¿Por qué potencia trifásica? ¿Por qué no un mayor número de fases?

¿Hay alguna razón, más allá de las razones históricas, de que tres fases se hayan convertido en el número dominante de fases?

Soy consciente de las ventajas contra una fase y dos fases, es decir, la cantidad reducida de conductor necesaria, y que los motores pueden proporcionar par cuando están parados (y menos pulsación).

Esto se debe únicamente a los rendimientos decrecientes, con solo un pequeño aumento en la suavidad de la aplicación de torque, a costa de una mayor complejidad (mayor número de cables (aunque de CSA más pequeño)).

Para ser claros, todas las fases están distribuidas uniformemente, es decir, cinco fases separadas por 72 grados.

Además de la respuesta de PlasmaHH, la industria usa casi exclusivamente energía trifásica, ya que un motor de inducción necesita al menos un suministro trifásico para arrancar y funcionar en una dirección conocida. Los motores de inducción monofásicos requieren trucos caros, poco fiables y costosos para hacer lo mismo (bobinados adicionales, bobinados con pérdidas, interruptores sensibles a la velocidad, condensadores, etc.).

La red de suministro se basa en tres fases, ya que es la más eficiente en términos de generación y entrega. El uso de una red de 9 fases, por ejemplo, requeriría ejecutar 9 cables para toda la red de distribución, no rentable.

Los motores de orden superior mencionados no usan fases generadas en línea. Los motores paso a paso usan más fases para un control más fino. Los rectificadores polifásicos de alto orden se diseñan a menudo con más 'fases', para reducir la ondulación, pero las fases se generan localmente mediante el cambio de fase de la entrada de línea de alguna manera, ya sea el desplazamiento directo de LC o mediante el uso de un grupo motor-generador.

Cuando tiene una distribución de energía monofásica, necesita una fase y un retorno, ambos con la misma corriente.

Si ahora usa energía trifásica simétrica , usa tres fases con un tercio de la capacidad de transporte de corriente y puede deshacerse del neutro. Esto simplemente ahorra algo de dinero en cobre. Si ahora agrega más fases, no puede guardar más cobre, sino que solo agrega complejidad.

Si tiene una potencia trifásica asimétrica , no puede deshacerse del neutro, pero no es necesario que pueda manejar a cambio toda la corriente combinada de las tres fases. De nuevo algo de cobre ahorrado. Sin embargo, agregar más fases no reducirá tanto el cobre necesario para el neutro.

Entonces sí, al final es más costoso para prácticamente ninguna ganancia en la aplicación promedio. Por lo tanto, solo encontrará más de tres fases para cosas muy especiales.

Tres es el número más bajo de fases que están igualmente espaciadas alrededor del círculo, y que se pueden usar para crear un campo magnético giratorio en una dirección dada.

Más fases solo requieren más cables y más devanados en un motor de inducción.

Dos fases pueden configurar un campo magnético giratorio si están separadas 90 grados (" cuadratura "). Los trucos que generan cuadratura, como los condensadores de funcionamiento, se utilizan con motores de inducción que funcionan con potencia monofásica.

La potencia bifásica resulta no tener ventajas. Los motores funcionan más suavemente en tres fases , y las dos fases equilibradas requieren cuatro conductores, mientras que las tres fases requieren solo tres. Es decir, podemos vincular un generador trifásico con un motor de inducción trifásico utilizando exactamente tres cables. Tres fases de dos fases es posible, pero no estará equilibrado. Dos de los conductores llevarán las fases, y el tercer conductor actúa como neutral. Esto significa que un cable tiene que manejar más corriente ya que actúa como un retorno para los otros dos. Los tres conductores en tres fases llevan la misma corriente: están equilibrados.

Por todas estas razones, tres fases representan un óptimo. Si se da por sentado que la electricidad se usa para motores de inducción, más de tres fases son un desperdicio y, por lo tanto, menos de tres.

Sin embargo, se han utilizado sistemas de dos fases, así como sistemas de fase de orden superior, como las fases seis y doce , porque siguen teniendo algunas ventajas especiales.

Además de otras respuestas:

El propósito principal es que tener al menos tres fases permite que su motor arranque en la dirección esperada. Para los motores de inducción monofásicos, se necesitan algunas soluciones alternativas (como colocar cableado adicional con un condensador utilizado durante el arranque). Fue explicado correctamente en respuestas anteriores.

¿Por qué no más? Simplemente, no es necesario y genera costos. No es solo el problema de los cables (por lo tanto, uso de cobre, aislamiento) sino también el problema de la construcción. ¿Te imaginas una torre para líneas aéreas con nueve fases? Bueno, probablemente puedas, a veces uno puede encontrar torres que sostienen dos líneas trifásicas, o incluso más:

(foto de Wikipedia)

El principal problema aquí es asegurar una distancia de aislamiento adecuada entre los conductores y los conductores y la tierra (o estructura de la torre), lo que requiere un gran uso de materiales.

Además, si tiene más fases, la probabilidad de falla es mayor. Por supuesto, en este caso (por ejemplo, un conductor roto) la asimetría total será menor, pero el riesgo de necesidad de desconectar toda la línea será mayor.

Construir un generador para más fases también es complicado. Por lo general, los hidrogeneradores, con una velocidad pequeña, tienen muchos pares de polos, por lo que estaría bien no dar 24 pares de polos, sino uno o dos (por ejemplo, para 12 fases), pero es complicado para las unidades de generador térmico-turbina. Generalmente hay un par de polos, a veces dos. Esto conduce a una velocidad de 3000 rpm (para una red de 50 Hz). Es necesario que el estator reciba energía de una máquina de este tipo con el menor riesgo posible, por lo que menos fases significan menos posibilidades de cortocircuitos en turno. Introducir más fases requeriría una construcción de estator mucho más costosa.

Tenga en cuenta también que, incluso si hoy no es un problema tener un convertidor de frecuencia de electrónica de potencia, que también multiplique fases, rectifique, etc., era un problema hace solo 30 años, y más, por supuesto. Entonces la gente decidió usar tres fases, y ahora es imposible cambiar.

¿Por qué solo 3 fases? Bueno, si necesitamos más fases, podemos convertir 3 fases fácilmente en 6 fases / 12 fases, etc. utilizando un transformador cableado para hacerlo. La aplicación principal de más fases es para un menor voltaje de ondulación en un banco de condensadores rectificados de puente completo. Nunca he visto uno, pero aprendí sobre ellos de un antiguo profesor de la universidad mientras hacía ingeniería eléctrica.

También digamos que teníamos una configuración delta de 3 resistencias emparejadas conectadas a una conexión trifásica. La potencia utilizada con el tiempo será idéntica a una resistencia alimentada por CC porque cuando una fase está en 0%, las otras dos fases estarán en 66.66% y 33.33% si no recuerdo mal. Esta relación también significa que el poder de una fase regresará a las otras fases. ¡No es impresionante la fase 3!

Para resumir, no hay necesidad de fases adicionales porque puede convertirlo fácilmente en más fases al final. Normalmente no se hace, ya que la fase 3 ya es increíble.

Espero que esto ayude.

La trifásica tiene una propiedad muy importante: si observa la potencia (V ^ 2 / R) en las tres fases y las suma, esa potencia es CONSTANTE en todo el ciclo. Esto significa que los motores trifásicos pueden conducir a una potencia constante y los generadores ven una carga constante. 2 fases es insuficiente para obtener esta relación.

Uno podría usar conteos de fase más altos, pero cuesta más cablear, y realmente no ofrecería ninguna ventaja adicional en la mayoría de las situaciones. Se elige 3 fases porque es un número mínimo de cables con buenas propiedades.

Muchas de las otras respuestas afirman erróneamente que necesita 3 fases para que un motor arranque de manera confiable o gire en una dirección específica, y para usar energía constante. En realidad, esto podría hacerse con dos fases, separadas 90 ° entre sí. Aún obtienes una dirección definida y un consumo de energía constante durante un ciclo.

Sin embargo, dicho sistema de dos fases requeriría un mínimo de tres cables, pero la corriente a través de los tres cables no sería simétrica para una carga de potencia constante. Entonces, si necesita tres cables de todos modos, ¿cuál es la mejor manera de usar estos tres cables de la manera más eficiente y flexible posible? La respuesta es el sistema trifásico que realmente utilizamos. En lugar de una línea común y dos líneas "calientes" desfasadas 90 °, tiene tres líneas calientes simétricas, cada una desfasada 120 ° de las otras dos. Tenga en cuenta que el voltaje promedio (y la corriente para una carga equilibrada) siempre es 0 para un sistema simétrico de 3 fases. Esto no es cierto para un sistema de 2 fases.

Más fases no le dan propiedades deseables adicionales, por lo que solo agregarían complejidad y costo.

Un voltaje es, por definición, entre dos conductores. Si tiene un conductor, no tiene voltajes. No hay voltaje, no hay energía, no pasa nada. No es terriblemente útil.

Si tiene dos conductores, tiene un par (2C2), que permite un voltaje. A esto lo llamamos monofásico. Ahora podemos hacer que las cosas sucedan, lo cual es una ventaja sustancial sobre tener un solo conductor. Pero solo puedes hacer que una cosa suceda; no hay variación posible en cómo se puede conectar la carga. Dicho de otra manera, el voltaje solo tiene una dimensión: es positivo o negativo. Un problema común es que si conecta un motor monofásico directamente a una línea de CA, no tiene ninguna garantía sobre la forma en que girará o si lo hará.

Si tiene tres conductores, tiene tres pares (3C2), lo que permite tres voltajes. A esto lo llamamos trifásico. Ahora podemos hacer que sucedan tres cosas, en diferentes momentos . Por ejemplo, podría tener tres electroimanes dispuestos en un círculo y encenderlos todos en una secuencia. Ahora podemos garantizar que un motor rotará y en qué dirección. Esta es una ventaja sustancial sobre la monofásica. Dicho de otra manera, ahora tenemos dos dimensiones para el voltaje; Está representado por un vector en un espacio bidimensional. Solo hay dos posibles disposiciones distintas de conductores ((3-1)!), Que corresponde a las dos direcciones posibles de rotación.

Si extiende esto a cuatro conductores, tiene seis pares (4C2), por lo que el siguiente paso es el voltaje de seis fases. ¿Qué ventajas tendría seis fases sobre tres fases? Bueno, ahora hay (4-1)! = 6 posibles arreglos distintos de conductores, lo que significa que si está tratando de hacer que algo gire en un plano, podría conectar las cosas de una manera que sea inconsistente con eso. Entonces, si tuviera un motor de inducción de seis devanados, sería posible conectarlo de una manera que vibraría horriblemente y rotaría a la mitad de la velocidad normal, en lugar de simplemente elegir una dirección u otra. Eso no es una ventaja.

Pero suponga que su rotor tiene tres grados de libertad de rotación en lugar de uno. Con seis fases y una disposición mecánica adecuada de polos magnéticos, puede inducir la rotación (balanceo, inclinación y guiñada) en un rotor esférico flotante de posición fija. Como tal cosa no existe, que yo sepa, esto realmente no califica como una aplicación útil. (¿Tal vez en un entorno de gravedad nula, donde los polos magnéticos orbitan alrededor de un cuerpo? Pero entonces, ¿cómo están todos conectados a la misma línea de CA de seis fases?) Por supuesto, en un espacio de cuatro dimensiones, donde podríamos tener dicho sistema y todavía traducir las tres direcciones de rotación a alguna otra carga fuera de nuestra disposición esférica del estator / rotor, esta disposición podría ser muy útil.

Mientras tanto, en el espacio 3 + 1, trabajo en el mundo de la electrónica de potencia industrial, y he visto sistemas que usan el tipo de transformadores de cambio de fase que otras respuestas han mencionado. Como cuestión de nomenclatura, nadie con quien he hablado describiría el uso de un transformador de cambio de fase para generar tres tramos de CA fuera de fase más para crear "seis fases". (Según mis cálculos, tendrías quince fases, pero ese no es el lenguaje utilizado). Cuando se ejecuta trifásico a través de un rectificador en una tapa, obtienes seis pulsos de corriente por ciclo. Para este tipo de sistema, obtendría doce pulsos, por lo que ese tipo de sistema se llamaría doce pulsos.

(En general, el rectificador de doce pulsos son dos rectificadores de seis pulsos. Si tiene dos unidades de motor, puede conectar sus buses de CC directamente entre sí y alimentarlos con un conjunto trifásico diferente. O puede obtener uno independiente rectificador para un conjunto y alimentar su entrada de CC en la unidad restante).

Si está comparando un rectificador de seis pulsos con un rectificador de doce pulsos, con cargas idénticas, cada pulso actual debe ser más pequeño para compensar que haya más de ellos manejando la misma carga. Esto hace que la corriente general fuera de la línea se parezca más a una onda sinusoidal, lo que significa que los armónicos se reducen. La ondulación en las gorras también es menor, pero nunca he conocido a nadie que esté terriblemente preocupado por eso.

Se pueden obtener mejoras armónicas mayores con un sistema de dieciocho pulsos y tres rectificadores. (¡36 fases!) Con voltajes y potencias más altos, pueden existir incluso números más altos de rectificadores en paralelo. ¡Este documento en una línea VFD de media tensión hace referencia a un rectificador de 54 pulsos a 11 kV!

TL; DR

El poder trifásico nos da un grado de libertad rotacional, que es el límite de lo que es útil en un espacio tridimensional.

Otra razón simple: las fases adicionales serían "dos similares" a las existentes. Dicho de otra manera: cualquier fase adicional sería simplemente una combinación lineal de los voltajes entre los tres cables existentes: el espacio vectorial atravesado por seno y coseno es solo bidimensional.

Otro aspecto del problema es la cuestión de las geometrías de conductores para líneas de transmisión de alta tensión. Con tres líneas, los problemas de inductancia y las corrientes de diafonía inducidas se minimizan y se filtran más fácilmente, que si hubiera un múltiplo adicional de conductores. Los costos siguen subiendo más rápido que los beneficios con más conductores.

Lionel Barthold, fundador de Power Technologies, Inc., explicó esto bien:

" ¿Por qué 3 fases de energía? ¿Por qué no 6 o 12? "

Él dice que aunque ha diseñado sistemas de fase superior, no son prácticos debido a, como usted dice, la disminución de los retornos, especialmente con respecto a todos los transformadores más necesarios en las subestaciones. Cuando duplica el número de fases, también debe duplicar la cantidad de equipo en las subestaciones.