Sistema polifásico

Un sistema polifásico (término acuñado por Silvanus Thompson ) es un medio para distribuir energía eléctrica de corriente alterna (CA) que utiliza más de una fase de CA , que se refiere al valor de desfase (en grados) entre la CA en múltiples cables conductores; las fases también pueden referirse a los terminales y conductores correspondientes, como en los códigos de colores . Los sistemas polifásicos tienen dos o más conductores eléctricos energizados que transportan corrientes alternas con una fase definida entre las ondas de voltaje en cada conductor. Los primeros sistemas usaban 4 hilos bifásicos con un ángulo de fase de 90°, ^{[ 1 ]} pero los sistemas modernos usan casi universalmente voltaje trifásico , con un ángulo de fase de 120° (o 2π/3 radianes).

Los sistemas polifásicos son especialmente útiles para transmitir energía a motores eléctricos que funcionan con corriente alterna. La energía trifásica se utiliza en aplicaciones industriales y para la transmisión de potencia . En comparación con un sistema monofásico de dos hilos, un sistema trifásico de tres hilos transmite tres veces más potencia con el mismo calibre y voltaje de conductor, utilizando solo 1,5 veces más conductores, lo que lo hace dos veces más eficiente en el uso de conductores.

Los sistemas con más de tres fases se utilizan con frecuencia para sistemas rectificadores y de conversión de energía, y se han estudiado para la transmisión de energía.

En los inicios de la energía eléctrica comercial, los sistemas de transmisión utilizaban múltiples cables principalmente para evitar los riesgos de seguridad de la alta tensión ; dos estándares comunes empleaban tres (bifásico + neutro) y cinco (cuatro fases + neutro) cables. ^{[ 2 ]} Estos sistemas quedaron obsoletos con el desarrollo del transformador eléctrico , pero algunas instalaciones conservaron un sistema bifásico de cuatro cables para motores. La principal ventaja de este último era que la configuración del bobinado era la misma que la de un motor monofásico de arranque por condensador y, al utilizar un sistema de cuatro cables, conceptualmente las fases eran independientes y fáciles de analizar con las herramientas matemáticas disponibles en ese momento. ^{[ 3 ]}

Los sistemas bifásicos también pueden implementarse utilizando tres cables (dos de fase y un neutro común). Sin embargo, esto introduce asimetría; la caída de tensión en el neutro hace que las fases no estén exactamente a 90 grados.

Los sistemas bifásicos han sido reemplazados por sistemas trifásicos. El cambio de dos a tres fases se debió originalmente a la necesidad de crear un campo giratorio más ideal para los motores de corriente alterna: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky calculó que, para las configuraciones de bobinado sencillas de la época, la fluctuación del campo magnético podía reducirse del 40 % al 15 % . Esto es menos importante en las máquinas modernas, que crean un campo giratorio casi ideal mediante bobinados con distribución sinusoidal , pero los sistemas trifásicos conservan otras ventajas.

Es posible obtener una alimentación bifásica con un desfase de 90 grados entre fases a partir de un sistema trifásico mediante un transformador conectado en configuración Scott , que también puede generar energía trifásica a partir de una entrada bifásica.

Un sistema polifásico debe proporcionar una dirección definida de rotación de fase, por lo que las tensiones simétricas no se tienen en cuenta para el orden de fase. Un sistema de 3 hilos con dos conductores de fase separados 180 grados sigue siendo monofásico. Estos sistemas a veces se describen como de fase dividida .

La alimentación polifásica es particularmente útil en motores de CA , como el motor de inducción , donde genera un campo magnético giratorio . Cuando una fuente de alimentación trifásica o más completa un ciclo completo, el campo magnético de un motor de dos polos por fase ha girado 360° en el espacio físico; los motores con más de dos polos por fase requieren más ciclos de alimentación para completar una revolución física del campo magnético y, por lo tanto, estos motores funcionan más lentamente. Los motores de inducción que utilizan un campo magnético giratorio fueron inventados independientemente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla y desarrollados en forma trifásica por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky en 1889. ^{[ 4 ]} Anteriormente, todos los motores comerciales eran de CC, con conmutadores costosos , escobillas que requerían mucho mantenimiento y características inadecuadas para operar en una red de corriente alterna. Los motores polifásicos son sencillos de construir, son autoarrancables y tienen poca vibración en comparación con los motores monofásicos.

Una vez que se dispone de energía polifásica, esta puede convertirse a cualquier número de fases deseado mediante una disposición adecuada de transformadores. Por lo tanto, la necesidad de más de tres fases es poco común, aunque se han utilizado más fases que tres.

La transmisión de potencia de orden de fase alto (HPO) se ha propuesto con frecuencia como una forma de aumentar la capacidad de transmisión dentro de un derecho de paso de ancho limitado . ^{[ 5 ]} La potencia transmitida es proporcional al cuadrado de la caída de tensión fase-tierra, pero las líneas de transmisión requieren conductores espaciados adecuadamente para evitar arcos eléctricos tanto fase- tierra como fase-fase . Para la potencia trifásica, la tensión fase-fase, que es √ 3 ≈1,7 veces la tensión fase-tierra, es dominante. Los sistemas de más fases con la misma tensión fase-tierra tienen una menor diferencia de tensión entre fases adyacentes, lo que permite un espaciado de conductores más ajustado. Para los sistemas de potencia de seis o más fases, el efecto dominante pasa a ser la tensión fase-tierra. ^{[ 6 ]}

La operación en seis fases permite que una línea de transmisión de doble circuito existente transporte más potencia sin necesidad de cable conductor adicional. Sin embargo, requiere la inversión de capital y las pérdidas de impedancia de los nuevos transformadores convertidores de fase para conectarse a la red trifásica convencional. ^{[ 5 ]} Resultan particularmente económicos cuando la alternativa es actualizar una línea de transmisión de tensión extra alta (EHV, más de 345  kV fase a fase) existente a  estándares de tensión ultra alta (UHV, más de 800 kV).

Entre 1992 y 1995, New York State Electric & Gas operó una línea de transmisión trifásica de 93 kV y 1,5 millas de longitud, convertida a partir de una línea de transmisión trifásica de doble circuito de 115 kV. El resultado principal fue que resulta económicamente ventajoso operar una línea trifásica de doble circuito de 115 kV existente como una línea trifásica para distancias superiores a 23–28 millas. ^{[ 7 ] : xvii–xviii}

Las líneas eléctricas trifásicas dependen de la transposición para igualar las pérdidas de transmisión entre todas las fases debidas a ligeras desviaciones de la geometría ideal. Esto no es posible con líneas de más fases, ya que la transposición solo puede intercambiar fases adyacentes, y el grupo diedral de n elementos coincide con el grupo simétrico completo solo para n ≤ 3. La aplicación completa, incluso de este esquema de transposición limitado, es necesaria para proteger adecuadamente contra fallas a tierra. ^{[ 7 ] : 45–52}

Se han propuesto diseños de generación de energía multifásica con 5, 7, 9, 12 y 15 fases en combinación con generadores de inducción multifásicos (MPIG) accionados por turbinas eólicas. Un generador de inducción produce energía eléctrica cuando su rotor gira a una velocidad superior a la velocidad síncrona . Un generador de inducción multifásico tiene más polos y, por lo tanto, una velocidad síncrona menor. Dado que la velocidad de rotación de una turbina eólica puede ser demasiado lenta para que una parte sustancial de su funcionamiento genere energía de CA monofásica o incluso trifásica, los órdenes de fase superiores permiten que el sistema capture una mayor porción de la energía rotacional como energía eléctrica.

• Energía eléctrica monofásica
• Energía eléctrica trifásica
• transformador delta-estrella
• convertidor de fase
• Bobina polifásica
• Transformación Y-Δ
• método de componentes simétricas

• Thompson, SP (1900). Corrientes eléctricas polifásicas y motores de corriente alterna . Nueva York: Spon & Chamberlain.