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

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 con pérdidas, poco fiables y caros para hacer lo mismo (bobinados adicionales, bobinados con pérdidas, interruptor sensible a la velocidad, condensadores, etc.).

La red de suministro se basa en trifásico ya que es el 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, lo que no es rentable.

Los motores de orden superior mencionados no utilizan fases generadas en línea. Los motores paso a paso utilizan más fases para un control más preciso. Los rectificadores polifásicos de alto orden a menudo se diseñan 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 mediante el cambio directo de LC o mediante el uso de un 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 carga actual y puede deshacerse del neutral. Esto simplemente ahorra algo de dinero en cobre. Si ahora agrega más fases, no puede ahorrar más cobre, sino solo agregar complejidad.

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

Así que sí, al final es más costo por prácticamente ninguna ganancia en la aplicación promedio. Así que solo encontrarás 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 determinada.

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

Dos fases pueden establecer un campo magnético giratorio si están separados por 90 grados (" cuadratura "). Los trucos de generación de cuadratura, como los condensadores de funcionamiento, se utilizan con motores de inducción que funcionan con energía monofásica.

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

Por todas estas razones, tres fases representa un óptimo. Si se da por hecho que la electricidad se usa para motores de inducción, más de tres fases es un desperdicio, y también lo es menos de tres.

Sin embargo, los sistemas de dos fases se han utilizado, así como los sistemas de fases de orden superior, como los de seis y doce fases, se siguen utilizando porque tienen algunas ventajas especiales.

Además de otras respuestas:

El objetivo principal es que tener al menos tres fases permita que su motor arranque en la dirección esperada. Para los motores de inducción monofásicos, son necesarias algunas soluciones (como colocar cableado adicional con un condensador utilizado durante la puesta en marcha). Se explicó correctamente en las respuestas anteriores.

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

(foto de Wikipedia)

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

Además, si tiene más fases, la posibilidad de fallar 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. Normalmente, los hidrogeneradores, con poca velocidad, sí 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 unidades térmicas de generador-turbina. Por lo general, 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 a su vez. La introducción de más fases requeriría una construcción del estator mucho más costosa.

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

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 funcionar a una potencia constante y los generadores ven una carga constante. 2 fase es insuficiente para conseguir esta relación.

Uno podría usar conteos de fase más altos, pero cuesta más cablearlos 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.

¿Por qué solo 3 fases? Bueno, si necesitamos más fases, podemos convertir 3 fases fácilmente en 6 fases/12 fases, etc. usando un transformador cableado para hacerlo. La aplicación principal de más fases es para menos tensión de ondulación en un banco de condensadores rectificados de puente completo. Nunca he visto uno, pero me enteré de ellos por un profesor antiguo en la universidad mientras estudiaba ingeniería eléctrica.

También digamos que teníamos una configuración delta de 3 resistencias combinadas conectadas a una conexión trifásica. La potencia utilizada con el tiempo será idéntica a una resistencia alimentada por CC porque cuando una fase está al 0%, las otras dos fases estarán al 66,66% y al 33,33%, si no recuerdo mal. Esta relación también significa que la energía de una fase regresará a las otras fases. ¿No es increíble la fase 3?

Entonces, para resumir, no hay necesidad de fases adicionales porque puede convertirlo fácilmente en más fases al final. Por lo general, no se hace, ya que la fase 3 ya es increíble.

Espero que esto ayude.

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 use potencia constante. En realidad, esto podría hacerse con dos fases, separadas 90° entre sí. Todavía obtiene una dirección definida y un consumo de energía constante durante un ciclo.

Sin embargo, tal sistema bifásico 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 usamos actualmente. En lugar de una común y dos líneas "activas" desfasadas 90°, tiene tres líneas activas simétricas, cada una desfasada 120° con respecto a las otras dos. Tenga en cuenta que el voltaje promedio (y la corriente para una carga balanceada) siempre es 0 para un sistema trifásico simétrico. Esto no es cierto para un sistema de 2 fases.

Más fases no le brindan ninguna propiedad deseable adicional, por lo que solo agregaría 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 director. Pero solo puedes hacer que suceda una cosa; no hay variación posible en cómo se puede conectar la carga. Dicho de otra manera, solo hay una dimensión en el voltaje: es positivo o es negativo. Un problema común es que si conecta un motor monofásico directamente a una línea de CA, no tiene garantía de en qué dirección girará, o si lo hará en absoluto.

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 momentos diferentes . Por ejemplo, podría tener tres electroimanes dispuestos en un círculo y encenderlos todos en una secuencia. Ahora podemos garantizar que un motor girará 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 disposiciones distintas posibles de conductores ((3-1)!), lo que corresponde a las dos posibles direcciones 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 el seis fases sobre el trifásico? 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 no sea consistente con eso. Entonces, si tuviera un motor de inducción de seis devanados, sería posible conectarlo de una manera que vibrara horriblemente y girara 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 tuviera tres grados de libertad de rotación en lugar de uno. Con seis fases y una disposición mecánica adecuada de los polos magnéticos, podría inducir la rotación (balanceo, cabeceo y guiñada) en un rotor esférico flotante de posición fija. Dado que 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 están orbitando algún 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 un sistema de este tipo y todavía traduce las tres direcciones de rotación a alguna otra carga fuera de nuestra disposición esférica de 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 han mencionado otras respuestas. Como cuestión de nomenclatura, nadie con quien he hablado describiría el uso de un transformador de cambio de fase para generar tres patas de CA fuera de fase más para crear "seis fases". (Según mis cálculos, tendrías quince fases, pero ese no es el lenguaje que se usa). Cuando ejecutas tres fases 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 impulsores de motor, puede conectar sus buses de CC directamente y alimentar cada uno con un conjunto trifásico diferente. O puede obtener uno independiente rectificador para un conjunto y alimente 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 de corriente debe ser más pequeño para compensar que haya más de ellos conduciendo la misma carga. Esto hace que la corriente general fuera de la línea se parezca un poco más a una onda sinusoidal, lo que significa que se reducen los armónicos. La ondulación en las tapas también es más baja, pero nunca he conocido a nadie que esté terriblemente preocupado por eso.

Se pueden obtener mayores mejoras de armónicos con un sistema de dieciocho pulsos y tres rectificadores. (¡36 fases!) A voltajes y potencias más altos, puede existir un número aún mayor de rectificadores en paralelo. ¡ Este documento sobre una línea VFD de voltaje medio hace referencia a un rectificador de 54 pulsos a 11 kV!

TL;DR

La potencia trifásica nos da un grado de libertad de rotación, 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 abarcado por el seno y el coseno es solo bidimensional.

Otro aspecto del problema es la cuestión de las geometrías de los conductores para las líneas de transmisión de alta tensión. Con tres líneas, los problemas de inductancia y corrientes de diafonía inducida 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., lo explicó bien:

" ¿Por qué energía trifásica? ¿Por qué no 6 o 12? "

Dice que aunque ha diseñado sistemas de fase superior, no son prácticos debido a, como usted dice, los rendimientos decrecientes, especialmente con respecto a todos los transformadores que se necesitan en las subestaciones. Cuando duplicas el número de fases, también tienes que duplicar la cantidad de equipos en las subestaciones.