Unas cuantas palabras acerca de los alternadores trifásicos

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1 Rincón Técnico Unas cuantas palabras acerca de los alternadores trifásicos Autores: El contenido de este artículo fue tomado del Electrical Engineering Portal Elaboración técnica: Esta publicación ha sido redactada por el ingeniero electricista Steven F. Reith miembro del cuerpo de marina de los Estados Unidos de América y especializado en temas de infraestructura eléctrica, electrónica y automoción programada, en su libro: Introduction to motor and generator Navy Electricity and Electronics Training Series.

2 Introducción El alternador trifásico, como su nombre lo indica, tiene tres devanados monofásicos espaciados de modo tal que el voltaje en cualquiera de las fases está desplazado 120 de las otras dos. Un diagrama esquemático del estator trifásico mostrando todas las bobinas sería muy complejo y es muy difícil ver lo que realmente está sucediendo. El esquema simplificado de la figura 1, vista A, muestra todas las bobinas de cada fase agrupadas como una sola. El rotor se ha omitido por simplicidad. Las ondas de voltaje generadas a través de cada fase están dibujadas sobre el gráfico, desfasadas 120 respecto a las demás. El alternador trifásico que se muestra en este esquema se compone de tres alternadores monofásicos que generan voltajes desfasados entre sí 120. Las tres fases son independientes de las otras.

3 Figura 1 Conexiones de un alternador trifásico En vez de tener seis cables saliendo del alternador trifásico, se pueden conectar juntas tres fases para formar una conexión Ye (Y), como la que se muestra en la Figura 1, vista B. Es llamada conexión Ye (Y) porque, sin el neutro, los devanados se asemejan a la letra Y que en este caso está hacia un lado o invertida. El neutro es llevado a una terminal cuando se necesita alimentar una carga monofásica. Se puede obtener voltaje monofásico desde el neutro hasta A, desde el neutro hasta B y desde el neutro hasta C. En un alternador trifásico conectado en Y, el voltaje total, o voltaje de línea, a través de cualquiera de los cables de tres líneas es la suma vectorial las voltajes de las fases individuales. El voltaje de cada línea es 1.73 veces el voltaje de la fase. Debido a que los devanados forman solo un camino para el flujo de corriente entre fases, la corriente de línea y la de fase son las mismas (iguales). Un estator trifásico puede también ser conectado de modo que las fases estén conectadas final a final; este tipo de conexión se conoce como conexión en delta (figura 1, vista C). (Delta porque luce como la letra griega, Δ). En la conexión delta, los voltajes de línea son iguales a los voltajes de fase, pero cada corriente de línea es igual a 1,73 veces la corriente de fase. Tanto la conexión Y como la Δ son usadas en alternadores. La mayoría de los alternadores usados actualmente son trifásicos. Son mucho más eficientes que los bifásicos o monofásicos.

4 Conexiones trifásicas Las bobinas de estator de los alternadores trifásicos pueden juntarse en conexiones en ye o delta, como muestra la Figura 2. Con esas conexiones solo salen tres cables del alternador. Esto permite una conexión conveniente a motores trifásicos o transformadores de distribución. Es necesario usar los transformadores trifásicos o sus equivalentes eléctricos con este tipo de sistema. Figura 2 Conexiones de un alternador o transformador trifásico Un transformador trifásico puede ser hecho a partir de tres transformadores monofásicos conectados en delta, ye o una combinación de ambos. Si tanto el primario como el secundario están conectados en ye, el transformador es llamado un ye-ye. Si ambos devanados están conectados en delta, el transformador es llamado un delta-delta. La Figura 3 muestra un transformador monofásico conectado en forma delta-delta para su operación en un sistema trifásico. Notará que los devanados del transformador no están alineados para mostrar la típica delta (Δ) como ha sido hecho con los devanados de un alternador. Físicamente, cada transformador en el diagrama permanece solo. No hay relación angular entre los devanados de los transformadores individuales. De cualquier modo, si usted sigue las conexiones, verá que forman una delta eléctrica. Los devanados primarios, por ejemplo, están conectados a cada otro para formar un lazo cerrado. Cada una de esas uniones es alimentada con un voltaje de fase proveniente de un alternador trifásico. El alternador puede ser conectado tanto en ye como en delta dependiendo de la carga, los requerimientos de voltaje y el diseño del sistema.

5 Figura 3 Transformadores trifásicos conectados en forma delta-delta La figura 4 muestra transformadores trifásicos conectados en ye-ye. Nuevamente, note que los devanados del transformador no están alineados. Eléctricamente, la Y es formada por las conexiones. Las partes más bajas de cada devanado son puestas en contacto. Estas forman el punto común de la y. El lado opuesto de cada devanado es aislado. Estas terminaciones forman los brazos de la ye. Figura 4 Transformadores trifásicos conectados en ye-ye

6 La energía alterna en la mayoría de barcos es distribuida por un sistema trifásico, trifilar, de 450V. Los transformadores monofásicos bajan el voltaje hasta 117V. Estos transformadores están conectados de forma delta-delta, como en la figura 3. Con la configuración delta-delta, la carga puede ser un dispositivo trifásico conectado a todas las fases; o, puede ser un aparato monofásico conectado solamente a una de las fases. En este punto, es importante recordar que tal sistema de distribución incluye todo entre el alternador y la carga. Debido a las muchas elecciones que el sistema trifásico provee, se debe tener cuidado de asegurarse que cualquier cambio de las conexiones no proveerá el voltaje o la fase equivocada a la carga. Frecuencia de salida La frecuencia de salida de la energía que sale del alternador depende de la velocidad de rotación y del número de polos que este posea. A mayor velocidad, más alta la frecuencia. Entre más baja sea la velocidad, menor es la frecuencia. Entre más polos haya en el motor, más alta será la frecuencia para una velocidad dada. Cuando un rotor ha rotado 1 a través de un ángulo en el cual dos polos adyacentes (un polo norte y uno sur) han pasado un devanado, el voltaje inducido en dicho devanado habrá variado un ciclo completo. Para una frecuencia dada, entre más pares de polos haya, más baja será la velocidad de rotación necesaria. El principio es ilustrado en la figura 5; un generador de dos polos debe rotar a cuatro veces la velocidad de un generador de ocho polos para producir la misma frecuencia de voltaje generado. 1 NdT: (sic)

7 Figura 5 Regulación de frecuencia La frecuencia de cualquier generador de ac en Hertz (Hz), que es el número de ciclos por segundo, está relacionada con el número de polos y la velocidad de rotación, como lo expresa la ecuación: F = NP/120 Donde P es el número de polos, N es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (rpm), y 120 es una constante que permite la conversión de minutos a segundos y de polos a pares de polos. Ejemplos Por ejemplo, un alternador de 2 polos y 1800rpm tiene una frecuencia de 60Hz; determinada como sigue a continuación: (2 x 3600) / 120 = 25 Hz Un generador de 4 polos y 1800rpm también tiene una frecuencia de 60Hz. Un generador de 6 polos y 500rpm tiene una frecuencia de: (6 x 500) / 120 = 25Hz Un generador de 12 polos y 4000rpm tiene una frecuencia de: (12 x 4000) / 120 = 400Hz

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