7.3: Rotación de Fase

Tomemos el diseño del alternador trifásico presentado anteriormente (Figura abajo) y veamos lo que sucede a medida que gira el imán.

Alternador trifásico

El cambio de ángulo de fase de 120 ^o es una función del desplazamiento del ángulo de rotación real de los tres pares de devanados (Figura a continuación). Si el imán está girando en el sentido de las agujas del reloj, el devanado 3 generará su pico de voltaje instantáneo exactamente 120 ^o (de rotación del eje del alternador) después del devanado 2, que alcanzará su pico 120 ^o después del devanado 1 El imán pasa por cada par de polos en diferentes posiciones en el movimiento de rotación del eje. Donde decidamos colocar los devanados dictará la cantidad de desplazamiento de fase entre las formas de onda de voltaje de CA de los devanados. Si hacemos del devanado 1 nuestra fuente de voltaje “de referencia” para el ángulo de fase (0 ^o), entonces el devanado 2 tendrá un ángulo de fase de -120 ^o (120 o rezagado, o 240 ^o adelante) y el devanado 3 un ángulo de -240 ^o (o 120 ^o adelante).

Esta secuencia de cambios de fase tiene un orden definido. Para la rotación en el sentido de las agujas del reloj del eje, el orden es 1-2-3 (devanado 1 picos primero, ellos devanado 2, luego devanado 3). Este orden sigue repitiéndose mientras sigamos girando el eje del alternador. (Figura abajo)

Secuencia de fases de rotación en sentido horario: 1-2-3.

Sin embargo, si invertimos la rotación del eje del alternador (girarlo en sentido antihorario), el imán pasará por los pares de polos en la secuencia opuesta. En vez de 1-2-3, tendremos 3-2-1. Ahora, la forma de onda del devanado 2 estará liderando 120 ^o por delante de 1 en lugar de retrasarse, y 3 será otro 120 ^o por delante de 2. (Figura abajo)

Secuencia de fases de rotación en sentido antihorario: 3-2-1.

El orden de las secuencias de forma de onda de voltaje en un sistema polifásico se denomina rotación de fase o secuencia de fase. Si estamos usando una fuente de voltaje polifásico para alimentar cargas resistivas, la rotación de fase no hará ninguna diferencia en absoluto. Ya sea 1-2-3 o 3-2-1, las magnitudes de voltaje y corriente serán todas las mismas. Existen algunas aplicaciones de la potencia trifásica, como veremos en breve, que dependen de que la rotación de fase sea de una manera u otra. Dado que voltímetros y amperímetros serían inútiles para decirnos cuál es la rotación de fase de un sistema de potencia operativo, necesitamos tener algún otro tipo de instrumento capaz de hacer el trabajo.

Un ingenioso diseño de circuito utiliza un condensador para introducir un desplazamiento de fase entre voltaje y corriente, que luego se usa para detectar la secuencia a modo de comparación entre el brillo de dos lámparas indicadoras en la Figura siguiente.

El detector de secuencia de fase compara el brillo de dos lámparas.

Las dos lámparas son de igual resistencia de filamento y potencia. El condensador está dimensionado para tener aproximadamente la misma cantidad de reactancia a la frecuencia del sistema que la resistencia de cada lámpara. Si el condensador fuera a ser reemplazado por una resistencia de igual valor a la resistencia de las lámparas, las dos lámparas brillarían a igual brillo, estando el circuito equilibrado. Sin embargo, el condensador introduce un desplazamiento de fase entre voltaje y corriente en la tercera pata del circuito igual a 90 ^o. Este desplazamiento de fase, mayor que 0 ^o pero menor que 120 ^o, sesga los valores de voltaje y corriente a través de las dos lámparas de acuerdo con sus desplazamientos de fase en relación con la fase 3. El siguiente análisis SPICE demuestra lo que sucederá: (Figura a continuación), “detector de rotación de fase - secuencia = v1-v2-v3”

Circuito SPICE para detector de secuencia de fase.

El desplazamiento de fase resultante del condensador hace que el voltaje a través de la lámpara de fase 1 (entre los nodos 1 y 4) caiga a 48.1 voltios y el voltaje a través de la lámpara de fase 2 (entre los nodos 2 y 4) aumente a 179.5 voltios, haciendo que la primera lámpara se atenúe y la segunda lámpara brille. Justo lo contrario ocurrirá si la secuencia de fase se invierte: “detector de rotación de fase — secuencia = v3-v2-v1”

Aquí, (“detector de rotación de fase — secuencia = v3-v2-v1”) la primera lámpara recibe 179.5 voltios mientras que la segunda recibe solo 48.1 voltios.

Hemos investigado cómo se produce la rotación de fase (el orden en que los pares de polos pasan por el imán giratorio del alternador) y cómo se puede cambiar invirtiendo la rotación del eje del alternador. Sin embargo, la inversión de la rotación del eje del alternador no suele ser una opción abierta a un usuario final de energía eléctrica suministrada por una red nacional (“el” alternador es en realidad el total combinado de todos los alternadores en todas las centrales eléctricas que alimentan la red). Hay una manera mucho más fácil de revertir la secuencia de fase que invertir la rotación del alternador: simplemente intercambie dos de los tres cables “calientes” que van a una carga trifásica.

Este truco tiene más sentido si echamos otro vistazo a una secuencia de fase en funcionamiento de una fuente de voltaje trifásico:

Lo que comúnmente se designa como una rotación de fase “1-2-3” también podría llamarse “2-3-1” o “3-1-2”, yendo de izquierda a derecha en la cadena numérica anterior. Del mismo modo, la rotación opuesta (3-2-1) podría llamarse fácilmente “2-1-3” o “1-3-2".

Comenzando con una rotación de fase de 3-2-1, podemos probar todas las posibilidades para intercambiar cualquiera de los dos cables a la vez y ver qué sucede con la secuencia resultante en la Figura a continuación.

Todas las posibilidades de intercambiar dos cables cualesquiera.

No importa qué par de cables “calientes” de los tres elegimos intercambiar, la rotación de fase termina siendo invertida (1-2-3 se cambia a 2-1-3, 1-3-2 o 3-2-1, todo equivalente).

Revisar

• La rotación de fase, o secuencia de fases, es el orden en el que las formas de onda de voltaje de una fuente de CA polifásica alcanzan sus respectivos picos. Para un sistema trifásico, solo hay dos secuencias de fases posibles: 1-2-3 y 3-2-1, correspondientes a las dos posibles direcciones de rotación del alternador.
• La rotación de fase no tiene impacto en las cargas resistivas, pero tendrá impacto en las cargas reactivas desequilibradas, como se muestra en el funcionamiento de un circuito detector de rotación de fase.
• La rotación de fase se puede invertir intercambiando dos de los tres cables “calientes” que suministran energía trifásica a una carga trifásica.