Sistemas Trifásicos Departamento de Ingeniería Eléctrica UNEFA Maracay Redes Eléctricas II Chrystian Roa Generador trifásico Secuencia de fases. Conexiones: estrella, delta. Carga trifásica. Estudio y resolución de sistemas en desequilibrio. Modelo equivalente monofásico. Estudio y resolución de sistemas equilibrados Transformadores monofásicos en sistemas equilibrados: Conexiones y Diagramas fasoriales. La generación, transmisión, distribución y utilización de grandes cantidades de energía eléctrica se lleva a cabo mediante circuitos trifásicos. El análisis exhaustivo de dicho tipo de sistemas constituye un campo de estudio por propio derecho La estructura básica de un sistema trifásico consiste en una serie de fuentes de tensión conectadas a unas cargas por medio de transformadores y líneas de transmisión. Para analizar dicho tipo de circuito, podemos reducirlo a una fuente de tensión conectada a una carga a través de una línea. La omisión del transformador simplifica el análisis sin poner en riesgo la comprensión de los cálculos implicados. Potencia trifásica. Corrección del factor de potencia trifásico. Rendimiento en redes trifásicas. Un circuito trifásico básico Sistemas Trifásicos 1 Sistema en Y (generador en Y con carga en Y) Torre tipo "delta" o "gato", a una tensión de 400kV Vista de la Central Hidroeléctrica Simón Bolívar, también llamada Represa del Guri, se puede apreciar el dique Sistemas Trifásicos 2 Generador trifásico Una fuente de tensión trifásica es un generador con tres devanados separados distribuidos alrededor del estator. Cada devanado forma una fase del generador. El rotor del generador es un electroimán que se mueve a velocidad síncrona mediante algún tipo de mecanismo, como por ejemplo una turbina de vapor o de gas. La rotación del electroimán induce una tensión sinusoidal en cada uno de los devanados. Los devanados de las fases están diseñados de forma que las tensiones sinusoidales inducidas en ellos tienen igual amplitud y están desfasadas entre sí 120°. Los devanados de fase son estáticos con respecto al electroimán giratorio, por lo que la frecuencia de la tensión inducida en cada devanado es la misma. Diagrama de una fuente de tensión trifásica Una fuente de tensión trifásica es un generador con tres devanados separados distribuidos alrededor del estator. Cada devanado forma una fase del generador. Sistemas Trifásicos 3 Generador trifásico Fraile Mora, Electromagnetismo y Circuitos Eléctricos, 3era Ed. 1995. Sistemas Trifásicos 4 Secuencia de fases Diagramas de fasores de los conjuntos equilibrados de tensiones trifásicas. (a) Secuencia abc (positiva). (b) Secuencia acb (negativa). Un conjunto de tensiones trifásicas equilibradas está compuesto por tres tensiones sinusoidales con idéntica amplitud y frecuencia, pero que están desfasadas entre sí exactamente 120°. Normalmente nos referimos a esas tres fases como a, b y c, utilizando la fase a como fase de referencia. Las tres tensiones se denominan tensión de fase a, tensión de fase b y tensión de fase c. Sólo hay dos posibles relaciones de fase entre la tensión de fase a y las tensiones de fase b y c. Una de las posibilidades es que la tensión de fase b esté retardada 120° con respecto a la tensión de fase a, en cuyo caso la tensión de fase c estará adelantada 120° con respecto a la tensión de fase a. Esta relación de fase se denomina secuencia de fases abc (o positiva). La otra posibilidad es que la tensión de fase b esté adelantada 120° con respecto a la tensión de fase a, en cuyo caso la tensión de fase c deberá estar retardada 120°. Esta relación de fase se denomina secuencia de fase acb (o negativa). En notación de fasores, los dos posibles conjuntos de tensiones de fase equilibradas son las ecuaciones escritas debajo de la Figura superior izquierda. Sistemas Trifásicos 5 Secuencia de fases (a) (b) (a) Secuencia de fase positiva o abc (b) Secuencia de fase negativa o acb Sistemas Trifásicos 6 Secuencia de fases Marca: KYORITSU Modelo: 8030 Características: Indicador de secuencia de fases y comprobador de fase abierta. Voltage Operativo 200 ~ 480 AC Tiempo límite para continuar >200V dentro de 60 min,480 V dentro de 4 minutos Respuesta de frecuencia 20 ~ 400 HZ Resistencia de tensión 2200V CA durante 1 minuto Dimensiones 82 (L) x 59 (W) × 23 (D) mm Peso 200 g aprox Cable 1m (R:rojo,S:blanco,T:azul) Sistemas Trifásicos 7 Conexiones: Estrella Υ, Delta Δ. Las dos conexiones básicas de una fuente trifásica ideal. (a) Fuente con conexión en Y. (b) Fuente con conexión en Δ. Hay dos formas de interconectar los diferentes devanados de fase para formar una fuente trifásica: en configuración de estrella (Y) o en configuración de triángulo (Δ). En la Figura de la izq. se muestra ambos tipos de conexión, utilizando fuentes de tensión ideales para modelar los devanados de fase del generador trifásico. El terminal común en las fuentes conectadas en estrella, etiquetado como n en la Figura (a), se denomina terminal neutro de la fuente. El terminal neutro puede o no estar disponible para efectuar una conexión externa. Sistema de conexión en estrella. Los devanados del estator de un generador de C.A. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura T1, T2, T3 representan las terminales de línea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro. Sistemas Trifásicos 8 Conexiones: Estrella Υ, Delta Δ. Sistema de conexión delta. La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de línea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de línea. Sistemas Trifásicos 9 Conexiones: Estrella Υ, Delta Δ. Conexión: Estrella Υ Red utilizada como ejemplo numérico de una notación de tensión de doble subíndice Este diagrama fasorial ilustra el uso de la convención de tensión de doble subíndice para obtener Vab relativa a la red mostrada. Se puede calcular la tensión Vab con tomar en los subíndices. Sistemas Trifásicos 10 Conexiones: Estrella Υ, Delta Δ. Conexión: Estrella Υ Estas tres tensiones, localizadas cada una entre una línea y el neutro, se llama tensiones de fase. Si se eligen de manera arbitraria Van como la referencia, se define: 𝑉𝑎𝑛 = 𝑉𝑝∠0° Todo se empleará de manera constante Vp para representar la amplitud rms de cualquiera de esas tensiones de fase, por lo cual la definición de la fuente trifásica se indica así: Las fuentes trifásicas tienen tres terminales, denominados terminales de línea, además, pueden contar o no con un cuarto terminal, la conexión del neutro. Se asumirá fuentes trifásicas balanceadas, que se definirán de modo que: Secuencia Positiva (+) 𝑉𝑏𝑛 = 𝑉𝑝∠ − 120° 𝑉𝑐𝑛 = 𝑉𝑝∠ − 240° Secuencia Negativa (-) 𝑉𝑏𝑛 = 𝑉𝑝∠120° 𝑉𝑐𝑛 = 𝑉𝑝∠240° 𝝞𝑉𝑎𝑛𝝞 = 𝝞𝑉𝑏𝑛𝝞 − 𝝞𝑉𝑐𝑛𝝞 𝑉𝑎𝑛 + 𝑉𝑏𝑛 + 𝑉𝑐𝑛 = 0 Sistemas Trifásicos 11 Conexiones: Estrella Υ, Delta Δ. Conexión: Estrella Υ Estas tres tensiones, localizadas cada una 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑛 − 𝑉𝑏𝑛 𝑉𝑎𝑛 = 𝑉𝑝∠0° 𝑉𝑏𝑛 = 𝑉𝑝∠ − 120° 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑝 cos −120° − 𝑗 sin(−120°) 𝑉𝑎𝑏 = 3𝑉𝑝 ∠30° 𝑉𝐿 = 3𝑉𝑝 ∠30° Diagrama fasorial que se utiliza para determinar las tensiones de línea a partir de las tensiones de fase dadas; algebraicamante: Sistemas Trifásicos 12