¿Por qué transmisión de energía trifásica y no monofásica?

¿Por qué no tres líneas todas en la misma fase?

1. Porque entonces no hay camino de regreso.
2. Porque la fase única no tiene "rotación". Trifásico hace que sea muy sencillo hacer un motor giratorio con una secuencia de fases que determina la dirección de rotación. Cambia dos fases y la dirección se invierte.

¿Hay menos pérdida cuando las fases de las tres líneas son todas diferentes?

1. La distribución de energía trifásica requiere menos cobre o aluminio para transferir la misma cantidad de energía en comparación con la energía monofásica.
2. El tamaño de un motor trifásico es más pequeño que el de un motor monofásico de la misma clasificación.
3. Los motores trifásicos son de arranque automático ya que pueden producir un campo magnético giratorio. El motor monofásico requiere un devanado de arranque especial ya que produce solo un campo magnético pulsante.
4. En los motores monofásicos, la potencia transferida en los motores es función de la potencia instantánea que varía constantemente. En trifásica la potencia instantánea es constante.
5. Los motores monofásicos son más propensos a las vibraciones. Sin embargo, en los motores trifásicos, la potencia transferida es uniforme durante todo el ciclo y, por lo tanto, las vibraciones se reducen considerablemente.
6. Los motores trifásicos tienen una mejor regulación del factor de potencia.
7. La trifásica permite una rectificación de CC eficiente con ondulación baja.

Figura 1. CC resultante del rectificador trifásico.

8. Los generadores también se benefician al presentar una carga mecánica constante durante toda la revolución, lo que maximiza la potencia y también minimiza la vibración.

Buena respuesta de @Transistor. Para agregar un poco más: -

La corriente trifásica es inherentemente balanceada de corriente y voltaje desde el punto de vista de la generación de interferencia. En cualquier punto en el tiempo (y una carga razonablemente balanceada) la emisión magnética es baja porque todos los campos magnéticos se cancelan debido a que las corrientes están balanceadas.

Hay un equilibrio de voltaje neto en el campo lejano cercano, importante para reducir la EMI. Esto no es cierto para un cable monofásico y de retorno porque el campo de voltaje de CA neto que se ve en el campo lejano cercano es la mitad del campo de CA en la terminal activa. Esto puede generar EMI.

Claramente, puede presentar un argumento para decir que en condiciones de desequilibrio habrá un campo magnético neto pero, para contrarrestar esto, en una gran línea de transmisión de alta potencia, el desequilibrio normalmente será solo un pequeño porcentaje como máximo: -

Entonces, para una carga balanceada de 30 A (por fase), debido al balance de 120 grados, la suma neta de los tres fasores de corriente individuales es cero.

Otro beneficio es que cuando se convierte a CC, la fase 3 produce un voltaje de ondulación mucho más bajo debido al hecho de que siempre hay dos diodos conduciendo: -

Centraré mi respuesta solo en la transmisión, sin explicar por qué la fase 3 es útil en general porque otras respuestas lo hicieron.

La transmisión de energía es un compromiso. Un compromiso entre la eficiencia de transmisión y la facilidad de conversión. La forma más eficiente de transmitir energía eléctrica es DC. Esta es la razón por la que la mayoría de las líneas superlargas son HVDC (corriente continua de alto voltaje). Sin embargo, DC es el peor para convertirlo a HV cuando desea enviarlo desde la central eléctrica y de regreso a LV cuando desea alimentarlo a los consumidores.

La CA, por otro lado, es muy conveniente para convertir, solo coloque un transformador. Sin embargo, la transmisión apesta. P.ej. La CA irradia parte de la energía, pero esa no es la principal preocupación. Si observa el gráfico sinusoidal, se dará cuenta de que el cable de CA en realidad no funciona el 100% del tiempo. Mientras que el cable de CC transporta corriente útil todo el tiempo (se puede pensar en CC como PWM de ciclo de trabajo al 100 %), el cable de CA transporta corriente solo una parte del tiempo. Esto significa que para el mismo voltaje máximo (que dicta el costo de aislar la línea) y para la misma corriente máxima (que dicta el tamaño y el costo de los conductores), la CA puede transmitir solo una parte de la energía.

Aquí viene la idea de multifase. Por supuesto, multifásico solo no significa nada, puede tener 3 fases en 6 conductores (3 pares completamente independientes entre sí). La clave aquí es compartir los cables entre las fases. Es como una litera caliente en un buque de guerra: 2 marineros comparten 1 litera, cuando uno se despierta y comienza su turno, el otro termina su turno y se va a dormir. El punto es no tener una litera vacía solo desperdiciando espacio, y la CA trifásica funciona con el mismo concepto: en el momento en que una fase "descansa", otra fase está reutilizando uno de sus cables para transmitir su propia corriente. No está claro a primera vista porque es muy fluido, uno cae hacia 0 mientras los otros suben, y nunca hay un momento en que una fase sea un cable para sí mismo. Pero el punto es reutilizar el tiempo de inactividad de los cables.

¿Por qué 3? Debido a que 2 es demasiado pequeño, no puede tener 2 fases en 2 cables. 3 es el número mínimo de fases que pueden compartir todos los cables. ¿Por qué compensar? Porque una fase en X conductores es lo mismo que 1 conductor X veces más grueso.

Cuando compara el sistema trifásico con un sistema monofásico, puede ver claramente que con solo agregar un 50 % más de cables, obtiene 3 veces más corriente.

La transmisión trifásica utiliza los cables DOS VECES con la misma eficacia que la monofásica. Entonces puede usar la mitad de cobre al construir la línea.