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Mi Universo Electrónico

Circuitos trifásicos equilibrados

En este artículo, vamos a ver los circuitos trifásicos. Obviamente, como su nombre indica, son sistemas formados por tres fases y son los que más se utilizan en la generación, transporte y distribución de energía eléctrica.

Algunas de las ventajas de los circuitos trifásicos son:

  • Para transportar energía, el sistema trifásico es más económico que el sistema monofásico, debido al ahorro obtenido en los conductores de cobre.
  • En los circuitos trifásicos, la potencia instantánea es constante. Esto, por ejemplo, es muy importante en motores, ya que les permite mantener un par constante.
  • Siguiendo con los motores, el sistema trifásico les permite arrancar sin necesidad de arrancadores.
  • La sección de los conductores en los circuitos trifásicos es menor que en la de los circuitos monofásicos.
  • En los circuitos trifásicos, se pueden conectar tanto cargas monofásicas como cargas trifásicas.

Características de los circuitos trifásicos

Los circuitos trifásicos son un sistema formado por tres tensiones sinusoidales, todas ellas de la misma amplitud y desfasadas 120º entre si. En la siguiente imagen se puede ver una representación de las tres tensiones en un eje temporal.

tensiones en circuitos trifásicos

Las expresiones instantáneas en el dominio del tiempo de esas tres tensiones son:

Va(t) = Vmax sen (ωt)

Vb(t) = Vmax sen (ωt – 120)

Vc(t) = Vmax sen (ωt + 120)

Por ello, si estas tensiones, las representamos mediante sus correspondientes fasores, tenemos la siguiente figura:

Representación fasorial de circuitos trifásicos

En los circuitos trifásicos equilibrados se cumple que:

Ua + Ub + Uc = 0

Secuencia de fases

En los circuitos trifásicos puede haber dos secuencias de fases distintas:

  • Secuencia directa o positiva
  • Y secuencia inversa o negativa

Secuencia directa o secuencia positiva en circuitos trifásicos

Las tensiones en un circuito trifásico de secuencia directa o positiva son las mostradas anteriormente, con su correspondiente diagrama vectorial.

Circuitos trifásicos de secuencia inversa o secuencia negativa

En el caso de los circuitos de secuencia inversa o negativa, las tensiones son las siguientes:

Va(t) = Vmax sen (ωt)

Vb(t) = Vmax sen (ωt + 120)

Vc(t) = Vmax sen (ωt – 120)

Y su diagrama vectorial es:

Secuencia inversa circuitos trifásicos

Conexiones en circuitos trifásicos

En función de cómo se conecten tanto el generador como las cargas, podemos tener 4 casos:

Sin embargo, las conexiones estrella-triángulo, triángulo-estrella y triángulo-triángulo, las vamos a convertir a ESTRELLA-ESTRELLA.

¿Por qué? pues porque para resolver estos ejercicios, en la mayoría de los casos de los circuitos trifásicos, vamos a plantear el equivalente monofásico del circuito. Básicamente, el equivalente monofásico es la representación de una de las fases del circuito trifásico.

El equivalente monofásico, SÓLO se puede plantear en circuitos trifásicos equilibrados.

Tensiones de línea Vs tensiones de fase en los circuitos trifásicos

La mayoría de las dudas que surgen cuando hay que resolver ejercicios de circuitos trifásicos, están relacionadas con los conceptos de tensión de linea y tensión de fase. Las definiciones de ambas son las siguientes:

  • Tensiones de línea o tensiones simples: son aquellas tensiones que se toman entre DOS fases cualesquiera ( URS, UST, UTR).
  • Las tensiones de fase o tensiones compuestas son las que se toman entre UNA fase cualquiera y el NEUTRO ( URN, USN, UTN o también UR, US, UT).

En cuanto a la letra que se asigna a cada fase, R-S-T, también se suele utilizar la nomenclatura A-B-C, es decir:

  • R = A
  • S = B
  • T = C

Haré uso indistintamente de una u otra forma de denominar cada una de las fases.

En la siguiente figura se muestran las tensiones de linea y fase en un generador conectado en estrella en circuitos trifásicos.

De esta imagen se obtiene la siguiente relación ente las tensiones de línea y fase:

Vfase = Vlínea / √3

De igual forma, cuando el generador se conexiona en triangulo tenemos las siguientes tensiones de linea y de fase:

Conexión de un generador en triángulo

Asimismo, de la conexión en triangulo, la relación entre las tensiones de linea y de fase es:

Vfase = Vlínea

¿Qué ocurre en las cargas con las tensiones de línea y de fase?

Hemos visto como es la relación entre las tensiones de linea y de fase cuando el generador se conecta en estrella y en triángulo. Igualmente, esas relaciones se mantienen cuando hablamos de las cargas o receptores en los circuitos trifásicos.

Es muy importante aprender a identificar que tensión está soportando cada una de las fases de la carga, para poder realizar los cálculos correctamente.

Como ya he comentado, esa suele ser la mayor causa de errores en ejercicios de circuitos trifásicos.

Corrientes de fase Vs corrientes de línea en los circuitos trifásicos

Al igual que ocurre con las tensiones, la relación que existe entre las corrientes de línea y las de fase, del mismo modo, depende del tipo de conexión empleada en el generador y en las cargas.

En la siguiente imagen se muestran un generador conectado en estrella y una carga conectada en triángulo, un caso muy utilizado en circuitos trifásicos, con las correspondientes corrientes que circulan por todos los elementos.

CONEXIÓN ESTRELLA TRIÁNGULO EN CIRCUITOS TRIFÁSICOS

De la figura, se tiene que:

  • I1 , I2 e I3 : son las corrientes que circulan por cada una de las fases del generador, es decir, las corrientes de fase en el generador.
  • IR , IS e IT: son las corrientes que circulan por las líneas de alimentación, es decir, son las corrientes de línea.
  • Finalmente, IRS , IST e ITR: son las corrientes que circulan por cada una de las fases de la carga, es decir, las corrientes de fase en la carga.

Con todo esto, se puede comprobar que la corriente de fase en el generador es la misma que la corriente de línea. Sin embargo, es evidente que la corriente de fase en la carga no es la misma que la corriente de línea.

Por consiguiente, la relación entre las corrientes de fase y línea en los circuitos trifásicos, en función del tipo de conexión son:

  • Para generadores y cargas conectados en estrella:

Ifase = Ilínea

  • En cambio, si el generador o la carga están conectadas en triángulo, la relación es:

Ifase = Ilínea / √3

Resumen

Quiero hacer énfasis en lo comentado anteriormente, la mayoría de los errores que se producen cuando el estudiante afronta ejercicios de circuitos trifásicos, están relacionados con la interpretación errónea de los valores de línea y de fase. Es por ello, que lo primero es asimilar esos conceptos muy bien desde el principio.

Aquí te dejo un enlace a un artículo con ejercicios de circuitos trifásicos resueltos.

Ejercicios de sistemas trifásicos

Recuerda, que en mi canal de Youtube tienes ejercicios resueltos de todos los temas tratados en Mi Universo Electrónico.