El diagrama esquemático del sistema de potencia monofásico muestra poco sobre el cableado de un circuito de potencia práctico.
La imagen de arriba, es un circuito de CA muy simple. Si la disipación de potencia de la resistencia de carga fuera sustancial, podríamos llamar a esto un «circuito de potencia» o «sistema de potencia» en lugar de considerarlo como un simple circuito normal.
La distinción entre un «circuito de potencia» y un «circuito normal» puede parecer arbitraria, pero las preocupaciones prácticas definitivamente no lo son.
Análisis del circuito práctico
Una de esas preocupaciones es el tamaño y el coste del cableado necesario para entregar la potencia desde la fuente de CA a la carga. Normalmente, no pensamos mucho en este tipo de preocupaciones si simplemente estamos analizando un circuito para aprender las leyes de la electricidad.
Sin embargo, en el mundo real, puede ser una preocupación importante. Si damos a la fuente del circuito anterior un valor de tensión y también damos valores de disipación de potencia a las dos resistencias de carga, podemos determinar las necesidades de cableado para este circuito en particular:
En la práctica, el cableado para las cargas de 20 kW a 120 Vac es bastante considerable (167 A).
83,33 amperios para cada resistencia de carga en la figura anterior suman 166,66 amperios de corriente total del circuito. Esta no es una cantidad pequeña de corriente y necesitaría conductores de alambre de cobre de al menos 1/0 de calibre.
Este tipo de cable tiene más de 1/4 de pulgada (6 mm) de diámetro, y pesa más de 300 libras por cada mil pies. ¡Tenga en cuenta que el cobre tampoco es barato! Nos convendría encontrar formas de minimizar dichos costes si diseñáramos un sistema de alimentación con largas longitudes de conductor.
Una forma de hacerlo sería aumentar el voltaje de la fuente de alimentación y utilizar cargas construidas para disipar 10 kW cada una a este mayor voltaje.
Las cargas, por supuesto, tendrían que tener mayores valores de resistencia para disipar la misma potencia que antes (10 kW cada una) a un mayor voltaje que antes.
La ventaja sería que se necesitaría menos corriente, lo que permitiría utilizar un cable más pequeño, más ligero y más barato:
Las mismas cargas de 10 kW a 240 Vca requieren un cableado menos importante que a 120 Vca (83 A).
Ahora nuestra corriente total del circuito es de 83,33 amperios, la mitad de lo que era antes.
Ahora podemos utilizar cable de calibre 4, que pesa menos de la mitad de lo que pesa el cable de calibre 1/0 por unidad de longitud. Se trata de una reducción considerable del coste del sistema sin degradación del rendimiento.
Esta es la razón por la que los diseñadores de sistemas de distribución de energía optan por transmitir la energía eléctrica utilizando voltajes muy altos (muchos miles de voltios): para capitalizar el ahorro obtenido por el uso de un cable más pequeño, más ligero y más barato.
Peligros de aumentar la tensión de la fuente
Sin embargo, esta solución no está exenta de desventajas. Otra preocupación práctica con los circuitos de energía es el peligro de descarga eléctrica de los altos voltajes.
De nuevo, este no es el tipo de cosas en las que nos concentramos mientras aprendemos sobre las leyes de la electricidad, pero es una preocupación muy válida en el mundo real, especialmente cuando se manejan grandes cantidades de energía.
La ganancia en eficiencia realizada al aumentar el voltaje del circuito nos presenta un mayor peligro de descarga eléctrica. Las empresas de distribución de energía abordan este problema tendiendo sus líneas eléctricas a lo largo de altos postes o torres y aislando las líneas de las estructuras de soporte con grandes aislantes de porcelana.
En el punto de uso (el cliente de energía eléctrica), sigue existiendo la cuestión de qué voltaje utilizar para alimentar las cargas.
El alto voltaje proporciona una mayor eficiencia del sistema por medio de la reducción de la corriente del conductor, pero puede que no siempre sea práctico mantener el cableado de alimentación fuera del alcance en el punto de uso de la forma en que se puede elevar fuera del alcance en los sistemas de distribución.
Este compromiso entre la eficiencia y el peligro es uno de los que los diseñadores de sistemas de energía europeos han decidido arriesgar, todos sus hogares y electrodomésticos operando a un voltaje nominal de 240 voltios en lugar de 120 voltios como es en América del Norte.
Por eso los turistas de América que visitan Europa deben llevar pequeños transformadores reductores para sus aparatos portátiles, para bajar la potencia de 240 VAC (voltios AC) a una más adecuada de 120 VAC.
Soluciones para la entrega de tensión a los consumidores
Transformadores reductores en el punto final de uso de la energía
¿Hay alguna manera de realizar las ventajas de una mayor eficiencia y una reducción del riesgo de seguridad al mismo tiempo?
Una solución sería instalar transformadores reductores en el punto final del uso de la energía, tal y como el turista americano debe hacer mientras está en Europa.
Sin embargo, esto sería caro e inconveniente para todo lo que no sean cargas muy pequeñas (donde los transformadores pueden ser construidos de forma barata) o cargas muy grandes (donde el gasto de los gruesos cables de cobre superaría el gasto de un transformador).
Dos cargas de menor voltaje en serie
Una solución alternativa sería utilizar una fuente de alimentación de mayor voltaje para proporcionar energía a dos cargas de menor voltaje en serie. Este enfoque combina la eficiencia de un sistema de alta tensión con la seguridad de un sistema de baja tensión:
Cargas de 120 Vca conectadas en serie, impulsadas por una fuente de 240 Vca a una corriente total de 83,3 A.
Nota las marcas de polaridad (+ y -) para cada tensión mostrada, así como las flechas unidireccionales para la corriente.
En su mayor parte, he evitado etiquetar las «polaridades» en los circuitos de CA que hemos estado analizando, a pesar de que la notación es válida para proporcionar un marco de referencia para la fase.
En secciones posteriores de este capítulo, las relaciones de fase se volverán muy importantes, por lo que introduzco esta notación al principio del capítulo para que se familiaricen.
La corriente a través de cada carga es la misma que en el circuito simple de 120 voltios, pero las corrientes no son aditivas porque las cargas están en serie en lugar de en paralelo.
La tensión a través de cada carga es sólo de 120 voltios, no de 240, por lo que el factor de seguridad es mejor. Eso sí, seguimos teniendo 240 voltios completos a través de los cables del sistema eléctrico, pero cada carga funciona a una tensión reducida.
Si alguien va a recibir una descarga, lo más probable es que sea por entrar en contacto con los conductores de una carga concreta y no por el contacto a través de los cables principales de un sistema eléctrico.
Modificaciones en el diseño de dos cargas en serie
Sólo hay una desventaja en este diseño: las consecuencias de que una carga se abra o se apague (suponiendo que cada carga tenga un interruptor de encendido/apagado en serie para interrumpir la corriente) no son buenas.
Al ser un circuito en serie, si cualquiera de las cargas se abriera, la corriente se detendría también en la otra carga. Por esta razón, tenemos que modificar un poco el diseño: (Figura inferior)
La adición de un conductor neutro permite que las cargas sean conducidas individualmente.
Sistema de alimentación de fase dividida
En lugar de una única fuente de alimentación de 240 voltios, utilizamos dos fuentes de 120 voltios (¡en fase entre sí!) en serie para producir 240 voltios, y luego llevar un tercer cable al punto de conexión entre las cargas para manejar la eventualidad de que una carga se abra.
Esto se llama un sistema de alimentación de fase dividida. Tres cables más pequeños siguen siendo más baratos que los dos cables necesarios con el diseño simple en paralelo, por lo que todavía estamos por delante en la eficiencia.
El observador astuto se dará cuenta de que el cable neutro sólo tiene que llevar la diferencia de corriente entre las dos cargas de vuelta a la fuente.
En el caso anterior, con cargas perfectamente «equilibradas» que consumen cantidades iguales de energía, el cable neutro lleva corriente cero.
Fíjese en cómo el cable neutro está conectado a tierra en el extremo de la fuente de alimentación. Esta es una característica común en los sistemas de alimentación que contienen cables «neutros», ya que la conexión a tierra del cable neutro garantiza la menor tensión posible en cualquier momento entre cualquier cable «caliente» y la tierra.
Un componente esencial de un sistema de alimentación de fase dividida es la fuente de tensión de CA dual. Afortunadamente, el diseño y la construcción de uno no es difícil.
Dado que la mayoría de los sistemas de CA reciben su energía de un transformador reductor de todos modos (bajando el voltaje de los altos niveles de distribución a un voltaje de nivel de usuario como 120 o 240), ese transformador puede ser construido con un devanado secundario de toma central:
La energía americana de 120/240 Vca se deriva de un transformador de utilidad con toma central.
Si la energía de CA viene directamente de un generador (alternador), las bobinas pueden ser igualmente con toma central para el mismo efecto. El gasto adicional para incluir una conexión de toma central en un devanado de transformador o alternador es mínimo.
Aquí es donde las marcas de polaridad (+) y (-) se vuelven realmente importantes. Esta notación se utiliza a menudo para hacer referencia a las fases de múltiples fuentes de tensión de CA, para que quede claro si se están ayudando («reforzando») entre sí o si se están oponiendo («desviando»).
Si no fuera por estas marcas de polaridad, las relaciones de fase entre múltiples fuentes de CA podrían ser muy confusas. Tenga en cuenta que las fuentes de fase dividida en el esquema (cada una de 120 voltios ∠ 0°), con marcas de polaridad (+) a (-) al igual que las baterías de ayuda en serie pueden representarse alternativamente como tal: (Figura inferior)
La fuente de 120/240 Vac de fase dividida equivale a dos fuentes de 120 Vac de ayuda en serie.
Para calcular matemáticamente la tensión entre los cables «calientes», debemos restar las tensiones, ya que sus marcas de polaridad las muestran como opuestas entre sí:
Si marcamos el punto de conexión común de las dos fuentes (el cable neutro) con la misma marca de polaridad (-), debemos expresar sus desplazamientos de fase relativos como si estuvieran separados 180º. De lo contrario, estaríamos denotando dos fuentes de tensión en oposición directa entre sí, lo que daría 0 voltios entre los dos conductores «calientes».
¿Por qué me estoy tomando el tiempo de elaborar las marcas de polaridad y los ángulos de fase? Tendrá más sentido en la próxima sección!
Los sistemas de energía en los hogares estadounidenses y la industria ligera son más a menudo de la variedad de fase dividida, proporcionando la llamada energía 120/240 VAC. El término «monofásico» se refiere simplemente al suministro de tensión dividido en un sistema de este tipo.
En un sentido más general, este tipo de suministro de energía de CA se llama monofásico porque ambas formas de onda de tensión están en fase, o en paso, entre sí.
El término «monofásico» es un contrapunto a otro tipo de sistema de energía llamado «polifásico» que vamos a investigar en detalle. Disculpas por la larga introducción que lleva al título-tema de este capítulo.
Las ventajas de los sistemas de potencia polifásicos son más evidentes si primero se tiene un buen conocimiento de los sistemas monofásicos.
REVISIÓN:
- Los sistemas de alimentación monofásicos se definen por tener una fuente de CA con una sola forma de onda de tensión.
- Un sistema de alimentación polifásico es uno con múltiples fuentes de tensión de CA (en fase) conectadas en serie, entregando energía a las cargas a más de una tensión, con más de dos cables. Se utilizan principalmente para lograr un equilibrio entre la eficiencia del sistema (bajas corrientes del conductor) y la seguridad (bajos voltajes de carga).
- Las fuentes de CA de fase dividida pueden crearse fácilmente mediante la conexión en derivación central de los devanados de las bobinas de los transformadores o alternadores.
- Hoja de trabajo de los sistemas de energía polifásica
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