Corriente Alterna Trifasica (1)

5/25/2018 Corriente Alterna Trifasica (1)

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SISTEMA DE C.A. TRIFASICA-BECERRA VILELA, JHONATHAN-GARCA CORREA, CESAR

-OLAYA GONZALES, JOEL JOSU

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUMBESFACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS

ESCUELA DE AGROINDUSTRIAS


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Introduccin

A diferencia de los sistemas monofsicos de C.A,estudiados hasta ahora; que utilizan dosconductores elctricos para su distribucin yconsumo, los sistemas trifsicos utilizan tres o

cuatro conductores. En la prctica no existenalternadores monofsicos para la produccin degrandes cantidades de energa.

Las centrales elctricas se valen de alternadorestrifsicos para la generacin de la electricidad queposteriormente se consume en el sector industrial ydomestico, tanto en forma trifsica comomonofsica. Como estudiaremos a continuacin laslneas monofsicas se obtienen a partir un sistematrifsico.


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Sistemas trifsicos

Se llama sistema trifsico de tensiones(equilibradas) al conjunto de 3 corrientesmonofsicas idnticas en amplitud y

frecuencia, desfasadas simtricamente entres, una tercera parte de vuelta (2/3=120).

Figura N1: diagrama de

tensiones equilibradas


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Voltajes trifsicos balanceados

Para que los tres voltajes de un sistematrifsico estn balanceados debern teneramplitudes y frecuencias idnticas y estarfuera de fase entre s exactamente 120.

Importante: En un sistema trifsicobalanceado la suma de los voltajes es igual a

cero:

Va + Vb + Vc = 0


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Circuito trifsico balanceado

Si las cargas se encuentran de manera que lascorrientes producidas por los voltajesbalanceados del circuito tambin estnbalanceadas entonces todo el circuito estbalanceado.


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Voltajes de fase

Cada bobina del generador puede serrepresentada como una fuente de voltajesenoidal.

Para identificar a cada voltaje se les da elnombre de voltaje de la fase a, de la fase b yde la fase c.

Figura N2:voltajes de fase


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Secuencia de fase positiva

Por convencin se toma siempre como voltaje dereferencia al voltaje de fase a.

Cuando el voltaje de fase b est retrasado delvoltaje de fase a 120 y el voltaje de fase c estadelantado al de fase a por 120 se dice que la

secuencia de fase es positiva. En esta secuenciade fase los voltajes alcanzan su valor pico en lasecuencia a-b-c.

Los voltajes de a, b y c representados con

fasores son los siguientes:

en donde Vm es la magnitud del voltaje de la fase a.


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Secuencia de fase negativa

En la secuencia de fase negativa el voltaje defase b est adelantado 120 al de la fase a. yel voltaje de fase c est atrasado 120 al de lafase a.


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Neutro

Normalmente los generadores trifsicos estnconectados en Y para as tener un punto neutroen comn a los tres voltajes. Raramente seconectan en delta los voltajes del generador ya

que en conexin en delta los voltajes no estnperfectamente balanceados provocando unvoltaje neto entre ellos y en consecuencia unacorriente circulando en la delta.

Figura N3:terminal neutra.


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Generacin de C.A. trifsica

La generacin, transmisin y distribucin deenerga elctrica se efecta a travs desistemas trifsicos de corriente alterna.

Las ventajas que se obtienen en los sistemastrifsicos con respecto a los monofsicos son:

Ahorro de materiales en equipos, lneas de

transmisin y distribucin. Generacin de campos magnticos rotantes

(Principio de funcionamiento de los motores).

Potencia instantnea constante.


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Fuentes trifsicas

Una forma de producir un sistema decorriente trifsica es con un alternador ogenerador de tres bobinas, como el de lafigura:

Figura N4:esquema de un

generador trifasico


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Un generador trifsico de

tensin est compuesto por: Una parte fija o estator, constituido por un

paquete de chapas magnticas que conformanun cilindro con una serie de ranuras

longitudinales, que en el caso que analizaremospresenta la cantidad mnima que es de 6 ranuras.Sobre cada par de ranuras opuestas se colocanlos lados de una bobina, cuyos principios y fin

tienen la siguiente designacin:

Bobina 1: u - x

Bobina 2: v - y

Bobina 3: w - z

Figura N5


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Una parte mvil o rotor, que est ubicada dentro

del estator y que consiste de un electroimn

alimentado por corriente continua.

El giro de dicho rotor se produce mediante una

maquina impulsora (Motor diesel, turbina devapor, de gas, hidrulica, elica) que mantiene

una velocidad angular constante.

Figura N6:generador detensiones alternas trifasico.


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Dado que el electroimn produce un flujo [] devalor constante, las bobinas concatenaran unvalor de flujo de acuerdo a la posicin

instantnea del rotor. Si tomamos la bobina u - x de N espiras (La

cual en el esquema anterior est representadapor una sola espira por razones de simplicidad

del dibujo), y llamamos alngulo entre el ejemagntico del electroimn y el eje vertical, elflujo concatenado por la bobina para eseinstante es:


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Dependiendo el ngulo de la velocidadangular del rotor y del tiempo transcurrido, osea; = t, con lo cual:

De acuerdo a la Ley de Faraday-Lenz, entrelos terminales de las bobinas se inducir una

fuerza electromotriz cuyo valor es:


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Si analizamos la bobina v - y, vemos que elfenmeno se repite pero con un atraso de

120, debido a la disposicin geomtrica deambas, o sea que:

Lo mismo sucede con la bobina w - z:


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De esta manera se ha logrado tener un sistemade tres tensiones alternas desfasadas 120 en eltiempo, una de otra.

Si no hay circulacin de corriente la fuerzaelectromotriz inducida y la tensin en bornes decada bobina son iguales. Esto no es as en el casode que haya circulacin de corriente, ya que latensin en bornes varia con el estado de carga, loque nos conduce a representar cada bobinacomo una fuente de tensin alterna real,compuesta por una fuente ideal E y unaimpedancia en serie Zi, segn el dibujo de la

figura:Figura N7:

esquema de una fuente de

tensin real.


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Se puede comprobar experimentalmente queen un sistema trifsico existen por lo menos

dos tensiones diferentes. As por ejemplo sitomamos un voltmetro y medimos la tensinque existe entre cualquiera de las fases y elneutro de un sistema de distribucin de baja

tensin (por ejemplo, en el cuarto decontadores de un edificio de viviendas)obtendremos un resultado de 230V. sinembargo si medimos la tensin que apareceentre cualquiera de las fases, comprobaremosque existe una tensin de 400V.


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De aqu se deduce que en un sistema trifsicoexisten en una misma lnea dos tensiones

diferentes. Tambin se puede comprobar que latensin entre fases es mayor que la queaparece entre las fases y el neutro:

De hecho que en una misma lnea tengamos dos

tensiones resulta muy ventajoso, ya que porejemplo podemos utilizar la tensin ms elevadapara el sector industrial y, por seguridad la msbaja en el sector domestico.


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Conexin de receptores de C.A.

trifsica

Una vez que disponemos de un circuito trifsico, podemos conectaral mismo cargas conectadas entres si en triangulo, en estrella oincluso cargas monofsicas conectadas entre fase y neutro oentre fases. En los primeros casos se tratar, en la mayora de las

ocasiones, de cargas trifsicas equilibradas como, por ejemplo,motores trifsicos, hornos trifsicos, etc. Las cargas monofsicasestaran constituidas por lmparas y todo tipo de receptoresmonofsicos. En este caso conviene siempre repartir por iguallas cargas monofsicas entre cada una de las fases, en caso

contrario el sistema sera desequilibrado, producindosediferentes corrientes por cada fase, que desestabilizannotablemente el sistema.

La potencia de estas conexiones para cargas equilibradas es

siempre igual a:


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La potencia de estas conexiones para cargasequilibradas es siempre igual a:

P = potencia activa de la carga trifsica.

Vc= tensin compuesta.

Il = intensidad de lnea.Cos = factor de potencia de la carga.


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En funcin del tipo de cargas(impedancias) que se conecten, un

sistema trifsico puede estar:Los receptores de un sistema trifsico se pueden conectar de 2

formas: en estrella ()o en tringulo ().

Equilibrado en cargas: ocurre cuando sus cargas son iguales ypor tanto sus intensidades son iguales (en mdulo), perodesfasadas 120 entre ellas. Como consecuencia de ello, elfactor de potencia de cada una de las fases ser el mismo.

Desequilibrado en cargas: las cargas conectadas a cada faseno son iguales y por tanto tampoco las intensidades. Comoconsecuencia cada fase tiene un factor de potencia distinto.


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Carga equilibrada en estrella

En la siguiente figura podemos apreciar un receptortrifsico con tres cargas conectadas en estrella.

Figura N8:carga equilibrada

en estrella.


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Como las tensiones simples estn desfasadas 120 y lascorrientes quedarn desfasadas entre s 120 y unngulo respecto a cada una de su respectiva tensin

simple. Como las impedancias y las tensiones aplicadasa las mismas son del mismo valor modular, lascorrientes tambin lo sern:

En este caso se puede eliminar el neutro. Al hacerlo seforma un neutro artificial en el punto comn de lascargas conectadas en la estrella, que permite que semantenga la tensin simple entre las fases y el neutrosin necesidad el conductor neutro. Por supuesto, estosolo ocurre cuando las cargas estn equilibradas.


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Potencia del sistema trifsico:

Para calcular la potencia que desarrolla la carga bastara con

sumar la potencia que aparece en cada una de las trescargas monofsicas, es decir:

En un sistema equilibrado, tanto las tensiones simples,como las corrientes de fase, como los factores depotencia son iguales.


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Esto da como resultado:


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Carga equilibrada en triangulo

Al conectar las cargas en el triangulo, estas quedan sometidas

a cada una de las respectivas tensiones compuestas. Porcada una de las cargas aparece una corriente: I1, I2e I3a lascuales se les conoce como corrientes de fase (Lf)

Como el sistema es equilibrado:

Figura N9:carga

equilibrada triangulo.


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Como las tensiones compuestas estn desfasadas entre s120, las corrientes tambin quedarn desfasadas entre

s 120, y un ngulo respecto a cada una de su respectivatensin compuesta. Como las impedancias y lastensiones aplicadas a las mismas son del mismo valormodular, las corrientes tambin lo sern:

En la lnea que alimenta a las cargas aparecen otras trescorrientes: I1, I2 e I3, que llamaremos, corrientescompuestas o de lnea (Lf). Para determinar la relacinde estas corrientes con las de fase vamos a aplicar laprimera ley de Kirchhoff a cada uno de los nudos que seforman en las conexiones de las cargas de triangulo:


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Potencia del sistema trifasico

Para calcular la potencia que desarrolla la carga conectada en

triangulo bastar con sumar la potencia que aparece en cada unade las tres cargas monofsicas, es decir:

En un sistema equilibrado, tanto las tensiones compuestas, como

las corrientes de fase y de lnea y los factores de potencia soniguales.


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Correccin del factor de potencia

Por las mismas razones que se corrige el factor de potencia en las

redes de C.A. monofsica, tambin se lleva a cabo en lastrifsicas. La correccin se lleva a cabo mediante bateras decondensadores, conectados en estrella o triangulo, que seacoplan en derivacin en la red elctrica a compensar. La formams habitual de compensar la energa reactiva es mediantebateras automticas trifsicas de condensadores.

Figura N10:condensadores en

estrella y triangulo.


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El procedimiento a seguir para el clculo de la batera decondensadores trifsicos es igual que el llevado a cabo para lamonofsica. Dependiendo de que si conectamos las bateras en

estrella o en triangulo, cambiaran algunas de sus caractersticas.

Se conecten en o en ,como los 3 condensadores tienen la mismacapacidad:

Las expresiones de la potencia Q generada por la batera decondensadores conectados tanto en o en seran:


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Comparando ambas expresiones: C = 3 C

Se deduce que la conexin que interesa es la

conexin tringulo, ya que compensa el factorde potencia con condensadores de tres vecesmenor capacidad, o lo que es lo mismo, los

mismos condensadores generan el triple de

potencia reactiva conectados en en vez de .

Figura N11:triangulo de potencia

con y sin condensadores.


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Conclusin

Podemos concluir que la utilizacin desistemas trifsicos como generadores deenerga (electricidad) es mucho msprovechosa, debido a su bajo costo; pero almismo tiempo a su buen rendimiento, ya queson mejor que los sistemas de C.A.

monofsica.


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