Transmisión y distribución de energía eléctrica

En estas páginas vamos a presentar circuitos diseñados para manejar potencia eléctrica en grandes cantidades. Son los circuitos que se utilizan para transportar la energía eléctrica desde las plantas generadoras hasta las instalaciones de los clientes industriales y residenciales.

A diferencia de los sistemas monofásicos de corriente alterna (C.A.), que utilizan dos conductores para su distribución y consumo, los sistemas trifásicos utilizan tres o cuatro conductores. En la práctica, para producir grandes cantidades de energía se emplean alternadores trifásicos. La generación, transmisión, distribución y utilización de grandes cantidades de energía eléctrica se lleva a cabo mediante circuitos trifásicos.

Una restricción importante en el diseño y operación de un sistema de distribución es mantener el nivel de tensión RMS en las instalaciones de los clientes. Independientemente de si la carga es baja (por ejemplo, de madrugada) o alta (por ejemplo, al mediodía en un verano cálido y húmedo), la compañía eléctrica está obligada a suministrar la misma tensión RMS.

Por razones económicas, los sistemas trifásicos suelen diseñarse para operar en estado equilibrado. El análisis de los circuitos trifásicos no equilibrados depende en buena medida de la comprensión de los circuitos equilibrados.

La estructura básica de un sistema trifásico consiste en un conjunto de fuentes de tensión conectadas a unas cargas por medio de transformadores y líneas de transmisión. Para analizar este tipo de circuito, puede reducirse a una fuente conectada a una carga a través de una línea. La omisión del transformador simplifica el análisis sin afectar la comprensión de los cálculos implicados.

Un sistema trifásico está formado por tres fuerzas electromotrices alternas monofásicas, de igual frecuencia e igual valor eficaz, defasadas entre sí en la tercera parte de un período, es decir, 120° eléctricos.

Figura 1. Un circuito trifásico básico.

Si en el campo magnético creado por un sistema bipolar N—S (fig. 1) colocamos tres conductores 1, 2 y 3, situándolos en tres puntos del rotor cuyos radios forman ángulos de 120°, al girar simultáneamente esos tres conductores, las fuerzas electromotrices que se inducen forman un sistema trifásico, ya que dichas f.e.m. están desfasadas un tercio de período (120° eléctricos).

Tensiones trifásicas equilibradas

Un conjunto de tensiones trifásicas equilibradas está compuesto por tres tensiones sinusoidales con idéntica amplitud y frecuencia, desfasadas entre sí exactamente 120°. Normalmente se denomina a las fases a, b y c, usando la fase a como referencia.

Existen dos posibles relaciones de fase: si la fase b está retrasada 120° respecto de a, entonces c está adelantada 120° (secuencia abc o positiva). Si b está adelantada 120° respecto de a, entonces c está retrasada 120° (secuencia acb o negativa). En notación fasorial, los dos conjuntos posibles se expresan como:

Figura – Ecuaciones (1) y (2)

La representación senoidal del sistema trifásico se muestra en la figura 2: existen tres senoides V_A, V_B y V_C desplazadas un tercio de período (120° eléctricos).

Figura 2. Tres ondas senoidales de voltaje.

De igual manera, la representación vectorial del sistema trifásico se muestra en la figura 3, donde aparecen tres vectores iguales V_A, V_B y V_C, que forman entre sí ángulos de 120°.

Las ecuaciones (1) se aplican a la secuencia abc (positiva) y las ecuaciones (2) a la secuencia acb (negativa). La secuencia de fases debe considerarse al operar en paralelo dos circuitos trifásicos: sólo pueden operar en paralelo si tienen la misma secuencia.

Figura 3

Para realizar prácticamente un sistema trifásico de f.e.m., se disponen en el inducido del generador de corriente alterna tres bobinados independientes, desplazados entre sí 120° eléctricos (figura 4).

Una fuente de tensión trifásica es un generador con tres devanados separados distribuidos alrededor del estátor. Cada devanado forma una fase del generador. El rotor es un electroimán que gira a velocidad síncrona (por ejemplo, por acción de una turbina). La rotación induce una tensión sinusoidal en cada devanado, con igual amplitud y desfasadas 120° entre sí.

Figura 4

Cada bobinado simple produce una f.e.m. alterna monofásica que podría aprovecharse por separado sacando un hilo de cada uno de los extremos de las fases. Sin embargo, el uso separado no aporta ventajas prácticas: requeriría seis hilos en la red. Por eso, en la práctica se conectan entre sí las tres fases para reducir el número de conductores y el cobre necesario. Las conexiones usadas normalmente son: estrella y triángulo.

En la conexión en estrella se unen los finales X, Y, Z de las tres fases, formando un punto común llamado punto neutro, y se dejan libres los tres principios U, V, W. De estos puntos salen los tres hilos activos. Un cuarto hilo, llamado neutro, puede sacarse del punto neutro (figura 5).

Figura 5. Conexión en estrella (Y) y conexión en triángulo (delta, Δ).

Puesto que fuentes y cargas trifásicas pueden conectarse en estrella o en triángulo, existen cuatro configuraciones básicas:

Carga trifásica balanceada

Una carga trifásica balanceada es aquella en la que las corrientes de las tres fases tienen la misma magnitud y están desfasadas entre sí 120° eléctricos. En estas condiciones, la potencia activa y la potencia reactiva se distribuyen uniformemente entre fases, lo que mejora la eficiencia y reduce pérdidas.

Un ejemplo común de carga trifásica balanceada es un motor trifásico. Otro ejemplo es un sistema de iluminación donde las cargas se distribuyen equitativamente entre fases.

Cuando una carga trifásica no está balanceada, las corrientes de fase no son iguales o no mantienen los 120° de separación, debido, por ejemplo, a una distribución desigual de cargas, diferencias de impedancias o fallas en equipos.

Consecuencias típicas de un desequilibrio:

1. Corriente desigual: puede sobrecargar una o más fases.
2. Pérdidas adicionales: disminuye la eficiencia y aumenta el consumo.
3. Sobrecarga de equipos: reduce la vida útil y eleva el mantenimiento.
4. Calidad de energía: puede producir fluctuaciones de tensión y problemas operativos.
5. Calentamiento: en conductores, transformadores y motores.
6. Desgaste desigual: en motores trifásicos, por corrientes desbalanceadas.

Conexión trifásica en estrella (Y)

En la conexión en estrella, las tres fases se unen en un punto común llamado punto neutro (N), y los otros extremos se conectan a las líneas. Puede existir (o no) conductor neutro según la aplicación. En una instalación trifásica es preciso distinguir: tensión de fase y tensión de línea; y corriente de fase y corriente de línea.

Figura 6

Figura 7. Tipos de cargas trifásicas balanceadas

Figura 8. Tensiones y corrientes en un generador en estrella

Tensiones simples o de fase: cada bobina del alternador trifásico genera una tensión simple (o de fase).

Intensidades de línea: las tensiones simples quedan aplicadas a las cargas del receptor y aparece una corriente por cada conductor de línea I_L. Si las cargas son iguales (equilibradas), la suma vectorial de corrientes es nula y la corriente por el neutro es cero.

Tensiones compuestas o de línea: son las tensiones entre fases (por ejemplo V₁₂, V₂₃, V₃₁). En estrella se cumple: V_L = √3 · V_f.

Si aplicamos la 2ª ley de Kirchhoff a las mallas formadas entre tensiones simples y compuestas (figura 9), se obtiene la relación entre ellas.

Figura 9. Cálculo de las tensiones compuestas o de línea.

El diagrama vectorial (figura 10) muestra las tensiones simples desfasadas 120°. Para cargas inductivas, las corrientes se retrasan respecto de sus tensiones un ángulo φ. Si las cargas son iguales, I₁, I₂ e I₃ son iguales y están desfasadas 120°.

Figura 10. Diagrama vectorial de tensiones e intensidades en una conexión trifásica en estrella.

Se verifica que el ángulo entre tensiones simples y compuestas es de 30° y, por trigonometría, se obtiene la relación V_L = √3 · V_f (figura 11).

Figura 11. Relación entre tensiones de fase (simples) y de línea (compuestas).

En estrella, la corriente de línea es igual a la corriente de fase: I_L = I_f.

Figura 12

Ejemplo: Un motor trifásico conectado en estrella a una red de 220 V absorbe 20 A de línea. ¿Cuánto valen la tensión e intensidad por fase?

Se cumple: V_L = √3 · V_f (y por tanto V_f = V_L/√3).

Conexión trifásica en triángulo (delta, Δ)

En la conexión en triángulo se conecta el final de cada fase con el principio de la siguiente, formando un lazo cerrado. De cada vértice se obtiene un conductor de línea (tres hilos activos). Esta conexión no posee punto neutro.

1) En triángulo, la tensión de línea es igual a la tensión de fase: V_L = V_f.

2) En triángulo, la corriente de línea es: I_L = √3 · I_f.

Figura 13

Ejemplo: Un motor trifásico tiene su bobinado conectado en triángulo y está acoplado a una red de 220 V, de la que absorbe 30 A. ¿Cuánto valen la tensión y la intensidad por fase?

Tensión por fase: V_f = V_L = 220 V. Corriente por fase: I_f = I_L/√3.

Comparación de las conexiones trifásicas

Tanto en estrella como en triángulo, son suficientes tres hilos para el transporte de energía en redes trifásicas. En estrella puede disponerse además de un cuarto hilo (neutro), imprescindible si existe desequilibrio importante entre fases o si se alimentan cargas monofásicas (por ejemplo, alumbrado).

Resumen:

1. En estrella: I_L = I_f y V_L = √3 · V_f.
2. En triángulo: V_L = V_f y I_L = √3 · I_f.
3. La conexión en estrella facilita la conexión de cargas monofásicas mediante el neutro y ayuda a estabilizar tensiones con cargas desiguales.
4. En términos de protección y detección de fallas a tierra, el neutro puede simplificar diagnósticos en ciertos esquemas.
5. La elección entre estrella y triángulo depende de la aplicación, el tipo de carga, el nivel de tensión requerido y los criterios de protección.

Conceptos destacados :