Trifásicos

Introducción a los Sistemas Trifásicos

Composición del Sistema Eléctrico Chileno

• En esta clase se estudiarán los sistemas trifásicos, comenzando con una visión general del sistema eléctrico y su composición en Chile.

• Se abordará la diferencia entre circuitos equilibrados (cargas iguales) y desequilibrados (cargas desiguales).

Generación, Transmisión y Distribución de Energía

• El sistema eléctrico se divide en tres partes: generación, transmisión y distribución. La generación incluye fuentes como térmicas, hidroeléctricas, solares y eólicas.

• La transmisión lleva la energía generada hacia los consumidores a diferentes niveles de voltaje (110 kV a 500 kV).

• La distribución se refiere al cableado eléctrico en áreas urbanas que opera a voltajes menores (11 kV a 22 kV).

Tipos de Generación de Energía

Fuentes Renovables

• Ejemplos de generación incluyen eólica tanto terrestre como marina; también se mencionan paneles solares y colectores solares.

• Se presentan centrales hidráulicas que pueden ser de embalse o de pasada, así como termoeléctricas que utilizan carbón, gas o petróleo.

Cambios en la Matriz Energética

• Se invita a consultar el sitio web generadoras.cl para obtener datos sobre la generación eléctrica instalada en el país.

• A lo largo del tiempo ha habido un aumento significativo en la generación por carbón desde 2014, mientras que las energías renovables no convencionales han ido creciendo.

Estabilidad del Sistema Eléctrico

Desafíos con Energías Renovables

• No es viable tener un sistema eléctrico 100% solar o eólico debido a su inestabilidad; las centrales hidráulicas y de gas ayudan a mantener el equilibrio.

Propuestas para Mejorar Estabilidad

• Se están explorando soluciones como el uso de baterías para mejorar la estabilidad del sistema mientras se incrementa el uso de energías renovables.

Comparativa Internacional

Generación Global

Análisis de Fuentes de Energía y Sistema Eléctrico en Chile

Capacidades de Energía y Fuentes Renovables

• Se presenta un análisis sobre la capacidad en kilovatios de diferentes fuentes de energía, destacando la importancia del arco alto en nuclear, gas natural y carbón.

• Las energías renovables no convencionales, como el viento y el sol, están en aumento. También se menciona una considerable cantidad de grandes hidroeléctricas que ayudan a mantener la estabilidad de la red eléctrica.

Estabilidad del Sistema Eléctrico

• Es crucial aumentar las energías renovables mientras se mantiene la estabilidad de la red; si no, podría resultar inútil solo incrementar la capacidad instalada.

Estructura del Sistema Eléctrico Chileno

• Hasta 2017, el sistema eléctrico chileno estaba dividido en cuatro zonas: norte grande, central, sur (Magallanes).

• En noviembre de 2017, se unieron el sistema interconectado del norte grande y central para formar el sistema eléctrico nacional.

Datos sobre Generación y Distribución

• En 2019, este nuevo sistema generó 77 mil gigavatios-hora; 33 mil 900 fueron de energías renovables. Aún hay un porcentaje mayor proveniente de fuentes no renovables.

• Este sistema abarca desde el norte grande hasta Chiloé con una longitud total aproximada de tres mil cien kilómetros.

Mapa del Sistema Eléctrico

• Se menciona un mapa descargable del coordinador eléctrico que muestra los distintos valores de voltaje y las centrales instaladas a lo largo del país.

• Los colores en el mapa indican diferentes voltajes; por ejemplo, las centrales eólicas son representadas con turbinas hidráulicas en azul.

Subtransmisión y Distribución

• Se discute cómo se conectan las distintas unidades eléctricas mediante subestaciones que permiten pasar entre diferentes niveles de voltaje.

• Un plano específico muestra el sistema de subtransmisión en Santiago con valores menores a los 110 kV.

Tipos de Subestaciones

• Existen subestaciones al aire libre y otras más pequeñas dentro edificios que utilizan líquidos aislantes para su funcionamiento.

¿Cómo se conforma el sistema eléctrico y su evolución?

Introducción al sistema eléctrico

• Se presentan las subestaciones eléctricas, destacando la más cercana a la universidad, ubicada cerca de la estación Club Hípico.

• Se menciona la ubicación de la subestación en relación con el Parque O'Higgins y se introduce el tema de los sistemas trifásicos.

Historia de la corriente eléctrica

• Se discute la competencia histórica entre Thomas Edison (corriente continua) y Nikola Tesla (corriente alterna), resaltando que Edison defendía la corriente continua por su calidad energética.

• Tesla argumentaba a favor de la corriente alterna debido a su menor costo y facilidad para cambiar voltajes, lo cual era crucial para las fuentes de generación existentes.

Ventajas del sistema trifásico

• La potencia total es inversamente proporcional al voltaje; un voltaje bajo implica mayor corriente y pérdidas energéticas. Usar voltajes altos reduce estas pérdidas.

• Los sistemas trifásicos permiten transmitir tres veces más potencia utilizando solo un neutro, lo que resulta en un sistema más eficiente y económico.

Futuro de los sistemas eléctricos

• Se plantea una pregunta sobre el futuro: hoy en día es posible cambiar entre corrientes continuas gracias a avances en electrónica de potencia.

• Se están estudiando sistemas híbridos que combinan corriente continua (para largas distancias y generación solar/baterías) con corriente alterna.

Normativas eléctricas

• Para diferenciar cables en un sistema trifásico, existen normas internacionales y locales; en Chile se sigue la norma 4 2003.

• El código de colores establece que: fase 1 es azul, fase 2 es negro, fase 3 es rojo, neutro tierra es blanco, y protección verde o amarillo.

Importancia del código de colores

• La correcta identificación de fases mediante el código de colores previene errores peligrosos; se enfatiza su importancia desde etapas iniciales del aprendizaje eléctrico.

• Un error común fue conectar una fase a tierra por desconocimiento del código; esto resalta la necesidad de seguir estas normativas rigurosamente.

Representación matemática del sistema eléctrico

• Se introduce cómo representar ondas eléctricas usando amplitud (A), frecuencia (ω), ángulo de fase (φ), manteniendo constante la amplitud mientras se ajusta el ángulo según carga conectada.

¿Cómo se comportan los sistemas eléctricos en diferentes configuraciones?

Representación de sistemas eléctricos

• Se comparan dos representaciones: un componente complejo y uno real, donde el tiempo es la hora y el factor es un vector de amplitud constante que gira en el tiempo.

• A medida que aumenta la onda sinusoidal, el factor mantiene su magnitud pero cambia de ángulo a la misma velocidad que la frecuencia.

Fases y conexiones

• Las fases se organizan en secuencias positivas; se discute cómo escribir cada voltaje en cada fase, considerando su magnitud y ángulo.

• Los ángulos de las fases son 0°, -120° y +120°. La representación con respecto a las fases implica sumar 30° al ángulo correspondiente.

• Se explican las conexiones entre sistemas físicos: conexión en delta (Δ) o estrella (Y), donde en estrella todas las fases están conectadas a un punto común llamado neutro.

Corrientes y voltajes

• La corriente de fase circula por cada fase, mientras que el voltaje puede ser entre fase-neutro o entre fases.

• La relación entre impedancias muestra que la impedancia en estrella es igual a la impedancia en delta dividida por tres.

Sistemas equilibrados vs. desequilibrados

• Un sistema eléctrico equilibrado tiene cargas iguales en cada fase. Se presenta una figura ilustrativa mostrando generación equilibrada con 120V por fase neutro.

• En caso de fallas, como cortocircuitos o variaciones de carga, se discute cómo estas afectan al neutro y distribuyen corrientes para mantener equilibrio.

Efectos del desequilibrio

• Cuando hay un sistema desequilibrado sin neutro, cualquier error afecta obligatoriamente a las otras fases debido a la ley de conservación de corriente.

Medición de Potencia en Sistemas Trifásicos

Conceptos Básicos de Potencia

• La potencia en un sistema eléctrico se mide a través de la diferencia de potencial entre el generador y el receptor, lo que es fundamental para entender cómo se distribuye la energía.

• La potencia aparente se calcula como el voltaje por el conjugado de la corriente, separándose en potencia activa (en kilovatios) y potencia reactiva (en kilos), lo que permite analizar los componentes reales e imaginarios del sistema.

Factor de Potencia

• El factor de potencia se determina mediante el módulo de la potencia aparente multiplicado por el coseno del ángulo de fase, donde la parte real representa la potencia activa y la parte imaginaria representa la potencia reactiva.

• Un ángulo mayor a 0 indica un sistema inductivo, mientras que un ángulo menor a 0 sugiere un sistema capacitivo. Esto puede ser verificado experimentalmente al conectar diferentes cargas.

Métodos para Medir Voltaje

• Existen varios métodos para medir voltajes en sistemas trifásicos, como el teorema de los 34 metros, que implica conectar fases al neutro y sumar las potencias entregadas.

• Otro método es el teorema de los 24 metros, donde una fase se utiliza como referencia común para medir entre las otras fases.

Ejemplo Práctico: Cálculo de Corrientes y Potencias

• En un ejemplo con carga conectada en delta y voltajes específicos, se transforma a fases utilizando una relación adecuada para calcular corrientes por cada fase.

• Se calcula la potencia media usando voltajes y corrientes obtenidos previamente; esto resulta en valores consistentes debido al equilibrio del sistema.

Comparación entre Métodos

• Al aplicar diferentes métodos (como los 24 metros), se obtienen resultados similares independientemente del enfoque utilizado para medir las potencias activas.