Diferencias Entre Cable Trifásico Y Monofásico

La mayoría de los cables eléctricos subterráneos de alta tensión son trifásicos.  Es decir, tienen tres conductores, que llevan corrientes equilibradas.  Pero algunos cables son monofásicos, con sólo dos conductores, “out” y “back” o “go” y “return“.  Esto puede ocurrir, por ejemplo, con los suministros ferroviarios. Sigue leyendo y aprende las diferencias entre un cable trifásico y uno monofásico y los usos.

Diferencias entre cables trifásicos y monofásicos

En un sistema trifásico, se suministra una carga monofásica conectándola a través de dos de las tres fases.  Por lo tanto, en términos de voltaje, es de dos fases: cada conductor tiene un voltaje en él, y ninguno tiene potencial a tierra de la misma manera que un conductor neutro a bajo voltaje.  En términos actuales, la corriente que fluye en un conductor vuelve a fluir en el otro, lo que significa que se describe de forma más natural como “monofásica“.  Monofásico o bifásico – es lo mismo en este contexto y la forma de describirlo depende del aspecto desde el que se lo aborde.

Para calcular el campo exacto a partir de un circuito monofásico numéricamente de la misma manera que se hace para un circuito trifásico.  Pero cuando se está muy lejos del cable en comparación con la separación de los conductores, hay expresiones más simples para el campo.

En términos prácticos, el campo de un cable monofásico y uno trifásico a la misma tensión va a ser similar, pero dado que las distancias entre los conductores varían y las cargas pueden ser muy diferentes, no se puede generalizar realmente sobre cuál es mayor, y es necesario hacer un cálculo específico para cada cable.

Cables trifásicos y monofásicos
Cables trifásicos y monofásicos

Energía eléctrica trifásica

La energía eléctrica trifásica es un método común de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica de corriente alterna. Es un tipo de sistema polifásico y es el método más común utilizado por las redes eléctricas en todo el mundo para transferir energía, además se utiliza también para accionar motores grandes y otras cargas pesadas.

Un circuito trifásico suele ser más económico que un circuito monofásico equivalente de dos hilos a la misma tensión de línea a tierra porque utiliza menos material conductor para transmitir una determinada cantidad de energía eléctrica. Los sistemas de energía polifásica fueron inventados de forma independiente por Galileo Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, Jonas Wenström, John Hopkinson y Nikola Tesla a finales de la década de 1880.

Tensión de línea y de fase

Los conductores entre una fuente de tensión y una carga se denominan líneas, y la tensión entre dos líneas cualesquiera se denomina tensión de línea. El voltaje medido entre cualquier línea y neutro se llama voltaje de fase. Por ejemplo, para un servicio de 208Y/120 voltios, el voltaje de línea es de 208 voltios, y el voltaje de fase es de 120 voltios.

Principio

En un sistema de alimentación trifásica simétrica, tres conductores transportan cada uno una corriente alterna de la misma frecuencia y amplitud de tensión con respecto a una referencia común, pero con una diferencia de fase de un tercio de ciclo entre cada uno. La referencia común suele estar conectada a tierra y a menudo a un conductor de corriente llamado neutro.

Debido a la diferencia de fase, la tensión en cualquier conductor alcanza su pico en un tercio de ciclo después de uno de los otros conductores y un tercio de ciclo antes del conductor restante, este retardo de fase proporciona una transferencia de potencia constante a una carga lineal equilibrada. También permite producir un campo magnético giratorio en un motor eléctrico y generar otras disposiciones de fase mediante transformadores (por ejemplo, un sistema de dos fases con un transformador Scott-T).

Los sistemas trifásicos simétricos se denominan simplemente sistemas trifásicos porque, aunque es posible diseñar e implementar sistemas de potencia trifásicos asimétricos (es decir, con voltajes o cambios de fase desiguales), no se utilizan en la práctica porque carecen de las ventajas más importantes de los sistemas simétricos.

En un sistema trifásico que alimenta una carga equilibrada y lineal, la suma de las corrientes instantáneas de los tres conductores es cero. En otras palabras, la corriente en cada conductor es igual en magnitud a la suma de las corrientes de los otros dos, pero con el signo opuesto, la vía de retorno para la corriente en cualquier conductor de fase son los otros dos conductores de fase.

Ventajas de la energía eléctrica trifásica

En comparación con una fuente de alimentación de CA monofásica que utiliza dos conductores (fase y neutro), una fuente trifásica sin neutro y con la misma capacidad de tensión y corriente de fase a tierra por fase puede transmitir tres veces más potencia utilizando sólo 1,5 veces más cables (es decir, tres en lugar de dos). Por lo tanto, la relación entre la capacidad y el material conductor se duplica.

La relación entre la capacidad y el material conductor aumenta a 3:1 con un sistema monofásico sin conexión a tierra trifásica y con conexión a tierra central (o 2,25:1 si ambos emplean conexiones a tierra del mismo calibre que los conductores).

En teoría, la transferencia de potencia constante y las corrientes de fase de cancelación serían posibles con cualquier número (mayor que uno) de fases, manteniendo la relación capacidad/conductor de material que es el doble de la de la potencia monofásica. Sin embargo, la potencia de dos fases resulta en un par menos suave (pulsante) en un generador o motor (haciendo que la transferencia de potencia suave sea un reto), y más de tres fases complica la infraestructura innecesariamente.

Los sistemas trifásicos también pueden tener un cuarto cable, especialmente en la distribución de baja tensión.  Este es el cable neutro.  El neutro permite que se proporcionen tres fuentes monofásicas separadas a una tensión constante y se utiliza comúnmente para suministrar grupos de propiedades domésticas que son cada una de las cargas monofásicas.

Las conexiones están dispuestas de tal manera que, en la medida de lo posible, en cada grupo se obtiene la misma potencia de cada fase.  Más arriba en el sistema de distribución, las corrientes suelen estar bien equilibradas.  Los transformadores se pueden cablear de manera que tengan un secundario de cuatro hilos pero un primario de tres hilos, permitiendo al mismo tiempo cargas desequilibradas y las corrientes neutrales secundarias asociadas.

Propiedades de fuentes trifásicas

Las fuentes trifásicas tienen propiedades que las hacen muy deseables en los sistemas de distribución de energía eléctrica:

  • Las corrientes de fase tienden a anularse entre sí, sumando hasta cero en el caso de una carga lineal equilibrada. Esto permite reducir el tamaño del conductor neutro, ya que transporta poca o ninguna corriente. Con una carga equilibrada, todos los conductores de fase llevan la misma corriente y por lo tanto pueden ser del mismo tamaño.
  • La transferencia de potencia a una carga lineal equilibrada es constante, lo que ayuda a reducir las vibraciones del generador y del motor
  • Los sistemas trifásicos pueden producir un campo magnético rotativo con una dirección específica y una magnitud constante, lo que simplifica el diseño de los motores eléctricos, ya que no se requiere un circuito de arranque
  • La mayoría de las cargas domésticas son monofásicas, en las residencias norteamericanas, la energía trifásica puede alimentar un bloque de apartamentos de unidades múltiples, pero las cargas domésticas se conectan sólo como monofásicas. En las zonas de menor densidad, sólo puede utilizarse una sola fase para la distribución. Algunos electrodomésticos de alta potencia, como las estufas eléctricas y las secadoras de ropa, funcionan con un sistema de fase dividida a 240 voltios o a partir de dos fases de un sistema trifásico a 208 voltios.

Secuencia de fases

El cableado para las tres fases se identifica típicamente por códigos de color que varían según el país. La conexión de las fases en el orden correcto es necesaria para garantizar el sentido de giro previsto de los motores trifásicos. Por ejemplo, es posible que las bombas y los ventiladores no funcionen a la inversa. Es necesario mantener la identidad de las fases si existe la posibilidad de conectar dos fuentes al mismo tiempo; una interconexión directa entre dos fases diferentes es un cortocircuito.

Generación y distribución

En la central eléctrica, un generador eléctrico convierte la energía mecánica en un conjunto de tres corrientes eléctricas de CA, una de cada bobina (o devanado) del generador, además los devanados están dispuestos de tal manera que las corrientes varían sinusoidalmente a la misma frecuencia pero con los picos y canales de sus formas de onda compensados para proporcionar tres corrientes complementarias con una separación de fases de un tercio de ciclo (120° o radianes 2π). La frecuencia del generador es típicamente de 50 o 60 Hz, dependiendo del país.

  • En la central eléctrica, los transformadores cambian la tensión de los generadores a un nivel adecuado para la transmisión con el fin de minimizar las pérdidas.
  • Después de otras conversiones de tensión en la red de transmisión, la tensión se transforma finalmente en la utilización estándar antes de que se suministre energía a los clientes.
  • La mayoría de los alternadores generan CA trifásica y la rectifican a CC con un puente de diodos.

Energía eléctrica monofásica

En ingeniería eléctrica, la energía eléctrica monofásica es la distribución de energía eléctrica de corriente alterna mediante un sistema en el que todos los voltajes del suministro varían al unísono.

La distribución monofásica se utiliza cuando las cargas son principalmente de iluminación y calefacción, con pocos motores eléctricos grandes. Un suministro monofásico conectado a un motor eléctrico de corriente alterna no produce un campo magnético giratorio; los motores monofásicos necesitan circuitos adicionales para el arranque (motor de arranque de condensador), y tales motores no son comunes por encima de los 10 kW de potencia nominal. Debido a que la tensión de un sistema monofásico alcanza un valor máximo dos veces en cada ciclo, la potencia instantánea no es constante.

Una carga monofásica puede ser alimentada desde un transformador de distribución trifásico de dos maneras: mediante la conexión entre una fase y un neutro o mediante la conexión entre dos fases. Estos dos dan diferentes voltajes de un suministro dado. Por ejemplo, en un sistema trifásico 120/208, que es común en Norteamérica, el voltaje de fase a neutro es de 120 voltios y el voltaje de fase a fase es de 208 voltios. Esto permite conectar la iluminación monofásica a motores de fase a neutro y trifásicos a las tres fases. Esto elimina la necesidad de un transformador monofásico separado.

Las frecuencias estándar de los sistemas de alimentación monofásicos son de 50 o 60 Hz. Las redes de tracción monofásicas especiales pueden funcionar a 16,67 Hz u otras frecuencias para alimentar los ferrocarriles eléctricos.

Energía eléctrica de fase dividida

La monofásica se divide comúnmente en dos en el transformador de distribución en el devanado secundario para crear energía eléctrica de fase dividida para electrodomésticos e iluminación.

Aplicaciones

En Norteamérica, las residencias individuales y los pequeños edificios comerciales con servicios de hasta 100 kVA (417 amperios a 240 voltios) tendrán generalmente una distribución trifásica monofásica, especialmente en áreas rurales donde las cargas motoras son pequeñas y poco comunes. En áreas rurales donde no hay suministro trifásico disponible, los agricultores u hogares que deseen utilizar motores trifásicos pueden instalar un convertidor de fase.

Los consumidores más grandes, como edificios grandes, centros comerciales, fábricas, bloques de oficinas y edificios de apartamentos de unidades múltiples, tendrán un servicio trifásico. En áreas densamente pobladas de las ciudades, la distribución de energía de la red se utiliza con muchos clientes y muchos transformadores de suministro conectados para proporcionar cientos o miles de kVA, una carga concentrada en unos pocos cientos de metros cuadrados.

Los sistemas de alta potencia, digamos cientos de kVA o más grandes, son casi siempre trifásicos. El mayor suministro normalmente disponible como monofásico varía según las normas de la compañía eléctrica. En el Reino Unido, un suministro doméstico monofásico puede tener una capacidad nominal de 100 A o incluso 125 A, lo que significa que hay poca necesidad de un suministro trifásico en un entorno doméstico o comercial pequeño.

Gran parte del resto de Europa ha tenido tradicionalmente límites mucho más pequeños en el tamaño de los suministros monofásicos, lo que ha dado lugar a que incluso las viviendas reciban suministro trifásico (en las zonas urbanas con redes de suministro trifásicas).

Si el equipo de calefacción diseñado para un sistema de 240 voltios se conecta a dos fases de un suministro de 208 voltios, sólo producirá el 75% de su efecto nominal de calentamiento. La energía monofásica puede utilizarse para los ferrocarriles eléctricos; el mayor generador monofásico del mundo, en la central nuclear de Neckarwestheim, suministró un sistema ferroviario en una red de tracción eléctrica dedicada.

Puesta a tierra

Típicamente un tercer conductor, llamado tierra (o “tierra de seguridad” en EE.UU.) o tierra de protección (en Reino Unido, Europa, IEC), se utiliza como protección contra descargas eléctricas, y ordinariamente transporta una corriente significativa sólo cuando hay una falla de circuito. Varios sistemas de puesta a tierra diferentes están en uso. En algunas zonas rurales extremas se utiliza la distribución de retorno de tierra de un solo cable.

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