La importancia de tener cargas balanceadas conectadas a los sistemas trifásicos radica en que evitan serios problemas de operabilidad. El principal: desbalance en las tensiones de la fuente de suministro, ya sea el propio generador o bien la salida de un transformador.
La energía eléctrica se produce en centrales generadoras de distintos tipos: hidroeléctricas, geotérmicas, nucleares, entre otras. En ellas se hacen girar turbinas por golpe de agua o vapor, dependiendo de la central; en el caso de las nucleares el funcionamiento es a través de reactores. La transformación de movimiento mecánico a energía eléctrica se logra con la interacción de las turbinas como rotor del generador. Después de ello, se pasa por transformadores elevadores de tensión y se envía por las torres de transmisión; en ocasiones llega a subestaciones elevadoras para compensar la pérdida de tensión debida a la longitud e impedancia de las líneas de transmisión. Posteriormente llega a subestaciones reductoras o de distribución que bajan el nivel de tensión y envían la tensión reducida a las líneas de distribución que son los tres conductores que vemos en los postes fuera de nuestros domicilios y que se encuentran por arriba de los transformadores de distribución, en ellos se conecta el primario del transformador de distribución y salen 4 conductores a la red de distribución en baja tensión.
Debido a que los devanados del secundario del transformador de distribución están conectados en estrella, tenemos entonces 3 fases y 1 neutro. Es en este punto donde nuestro hogar recibe el suministro de energía eléctrica, a través de la acometida que -como sabemos- tiene un solo hilo de dos polos concéntricos: el desnudo corresponde al neutro y el aislado al cable de fase. Como era de esperarse, las cargas (vistas desde el sistema de distribución) son nuestros hogares; actualmente cada uno es distinto de otro.
Entremos pues en materia: los sistemas trifásicos desbalanceados con cargas conectadas en delta o en estrella, son objeto de un cuidadoso estudio porque ocasionan problemas desde el punto de vista de operación de los sistemas.
El desequilibrio o desbalance que se presenta se debe a que las impedancias por fase son diferentes, o porque los voltajes de línea o de fase difieren entre ellos en magnitud. La simetría que se presenta en los sistemas trifásicos balanceados no se establece para el caso de los sistemas desbalanceados.
Vamos a estudiar los sistemas desbalanceados considerando cargas conectadas en estrella, esto debido a que solo se ha tratado el caso de cargas balanceadas.
Ver también: Sistema trifásico en estrella
Los sistemas desequilibrados con carga en estrella de 4 hilos, que obviamente tienen el conductor del neutro, transporta la corriente de desbalance y mantiene la magnitud del voltaje de línea a neutro a través de las fases de la carga. Lo anterior lo estudiaremos usando el Diagrama 1.
La notación polar se representa con una magnitud asociada a un ángulo: Z = a∠bº. Las operaciones directas con esta representación son la multiplicación y división, la suma y resta debe hacerse con calculadora o pasando a la forma trigonométrica:
Z = a'± jb' , donde a' = acosb y jb' = asenb.
Antes de continuar con el análisis explicaremos brevemente las notaciones anteriores. Cuando se tiene una carga conectada a un sistema, esta puede estar formada de cargas individuales, tal como ocurre en un domicilio donde tenemos televisores, licuadoras, planchas, refrigeradores, microondas, teléfonos inalámbricos, computadoras, bombas de agua, etcétera. El efecto de cada carga se manifiesta de distinta forma, por ejemplo: si conectamos una plancha, el factor de potencia es aproximadamente la unidad; es decir, la energía se aprovecha casi en su totalidad a diferencia de una licuadora, donde su factor de potencia es menor a la unidad y no aprovecha de buena forma la energía que se le suministra. A la primera carga se le denomina carga puramente resistiva y a la segunda se le conoce como carga predominantemente inductiva. Para hacer un análisis de las cargas es necesario representarlas de forma matemática, es por ello que se usa una notación matemática conocida como números complejos en forma polar, de esta manera podemos sumar el conjunto de cargas y representarlas como una sola conectada por cada fase.
Dicho lo anterior continuemos con el análisis; la fuente generadora presenta secuencia positiva ABC y la tensión de fase de 120 V, se desea conocer todas las corrientes de línea considerando la tensión de fase EaN como referencia a cero grados. De tal forma que las tensiones de fase son:
Para determinar las corrientes de línea consideramos las tensiones de fase y sus correspondientes impedancias, aplicando la Ley de Ohm tenemos que:
La corriente por el hilo neutro se obtiene aplicando la Ley de Corrientes de Kirchhoff en el punto
común de la estrella, por lo tanto es:
De este resultado es importante mencionar que, en este caso, el desequilibrio de las cargas origina
una corriente que circula por el hilo neutro, lo cual contraviene a los principios de cero corriente
en el neutro en la conexión en estrella.
La secuencia de las fases de una fuente trifásica puede tener dos secuencias: positiva, que sigue el movimiento de las manecillas del reloj, de forma que las fases se ordenan como ABC y la negativa, en sentido contrario a las manecillas del reloj quedando como CBA.
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