiente a los principios U-V-W y y finales X-Y-Z de los arrollamientos de la bornera pudiéndose pasar fácilmente de una conexión a otra con sólo modificarse la posición de los puentes de conexión de los bornes.

La razón por la cual se ha adoptado internacionalmente la disposición indicada en la bornera es que ambas conexiones se logran sin cruce de los puentes de conexión. Así entonces para la conexión estrella se unen con puentes horizontales los tres bornes superiores o los tres inferiores (Indistintamente) mientras que para la conexión triángulo los puentes de conexión se ubican verticalmente.

Para facilitar el cambio de una conexión a otra, es usual contar en las borneras con la misma distancia entre bornes verticales y horizontales, lo que permite utilizar puentes de la misma longitud para una u otra conexión.

Transferencia constante de potencia con cargas balanceadas[editar]

Consideremos un sistema trifásico de tensiones

Asumimos la carga balanceada. Así, en cada fase hay impedancia:

con corriente de pico

y corrientes instantáneas

Las potencias instantáneas en las fases son

Usando identidades trigonométricas:

que se suman para producir la potencia instantánea total

Como los términos en corchetes constituyen un sistema trifásico simétrico, ellos suman cero y la potencia total resulta constante

o, sustituyendo la corriente de pico,

transformadores monofasicos

La regulación y la eficiencia son las dos características de mayor importancia en el funcionamiento de los transformadores. Los cuales son usados en sistemas de potencia para la transmisión y distribución de energía.

Factor de Regulación:

La regulación de voltaje es una medida de la variación de tensión de salida de un transformador, cuando la corriente de carga con un factor de potencia constante varia de cero a un valor nominal. Considérese los dos embobinados del transformador mostrado en la figura 4-a. La carga esta conectada al lado2 y la fuente de voltaje al lado 1.Supongamos que el transformador esta entregando a la carga una corriente nominal a un voltaje nominal y con un factor de potencia específico. La fuente de voltaje es ajustada para obtener voltaje constante a este valor y la carga es desconectada del transformador, el voltaje de salida del transformador cambiará; la diferencia entre los valores del voltaje de salida cuando está sin carga, y el nominal a plena carga, expresada como una fracción del valor nominal, es definida como la regulación del voltaje nominal del transformador a un factor de potencia específico. La ecuación 9 representa el factor de regulación en porcentaje.

; (Ec.9)

Como generalmente, la corriente de excitación será pequeña comparada con la corriente nominal de un transformador de núcleo de hierro, la rama en derivación consiste de Rm y Xm puede no considerarse para cálculos de regulación de voltaje. Este circuito equivalente simplificado referido al lado 2 se muestra en la siguiente Figura 3-b.

Como el transformador está entregando la corriente nominal IL2 a un factor de potencia COS ( L), el voltaje de carga es V2. El correspondiente voltaje de entrada es V1 / a referido al lado 2. Cuando la carga se remueve, manteniendo el voltaje de entrada constante se observara en la figura 4.b que el voltaje en los terminales de carga, cuando IL2 = 0, es V1 / a, luego la ecuación 10 representa el factor de regulación de voltaje, en porcentaje, no considerando la rama de magnetización.

; (Ec.10)

Donde:

; (Ec.11)

Los terminos V2, IL2 son los valores nominales

Figura 3-a: Transformador de núcleo de hierro de dos enrrollados alimentando una carga inductiva (ZL2).

Figura 3-b:Circuito equivalente aproximado referiodo al lado 2 del transformador ilustrado en 3a.

b.- Rendimiento:

Supongamos el transformador de núcleo de hierro exhibido en la fígura 3-a. Supóngase que el voltaje de la salida se mantiene constante al valor nominal y el transformador formado con factor de potencia COS ( L), está entregando a la carga, una corriente IL2 (no es necesariamente el valor nominal). Las pérdidas en el transformador son los que se tienen en el núcleo debida a la histéresis, a las corrientes parásitas y la óhmicas en las resistencias de los enrrollamientos. Por Pc se presentan las pérdidas en el núcleo; como las pérdidas en el núcleo son dependientes de la densidad de flujo y la frecuencia puede considerarse que Pc permanece constante en el tiempo si el voltaje de salida y la frecuencia se mantienen constantes en el tiempo. Las pérdidas óhmicas en los enrrollamientos, están en función de la corriente. A cualquier corriente IL2, kas pérdidas óhmicas totales en el transformador son I2L2 Req2; estas pérdidas son llamadas pérdidas en el cobre, luego ka ecuación 12, representa el rendimiento del transformador.

; (Ec.12)

; (Ec.13)

sistemas monofasicos

Los circuitos o sistemas de corriente alterna se dividen en dos grupos principales: Monofásicos y Polifásicos.

Los circuitos polifásicos son aquellos en donde existe más de una fase de energía eléctrica y se emplean para la transmisión y distribución de energía a larga distancia y en los circuitos que alimentan motores y aparatos de fuerte consumo.

Se llaman circuitos monofásicos a los que están formados por una sola fase de energía eléctrica independientemente del número de hilos o conductores , en estos circuitos existe una sola serie de cambios en la corriente o voltaje, o lo que es lo mismo, que hay una sola fase de energía eléctrica.

CIRCUITOS MONOFÁSICOS

En nuestro medio, los circuitos monofásicos empleados son dos:

1.- Circuito Monofásico de 2 Hilos.

2.- Circuito Monofásico de 3 Hilos o Trifilar.

CIRCUITO MONOFÁSICO DE 2 HILOS

Este tipo de circuito está formado por dos conductores que consisten de una fase y un neutro, tal como es mostrado en la figura 1.

 Circuito Monofásico de 2 hilos

A la izquierda de esta figura se muestra un devanado que representa la fuente de energía de CA. De aquí en adelante, será común este tipo de esquematización, por lo que es conveniente comprender su significado.

Ya que desde el punto de vista de medición interesa únicamente el circuito de alimentación al consumidor, tendremos que considerar los circuitos de distribución, primarios o secundarios, a partir de los cuales es factible proporcionar una alimentación.

Refiriéndonos a las figura 2, podemos ver que un circuito monofásico de 2 hilos puede obtenerse de los siguientes sistemas de distribución:

a) Sistema Monofásico de 2 hilos.- Puede tratarse de una distribución primaria o secundaria, aunque actualmente en CFE no es común el primer caso. En el caso de tratarse de una  distribución secundaria, el sistema proviene de un par de hilos (fase y neutro) del transformador•de distribución. Los voltajes más comunes son: 110, 115 y 120 volts.

 

Sistema monofásico de 3 hilos

b) Sistema Monofásico de 3 hilos.- Por lo común proviene de una distribución secundaria obtenida de un transformador monofásico de 3 hilos. Los voltajes más comunes de este sistema son 110/220, 115/230 y 120/240 volts. Si se desea, puede obtenerse alimentación monofásica a 2 hilos utilizando las terminales A-N o B-N. Un circuito obtenido de A-B no puede llamarse 2 hilos aún cuando físicamente sólo se tomen dos conductores, ya que el neutro está aterrizado y por lo tanto debe contarse como un tercer hilo. Obsérvese que si bien las terminales extremas se les denornina A y B, éstas pertenecen a una misma fase sólo que con polaridad opuesta (fígura 3).

guerra de las corrientes

La Guerra de las corrientes fue una competencia económica producida en los años 1880, por el control del incipiente mercado de la generación y distribución de energía eléctrica. George Westinghouse y Thomas Edison se convirtieron en adversarios, debido a la promoción de la corriente continua, de Edison y J. P. Morgan para la distribución de energía eléctrica y que a su vez estaba en contra de la corriente alterna defendida por Westinghouse y Nikola Tesla.

Historia

La electricidad era la palabra mágica a fines del s. XIX. Desde las tentativas iniciales deBenjamin Franklin o de Michael Faraday hasta la tecnología del telégrafo, las aplicaciones para la electricidad crecían continuamente.

Después de la Exposición Mundial de París en 1881 y de la presentación de la lámpara deEdison, los nuevos sistemas de iluminación eléctricos se convirtieron en el logro tecnológico más importante del mundo. La electricidad podía sustituir el vapor para hacer funcionar los motores. Era una segunda revolución industrial y, en ciudades europeas y americanas, las centrales eléctricas se multiplicaban basadas en el diseño de Pearl Street, la central que Edison estableció en 1882 en Nueva York. Fue la primera instalación para la producción eléctrica comercial del mundo y aunque era una planta enorme para su época, podía producir y distribuir electricidad hasta, aproximadamente, 330 ha de Manhattan.

La demanda de electricidad pronto condujo al deseo de construir centrales eléctricas más grandes y de llevar la energía a mayores distancias. Además, la rápida distribución de motores eléctricos industriales provocó una fuerte demanda por un voltaje diferente a los 110 V usados para la iluminación.

Corriente continua y alterna

El sistema de Edison, que utilizaba la corriente continua (CC), era poco adecuado para responder a estas nuevas demandas. El problema del transporte era aún más difícil, puesto que la transmisión interurbana de grandes cantidades de CC en 110 voltios era muy costosa y sufría enormes pérdidas por disipación en forma de calor.

En 1886, George Westinghouse, un rico empresario pero un recién llegado en el negocio eléctrico, fundó Westinghouse Electric para competir con General Electric de Edison. El sistema de la primera se basó en los descubrimientos y las patentes de Nikola Tesla, quien creyó apasionadamente en la superioridad de la corriente alterna (CA). Su argumento se basaba en que las pérdidas en la transmisión de electricidad dependían de la intensidad de la corriente (P=I^2*R) que circulaba por la línea. Para la misma transmisión de potencia y siendo esta producto de la intensidad por el voltaje (P=V*I), a mayor voltaje, menor intensidad de corriente es necesaria para transmitir la misma potencia y por lo tanto, menores pérdidas. Y a diferencia de la CC, el voltaje de la CA se puede elevar con un transformador para ser transportado largas distancias con pocas pérdidas en forma de calor. Entonces, antes de proveer energía a los clientes, el voltaje se puede reducir a niveles seguros y económicos.

Tesla vs Edison

Westinghouse Electric Vs General Electric

Nikola Tesla terminó cediendo las patentes a Westinghouse para que continuara con sus proyectos de energía alterna misma que se utiliza hoy en dia.Edison se alarmó por la aparición de la tecnología de Tesla, que amenazaba sus intereses en un campo que él mismo había creado.

Electrocutando a un elefante (Electrocuting an Elephant), 1903

Edison y Tesla se enfrentaron en una batalla de relaciones públicas –que los periódicos denominaron “la guerra de las corrientes”– para determinar qué sistema se convertiría en la tecnología dominante. Harold Brown (empleado de Edison) colaboró en la invención de la silla eléctrica de CA y electrocutó a perros, gatos y hasta un elefante para demostrar que la corriente alterna era peligrosa. La electrocución de la elefante Topsy quedó registrada en una película filmada en 1903.

Para neutralizar esta iniciativa, Nikola Tesla se expuso a una CA que atravesó su cuerpo sin causarle ningún daño. Ante esta prueba, Edison nada pudo hacer y su prestigio quedó momentáneamente erosionado.

Durante la Feria Mundial de Chicago de 1893, Tesla tuvo su gran oportunidad. Cuando Westinghouse presentó un presupuesto por la mitad de lo que pedíaGeneral Electric, la iluminación de la Feria le fue adjudicada y Tesla pudo exhibir sus generadores y motores de CA.

Más tarde, la Niagara Falls Power Company encargó a Westinghouse el desarrollo de su sistema de transmisión. Fue el final de la “guerra de las corrientes”.