Por que a enerxía trifásica? Por que non 6, 12 ou máis para a transmisión de enerxía?

É ben coñecido que os sistemas monofásicos e trifásicos son as configuracións máis prevalentes para a transmisión, distribución e aplicacións de uso final de enerxía eléctrica. Aínda que ambos serven como marcos fundamentais de fornecemento de enerxía, os sistemas trifásicos ofrecen vantaxes distintas sobre os seus contrapartes monofásicos.

Notablemente, os sistemas polifásicos (como os de 6 fases, 12 fases, etc.) atopan aplicacións específicas en electrónica de potencia, especialmente en circuitos rectificadores e inversores de frecuencia variable (VFDs), onde reducen eficazmente o rizo nos salidas CC pulsantes. Lograr configuracións polifásicas (por exemplo, 6, 9 ou 12 fases) históricamente implicaba técnicas complexas de desprazamento de fase ou conxuntos motor-xerador, pero estas aproximacións permanecen económicamente infeasibles para a transmisión e distribución de potencia a gran escala sobre grandes distancias.

Por que un Sistema Trifásico en vez dun Sistema Monofásico?

A principal vantaxe do sistema trifásico sobre un sistema monofásico ou bifásico é que podemos transmitir máis (constante e uniforme) potencia.

Potencia no Sistema Monofásico

• P =  V . I  . CosФ

Potencia no Sistema Trifásico

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Ou

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Onde:

• P = Potencia en Watts

• V_L = Tensión de liña

• I_L = Corrente de liña

• V_PH = Tensión de fase

• I_PH = Corrente de fase

• CosФ = Factor de potencia

É evidente que a capacidade de potencia dun sistema trifásico é 1,732 (√3) veces maior que a dun sistema monofásico. En comparación, un fornecemento bifásico transmite 1,141 veces máis potencia que unha configuración monofásica.

Unha ventaxe clave dos sistemas trifásicos é o campo magnético rotatorio (RMF), que permite o arranque automático nos motores trifásicos ao mesmo tempo que asegura unha potencia e par instantáneos constantes. En contraste, os sistemas monofásicos carecen de RMF e exhiben potencia pulsante, limitando o seu rendemento en aplicacións de motores.

Os sistemas trifásicos tamén ofrecen unha eficiencia de transmisión superior, con menor perda de potencia e caída de tensión. Por exemplo, nun circuito resistivo típico:

Sistema Monofásico

• Perda de potencia na liña de transmisión = 18I²r … (P = I²R)

• Caída de tensión na liña de transmisión = I.6r … (V = IR)

Sistema Trifásico

• Perda de potencia na liña de transmisión = 9I²r … (P = I²R)

• Caída de tensión na liña de transmisión = I.3r … (V = IR)

Mostrase que a caída de tensión e a perda de potencia nun sistema trifásico son 50% menores que as dun sistema monofásico.

Os fornecementos bifásicos, similares aos trifásicos, poden proporcionar potencia constante, xerar RMF (campo magnético rotatorio) e ofertar par constante. No entanto, os sistemas trifásicos transportan máis potencia que os sistemas bifásicos debido á fase adicional. Isto levanta a pregunta: por que non usar máis fases como 6, 9, 12, 24, 48, etc.? Discutiremos isto en detalle e explicaremos como un sistema trifásico pode transmitir máis potencia que un sistema bifásico co mesmo número de cables.

Por que Non Bifásico?

Tanto os sistemas bifásicos como trifásicos poden xerar campos magnéticos rotatorios (RMF) e proporcionar potencia e par constantes, pero os sistemas trifásicos ofrecen unha ventaxe clave: maior capacidade de potencia. A fase adicional nas configuracións trifásicas permite unha transmisión de potencia 1,732 veces maior que os sistemas bifásicos co mesmo tamaño de condutor.

Os sistemas bifásicos xeralmente requiren catro cables (dous conductores de fase e dous neutros) para completar circuitos. Usar un neutral común para formar un sistema de tres cables reduce a cableado, pero o neutral debe levar as correntes de retorno combinadas das dúas fases—necesitando conductores máis gruesos (por exemplo, cobre) para evitar o sobrecalentamento. En contraste, os sistemas trifásicos usan tres cables para cargas equilibradas (configuración delta) ou catro cables para cargas desequilibradas (configuración estrela), optimizando a entrega de potencia e a eficiencia do condutor.

Por que Non 6-Fases, 9-Fases, ou 12-Fases?

Aínda que os sistemas de maiores fases poden reducir as perdas de transmisión, non se adoptan ampliamente debido a limitacións prácticas:

• Eficiencia do Condutor: Os sistemas trifásicos usan o menor número de conductores (3) para transmitir potencia equilibrada, mentres que un sistema de 12 fases precisaría 12 conductores—cuadruplicando os custos de material e instalación.

• Supresión de Armónicos: O ángulo de fase de 120° nos sistemas trifásicos cancela naturalmente as correntes armónicas terceiras, eliminando a necesidade de filtros complexos requeridos nas configuracións de maiores fases.

• Complejidade do Sistema: Os sistemas de maiores fases requiren componentes reengenhados (transformadores, interruptores, equipamentos de manobra) e subestacións maiores, aumentando a complejidade de deseño e o sobrecosto de mantemento.

• Restriccións Prácticas: Os motores e xeradores con máis de tres fases son máis voluminosos e difíciles de refrigerar, mentres que as torres de transmisión precisarián maior altura para acomodar máis conductores.

A Ventaxe Trifásica

Os sistemas trifásicos alcanzan un equilibrio óptimo:

• Transmiten 50% máis potencia que os sistemas monofásicos co mesmos conductores, minimizando as perdas.

• A configuración de fase de 120° equilibra as cargas e suprime os armónicos sen complexidade adicional.

• Adaptanse tanto a configuracións delta (cargas equilibradas) como estrela (cargas desequilibradas), apoiando diversas necesidades de potencia.

Os sistemas de maiores fases ofrecen retornos decrecentes—cada fase adicional eleva os custos exponencialmente mentres proporciona beneficios marginais. Por esta razón, a tecnoloxía trifásica permanece como o estándar global para a transmisión de potencia, equilibrando eficiencia, simplicidade e viabilidade económica.