Per què la potència tri-fàsica? Per què no 6, 12 o més per a la transmissió d'energia?

És ben conegut que els sistemes monofàsics i trifàsics són les configuracions més prevalents per a la transmissió, distribució i aplicacions finals d'energia. Tot i que ambdós serveixen com a marcs fonamentals d'abastament d'energia, els sistemes trifàsics ofereixen avantatges notables respecte als seus counterparts monofàsics.

Notablement, els sistemes multifàsics (com ara de 6 fases, 12 fases, etc.) troben aplicacions específiques en l'electrònica de potència, especialment en circuits rectificadors i variadors de freqüència (VFDs), on reduïxen eficacement el riple en sortides de CC pulsant. Aconseguir configuracions multifàsiques (per exemple, 6, 9 o 12 fases) històricament ha involucrat tècniques complexes de desfasament de fase o conjunts de motors-generadors, però aquests enfocaments encara són econòmicament inviables per a la transmissió i distribució de gran escala d'energia a llargues distàncies.

Per què un sistema trifàsic en lloc d'un sistema monofàsic?

L'avantatge principal del sistema trifàsic sobre un sistema monofàsic o bifàsic és que podem transmetre més potència (constant i uniforme).

Potència en el sistema monofàsic

• P =  V . I  . CosФ

Potència en el sistema trifàsic

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … O

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

On:

• P = Potència en Watts

• V_L = Tensió de línia

• I_L = Corrent de línia

• V_PH = Tensió de fase

• I_PH = Corrent de fase

• CosФ = Factor de potència

Es veu clarament que la capacitat de potència d'un sistema trifàsic és 1,732 (√3) vegades superior a la d'un sistema monofàsic. En comparació, un abastament bifàsic transmet 1,141 vegades més potència que una configuració monofàsica.

Un avantatge clau dels sistemes trifàsics és el camp magnètic rotatori (RMF), que permet l'autostart en motors trifàsics assegurant una potència i un moment instantanis constants. En canvi, els sistemes monofàsics no tenen un RMF i mostren una potència pulsant, limitant la seva rendiment en aplicacions de motors.

Els sistemes trifàsics també oferixen una eficiència de transmissió superior, amb una pèrdua de potència i una caiguda de tensió reduïdes. Per exemple, en un circuit típic resistiu:

Sistema monofàsic

• Pèrdua de potència en la línia de transmissió = 18I²r … (P = I²R)

• Caiguda de tensió en la línia de transmissió = I.6r … (V = IR)

Sistema trifàsic

• Pèrdua de potència en la línia de transmissió = 9I²r … (P = I²R)

• Caiguda de tensió en la línia de transmissió = I.3r … (V = IR)

Es mostra que la caiguda de tensió i la pèrdua de potència en un sistema trifàsic són un 50% inferiors a les d'un sistema monofàsic.

Els abastaments bifàsics, similars als trifàsics, poden proporcionar potència constant, generar un RMF (camp magnètic rotatori) i oferir un moment constant. Tanmateix, els sistemes trifàsics porten més potència que els bifàsics degut a la fase addicional. Això planteja la qüestió: per què no utilitzar més fases com 6, 9, 12, 24, 48, etc.? Ho discutirem detalladament i explicarem com un sistema trifàsic pot transmetre més potència que un sistema bifàsic amb el mateix nombre de cables.

Per què no un sistema bifàsic?

Tant els sistemes bifàsics com els trifàsics poden generar camps magnètics rotatoris (RMF) i proporcionar potència i moment constants, però els sistemes trifàsics oferixen un avantatge clau: una capacitat de potència superior. La fase addicional en les configuracions trifàsiques permet una transmissió de potència 1,732 vegades superior a la de sistemes bifàsics amb el mateix tamany de conductor.

Els sistemes bifàsics solen requerir quatre cables (dos conductors de fase i dos neutres) per completar els circuits. Utilitzar un neutre comú per formar un sistema de tres cables redueix la cablatura, però el neutre ha de portar corrents de retorn combinades de les dues fases—necessitant conductors més gruosos (per exemple, cobre) per evitar sobrecalents. En canvi, els sistemes trifàsics utilitzen tres cables per càrregues equilibrades (configuració delta) o quatre cables per càrregues desequilibrades (configuració estel), optimitzant la transmissió de potència i l'eficiència dels conductors.

Per què no un sistema de 6 fases, 9 fases o 12 fases?

Encara que els sistemes de més fases poden reduir les pèrdues de transmissió, no s'adopten ampliament degut a les limitacions pràctiques:

• Eficiència del conductor: Els sistemes trifàsics utilitzen els menys conductors (3) per transmetre potència equilibrada, mentre que un sistema de 12 fases necessitaria 12 conductors—quadruplicant els costos de material i instal·lació.

• Supressió harmònica: L'angle de fase de 120° en els sistemes trifàsics cancel·la naturalment les corrents harmòniques de tercer ordre, eliminant la necessitat de filtres complexos requerits en configuracions de més fases.

• Complexitat del sistema: Els sistemes de més fases requereixen components reenginyerats (transformadors, disjuntores, interruptors) i subestacions més grans, augmentant la complexitat del disseny i la sobrecarga de manteniment.

• Constriccions pràctiques: Els motors i generadors amb més de tres fases són més voluminosos i més difícils de refredar, mentre que les torres de transmissió necessitarien una alçada major per acomodar més conductors.

L'avantatge del sistema trifàsic

Els sistemes trifàsics assolen un equilibri òptim:

• Transmeten un 50% més de potència que els sistemes monofàsics amb els mateixos conductors, minimitzant les pèrdues.

• La configuració de 120° de fase equilibra les càrregues i suprimeix les harmoniques sense afegir complexitat.

• Es adapten tant a configuracions delta (càrregues equilibrades) com a estel (càrregues desequilibrades), suportant diverses necessitats d'energia.

Els sistemes de més fases oferixen beneficis decreixents—cada fase addicional augmenta exponencialment els costos mentre proporciona beneficis marginals. Per aquest motiu, la tecnologia trifàsica roman l'estàndard global per a la transmissió d'energia, equilibrant l'eficiència, la simplicitat i la viabilitat econòmica.