Orientación metodológica

Este contenido está indicado para cualquier módulo profesional de FP Reglada, Ocupacional o Continua que incluya contenidos de Electrotecnia. Especialmente puede servir de introducción a los módulos de:

 

Sistemas Automáticos en las Instalaciones (SAI). Instalaciones Eléctricas y Automatismos (IEA)

 

1.-Introducción

Los alternadores de las centrales eléctricas generan sistemas trifásicos equilibrados en tensiones, de frecuencia 50 Hz y donde las tensiones tienen el mismo valor eficaz pero están desfasadas 120º entre si. A lo largo de la red eléctrica este equilibrio se va perdiendo y la calidad del suministro disminuye. Sin embargo los avances técnicos consiguen a través de potentes y precisos filtros eléctricos, que se compense la distorsión de las tensiones y disminuya el grado de desequilibrio. Los técnicos de electrotecnia sobretodo en Baja Tensión, debemos de suponer por tanto que la compañía eléctrica, nos suministra una acometida con un sistema trifásico equilibrado en tensiones.

Generación y transporte de tensión trifásica

Para generar tensiones trifásicas es necesario un alternador con tres devanados iguales pero desfasados 120º en el espacio. Normalmente estos devanados se encuentran en la parte no giratoria de la máquina llamada estator. La variación de flujo magnético necesaria para generar Fem, se consigue al circular corriente continua por un devanado inductor situado en la parte móvil llamada rotor, que se somete a giro mediante una fuerza motriz exterior (turbina). De esta forma, el campo magnético creado por el devanado rotórico es constante, pero los devanados del estator lo “ven” variable debido a que el rotor está girando. En Fig. 1 podemos ver un alternador elemental de 2 polos, donde las Fems inducidas en cada bobina estatórica son iguales en valor eficaz pero están desfasadas 120º.

 

 

La frecuencia de las tensiones inducidas em el alternador depende de:

- El número de polos del campo magnético.

- La velocidad de giro del rotor.

 

Se puede demostrar que la frecuencia responde a la siguiente expresión:

 

 

 

 

donde:

 

- N: velocidad de giro del alternador en rpm.

- f: frecuencia en Hz.

- P: nº de pares de polos del campo magnético.

 

En esta animación puede verse el principio del alternador.

2.-Red trifásica y monofásica

Inicialmente son las centrales eléctricas las encargadas de generar tensiones trifásicas, mediante los alternadores. Estos normalmente suelen producir tensiones de 12, 15, 20 o 22 (KV) que, tras ser elevadas mediante un transformador se transportan a grandes distancias mediante líneas eléctricas trifásicas. Posteriormente estas líneas sufren reducciones de tensión mediante transformadores para poder alimentar a los puntos de consumo tanto industriales, comerciales y domésticos . Ten en cuenta que desde la central hasta los puntos de consumo en BT, las redes que transportan la energía eléctrica son trifásicas .

 

En los puntos de consumo como por ejemplo la entrada a los edificios, las líneas trifásicas se van desdoblando en monofásicas para alimentar a pequeños consumidores como viviendas, locales comerciales, etc. En la siguiente figura podemos ver una línea monofásica de BT a partir de una trifásica.

 

 

4.-Cargas o receptores trifásicos

 

Es habitual llamar a los receptores trifásicos "cargas" y así lo haremos a partir de ahora. Si una carga monofásica es equivalente a una impedancia, una carga trifásica

equilibrada está formada por tres impedancias iguales. A la hora de conectar entre si estas tres impedancias hay dos posibilidades:

 

Conexión estrella Conexión triángulo

 

 Además las corrientes absorbidas por una carga trifásica se clasifican en tres corrientes de línea y  tres corrientes de fase; ambos grupos como veremos, iguales en valor eficaz y desfasadas 120º entre si.

 

Carga trifásica equilibrada en estrella (Y)

Los bornes de las impedancias suelen recibir la denominación que podemos ver en la Fig. Los bornes finales de cada impedancia se conectan formando el punto neutro de la estrella y los iniciales reciben a los conductores de fase de la red.

 

 

La característica más importante de la conexión estrella equilibrada es que el punto neutro de la carga coincide eléctricamente con el punto neutro de la red trifásica que la alimenta, aunque físicamente puedan estar separamos una distancia apreciable. Es decir, si conectamos un voltímetro entre ambos puntos neutros, marcara 0V. Al ser ambos puntos neutros el mismo, cualquier voltímetro entre una fase y alguno de los neutros, marcará lo mismo. Observa que en la siguiente figura el voltímetro V1 marca 0 (V);  V2 y V3 marcan la tensión de fase (230 V), puesto que están conectados entre alguna fase y el punto neutro.

 

 

Carga trifásica equilibrada en triángulo (Δ)

            Para conectar tres impedancias en triángulo, cada una de ellas debe estar conectada entre dos fases. Para ello basta con unir cada borne final con el borne inicial de la siguiente impedancia:

 

1.- X con V2.- Y con W3.- Z con U

 

Finalmente, unimos los bornes iniciales a las fases de la red . No existe por tanto, el punto neutro de la carga.

 

Observa que cada impedancia está conectada entre dos fases, por tanto soporta la tensión de línea, que será 400 (V) si la tensión de fase de la red es 230 (V). En este caso habrá que tener precauciones especiales puesto que cada impedancia de fase debe estar preparada para soportar 400 (V).

 

 

Indice :

1.-  Introducción 2.-  Red trifásica y monofásica 3.-  Tensiones de fase y línea 4.-  Cargas o receptores trifásicos 5.-  Corrientes absorvidas 6.-  Relaciones estrella-triángulo7.-  Conexión de motores trifásicos a la red 8.-  Potencia en los sistemas trifásicos equilibrados9.-  Sistemas trifásicos desequilibrados

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5.-Corrientes absorvidas

Tanto para una carga en estrella como en triángulo se definen corrientes de fase y corrientes de línea. La definición de ambos tipos de corriente es la misma para ambas conexiones:

 

- Corrientes de línea: son las que circulan hacia la carga por cada uno de los conductores de la red trifásica. Las llamaremos IR, IS,IT.

- Corrientes de fase: son las que circulan por cada impedancia de la carga trifásica.

 

Para entender convenientemente las corrientes de línea y fase, las tendremos que analizar por separado en una carga en estrella y en triángulo.

 

Carga en estrella

Puedes ver el valor de la intensidad de línea y de fase en una red de 400 V, en el caso de impedancias por fase de 10, 23 y 46 Ω. (Ponte encima del valor de la impedancia que puedes ver la parte inferior)

 

¿Quieres saber por qué? Click aquí.

 

Carga en triángulo

 

En triángulo las corrientes de fase y de línea son distintas puesto que en los bornes iniciales (U,V,W) de cada impedancia, están conectados tres conductores y se produce una derivación . Las tres corrientes de fase son IRS, IST, ITR; serán iguales en valor eficaz (IF) y estarán desfasadas 120º entre si.

Elige el valor de la impedancia por fase y podrás ver los valores de corrientes de línea y fase de la carga trifásica.

6.-Relaciones estrella-triángulo

 

Supongamos que disponemos de tres impedancias iguales y pretendemos con ellas realizar una carga trifásica. El consumo de corriente de línea de la carga, dependerá de que la conexión sea estrella o triángulo. Vamos a comparar las expresiones vistas en el apartado anterior, suponiendo que evidentemente la tensión de red no varía:

 

 

 !! Tres impedancias en triángulo consumen el triple de corriente de línea que en estrella, a la misma tensión de red!!

 

Actividad

En el siguiente circuito trifásico, todas las impedancias son iguales. Partiendo de la corriente conocida de 17,3 (A), razona el valor eficaz de las corrientes marcadas con una interrogación.

 

 

 

7.-Conexión de motores trifásicos a la red

Hasta ahora vimos como realizar una carga trifásica a partir de impedancias monofásicas. Sin embargo, hay receptores que son fabricados como cargas trifásicas y sus impedancias de fase no se pueden conectar por separado. Son sobretodo los motores y los transformadores trifásicos.

 

Los motores trifásicos presentan lógicamente tres devanados (tres impedancias) y seis bornes. Los fabricantes, para facilitar las conexiones (sobretodo el triángulo), disponen en la caja de bornes una colocación especial de estos. Observa la Fig y fíjate que las conexiones para realizar un triángulo son:

 

- X con V

- Y con W

- Z con U

 

En vista de esto, la caja de bornes viene distribuida como puedes ver , lo que ayuda mucho para conectar en triángulo pues este se realiza uniendo bornes en vertical, mediante conectores o chapas metálicas.

 

 

 

 

 

En la siguiente Fig. podemos ver la placa de características técnicas de un motor trifásico. Observa que la potencia, velocidad y frecuencia nominales son 15 (Kw), 2910 (rpm) y 50 (Hz) respectivamente. Pero ¿y la tensión y corriente nominales?

 

 

Estas magnitudes dependen de la conexión de los devanados del motor. Por un lado puedes ver que la tensión y corriente nominales son 400(V), 29 (A) en conexión estrella y 230 (V), 50 (A) en conexión triángulo. Los motores y las cargas trifásicas en general, son flexibles y pueden conectarse a redes con distinta tensión de línea, sin más que variar la conexión. En Fig. de la derecha puedes ver dibujadas ambas conexiones; observa que la tensión nominal de cada devanado es 230 (V), tanto en estrella como en triángulo y que este valor no se puede superar, sino el motor se sufrirá calentamientos excesivos.

 

En vista de estas características, si vamos a conectar este motor en una instalación de 400 V (de línea), debemos hacerlo en estrella y consumirá 29 (A) nominales de corriente de línea. Si posteriormente tenemos que trasladarlo a una instalación vieja de 230 V (de línea), el motor funcionará sin perder ninguna de sus prestaciones, pero debe conectarse en triángulo absorbiendo 50 (A) nominales de corriente de línea. Como en ambos casos se trata de un motor de 15 (Kw), bajo una red de menos tensión, consume más intensidad nominal (en triángulo). Normalmente en la mayoría de placas de características, la tensión y corriente nominales vienen indicadas de la siguiente forma:

 

 

 

Como regla general debes recordar que:

 

1.- La tensión mayor y la corriente menor corresponden a la conexión estrella.2.-La tensión menor y la corriente mayor corresponden a la conexión triángulo.

3.-La relación entre las dos tensiones y entre las dos corrientes es :

 

 

 

 

8.-Potencia en los sistemas trifásicos equilibrados

 

El concepto de potencia activa, factor de potencia,...etc, vistos en el tema anterior, no sufren ninguna alteración por tratarse de un sistema trifásico. Es obvio por otra parte que un sistema trifásico consumirá el triple de potencia que uno monofásico de las mismas características. No obstante, las fórmulas trifásicas más utilizadas en electrotecnia son las siguientes:

 

 

donde:

 

P: potencia activa en (W).

cosφ: factor de potencia.

VL: tensión de línea de la red trifásica.

IL: corriente de línea absorbida por la carga trifásica.

 

 

Si trabajamos con tensión y corriente de línea, estas fórmulas son aplicables tanto a la conexión estrella como al triángulo.

 

Ejemplo

 

 

       Un compresor trifásico de 500 (Kw) conectado a una de red de 400 (V) trabaja con fdp 0,85. ¿Qué corriente absorbe de la red?

 

       Solución

 

       Con la fórmula de la potencia activa:

 

 

 

 

!!!! Cuando en trifásico se da un dato de tensión o corriente sin especificar nada más, se trata de una tensión o corriente DE LÍNEA.

 

 

9.-Sistemas trifásicos desequilibrados

En esta sección vamos a estudiar el caso de un sistema trifásico de tensiones equilibrado, pero que trabaja alimentando a una carga desequilibrada. Se entiende que una carga es desequilibrada cuando las impedancias de cada fase no son iguales, situación que encontramos en la distribución de energía eléctrica en BT a los edificios. En este caso, las intensidades absorbidas por la carga serán desequilibradas, con lo cual no tienen porque ser iguales en valor eficaz ni estar desfasadas 120º.

Para conseguir un suministro de tensión constante a las instalaciones monofásicas (viviendas, locales comerciales, etc) a partir de una red trifásica, es imprescindible un cuarto conductor activo llamado conductor neutro, cuya interrupción puede causar

 

   

sobretensiones que pueden derivar en grave riesgo para las personas y las instalaciones.

 

 

Carga desequilibrada en estrella. Necesidad del conductor neutro

 

         Si repasas lo que vimos hasta ahora y vuelves a Fig., puedes ver que para una carga equilibrada en estrella, el punto neutro de la alimentación y el de la carga son eléctricamente el mismo, por lo que cada impedancia soporta la tensión de fase de la red y las corrientes absorbidas son equilibradas. Si la carga es desequilibrada, no se cumple esta propiedad y los puntos neutros son eléctricamente distintos, por lo que la tensión en cada impedancia dependerá de los valores óhmicos de las mismas y las corrientes absorbidas serán desequilibradas.

En Fig.  puedes ver el resultado de una simulación mediante software electrotécnico, en la que se conecta una carga desequilibrada en estrella (resistencias por fase de 43, 20 y 82 Ω) a una red trifásica de 230 (V) de tensión de fase y 400 (V) de tensión de línea.

 

 

 

Las conclusiones de la simulación son las siguientes:

 

1. Los puntos neutros son eléctricamente distintos (N y N’), por lo que la tensión en las impedancias ya no es 230 (V).

2. Las impedancias de 43 y 82 (Ω) sufren sobretensiones de 266 y 302 (V) respectivamente, por lo que pueden calentarse demasiado, quemarse y dañarse sus aislamientos.

3. La impedancia de 20 (Ω) sufre una caída de tensión que impedirá su correcto funcionamiento. Si fuese por ejemplo una lámpara, brillaría muy poco.

4. Las corrientes absorbidas son lógicamente desequilibradas (tienen distinto valor eficaz).

 

 

Para que la tensión de cada impedancia sea la tensión de fase de la red, hay que conseguir que el punto neutro de la carga sea el punto neutro de la alimentación de red. Para ello basta con conectar un conductor entre ambos puntos neutros, llamado conductor neutro. En Fig. podemos ver una simulación con conductor neutro, en la que puedes ver que las impedancias están a la tensión de fase de la red (230 V) y no sufren sobretensiones ni pérdidas  de tensión.

 

 

 

 

Por otra parte si hay un conductor más, hay una corriente más, llamada corriente de retorno por neutro (IN). Si aplicamos la LCK en el punto neutro de la estrella tenemos:

 

 

donde todas las corrientes son evidentemente fasores. Puedes comprobar fácilmente, como la suma de los valores eficaces de las corrientes de línea, no coincide con el valor eficaz de la corriente de retorno por neutro, puesto que se trata de una suma fasorial de corrientes desequilibradas.

 

Las conclusiones de la simulación son las siguientes:

 

1. Las impedancias soportan la tensión de fase de la red, de forma estable, pues los dos puntos neutros son eléctricamente el mismo (N).

2. Las corrientes absorbidas son desquilibradas.3. Existe corriente de retorno por neutro.

 

!! Si la carga trifásica es desequilibrada, el conductor neutro es imprescindible para garantizar la estabilidad de las tensiones de fase de la carga y evitar sobretensiones o caídas de tensión.

 

Finalmente y como curiosidad, ten en cuenta que en secciones anteriores se han estudiado las cargas equilibradas, y no se mencionó al conductor neutro. En Fig. puedes ver una simulación donde conectamos un neutro a una carga equilibrada:

 

 

 

 

Puedes ver que el conductor neutro no sirve para nada si la carga es equilibrada, pues no circula corriente por el, ya que la suma fasorial de las corrientes equilibradas de línea es nula.

 

  Además los puntos neutros de la red y de la carga son eléctricamente idénticos aunque no halla conductor neutro. Este es el motivo por el que se estudiaron anteriormente las cargas equilibradas, sin considerar al conductor neutro.

 

!! Ante carga trifásica equilibrada (motores, transformadores), el conductor neutro no se conecta porque no es necesario.

 

 

 

 

Carga desequilibrada en triángulo

 

Actualmente este tipo de conexión está en desuso debido a las exigencias reglamentarias de tensión. Las redes de BT normalizadas son:

 

220/380 (V), red antigua en proceso de sustitución. 230/400 (V), red actual desde la implantación del REBT 2002.

 

En estas redes puesto que los circuitos monofásicos deben alimentarse a la tensión de fase (220 o 230 V, según la normativa en vigor), estos circuitos se distribuyen entre fase y neutro, con lo que los receptores forman en su conjunto una carga trifásica desequilibrada en estrella.

 

 

Si conectásemos estos circuitos monofásicos en triángulo, cada receptor estaría conectado a 400 (V), superando con mucho su tensión nominal, con lo que la intensidad absorbida por estos también aumentaría por encima de la nominal, produciéndose grandes calentamientos que pueden derivar en deterioro definido de los

receptores y ser además causa de incendio. Por este motivo, la conexión triángulo carece actualmente de aplicación práctica.

Sin embargo, todavía es posible encontrar en edificios antiguos redes de 220 (V) de tensión de línea, con lo que los circuitos monofásicos deben conectarse entre fases y los receptores forman en su conjunto una carga desequilibrada en triángulo. El conductor neutro es por tanto innecesario.