Cómo convertir energía monofásica a trifásica

En los Estados Unidos, la mayor parte de la energía que ingresa a los hogares de las personas es energía monofásica. La energía generada en la planta de energía eléctrica, sin embargo, es energía trifásica. Esta es la idea detrás de esas grandes líneas de transmisión que ves conectadas a torres altas; se supone que estas líneas transmiten como tanto voltaje como sea factible a largas distancias antes de que esta energía sea "aprovechada" y entregada a los vecindarios a una velocidad muy reducida Voltaje.

La energía monofásica es suficiente para prácticamente todos los electrodomésticos, mientras que los entornos industriales con equipos pesados ​​requieren energía trifásica. Pero, ¿qué pasa si necesita energía trifásica y todo lo que tiene es la energía monofásica que ingresa a su hogar?

• La información aquí está destinada únicamente a fines académicos, no instructivos. Nunca experimente o altere los cables eléctricos en su hogar o en cualquier otro lugar a menos que haya sido capacitado específicamente para el trabajo.

Imagínese a usted mismo y a dos de sus amigos (obviamente aburridos) caminando de un lado a otro a una velocidad de 2 metros. por segundo (aproximadamente 4.5 millas por hora) a lo largo de un camino que corre de norte a sur y mide 60 metros de un extremo a otro final. Cada uno de ustedes comienza en el punto medio de este camino, camina hacia el extremo norte, regresa al inicio, continúa caminando hacia el extremo opuesto, y regresa nuevamente al medio, completando así una "vuelta" de 120 metros, o ciclo. Debido a que cada uno de ustedes camina a 2 metros por segundo, un viaje de ida y vuelta le lleva a cada persona exactamente 60 segundos.

Suponga además que en el punto de partida, el "estado" de cada uno de ustedes es cero. Obtienes una unidad de estado por cada metro que caminas hacia el norte y pierdes una unidad de estado por cada metro que caminas hacia el sur. Por lo tanto, cada vez que uno de ustedes llega al extremo norte del camino, esa persona tiene un estado de 30, mientras que cualquiera que haga el giro en el extremo sur tiene un estado de -30. Reconocen que los tres pueden separarse al máximo el uno del otro al comenzar 20 segundos de diferencia, porque cada circuito toma 60 segundos y ustedes son tres, y 60 dividido por 3 es 20. Si hace álgebra, encontrará que cuando uno de ustedes ha maximizado su "estado" en un valor de 30 al llegar al extremo norte, los otros dos se cruzan a mitad de camino a lo largo de la sección sur, uno hacia el norte y el otro hacia el sur, donde cada caminante tiene un estado de -15. Si suma sus valores de estado en ese momento, suman 30 + (-15) + (-15) = 0. Es posible demostrar que, de hecho, la suma de todos sus valores de estado en cualquier momento es 0 siempre que los tres estén perfectamente escalonados como se describe.

Esto ofrece un modelo de cómo se ve la energía eléctrica trifásica, excepto que "voltaje" es sustituido por "estado" y en lugar de que ocurra un ciclo cada 60 segundos, ocurren 60 ciclos de voltaje cada segundo. Además, en lugar de que cada persona pase por el punto de partida dos veces por minuto, el voltaje pasa por el punto cero 120 veces por segundo.

Debido a la forma en que la potencia, la corriente y el voltaje se relacionan matemáticamente, la potencia trifásica permanece en un nivel constante distinto de cero aunque los tres voltajes individuales se suman a cero en cualquier momento. Esta relación es:

P = V²/ R

Aquí P es la potencia en vatios, V es el voltaje en voltios y R es la resistencia eléctrica en unidades llamadas ohmios. Puede ver que los voltajes negativos contribuyen a la potencia porque elevar al cuadrado un número negativo produce un valor positivo. La potencia total en un sistema trifásico es solo la suma de la potencia de los tres valores de potencia individuales de cada fase.

Además, si alguna vez se preguntó cómo la corriente alterna (CA) obtuvo su nombre, ahora tiene su respuesta. El voltaje nunca es estable en sistemas monofásicos o trifásicos y, como resultado, tampoco lo es la corriente; estos están relacionados por la ley de Ohm, que es V = IR, donde I representa la corriente en amperios ("amperios").

Para extender la analogía de los amigos caminando de un lado a otro con el poder de una fase, simplemente imagina que dos de tus amigos son llamados a casa para cenar mientras continúas caminando, y ahí lo tienes. Es decir, la energía trifásica es literalmente solo tres fuentes de energía monofásicas compensadas mutuamente por un tercio de un ciclo (o en términos trigonométricos, por 120 grados). En una fuente de alimentación monofásica, cada vez que el voltaje único se vuelve cero brevemente, también lo hace la salida de potencia. Quizás ahora pueda comprender por qué los pequeños electrodomésticos, que no se ven muy afectados por lapsos muy breves en potencia, pueden funcionar con energía monofásica, mientras que las máquinas grandes que operan a altos niveles de vataje (potencia) no puedo; requieren una fuente de alimentación grande y estable.

Todo lo anterior se comprende más fácilmente consultando un gráfico de voltaje vs. tiempo para una fuente de alimentación trifásica (ver Recursos). En este gráfico, las fases individuales se representan en líneas rojas, púrpuras y azules. Estos siempre suman cero, pero la suma de sus cuadrados es positiva y constante. Por lo tanto, dado un valor invariable de R, la potencia P en estas configuraciones también es constante debido a la relación P = V²/R.

Para un suministro monofásico, no hay voltajes para sumar, y el voltaje de una fase pasa por el punto cero 120 veces por segundo. En estos instantes, la energía cae a cero pero se recupera lo suficientemente rápido como para que las luces más pequeñas, los electrodomésticos, etc. no experimenten interrupciones notables.

Si tiene un motor trifásico en un dispositivo más grande, como un compresor de aire de tamaño industrial, y no tiene acceso inmediato a energía trifásica debido a la forma en que está configurada la red local, existen soluciones que puede utilizar para obtener su equipo correctamente motorizado. (Una de ellas es simplemente reemplazar el motor trifásico con un motor monofásico, pero esto no es tan inteligente como otras soluciones).

Hay disponibles numerosos tipos de convertidores trifásicos. Uno de estos, un convertidor estático, aprovecha el hecho de que, si bien un motor trifásico no puede arrancar con energía monofásica, puede seguir funcionando con energía monofásica una vez que se arranca. Un convertidor estático hace esto con la ayuda de condensadores (dispositivos que pueden almacenar carga), lo que permite que el convertidor estático Reemplazar una de las fases, aunque de una manera ineficiente que se asegura de disminuir la vida útil del motor. lapso. A convertidor de fase rotatorio, por otro lado, actúa como una especie de combinación de un motor trifásico sustituto y un generador independiente. Este dispositivo incluye un motor loco, que, una vez que se pone en movimiento, no hace girar ninguna pieza móvil en el padre. máquinas, sino que genera energía para que toda la configuración pueda imitar un sistema de energía trifásico razonablemente bien. Finalmente, un variador de frecuencia (VFD) hace uso de componentes llamados inversores, que se pueden usar para crear corriente alterna en casi cualquier frecuencia deseada y reproducir la mayoría de las condiciones dentro de un motor trifásico estándar.

Ninguno de estos convertidores es perfecto, como tampoco se puede usar un cuchillo de pan para cortar carne con facilidad. Pero un cuchillo de pan es mejor que sus propias manos, por lo que estos convertidores son realmente buenos para tener a mano si a menudo trabaja con maquinaria y herramientas que requieren mucha energía.