¿Por qué transmisión de potencia trifásica y no monofásica?

  

¿Por qué no tres líneas en la misma fase?

1. Porque entonces no hay ruta de retorno.
2. Porque una sola fase no tiene "rotación". Trifásico hace que sea muy sencillo hacer un motor giratorio con una secuencia de fases que determine la dirección de rotación. Intercambia 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 bobinado de arranque especial, ya que solo produce un campo magnético pulsante.
4. En los motores monofásicos, la potencia transferida en los motores es una función de la potencia instantánea que varía constantemente. En tres fases, 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. Trifásico permite una eficiente rectificación de CC con ondulación baja.

Figura1.DCresultantedeunrectificadortrifásico.

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

Trifásico es inherentemente corriente y voltaje balanceado desde un punto de vista de que genera interferencia. En cualquier punto del tiempo (y una carga razonablemente equilibrada) la emisión magnética es baja porque todos los campos magnéticos se cancelan debido a que las corrientes están equilibradas.

Hay un balance de voltaje neto en el campo lejano, importante para reducir la EMI. Esto no se aplica a un cable monofásico y de retorno porque el campo de voltaje de CA neto visto en el campo lejano cercano es la mitad del campo de CA en el terminal activo. Esto puede generar EMI.

Es evidente que puede presentar un argumento para decir que en condiciones desequilibradas habrá un campo magnético neto, pero, para contrarrestar esto, en una línea de transmisión grande de alta potencia, el desequilibrio normalmente será solo de unos pocos porcentajes máximo: -

Entonces,paraunacargabalanceadade30A(porfase),debidoalbalancede120grados,lasumanetadelostresfasoresdecorrienteindividualesescero.

OtrobeneficioesquecuandoseconvierteaCC,lafase3produceunvoltajedeondulaciónmuchomásbajodebidoalhechodequesiemprehaydosdiodosqueconducen:-

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

La transmisión de poder 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 superlong son HVDC (corriente continua de alto voltaje). Sin embargo, DC es lo peor para convertirlo a HV cuando desea enviarlo desde la estación de energía y volver a LV cuando desea enviarlo a los consumidores.

AC es muy conveniente de convertir, solo hay que poner 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 no funciona el 100% del tiempo. Mientras que el cable de CC lleva una corriente útil todo el tiempo (se puede pensar en una CC como un ciclo de trabajo del 100% PWM), el cable de CA lleva la corriente solo una parte del tiempo. Esto significa que para la misma tensión de pico (que determina el costo de aislamiento de la línea) y para la misma corriente de pico (que determina el tamaño y el costo de los conductores), la CA puede transmitir solo una parte de la energía.

Aquí viene la idea de multi-fase. Por supuesto, las múltiples fases por sí solas no significan 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 barco de guerra: 2 marineros comparten 1 litera, cuando un hombre se despierta y comienza su turno, el otro termina su turno y se va a dormir. El punto es no tener una litera vacía simplemente 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 que los otros aumentan, y nunca hay un momento en el que una fase como cable sea todo para sí misma. 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 de 3 fases con un sistema de 1 fase, puede ver claramente que al agregar solo un 50% más de cables, obtendrá 3 veces más corriente.

La transmisión trifásica utiliza los cables DOS VECES con la misma eficacia que la fase 1. Así que puedes usar la mitad de cobre al construir la línea.