Ingeniería Eléctrica, Sistemas trifásicos

Generador de tensiones trifásicas

La Figura 1 muestra el esquema básico de la generación de tensiones trifásicas, donde existe un imán N-S fijo y dentro de él un cilindro (rotor) que se mueve a la velocidad angular ω rad/seg dentro de un campo magnético uniforme B teslas (T). Este rotor tiene arrollado sobre él tres juegos de bobinas, constituidos por los devanados AA’, BB’ y CC’, que están separados entre sí 120° en el espacio (A, B y C representan puntas de flecha o dirección de salida de corriente de las bobinas, mientras que A’, B’ y C’ representan partes posteriores de flecha o entradas de corriente de las bobinas…inicio y fin de un corte transversal a las bobinas, visto en una dimensión).

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Las tres bobinas tienen el mismo número de espiras y giran a la misma velocidad angular ω. En consecuencia, la f.e.m (fuerza electromotriz) inducida en cada devanado tiene el mismo valor pico, la misma forma de onda sinusoidal y la misma frecuencia. Cada onda está desfasada 120° una de la otra en el tiempo. Suponiendo que en el tiempo t=0, la tensión en la bobina AA’ es máxima, la Figura 2 muestra la tres tensiones trifásicas en el tiempo:

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Las expresiones instantáneas para cada tensión son las siguientes:

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Donde U es el valor eficaz de la tensión U(t). Cada devanado donde se produce tensión sinusoidal se denomina Fase. En consecuencia, este mecanismo se conoce popularmente como Generador Trifásico. La representación fasorial de las tensiones, corrientes, y demás parámetros posibles en un circuito trifásico, aporta información cualitativa que permite entender mejor como funciona dicho circuito. En este caso, las tensiones de un generador trifásico se representan mediante el siguiente diagrama fasorial:

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Si a esta altura tiene alguna duda sobre la generación de tensión sinusoidal, recomiendo ver primero: El Alternador – Generación de ondas sinusoidales

Por medio de las Figuras 2 y 3 podemos ver que al sumar los tres vectores, o las tres tensiones instantáneas, obtenemos cero como respuesta. Es decir:

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Observación 1: estas últimas ecuaciones son válidas por el hecho de que la velocidad angular ω de todas las tensiones es igual. Por ello, es importante que al utilizar estas ecuaciones en el análisis de circuitos polifásicos, el ingeniero primero constate que todas las fases tengan la misma velocidad angular.

Observación 1: el orden en que se suceden los valores máximos de las tensiones de fase en un generador trifásico, se denomina secuencia de fases. En el rotor de la Figura 1, la secuencia de fases es ABC. Pero, puede presentarse el caso en que la secuencia de fases sea ACB. Por ello, es importante que al utilizar estas ecuaciones en el análisis de circuitos trifásicos, el ingeniero primero determine cuál es la secuencia de fase del generador.

Este asunto de la secuencia de fase también se maneja de la siguiente manera: la secuencia ABC se conoce como secuencia directa o positiva; la secuencia ACB se conoce como secuencia indirecta o negativa. Esta convención se ilustra en la Figura 4, donde es importante notar la dirección de la velocidad angular ω para determinar el orden en que un observador ve las fases:

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La Figura 5 muestra el circuito que representa al generador trifásico. Se trata de tres generadores de tensión con los valores de las Figuras 2 y 3, de tal forma que cada uno de ellos alimenta a sendas impedancias de carga: Za, Zb y Zc. Este circuito en el que cada fase está unida a un receptor, independiente de las demás, se denomina circuito trifásico independiente:

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Si se cumple la igualdad de las cargas en el circuito de la Figura 5, entonces, el sistema está equilibrado. Es decir, si:

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Donde Z es el módulo de la impedancia, y Ø es la fase de la carga, la Figura 6 muestra el diagrama fasorial del sistema trifásico equilibrado:

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En un sistema trifásico equilibrado se cumple también que:

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El resultado es fundamental a la hora de analizar circuitos trifásicos, ya que va a facilitar enormemente la cantidad de cálculos necesarios para describir completamente el sistema, utilizando una sola fase y su correspondiente circuito equivalente monofásico. Veremos de inmediato de lo que estamos hablando en el análisis del Circuito Trifásico en Estrella, tema de nuestro próximo artículo.

Con el fin de disminuir la cantidad de conductores que unen el generador con la carga de la Figura 5, se utiliza un único conductor de retorno en lugar de tres. El resultado se muestra en la Figura 3.7:

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SIGUIENTE: Circuito Trifásico Y-Y balanceado. Conexión Estrella-Estrella balanceada.

Fuente:

  1. Jesús Fraile, Circuitos Eléctricos, páginas 280-291.

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2 comentarios en “Generador de tensiones trifásicas”

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