¿Por qué solo hay sistemas de energía eléctrica trifásica? ¿Por qué no 6 fases, 9 fases, 12 fases o algún otro número de fases?

Answer 1

Trifásico ofrece enormes ventajas para aplicaciones industriales (ver http://www.quora.com/Why-is-power-transmitted-in-3-phase) sobre monofásico sin necesidad de una enorme cantidad adicional de infraestructura y cableado. En particular, la trifásica se puede transportar en 3 cables más un neutro opcional que no soporta mucha carga de corriente, al menos no desde motores trifásicos que no necesitan el neutro.

La trifásica también es “ideal” porque la suma de la potencia de salida de las tres fases es constante, lo que significa que todos sus motores funcionan con un par constante sin componentes de frecuencia de CA. El diseño del motor también se simplifica por el hecho de que 3 fases definen una dirección de movimiento, que 1 fase no.

[matemáticas] \ sin (\ omega t) ^ 2 + \ sin (\ omega t-2 \ pi / 3) ^ 2 + \ sin (\ omega t-4 \ pi / 3) ^ 2 = 1.5 [/ matemáticas]

6 fases o 9 fases requerirían 6-7 o 9-10 cables, respectivamente, y en la mayoría de los casos no hay realmente ninguna buena ventaja de ingeniería para necesitar 6 fases o 9 fases. Además, al instalar tantos cables también aumenta el potencial de fallas de varios tipos, incluidos cortocircuitos y líneas discontinuas. También puede lograr que las personas usen equipos heredados utilizando solo 3 de sus 9 fases, lo que elimina toda su ventaja equilibrada desde la perspectiva de la infraestructura de energía.

En resumen, para la mayoría de las aplicaciones, realmente no tiene sentido: la trifásica ya es “ideal” en muchos sentidos; No es cierto que “más fases es mejor”. Es muy parecido a cómo los trípodes tienen claras ventajas sobre los monópodos, pero un dispositivo de 6 o 9 patas no hará nada útil para su fotografía: el trípode ya es “ideal”. 🙂

Answer 2

En realidad, había un sistema de 2 fases en el que las fases estaban separadas por 90 °. La ventaja era que facilitaba la fabricación de motores de CA de arranque automático, como con las 3 fases, pero la desventaja frente a las 3 fases es que las corrientes neutrales no se cancelan, por lo que necesita cuatro conductores (o tres conductores con un tamaño para la suma vectorial de las corrientes de fase).

Fuente

Dado que la fase 3 es mejor que la fase 2, la fase 2 se ha extinguido en su mayoría, pero aparentemente, algunos edificios antiguos en Filadelfia, Pensilvania, todavía tienen un servicio de 2 fases y 5 cables (!), En el que (hasta donde yo puede entender) las dos fases están centradas con los centros conectados entre sí y con la tierra, por lo que obtienes cuatro puntos calientes y uno neutral. Los motores bifásicos también se utilizan como servos en controles industriales.

Es posible convertir entre 2 fases y 3 fases con un transformador Scott-T o un motor-generador (convertidor rotativo).

Answer 3

Hola,

Es como preguntarse por qué todos los automóviles tienen solo 4 ruedas y por qué no 6 u 8, o tal vez por qué solo hay señales RedYellowGreen presentes y no RYGBluePinkWhiteBlack. Porque no es lógico ni económico.

Digamos que si está pagando una cantidad X por la electricidad, ¿estaría dispuesto a pagar 3X solo porque quisiera más cantidad de fases?

¿Sabes que la fase Y siempre contiene potencia equilibrada? ¿Qué tal usar el sistema de 5 fases? ¿Cómo decidirías cuál tendría un poder equilibrado?

Además, cuando se trata de variables complejas en el sistema de energía para la protección de solo 3 fases, los métodos son tan horribles y tediosos que te vuelven loco. Ahora, escala esa complejidad al sistema de fase de tus sueños … ¡Y prepárate para quedarte calvo!

¡Salud!

Answer 4

En primer lugar, cada vez que se menciona una máquina de fase “n”, indica que la máquina tiene bobinados “n”.

Entonces, una máquina de 3 ph tendría 3 devanados y una máquina de 6 ph tendría 6 devanados.

Estamos muy familiarizados con el tipo de conexiones de los devanados de 3 ph. Son conexión estrella y delta. En conexión en estrella, el ángulo entre dos devanados siempre permanecerá 120 grados. Significa que siempre hay simetría de disposición de los devanados. Esta simetría es útil para producir una onda sinusoidal perfecta. De manera similar en la conexión delta, el ángulo siempre permanece igual entre dos devanados.

Pero en máquinas de 6 ph, se viola esta condición. Por qué solo 6 ph, en realidad en todas las fases que no sean 3, podemos encontrar que la simetría del ángulo no se cumple.

En la figura siguiente, el ángulo entre cualquier combinación de A1, A2 o A3 permanece igual en la conexión de 3 pH, pero esto se viola en la conexión de 6 ph.

Answer 5

Como la mayoría de las decisiones de ingeniería, se trata de equilibrar las compensaciones. Más fases significa una entrega de energía más fluida pero más costo (necesita un cable para cada fase más, posiblemente un cable neutro) y complejidad. Resulta que 3 fases tienden a ser el “punto ideal”.
Primero tenga en cuenta que en un sistema de fases, las n fases deben estar simétricamente espaciadas, es decir, espaciadas [matemáticas] \ frac {360 \ grados} {n} [/ matemáticas] separadas. Además de simplificar el sistema, permite la eliminación de la línea neutra del sistema de transmisión si las tres fases tienen cargas equilibradas, ya que la suma de las corrientes a través de las fases siempre será cero; Es por eso que muchas líneas trifásicas no tienen un cuarto cable neutro, la línea neutra solo es necesaria si las fases tienen cargas desequilibradas (o por razones de seguridad, es decir, para proteger contra ciertos tipos de fallas). Así que esto descarta esas dos fases en sistemas de 90 grados (se podría argumentar que estos son realmente sistemas de 4 fases).

Un sistema simétrico de dos fases (común en las casas en los EE. UU.) Consistiría en dos cables con corriente más un neutro (tenga en cuenta que si la carga entre las dos fases estuviera perfectamente equilibrada, el neutral no sería necesario, pero en el caso de la casa, generalmente no estará equilibrado), donde las dos fases están separadas 180 grados, es decir, cada fase es la negativa de la otra. Tenga en cuenta que el voltaje en las dos fases es realmente solo una fase al doble del voltaje.

Un sistema de dos fases es ideal para casas, pero si observa la forma de onda de voltaje, cruza a través de cero dos veces por ciclo, por lo que hay dos instancias en las que por ciclo cuando se entrega energía cero, no es bueno si está tratando de mantenga el flujo de energía lo más suave posible (por ejemplo, esto reduce el desgaste del equipo). Al agregar una tercera fase, la potencia entregada a la carga nunca será cero. Además, existe el beneficio adicional de que agregar la tercera fase crea una dirección de rotación natural entre las tres fases, que es excelente para que los motores comiencen a girar.

Resulta que más allá de las tres fases, no obtienes mucho beneficio al agregar más fases, pero sí agregas costos y complejidad, por lo que generalmente se utilizan tres fases.

Answer 6

Un sistema trifásico puede transmitir tres veces la potencia de una fase con un solo conductor adicional. Tres fases logran esta utilización porque en un escenario equilibrado, es decir, donde cada fase experimenta la misma carga, la suma de las corrientes en cualquiera de los dos conductores en cualquier momento es igual a la corriente en el otro conductor. Por lo tanto, no se requiere retorno o cable a tierra.
Esta utilización máxima de cobre no se puede lograr con un mayor o menor número de fases. También trifásico proporciona un campo magnético giratorio que puede permitir que un motor de inducción arranque por sí mismo. Otros números de fase también pueden hacer esto, pero tres son suficientes.

Answer 7

Costo, pero algunos usan 6, 9 12 etc.

La potencia de tres bases es la forma más simple de CA balanceada. Equilibrado, lo que significa que el flujo de energía puede ser constante. Un sistema monofásico es realmente un sistema de dos fases, y la potencia a través de este sistema varía con el tiempo.

Existen 6 fases, e incluso sistemas superiores (9, 12, 18, 24, etc.), y cada uno tiene pequeñas ventajas. Por ejemplo, en un sistema equilibrado de 6 fases, los armónicos 5º y 7º no causan oscilación de torque o calentamiento del rotor en motores y generadores. Las contribuciones de cada parte trifásica se cancelan. Los rectificadores de CA a CC a menudo emplean transformadores de CA con múltiples devanados con desplazamiento de fase. Se puede hacer un transformador de 3 a 6 fases simplemente conectando los dos conjuntos de secundarios simples uno en delta y el otro en estrella. Las versiones de 12 fases permiten que la calidad de la energía de entrada reflejada en el lado trifásico cumpla con la mayoría de las especificaciones.

Las razones por las cuales estos sistemas de orden superior no se usan de manera comercialmente amplia son 1) costo y 2) los sistemas son indeterminados (tienen más estados (variables independientes) de los necesarios para una condena de estado estacionario dada). Por ejemplo, para proporcionar potencia constante en un sistema de seis fases, cualquiera de los conjuntos de tres fases subordinados puede proporcionar cualquier fracción de la potencia necesaria, a menos que se establezca otro control como el conjunto de dos fases debe ser el mismo. Esto es solo más control y complicación.

El costo es la razón principal. Las máquinas eléctricas giratorias deben tener al menos una ranura del estator por fase por polo. Una máquina de seis fases tiene al menos el doble de bobinados que una máquina de tres fases. Los interruptores necesitan el doble de postes, y el cableado debe tener el doble de conductores aislados.

Solo un aparte. Los sistemas no triplicados también funcionan. Algunos artículos sobre máquinas de 5 fases se publicaron en los años 80 y 90, afirmando ciertos beneficios en motores. Algunas de estas máquinas han sido construidas. Trabajan.

Lo que pides ha sido considerado y se emplea en subsistemas limitados, pero para la distribución principal, 3 fases es simple, rentable y matemáticamente elegante.

Answer 8

Gracias por A2A.
Básicamente, podemos usar 6 fases y, de hecho, se está utilizando en ciertos laboratorios de investigación involucrados en la física de partículas y otras cosas. Se realizaron experimentos hasta 12 fases.
Para obtener una explicación de por qué la fase 6 se limita a casos especiales y no es común en la vida cotidiana, mira esta publicación
¿Por qué solo hay sistemas de energía eléctrica trifásica? ¿Por qué no 6 fases, 9 fases, 12 fases o algún otro número de fases?

Answer 9

Un sistema monofásico proporciona un rendimiento marginal del motor. Es utilizable hasta 10 hp más o menos, pero más allá de eso, los motores polifásicos son mucho más atractivos económicamente.

Un sistema de dos fases operaría motores aproximadamente tan bien como trifásicos, pero aún requiere tres conductores. Tres fases equilibran la corriente un poco mejor y transfieren una cantidad igual de energía usando un poco menos de área de inductor, por lo que esto es económico.

Más de tres fases no ofrecen ninguna ventaja de rendimiento significativa y complican la construcción del motor, generador, transformador, interruptor, engranaje de interruptor y línea de transmisión, por lo que agregarían un costo significativo.

Respuesta corta: tres fases son óptimas con respecto al rendimiento frente al costo.

Answer 10

El poder de 6 fases existe; Básicamente son dos sistemas trifásicos 180 ° fuera de fase. Y se usa, como es de esperar, en sistemas de muy alta potencia. También existen algunos sistemas de 12 fases.

La potencia de 4 fases no existe, ya que no ofrece ventajas sobre la de 3 fases. La “magia” del poder trifásico es que el poder entregado en cada una de las tres fases se suma a una constante, precisamente. No se obtiene eso con los sistemas de fase n donde n no es múltiplo de tres.

EDITAR: Esa última declaración en realidad no es cierta; también obtienes potencia constante con los sistemas de fase n. (Estaba pensando en algo no relacionado cuando escribí eso). Un sistema trifásico ofrece 3 veces la capacidad de carga de un sistema monofásico y requiere solo 1,5 veces el cableado. Un sistema de cuatro fases no ofrece esa ventaja.

Answer 11

¡si! ¡Por qué no! puedes hacer la cantidad de fases que quieras. Pero según el sistema de energía, hay varios otros factores que son importantes para una operación exitosa, por ejemplo, facilidad de operación, mejor acoplamiento con otros equipos de energía y subestación y obviamente el costo de la operación.

Ahora la alimentación trifásica tendrá 3 conductores de línea de alimentación, 3 disyuntores y 3 barras colectoras. Eso se tomará dentro del transformador para subir o bajar los niveles de voltaje.

Ahora considere el suministro de 6 fases. Habrá seis de estos interruptores, 6 barras colectoras. Ahora esto hará que todo el arreglo sea complejo para integrarse con otros sistemas. También el costo de operación y mantenimiento será alto.

de manera similar para las 12 fases, las cosas serán aún más complicadas.

por lo tanto, se recomienda permanecer solo en 3 fases.

Answer 12

Me gustaría agregar una pequeña cantidad de explicación a lo que respondió el Dr. Venkatraman. Básicamente, es posible cualquier número de fases, pero en el caso de fases de números “pares” como 2, 4, 6 …, deben estar distribuidas uniformemente en el espacio, tendrán un ángulo igual en ellas y, como tal, un par de fases en dicho sistema siempre estará en dirección opuesta entre sí. Esto significaría que las pérdidas I ^ 2R para el cable de retorno neutral aumentarían significativamente ya que el neutral ahora sirve como una ruta de retorno actual para el par de fases que están en oposición de fase.
En un sistema de potencia de 3 fases, ninguna de las fases está en oposición de fase exacta y, por lo tanto, la corriente a través del neutro es definitivamente más pequeña que el caso anterior, reduciendo así las pérdidas I ^ 2R. Además, 5,7,9 … ¡todos los impares también son posibles, pero no hay ningún aumento significativo en la corriente y, por lo tanto, generalmente no se usan!

Answer 13

En realidad, existe electricidad de 6 fases y 9 fases y se está utilizando con bastante frecuencia en estos días. Los variadores de frecuencia (variadores de frecuencia) realizan esta tarea para los motores. Estos variadores toman corriente alterna y la convierten en corriente continua y luego nuevamente en corriente alterna al encender y apagar rápidamente la corriente. Estos variadores de frecuencia pueden controlar cómo arranca un motor y qué tan rápido funciona. A menudo, estas unidades tendrán 6, 9 e incluso 12 cables que irán al motor. Estos pulsos de CC provenientes del VFD se parecerán mucho a una onda sinusoidal para el motor y, en un osciloscopio, se parecerán a 6, 9 o 12 fases. Debido a la “eficiencia energética” y al intento de evitar que las empresas de servicios públicos penalicen a alguien que tiene una gran carga inductiva en la red eléctrica, muchos edificios están utilizando estas unidades para enmascarar la inductancia del motor de manejo de aire en su consumo de energía. (todo lo que verá la utilidad es el rectificador)

Answer 14

• Sería ventajoso cualquier sistema de suministro equilibrado (la potencia instantánea debe ser una cantidad de CC que no tenga armónicos de suministro)
• Si uno tiene más fases: la transmisión y la distribución deben llevar tantos conductores al menos … más aislantes, más requisitos en torres, etc.
• Del mismo modo, las cargas, especialmente el costo de diseño de los motores, tendrían que considerarse …
• Sin embargo, a partir de ahora … se ha invertido demasiado en sistemas trifásicos, por lo que no es práctico / factible cambiar eso ahora …
• En general: técnicamente posible pero económicamente un GRAN GRAN NO …
• Todavía podemos tener algunas excepciones aquí y allá …

Answer 15

Ciencias económicas.

Puede construir sistemas polifásicos con tantos polos como desee. Algunos motores paso a paso usan 4 fases (por supuesto, tampoco son sinusoidales, pero esa es otra historia). Algunos sistemas sincronizados utilizados como repetidores de brújula en barcos, etc. utilizan 6, principalmente por razones de compatibilidad con dispositivos anteriores.

Los sistemas polifásicos son un truco para transferir el campo magnético giratorio dentro de un dispositivo (el generador) a otro (el motor). El número mínimo de cables para hacer esto es 3, y como los cables cuestan dinero, usamos el mínimo.

2 no lo hará, porque hay una ambigüedad de 180 grados en dos cables. Un motor de inducción monofásico funcionará igualmente bien en cualquier dirección. (Los motores de inducción monofásicos tienen algún tipo de dispositivo local para hacerlos arrancar, como un condensador de cambio de fase, y que elige una dirección. Quítelo y póngalo en marcha y pueden ir en cualquier dirección)

Answer 16

Porque los motores de inducción trifásicos son simples y eficientes. Tenemos que agradecerle al Sr. Nikola Tesla por eso. Los motores de inducción trifásicos se utilizan ampliamente para muchas aplicaciones industriales, por ejemplo, bombas, cintas transportadoras, rodillos, prensas, etc. Un porcentaje significativo de la energía eléctrica producida se utiliza para impulsar motores de inducción de CA para la industria pesada.
Podría hacer un motor de inducción de dos fases eficiente (cambio de fase de 90 grados), pero eso requeriría cuatro cables de igual calibre. La potencia trifásica (wye) se puede transmitir con tres cables de calibre bajo (grueso) y un cable de calibre más alto (neutro más delgado), por lo que la fase trifásica requiere menos cobre que la cuadratura de dos fases. Es posible utilizar más de tres fases (algunas aplicaciones de motores de tracción hacen esto), pero es más costoso para la transmisión a larga distancia.
Como se ha mencionado, las aplicaciones residenciales generalmente no requieren motores grandes y eficientes, por lo que una sola fase es lo suficientemente buena para su hogar.

Answer 17

Trifásico es el número más pequeño de fases que es capaz de proporcionar autorrotación, lo que hace que los diseños de motores sean mucho más simples (y, por lo tanto, más confiables). En la mayoría de los casos, agregar fases más allá de tres no agrega suficientes beneficios para justificar la complejidad agregada, por lo que tres es el número mágico. Los ahorros de cobre de tres fases no se vuelven a realizar cuando se pasa a seis fases.

Sin embargo, hay algunas aplicaciones (principalmente rectificadores y generadores, y transmisión de alto voltaje) en las que la potencia de hexaphase o dodecaphase es prometedora; El uso de más fases (que requieren más cobre) se compensa con voltajes más bajos para la misma potencia suministrada y una mejor capacidad para manejar los armónicos de la línea de alimentación.

Answer 18

Porque en términos de costo, capacidad de transmitir niveles adecuados de potencia y simplicidad del sistema, el sistema trifásico es la mejor opción sobre un sistema de seis fases o nueve fases.

Diseñar generadores, transformadores, subestaciones, disyuntores de potencia, sistemas de retransmisión y otros equipos, suponiendo que incluso pueda hacerlo, sería una pesadilla técnica y sería innecesariamente complejo. Los controles / protección para tal sistema serían simplemente ridículos. Tal como están las cosas, los sistemas trifásicos presentan suficientes desafíos técnicos para los ingenieros de potencia, y no hay razón para lidiar con eso si no es necesario, y nosotros no tenemos que hacerlo. El sistema que tenemos ahora funciona bien y satisface las necesidades del poder público. Tres o seis fases más, bueno … yikes.

Entonces, vas tan simple como puedes, y ese sería un sistema trifásico en este momento.

Answer 19

Teniendo en cuenta las formas de onda de voltaje trifásico que se muestran en la figura.

En cada instante, el voltaje instantáneo de cualquiera de las tres formas de onda está en el valor pico o cerca del valor pico (considere cualquier dirección, ya sea positiva o negativa). Esto implica que se suministra un voltaje constante con una magnitud cercana al valor máximo todo el tiempo.

Al usar más número de fases (más de tres fases) este voltaje es casi igual al voltaje pico. Pero el uso de más fases requiere más conductores, lo que aumenta el costo en gran medida con menos mejora en este voltaje (es decir, no tiene mucha mejora).

Con dos fases este efecto no se logra.

Por lo tanto, se utilizan tres fases.

Answer 20

Primero, ¿por qué 3 fases en lugar de una fase? Dos razones. 1) Permite la entrega de 1,73 veces más potencia para una cantidad dada de conductor, debido al aumento del “relleno” de la forma de onda sinusoidal actual con el tiempo de las formas de onda. 2) Puede proporcionar automáticamente un campo magnético giratorio para motores.

Segundo, ¿por qué no los otros que mencionas?
– La potencia de 2 fases proporciona la ventaja 2) desde arriba, pero no 1). La fase 2 a 180 grados de separación sería indistinguible de la fase única en sus efectos para motores. La separación de 2 fases a 90 grados se usa comúnmente para arrancar motores en sistemas monofásicos, con la segunda fase generada a aproximadamente 90 grados con la conexión (generalmente) temporal de condensadores en el motor.

– La potencia de 4 fases proporciona la ventaja 2) desde arriba, pero no 1). La fase 4 a una separación de 90 grados sería indistinguible de la fase 2 a una separación de 90 grados, ver – 2 fases arriba.

– La fase 6 a una separación de 120 grados sería indistinguible de la fase 3 estándar actual. (Entonces, ¿por qué hacerlo?). La separación de 6 fases a 60 grados proporcionaría la ventaja 1) y 2) desde arriba y operaría motores diseñados especialmente para que sea un poco más suave, pero con el costo adicional de 6 polos contactores y contactos del interruptor aislador y protectores de sobrecarga. No vale la pena.