¿Por qué la energía trifásica? ¿Por qué no 6, 12 o más fases para la transmisión de energía?

Es bien sabido que los sistemas monofásicos y trifásicos son las configuraciones más prevalentes para la transmisión, distribución y aplicaciones de uso final de energía. Aunque ambos sirven como marcos fundamentales de suministro de energía, los sistemas trifásicos ofrecen ventajas distintas sobre sus contrapartes monofásicas.

Notablemente, los sistemas polifásicos (como 6-fase, 12-fase, etc.) encuentran aplicaciones específicas en electrónica de potencia, particularmente en circuitos rectificadores y variadores de frecuencia (VFDs), donde reducen eficazmente el rizado en salidas de CC pulsantes. Lograr configuraciones polifásicas (por ejemplo, 6, 9 o 12 fases) históricamente implicaba técnicas complejas de desfase o conjuntos generador-motor, pero estos enfoques siguen siendo económicamente inviables para la transmisión y distribución de energía a gran escala a lo largo de distancias extensas.

¿Por qué un sistema trifásico en lugar de uno monofásico?

La principal ventaja del sistema trifásico sobre un sistema monofásico o bifásico es que se puede transmitir más (constante y uniforme) potencia.

Potencia en el sistema monofásico

• P = V . I . CosФ

Potencia en el sistema trifásico

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … O

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Donde:

• P = Potencia en vatios

• V_L = Voltaje de línea

• I_L = Corriente de línea

• V_PH = Voltaje de fase

• I_PH = Corriente de fase

• CosФ = Factor de potencia

Es evidente que la capacidad de potencia de un sistema trifásico es 1.732 (√3) veces mayor que la de un sistema monofásico. En comparación, un suministro bifásico transmite 1.141 veces más potencia que una configuración monofásica.

Una ventaja clave de los sistemas trifásicos es el campo magnético rotatorio (RMF), que permite el autoarranque en motores trifásicos mientras asegura potencia e impulso instantáneos constantes. En contraste, los sistemas monofásicos carecen de RMF y exhiben potencia pulsante, limitando su rendimiento en aplicaciones de motores.

Los sistemas trifásicos también ofrecen una eficiencia de transmisión superior, con menor pérdida de potencia y caída de voltaje. Por ejemplo, en un circuito resistivo típico:

Sistema monofásico

• Pérdida de potencia en la línea de transmisión = 18I²r … (P = I²R)

• Caída de voltaje en la línea de transmisión = I.6r … (V = IR)

Sistema trifásico

• Pérdida de potencia en la línea de transmisión = 9I²r … (P = I²R)

• Caída de voltaje en la línea de transmisión = I.3r … (V = IR)

Se muestra que la caída de voltaje y la pérdida de potencia en un sistema trifásico son 50% menores que en un sistema monofásico.

Los suministros bifásicos, similares a los trifásicos, pueden proporcionar potencia constante, generar RMF (campo magnético rotatorio) y ofrecer impulso constante. Sin embargo, los sistemas trifásicos transmiten más potencia que los sistemas bifásicos debido a la fase adicional. Esto plantea la pregunta: ¿por qué no usar más fases como 6, 9, 12, 24, 48, etc.? Discutiremos esto en detalle y explicaremos cómo un sistema trifásico puede transmitir más potencia que un sistema bifásico con el mismo número de cables.

¿Por qué no un sistema bifásico?

Tanto los sistemas bifásicos como los trifásicos pueden generar campos magnéticos rotatorios (RMF) y proporcionar potencia y torque constantes, pero los sistemas trifásicos ofrecen una ventaja clave: mayor capacidad de potencia. La fase adicional en las configuraciones trifásicas permite transmitir 1.732 veces más potencia que los sistemas bifásicos con el mismo tamaño de conductor.

Los sistemas bifásicos generalmente requieren cuatro cables (dos conductores de fase y dos neutros) para completar circuitos. Usar un neutro común para formar un sistema de tres cables reduce la cableación, pero el neutro debe llevar las corrientes de retorno combinadas de ambas fases, necesitando conductores más gruesos (por ejemplo, cobre) para evitar sobrecalentamiento. En contraste, los sistemas trifásicos usan tres cables para cargas equilibradas (configuración delta) o cuatro cables para cargas desequilibradas (configuración estrella), optimizando la entrega de potencia y la eficiencia del conductor.

¿Por qué no 6-fase, 9-fase o 12-fase?

Aunque los sistemas de mayor número de fases pueden reducir las pérdidas de transmisión, no se adoptan ampliamente debido a limitaciones prácticas:

• Eficiencia del conductor: Los sistemas trifásicos utilizan el menor número de conductores (3) para transmitir potencia equilibrada, mientras que un sistema de 12 fases necesitaría 12 conductores, cuadruplicando los costos de material e instalación.

• Supresión de armónicos: El ángulo de fase de 120° en los sistemas trifásicos cancela naturalmente las corrientes armónicas de tercera orden, eliminando la necesidad de filtros complejos requeridos en configuraciones de mayor número de fases.

• Complejidad del sistema: Los sistemas de mayor número de fases requieren componentes reingenierados (transformadores, interruptores, equipos de conmutación) y subestaciones más grandes, aumentando la complejidad de diseño y el mantenimiento.

• Restricciones prácticas: Los motores y generadores con más de tres fases son más voluminosos y difíciles de enfriar, mientras que las torres de transmisión necesitarían mayor altura para acomodar más conductores.

La ventaja trifásica

Los sistemas trifásicos alcanzan un equilibrio óptimo:

• Transmiten 50% más potencia que los sistemas monofásicos con los mismos conductores, minimizando las pérdidas.

• La configuración de fase de 120° equilibra las cargas y suprime los armónicos sin añadir complejidad.

• Se adaptan tanto a configuraciones delta (cargas equilibradas) como a estrella (cargas desequilibradas), respaldando diversas necesidades de potencia.

Los sistemas de mayor número de fases ofrecen beneficios marginales, ya que cada fase adicional aumenta exponencialmente los costos. Por esta razón, la tecnología trifásica sigue siendo el estándar global para la transmisión de potencia, equilibrando eficiencia, simplicidad y viabilidad económica.