Fundamentos de Sistemas Trifásicos: Conexiones, Cargas y Medición de Potencia

Sistemas Trifásicos: Fundamentos y Conexiones

Los sistemas trifásicos se caracterizan por poseer tres tensiones iguales, desfasadas 120° entre sí. La configuración de estas tensiones depende de la conexión de las tres bobinas del alternador, dando lugar principalmente a dos tipos de conexiones: estrella y triángulo.

Conexión en Estrella

Esta conexión se logra uniendo los tres bobinados en un punto común, conocido como punto neutro. De este punto común se extrae un cuarto conductor, el neutro. Las tensiones medidas entre cualquiera de las tres fases y el neutro se denominan tensiones de fase o tensiones simples. Por otro lado, las tensiones medidas entre fases se conocen como tensiones de línea o compuestas.

Conexión en Triángulo

La conexión en triángulo se establece uniendo el final de una bobina con el inicio de la siguiente, formando un circuito cerrado sin conductor neutro. En esta configuración, los voltajes de línea y de fase son iguales.

Cargas en Sistemas Trifásicos

Carga Equilibrada en Estrella

En un sistema con carga equilibrada en estrella, las corrientes de fase son iguales en módulo y están desfasadas 120° entre sí.

Carga Desequilibrada en Estrella

Cuando la carga en estrella está desequilibrada, circula corriente por el neutro, y la tensión en cada impedancia es constante. Sin embargo, las corrientes de línea son distintas y no están desfasadas 120°.

Conexión Estrella sin Neutro

Si el conductor neutro no existe o está roto, el punto común de las tres impedancias (designado por la letra 'O') no se encuentra al potencial del neutro ideal ('N'). En esta situación, las tensiones en las impedancias pueden variar significativamente. El desplazamiento del punto 'O' respecto al punto 'N' se denomina tensión de desplazamiento del neutro (Uon). Es crucial destacar que este desplazamiento del punto neutro provoca variaciones en los voltajes y puede comprometer la integridad de la instalación.

Carga Desequilibrada en Triángulo

La solución para una carga desequilibrada en triángulo se obtiene calculando las tres corrientes de fase y aplicando la primera ley de Kirchhoff a los nudos principales. Esto permite deducir las tres corrientes de línea, las cuales no serán iguales ni estarán desfasadas.

Optimización y Medición de Potencia

Corrección del Factor de Potencia (Monofásico y Trifásico)

En aplicaciones industriales, es frecuente trabajar con cargas inductivas. La potencia activa (P) entregada a la carga es una medida del trabajo útil por unidad de tiempo que esta realiza. En el triángulo de potencias, la potencia aparente (S) es una medida de la carga total del sistema de distribución, mientras que la potencia activa (P) representa la potencia útil suministrada. Para optimizar el sistema, la potencia aparente (S) debe aproximarse a la potencia activa (P), lo que implica un ángulo de desfase pequeño. Esto se logra conectando condensadores en paralelo a la carga. Al hacer esto, la tensión de la carga permanece constante, por lo que la potencia activa (P) no varía. Sin embargo, al aumentar el factor de potencia, la intensidad de corriente y la potencia aparente (S) disminuyen, lo que resulta en una mejora significativa del sistema.

Vatímetro

Un vatímetro mide la potencia de una fase. Para obtener la potencia total en un sistema trifásico equilibrado, su lectura se multiplica por tres.

Medición en Sistema Equilibrado de 3 Conductores

La potencia activa total en un sistema equilibrado de tres conductores se obtiene a partir de las lecturas de dos vatímetros. Estos se conectan en dos líneas, con sus bobinas de tensión conectadas a la tercera línea. Con este método, también es posible determinar la potencia reactiva.

Medición en Sistema Desequilibrado de 3 Conductores

En un sistema desequilibrado de tres conductores, la potencia activa se determina sumando las dos lecturas de los vatímetros. Sin embargo, la potencia reactiva no es posible determinarla con este método. La conexión utilizada en los sistemas de tres conductores para esta medición recibe el nombre de sistema de los dos vatímetros o conexión Aron.