¿Por qué la alimentación trifásica? ¿Por qué no un mayor número de fases?

Además de la respuesta de PlasmaHH, la industria utiliza casi exclusivamente energía trifásica ya que un motor de inducción necesita al menos una fuente trifásica para comenzar y funcionar en una dirección conocida. Los motores de inducción monofásicos requieren trucos con pérdida, poco fiables y caros para hacer lo mismo (devanados adicionales, devanados con pérdida, interruptor sensible a la velocidad, condensadores, etc.).

La red de suministro se basa en tres fases, ya que es la más eficiente en términos de generación y entrega. El uso de una cuadrícula de 9 fases, por ejemplo, requiere la ejecución de 9 cables para toda la cuadrícula de distribución, no es rentable.

Los motores de orden superior mencionados no usan fases generadas por la línea. Los motores paso a paso utilizan más fases para un control más fino. Los rectificadores polifásicos de alto orden se diseñan a menudo con más 'fases', para reducir la ondulación, pero las fases se generan localmente mediante el cambio de fase de la entrada de línea por algún medio, ya sea un cambio directo de LC, o mediante un conjunto motor-generador. p>     

Cuando tiene una distribución de energía monofásica, necesita una fase y un retorno, ambos con la misma corriente.

Si ahora, en cambio, utiliza la energía trifásica simétrica , use tres fases con un tercio de la capacidad de carga actual, y puede deshacerse del neutro. Esto simplemente ahorra algo de dinero en cobre. Si ahora agrega más fases, no puede guardar más cobre, sino solo agregar complejidad.

Si tiene una potencia trifásica asimétrica , no puede deshacerse del neutro, pero no necesita poder manejar toda la corriente combinada de las tres fases a cambio. De nuevo un poco de cobre ahorrado. Sin embargo, agregar más fases no reducirá el cobre necesario para el neutro.

Así que sí, al final, es más costoso para prácticamente ninguna ganancia en la aplicación promedio. Por lo tanto, 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 dada.

Cualquier fase adicional solo requiere más cables y más bobinados en un motor de inducción.

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

Resulta que la energía de dos fases no tiene ventajas. Los motores funcionan mejor en tres fases , y dos fases equilibradas requieren cuatro conductores, mientras que tres fases requieren solo Tres. Es decir, podemos conectar un generador trifásico con un motor de inducción trifásico utilizando exactamente tres cables. Dos fases trifásica es posible, pero no estará equilibrada. Dos de los conductores llevarán las fases, y el tercer conductor actúa como neutral. Esto significa que un cable tiene que manejar más corriente ya que está actuando como un retorno para los otros dos. Los tres conductores en tres fases llevan la misma corriente: están equilibrados.

Por todas estas razones, tres fases representan un óptimo. Si es cierto que la electricidad se usa para motores de inducción, más de tres fases son un desperdicio, y por lo tanto es menos de tres.

Sin embargo, se han utilizado sistemas de dos fases, así como sistemas de fase de orden superior, como seis y doce fase, sigue siendo porque tienen algunas ventajas especiales.

Adición a otras respuestas:

El propósito principal es que tener al menos tres fases permite que su motor arranque en la dirección esperada. Para motores de inducción monofásicos, algunas soluciones son necesarias (como colocar un cableado adicional con un condensador utilizado durante el arranque). Fue explicado correctamente en respuestas anteriores.

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

(foto de Wikipedia)

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

Además, si tiene más fases, la probabilidad de falla es mayor. Por supuesto, en este caso (por ejemplo, un conductor roto) la asimetría total será menor, pero el riesgo de que sea necesario desconectar toda la línea será mayor.

Construir un generador para más fases también es complicado. Típicamente, los hidrogeneradores, con poca velocidad, tienen muchos pares de polos, por lo que sería bueno no dar 24 pares de polos, sino uno o dos (por ejemplo, para 12 fases), pero es complicado para las unidades de turbina de generador térmico. Normalmente hay un par de polos, a veces dos. Esto lleva a una velocidad de 3000 rpm (para red de 50 Hz). Es necesario que el estator reciba energía de una máquina con el menor riesgo posible, por lo que menos fases significa menos posibilidades de cortocircuitos en el giro. La introducción de más fases requeriría una construcción del estator mucho más costosa.

Tenga en cuenta también que incluso si hoy en día no es un problema tener un convertidor de frecuencia de electrónica de potencia, también se multiplican las fases, se rectifican, etc., fue un problema hace solo 30 años, y mucho más, por supuesto. Entonces la gente decidió usar tres fases, y ahora es imposible cambiar.

Trifásico 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. La fase 2 es insuficiente para obtener esta relación.

Uno podría usar conteos de fase más altos, pero cuesta más cablearse y realmente no ofrecería ninguna ventaja adicional en la mayoría de las situaciones. Se elige la fase 3 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., utilizando un transformador cableado para hacerlo. La aplicación principal de más fases es para un menor voltaje de ondulación en un banco de condensadores rectificado de puente completo. Nunca he visto una, pero aprendí sobre ellas por un antiguo profesor en la universidad mientras hacía ingeniería eléctrica.

También digamos que teníamos una configuración delta de 3 resistencias emparejadas conectadas a una conexión trifásica. La potencia utilizada a lo largo del tiempo será idéntica a una resistencia alimentada por CC porque cuando una fase está en 0% las otras dos fases estarán en 66.66% & 33.33% si recuerdo bien. Esta relación también significa que la energía de una fase regresará a las otras fases. No es 3 fase impresionante!

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

Espero que esto ayude.

Muchas de las otras respuestas afirman erróneamente que se necesitan 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, con una separación de 90 ° entre sí. Aún obtienes una dirección definida y un consumo de energía constante durante un ciclo.

Sin embargo, tal sistema de dos fases 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, ¿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 realmente utilizamos. En lugar de una línea común y dos líneas "calientes" 90 ° fuera de fase, tiene tres líneas calientes simétricas, cada una 120 ° fuera de fase de las otras dos. Tenga en cuenta que el voltaje promedio (y la corriente para una carga equilibrada) siempre es 0 para un sistema trifásico simétrico. Esto no es cierto para un sistema de 2 fases.

Más fases no le proporciona ninguna propiedad adicional deseable, por lo que solo agregaría complejidad y costo.

Una tensión es, definitoriamente, entre dos conductores. Si tienes un conductor, no tienes 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 le llamamos monofásico. Ahora podemos hacer que las cosas sucedan, lo cual es una ventaja sustancial sobre tener un solo conductor. Pero solo puedes hacer que una suceda; no hay ninguna 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 ninguna garantía sobre la forma en que girará o si lo hará.

Si tiene tres conductores, tiene tres pares (3C2), lo que permite tres voltajes. A esto lo llamamos trifásico. Ahora podemos hacer que tres sucedan, en diferentes momentos . 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 una sola fase. Dicho de otra manera, ahora tenemos dos dimensiones al voltaje; Está representado por un vector en un espacio bidimensional. Solo hay dos posibles disposiciones distintas de conductores ((3-1)!), Que corresponde a las dos posibles direcciones de rotación.

Si extiendes esto a cuatro conductores, tienes seis pares (4C2), por lo que el siguiente paso es el voltaje de seis fases. ¿Qué ventajas tendría la seis fases sobre la trifásica? 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 enganchar las cosas de una manera que sea inconsistente con eso. Entonces, si tuviera un motor de inducción de seis devanados, sería posible conectarlo de una manera que vibre horriblemente y gire a la mitad de la velocidad normal, en lugar de solo elegir una dirección o la otra. Eso no es una ventaja.

Pero suponga que su rotor tiene tres grados de libertad de rotación en lugar de uno. Con seis fases y una disposición mecánica adecuada de polos magnéticos, podría inducir la rotación (balanceo, inclinación, y guiñada) en un rotor esférico flotante de posición fija. Como tal cosa no existe, que yo sepa, esto no califica realmente como una aplicación útil. (¿Quizás 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 aún puede traducir las tres direcciones de rotación a alguna otra carga fuera de nuestra disposición de rotor / estator esférico, esta disposición podría ser útil.

Mientras tanto, en el espacio 3 + 1, trabajo en el mundo de la electrónica de potencia industrial, y he visto sistemas que utilizan el tipo de transformadores de cambio de fase que otras respuestas han mencionado. Como cuestión de nomenclatura, nadie con el que 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 utilizado). Cuando se ejecuta una fase trifásica a través de un rectificador en una tapa, obtienes seis pulsos de corriente por ciclo. Para este tipo de sistema, obtendrías doce pulsos, por lo que ese tipo de sistema se llamaría de doce pulsos.

(En general, el rectificador de doce pulsos son dos rectificadores de seis pulsos. Si tiene dos unidades de motor, puede conectar sus buses de CC directamente entre sí y alimentar cada uno con un conjunto trifásico diferente. O puede obtener una rectificador independiente para un juego y alimenta su entrada de CC al disco 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 impulsando la misma carga. Esto hace que la corriente general fuera de la línea se parezca más a una onda sinusoidal, lo que significa que los armónicos se reducen. La ondulación en las gorras también es menor, pero nunca he sabido que alguien esté terriblemente preocupado por eso.

Se pueden obtener mayores mejoras de armónicos con un sistema de dieciocho pulsos y tres rectificadores. (¡36 fases!) A mayores voltajes y potencias, puede haber incluso un mayor número de rectificadores en paralelo. Este documento en una línea de voltaje medio VFD referencias ¡Un rectificador de 54 pulsos a 11 kV!

TL;DR

El poder trifásico 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 líneas de transmisión de alta tensión. Con tres líneas, los problemas de inductancia y las corrientes de diafonía inducidas se minimizan y se filtran más fácilmente, que si hubiera un múltiplo adicional de conductores. Los costos siguen aumentando más rápido que los beneficios con más conductores.

Lionel Barthold, fundador de Power Technologies, Inc., lo explicó bien:

" ¿Por qué 3 Phase Power? ¿Por qué no 6 o 12? "

Dice que, si bien ha diseñado sistemas de fase superior, no son prácticos debido a que, como usted dice, disminuyen los rendimientos, especialmente en lo que respecta a todos los transformadores que se necesitan en las subestaciones. Cuando duplica el número de fases, también tiene que duplicar la cantidad de equipos en las subestaciones.