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Comprender la tensión trifásica para seleccionar una fuente de alimentación de CA

Comprender la tensión trifásica para seleccionar la fuente de alimentación de CA

Diferencia entre tensión alterna monofásica y trifásica

La mayoría de nosotros estamos familiarizados con el voltaje monofásico suministrado por la compañía eléctrica local. En Estados Unidos, suele ser de 120 V. Para la tensión monofásica, la tensión se expresa como una tensión de línea a neutro entre dos conductores de potencia (más una toma de tierra de seguridad). El conductor neutro está normalmente a potencial de tierra, mientras que el conductor de línea es una tensión alterna sinusoidal con un valor eficaz de 120 Vca. Esto significa que el pico de la tensión alterna de +169,7 Vca a -169,7 Vca cada 16,667 mseg en la frecuencia de red de 60 Hz de Estados Unidos. Para muchos otros países, estos valores nominales son 230Vrms @ 50Hz (20 mseg) en su lugar.

La potencia monofásica es limitada

La tensión monofásica sólo puede suministrar una cantidad limitada de potencia, ya que toda la energía debe suministrarse utilizando los conductores de línea y neutro. Esto no es problema para el uso doméstico, pero en el uso industrial puede ser necesaria más corriente para hacer funcionar máquinas, motores, iluminación y otras cargas de alta potencia. En estas situaciones, suele ser conveniente aumentar tanto la tensión como la corriente para suministrar esta mayor potencia. Una opción es utilizar dos fases, como se hace en algunos hogares de EE.UU. para hacer funcionar secadoras eléctricas. Esto se denomina conexión de fase dividida, en la que dos fases de 120 Vrms están separadas 180°, proporcionando el doble de tensión de línea a línea de 120 VLN o 240 V. Esto duplica la potencia disponible. Esto duplica la potencia disponible. La fase dividida no se utiliza habitualmente en Europa o Asia, ya que la tensión de red monofásica normal ya es de 220VLN a 240LN.

La tensión alterna trifásica suele utilizarse para cargas de mayor potencia

Yendo un paso más allá, las cargas de alta potencia suelen alimentarse utilizando tres fases. De este modo, la corriente se distribuye entre tres cables en lugar de uno, lo que reduce el tamaño y el coste del cableado. Las tres fuentes de tensión se desfasan 120° entre sí para equilibrar las corrientes de carga. Esto se ilustra en la figura 2.
Figura 2: Formas de onda de tensión trifásica con diferentes rotaciones

Cómo determinar las tensiones de línea necesarias

El cambio de fase de 120° entre cada forma de onda puede realizarse en una de las dos rotaciones de fase: A -> B -> C o A -> C -> B. La rotación de fase no afecta a la mayoría de las cargas, excepto a los motores trifásicos de CA, que girarán en sentido contrario si se cambia la rotación de fase. El cambio de rotación de fase puede realizarse intercambiando dos de las tres conexiones de fase. Cuando se utiliza una fuente de alimentación de CA programable como la serie AFX, los ángulos de fase para las fases B y C pueden programarse a 120° y 240° o 240° y 120° respectivamente para cambiar la rotación de fase. La AFX también permite programar desequilibrios de fase para estudiar el efecto de las variaciones de fase en una unidad sometida a prueba.

Relación delta y estrella

Aunque la relación "normal" entre las tensiones trifásicas en triángulo y en estrella se capta fácilmente con una fórmula sencilla, ésta sólo se aplica con tensiones de línea a neutro iguales, un equilibrio de fases perfecto y tensiones sinusoidales. Para este caso ideal, la relación entre la tensión eficaz de línea a neutro y la tensión eficaz de línea a línea puede expresarse mediante la siguiente fórmula:

Fórmula de tensión trifásica.png

Esta relación entre la tensión de línea a neutro y de línea a línea se muestra en el diagrama de fases de la figura 3.
Figura 3: Diagrama fasorial trifásico

La figura 4 muestra dos ejemplos típicos de configuraciones trifásicas de tensión de red utilizadas en Estados Unidos. Europa y Asia suelen utilizar configuraciones de 220/380V o 230/400V. Los 120VLN por fase equivalen a la suma vectorial de 208VLL:

VLL = 120VLN * 1,732 = 207,84VLL

Tenga en cuenta que la configuración de red en triángulo de 480 V no tiene conexión de neutro y se denomina conexión en triángulo de 3 hilos + tierra. Para simular este tipo de red con una fuente de alimentación de CA, la carga trifásica se conecta como un triángulo entre las tres fases de salida solamente sin conexión al terminal de salida neutro.

Figura 4: Configuraciones típicas de tensión trifásica utilizadas en EE.UU.

Esta relación de √3 es importante cuando se utiliza una fuente de alimentación de CA trifásica programable, ya que todas las fuentes de alimentación de CA de estilo T&M sólo son programables en tensión de Línea a Neutro.  

Por lo tanto, si alguna de las condiciones indicadas no se cumple, no se puede confiar en esta fórmula para determinar la tensión de línea a línea:

  1. Tensiones VLN idénticas en las tres fases
  2. Ángulos de fase equilibrados en las fases B y C
  3. Baja distorsión, onda senoidal pura
Un pequeño desplazamiento de fase en una o más de las tres fases puede tener un impacto significativo en las tensiones VLL, lo que también provoca un desequilibrio de la corriente de carga. Una tensión distorsionada causada por una carga no lineal en una o más fases también puede alterar las tensiones de línea a línea.

¿Por qué es importante?

Las fuentes de alimentación trifásicas programables tienen ángulos de fase ajustables y, a menudo, admiten formas de onda arbitrarias. Esto significa que la relación entre la tensión de línea a neutro y de línea a línea no es necesariamente "fija". Por regla general, todas las fuentes de alimentación de CA trifásicas programables se programan en RMS de línea a neutro, independientemente del tipo de carga (triángulo o estrella). Por ello, puede ser necesario medir realmente la tensión de línea a línea resultante, ya que su cálculo no es válido si no se cumplen estas condiciones.

¿Necesita ayuda? Póngase en contacto con nosotros

Al probar cargas trifásicas, preste mucha atención a los parámetros de tensión y fase al hacer suposiciones sobre las tensiones de línea a línea aplicadas a la unidad sometida a prueba. Si necesita ayuda, póngase en contacto con nuestros expertos en pruebas por chat, correo electrónico o teléfono.

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Diferencia entre tensión alterna monofásica y trifásica

La mayoría de nosotros estamos familiarizados con el voltaje monofásico suministrado por la compañía eléctrica local. En Estados Unidos, suele ser de 120 V. Para la tensión monofásica, la tensión se expresa como una tensión de línea a neutro entre dos conductores de potencia (más una toma de tierra de seguridad). El conductor neutro está normalmente a potencial de tierra, mientras que el conductor de línea es una tensión alterna sinusoidal con un valor eficaz de 120 Vca. Esto significa que el pico de la tensión alterna de +169,7 Vca a -169,7 Vca cada 16,667 mseg en la frecuencia de red de 60 Hz de Estados Unidos. Para muchos otros países, estos valores nominales son 230Vrms @ 50Hz (20 mseg) en su lugar.

La potencia monofásica es limitada

La tensión monofásica sólo puede suministrar una cantidad limitada de potencia, ya que toda la energía debe suministrarse utilizando los conductores de línea y neutro. Esto no es problema para el uso doméstico, pero en el uso industrial puede ser necesaria más corriente para hacer funcionar máquinas, motores, iluminación y otras cargas de alta potencia. En estas situaciones, suele ser conveniente aumentar tanto la tensión como la corriente para suministrar esta mayor potencia. Una opción es utilizar dos fases, como se hace en algunos hogares de EE.UU. para hacer funcionar secadoras eléctricas. Esto se denomina conexión de fase dividida, en la que dos fases de 120 Vrms están separadas 180°, proporcionando el doble de tensión de línea a línea de 120 VLN o 240 V. Esto duplica la potencia disponible. Esto duplica la potencia disponible. La fase dividida no se utiliza habitualmente en Europa o Asia, ya que la tensión de red monofásica normal ya es de 220VLN a 240LN.

La tensión alterna trifásica suele utilizarse para cargas de mayor potencia

Yendo un paso más allá, las cargas de alta potencia suelen alimentarse utilizando tres fases. De este modo, la corriente se distribuye entre tres cables en lugar de uno, lo que reduce el tamaño y el coste del cableado. Las tres fuentes de tensión se desfasan 120° entre sí para equilibrar las corrientes de carga. Esto se ilustra en la figura 2.
Figura 2: Formas de onda de tensión trifásica con diferentes rotaciones

Cómo determinar las tensiones de línea necesarias

El cambio de fase de 120° entre cada forma de onda puede realizarse en una de las dos rotaciones de fase: A -> B -> C o A -> C -> B. La rotación de fase no afecta a la mayoría de las cargas, excepto a los motores trifásicos de CA, que girarán en sentido contrario si se cambia la rotación de fase. El cambio de rotación de fase puede realizarse intercambiando dos de las tres conexiones de fase. Cuando se utiliza una fuente de alimentación de CA programable como la serie AFX, los ángulos de fase para las fases B y C pueden programarse a 120° y 240° o 240° y 120° respectivamente para cambiar la rotación de fase. La AFX también permite programar desequilibrios de fase para estudiar el efecto de las variaciones de fase en una unidad sometida a prueba.

Relación delta y estrella

Aunque la relación "normal" entre las tensiones trifásicas en triángulo y en estrella se capta fácilmente con una fórmula sencilla, ésta sólo se aplica con tensiones de línea a neutro iguales, un equilibrio de fases perfecto y tensiones sinusoidales. Para este caso ideal, la relación entre la tensión eficaz de línea a neutro y la tensión eficaz de línea a línea puede expresarse mediante la siguiente fórmula:

Fórmula de tensión trifásica.png

Esta relación entre la tensión de línea a neutro y de línea a línea se muestra en el diagrama de fases de la figura 3.
Figura 3: Diagrama fasorial trifásico

La figura 4 muestra dos ejemplos típicos de configuraciones trifásicas de tensión de red utilizadas en Estados Unidos. Europa y Asia suelen utilizar configuraciones de 220/380V o 230/400V. Los 120VLN por fase equivalen a la suma vectorial de 208VLL:

VLL = 120VLN * 1,732 = 207,84VLL

Tenga en cuenta que la configuración de red en triángulo de 480 V no tiene conexión de neutro y se denomina conexión en triángulo de 3 hilos + tierra. Para simular este tipo de red con una fuente de alimentación de CA, la carga trifásica se conecta como un triángulo entre las tres fases de salida solamente sin conexión al terminal de salida neutro.

Figura 4: Configuraciones típicas de tensión trifásica utilizadas en EE.UU.

Esta relación de √3 es importante cuando se utiliza una fuente de alimentación de CA trifásica programable, ya que todas las fuentes de alimentación de CA de estilo T&M sólo son programables en tensión de Línea a Neutro.  

Por lo tanto, si alguna de las condiciones indicadas no se cumple, no se puede confiar en esta fórmula para determinar la tensión de línea a línea:

  1. Tensiones VLN idénticas en las tres fases
  2. Ángulos de fase equilibrados en las fases B y C
  3. Baja distorsión, onda senoidal pura
Un pequeño desplazamiento de fase en una o más de las tres fases puede tener un impacto significativo en las tensiones VLL, lo que también provoca un desequilibrio de la corriente de carga. Una tensión distorsionada causada por una carga no lineal en una o más fases también puede alterar las tensiones de línea a línea.

¿Por qué es importante?

Las fuentes de alimentación trifásicas programables tienen ángulos de fase ajustables y, a menudo, admiten formas de onda arbitrarias. Esto significa que la relación entre la tensión de línea a neutro y de línea a línea no es necesariamente "fija". Por regla general, todas las fuentes de alimentación de CA trifásicas programables se programan en RMS de línea a neutro, independientemente del tipo de carga (triángulo o estrella). Por ello, puede ser necesario medir realmente la tensión de línea a línea resultante, ya que su cálculo no es válido si no se cumplen estas condiciones.

¿Necesita ayuda? Póngase en contacto con nosotros

Al probar cargas trifásicas, preste mucha atención a los parámetros de tensión y fase al hacer suposiciones sobre las tensiones de línea a línea aplicadas a la unidad sometida a prueba. Si necesita ayuda, póngase en contacto con nuestros expertos en pruebas por chat, correo electrónico o teléfono.

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