Los sistemas reales de
interconexión eléctrica se instalan disponiéndose en configuraciones trifásicas, bifásicas, monofásicas y en algunos casos hexafásicas, así que debemos aprender algunos conceptos que nos faciliten su entendimiento.
Un
sistema polifásico es una serie de conexiones que requieren cierto número de conductores que transportan la energía en forma de corriente alterna a un nivel de tensión específico, para ello es necesario conocer las características de cada caso. En este artículo trataremos únicamente el
sistema trifásico, teniendo en cuenta que es uno de los más comunes en nuestro país y en el desarrollo de nuestra actividad.
Antes de continuar con la explicación de los conceptos básicos de los circuitos trifásicos, hablaremos un poco de su historia, describiremos la operación de una
central hidroeléctrica y mencionaremos los conceptos técnicos que definen al elemento encargado de hacer la conversión de energía, así como los parámetros de un
circuito trifásico; el uso de estos sistemas será tema que trataremos en próximos números de esta revista. Comencemos entonces con un poco de historia.
En 1882, el inventor servio-americano
Nikola Tesla, descubrió el principio del campo magnético rotatorio, el cual hizo posible la invención de la maquinaria de
corriente alterna. El descubrimiento del campo magnético rotatorio producido por las interacciones de corrientes de dos y tres fases en un motor fue uno de sus más grandes logros y sirvió como base para la creación del
motor de inducción y del
sistema polifásico de generación y distribución de electricidad.
Gracias a esto, grandes cantidades de energía eléctrica pueden ser generadas y distribuidas eficientemente a lo largo de grandes distancias, desde las plantas generadoras hasta las poblaciones a las que alimentan. Hasta estos días se sigue utilizando la forma trifásica del sistema polifásico de Tesla para la transmisión de la electricidad, además, la conversión de electricidad en energía mecánica es posible gracias a las versiones mejoradas de los motores trifásicos de Tesla.
La principal aplicación para los circuitos trifásicos se encuentra en la
distribución de la energía eléctrica por parte de la compañía de luz a la población. Nikola Tesla probó que la mejor manera de producir, transmitir y consumir energía eléctrica era usando circuitos trifásicos.
En Mayo de 1885
George Westinghouse, cabeza de la compañía de electricidad Westinghouse, compró las patentes del sistema polifásico de generadores, transformadores y motores de corriente alterna de Tesla.
En octubre de 1893 la comisión de las Cataratas del Niágara otorgó a Westinghouse un contrato para construir la planta generadora en las cataratas, la cual sería alimentada por los primeros dos de los diez generadores que Tesla diseñó. Dichas dinamos de 5000 caballos de fuerza eran las más grandes hasta ese momento construidas. General Electric registró algunas de las patentes de Tesla y consiguió un contrato para construir 22 millas de líneas de transmisión hasta Búfalo. Para este proyecto se utilizó el sistema polifásico de Tesla. Los primeros tres generadores de corriente alterna en el Niágara se pusieron en marcha el 16 de noviembre de 1896.
En algún momento hemos escuchado el término generación y de alguna manera tenemos una idea de su significado y funcionamiento, así que sin ahondar mucho en conceptos técnicos, describiremos la
generación de energía eléctrica en una central hidroeléctrica.
Como sabemos, la mayor cantidad de la energía producida en México se deriva de las centrales hidroeléctricas, que son más de 60 en todo el país. La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual desde el siglo pasado. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido en una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante.
El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.
Además de las centrales situadas en presas de contención que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que funcionan con la caída natural del agua de caudal uniforme, éstas se denominan
centrales de agua fluente, de este tipo es la central de las Cataratas del Niágara.
Dentro de la central generadora, el elemento que realiza la conversión de energía mecánica a eléctrica es el
generador, cuya operación se describe de la siguiente manera:
La conversión comienza al hacer girar una espira rígida con velocidad constante (ω) dentro de un campo magnético uniforme, el flujo (φ) que corta la espira tendrá una variación senoidal y, en consecuencia, se induce una fuerza electromotriz (FEM) de forma senoidal; a este conjunto de elementos se le conoce como generador.
Para demostrar lo anterior desarrollaremos la ecuación:
φ = BS cos ωt
donde φ es el flujo magnético,
B es el campo magnético,
S es el vector superficie y
cosωt es el ángulo debido a la velocidad angular (
ω) en un tiempo (
t).
De lo anterior podemos determinar la
tensión e , con base en la siguiente relación y aplicando la derivada al flujo magnético.
De esta forma demostramos que el movimiento de la espira da como resultado una FEM senoidal.
Ahora bien, si en lugar de tomar una espira se toman tres espiras iguales y se montan en un mismo eje formando ángulos de 120º entre sí, al hacer girar las espiras con velocidad constante (ω) dentro del campo magnético, se inducirá en cada espira una FEM igual a:
e1= EM senωt
e2= EM senωt + 1200
e3= EM senωt + 2400
Los ángulos de 120º y 240º se deben a la configuración de los devanados en el eje y con respecto a la primera espira. Por otro lado, la
corriente se obtiene conectando una carga a cada espira, la forma de esta será también senoidal. Las expresiones matemáticas que se tienen son:
i1= IMsen(ωt+φ1)
i2= IMsen(ωt+1200+φ2)
i3= IMsen(ωt+2400+φ3)
Donde φ es el desfase entre corriente y tensión en cada fase. El conjunto de estas tres corrientes o tensiones iniciales constituyen un
sistema trifásico equilibrado de corrientes o tensiones.
Esta configuración presenta varios inconvenientes, pues se necesita un complejo sistema de
colectores y
escobillas para poder recoger las tensiones producidas.
Actualmente los tres devanados se encuentran soportados en el
estator, mientras que el
rotor está imantado o lleva un
electroimán para generar el campo magnético, este rotor es la parte móvil del alternador.
Los generadores modernos con los devanados soportados en el estator son más económicos y fiables que los alternadores antiguos. Los generadores cuyo rotor lleva un electroimán son alimentados con una fuente de corriente continua para activar el electroimán y poder generar el
campo magnético.
Como se puede observar en la imagen del generador, la distancia entre los centros de los devanados es de 120°, gracias a ello se obtienen tres señales alternas diferentes y distanciadas entre sí 120°:
A la salida del generador están las conexiones de las
subestaciones elevadoras de voltaje, éste pasa directamente a la
red de transmisión trifásica a través de conductores montados en torres, después llega a una subestación reductora y sale nuevamente a la red de distribución por conductores en postes hasta los
transformadores que llevan la energía eléctrica a nuestros domicilios.
Si las cargas se encuentran distribuidas de manera balanceada las corrientes debidas a los voltajes del circuito también lo estarán, de esta forma se logra un
circuito trifásico balanceado.
Así es como se genera la energía eléctrica por medio de una
central hidroeléctrica. En próximas entradas trataremos lo correspondiente a los circuitos trifásicos de manera más detallada.
