Unas cuantas palabras acerca de los alternadores trifásicos

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Rincón Técnico
Unas cuantas palabras acerca
de los alternadores trifásicos
Autores:
El contenido de este artículo fue tomado del Electrical Engineering Portal
Elaboración técnica:
Esta publicación ha sido redactada por el ingeniero electricista Steven F. Reith miembro del cuerpo de marina
de los Estados Unidos de América y especializado en temas de infraestructura eléctrica, electrónica y
automoción programada, en su libro: Introduction to motor and generator – Navy Electricity and Electronics
Training Series.
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Introducción
El alternador trifásico, como su nombre lo indica, tiene tres devanados
monofásicos espaciados de modo tal que el voltaje en cualquiera de las fases
está desplazado 120˚ de las otras dos. Un diagrama esquemático del estator
trifásico mostrando todas las bobinas sería muy complejo y es muy difícil ver lo
que realmente está sucediendo.
El esquema simplificado de la figura 1, vista A, muestra todas las bobinas de
cada fase agrupadas como una sola.
El rotor se ha omitido por simplicidad. Las ondas de voltaje generadas a través
de cada fase están dibujadas sobre el gráfico, desfasadas 120˚ respecto a las
demás. El alternador trifásico que se muestra en este esquema se compone de
tres alternadores monofásicos que generan voltajes desfasados entre sí 120˚.
Las tres fases son independientes de las otras.
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Figura 1 – Conexiones de un alternador trifásico
En vez de tener seis cables saliendo del alternador trifásico, se pueden
conectar juntas tres fases para formar una conexión Ye (Y), como la que se
muestra en la Figura 1, vista B.
Es llamada conexión Ye (Y) porque, sin el neutro, los devanados se asemejan
a la letra Y que en este caso está hacia un lado o invertida. El neutro es llevado
a una terminal cuando se necesita alimentar una carga monofásica. Se puede
obtener voltaje monofásico desde el neutro hasta A, desde el neutro hasta B y
desde el neutro hasta C. En un alternador trifásico conectado en Y, el voltaje
total, o voltaje de línea, a través de cualquiera de los cables de tres líneas es la
suma vectorial las voltajes de las fases individuales. El voltaje de cada línea es
1.73 veces el voltaje de la fase.
Debido a que los devanados forman solo un camino para el flujo de corriente
entre fases, la corriente de línea y la de fase son las mismas (iguales). Un
estator trifásico puede también ser conectado de modo que las fases estén
conectadas final a final; este tipo de conexión se conoce como conexión en
delta (figura 1, vista C). (Delta porque luce como la letra griega, Δ).
En la conexión delta, los voltajes de línea son iguales a los voltajes de fase,
pero cada corriente de línea es igual a 1,73 veces la corriente de fase. Tanto la
conexión Y como la Δ son usadas en alternadores. La mayoría de los
alternadores usados actualmente son trifásicos. Son mucho más eficientes que
los bifásicos o monofásicos.
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Conexiones trifásicas
Las bobinas de estator de los alternadores trifásicos pueden juntarse en
conexiones en ye o delta, como muestra la Figura 2. Con esas conexiones solo
salen tres cables del alternador. Esto permite una conexión conveniente a
motores trifásicos o transformadores de distribución. Es necesario usar los
transformadores trifásicos o sus equivalentes eléctricos con este tipo de
sistema.
Figura 2 – Conexiones de un alternador o transformador trifásico
Un transformador trifásico puede ser hecho a partir de tres transformadores
monofásicos conectados en delta, ye o una combinación de ambos. Si tanto el
primario como el secundario están conectados en ye, el transformador es
llamado un ye-ye.
Si ambos devanados están conectados en delta, el transformador es llamado
un delta-delta. La Figura 3 muestra un transformador monofásico conectado en
forma delta-delta para su operación en un sistema trifásico. Notará que los
devanados del transformador no están alineados para mostrar la típica delta
(Δ) como ha sido hecho con los devanados de un alternador. Físicamente,
cada transformador en el diagrama permanece solo. No hay relación angular
entre los devanados de los transformadores individuales.
De cualquier modo, si usted sigue las conexiones, verá que forman una delta
eléctrica. Los devanados primarios, por ejemplo, están conectados a cada otro
para formar un lazo cerrado. Cada una de esas uniones es alimentada con un
voltaje de fase proveniente de un alternador trifásico. El alternador puede ser
conectado tanto en ye como en delta dependiendo de la carga, los
requerimientos de voltaje y el diseño del sistema.
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Figura 3 – Transformadores trifásicos conectados en forma delta-delta
La figura 4 muestra transformadores trifásicos conectados en ye-ye.
Nuevamente, note que los devanados del transformador no están alineados.
Eléctricamente, la Y es formada por las conexiones. Las partes más bajas de
cada devanado son puestas en contacto. Estas forman el punto común de la y.
El lado opuesto de cada devanado es aislado. Estas terminaciones forman los
brazos de la ye.
Figura 4 – Transformadores trifásicos conectados en ye-ye
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La energía alterna en la mayoría de barcos es distribuida por un sistema
trifásico, trifilar, de 450V. Los transformadores monofásicos bajan el voltaje
hasta 117V. Estos transformadores están conectados de forma delta-delta,
como en la figura 3. Con la configuración delta-delta, la carga puede ser un
dispositivo trifásico conectado a todas las fases; o, puede ser un aparato
monofásico conectado solamente a una de las fases.
En este punto, es importante recordar que tal sistema de distribución incluye
todo entre el alternador y la carga. Debido a las muchas elecciones que el
sistema trifásico provee, se debe tener cuidado de asegurarse que cualquier
cambio de las conexiones no proveerá el voltaje o la fase equivocada a la
carga.
Frecuencia de salida
La frecuencia de salida de la energía que sale del alternador depende de la
velocidad de rotación y del número de polos que este posea. A mayor
velocidad, más alta la frecuencia. Entre más baja sea la velocidad, menor es la
frecuencia.
Entre más polos haya en el motor, más alta será la frecuencia para una
velocidad dada. Cuando un rotor ha rotado 1 a través de un ángulo en el cual
dos polos adyacentes (un polo norte y uno sur) han pasado un devanado, el
voltaje inducido en dicho devanado habrá variado un ciclo completo. Para una
frecuencia dada, entre más pares de polos haya, más baja será la velocidad de
rotación necesaria.
El principio es ilustrado en la figura 5; un generador de dos polos debe rotar a
cuatro veces la velocidad de un generador de ocho polos para producir la
misma frecuencia de voltaje generado.
1
NdT: (sic)
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Figura 5 – Regulación de frecuencia
La frecuencia de cualquier generador de ac en Hertz (Hz), que es el número de
ciclos por segundo, está relacionada con el número de polos y la velocidad de
rotación, como lo expresa la ecuación:
F = NP/120
Donde P es el número de polos, N es la velocidad de rotación en revoluciones
por minuto (rpm), y 120 es una constante que permite la conversión de minutos
a segundos y de polos a pares de polos.
Ejemplos
Por ejemplo, un alternador de 2 polos y 1800rpm tiene una frecuencia de 60Hz;
determinada como sigue a continuación:
(2 x 3600) / 120 = 25 Hz
Un generador de 4 polos y 1800rpm también tiene una frecuencia de 60Hz. Un
generador de 6 polos y 500rpm tiene una frecuencia de:
(6 x 500) / 120 = 25Hz
Un generador de 12 polos y 4000rpm tiene una frecuencia de:
(12 x 4000) / 120 = 400Hz
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