7.1: Sistemas de energía monofásicos

A continuación se muestra un circuito de CA muy simple. Si la disipación de potencia de la resistencia de carga fuera sustancial, podríamos llamar a esto un “circuito de potencia” o “sistema de energía” en lugar de considerarlo solo como un circuito regular. La distinción entre un “circuito de alimentación” y un “circuito regular” puede parecer arbitraria, pero las preocupaciones prácticas definitivamente no lo son.

El diagrama esquemático del sistema de energía monofásico muestra poco sobre el cableado de un circuito de alimentación práctico.

Una de esas preocupaciones es el tamaño y el costo del cableado necesario para entregar energía desde la fuente de CA a la carga. Normalmente, no pensamos mucho en este tipo de preocupaciones si simplemente estamos analizando un circuito por el bien de conocer las leyes de la electricidad. No obstante, en el mundo real puede ser una preocupación mayor. Si le damos a la fuente en el circuito anterior un valor de voltaje y también le damos valores de disipación de potencia a las dos resistencias de carga, podemos determinar las necesidades de cableado para este circuito en particular: (Figura a continuación)

Como cuestión práctica, el cableado para las cargas de 20 kW a 120 Vac es bastante sustancial (167 A).

83.33 amperios por cada resistencia de carga en la Figura anterior suma una corriente total del circuito de 166.66 amperios. Esta no es una pequeña cantidad de corriente, y requeriría conductores de alambre de cobre de al menos 1/0 calibre. Dicho alambre tiene más de 1/4 de pulgada (6 mm) de diámetro y pesa más de 300 libras por mil pies. ¡Ten en cuenta que el cobre tampoco es barato! Sería en nuestro mejor interés encontrar formas de minimizar dichos costos si estuviéramos diseñando un sistema de energía con largas longitudes de conductor.

Una forma de hacerlo sería aumentar el voltaje de la fuente de alimentación y usar cargas construidas para disipar 10 kW cada una a este voltaje más alto. Las cargas, por supuesto, tendrían que tener mayores valores de resistencia para disipar la misma potencia que antes (10 kW cada una) a un voltaje mayor que antes. La ventaja sería menos corriente requerida, permitiendo el uso de alambre más pequeño, más ligero y más barato: (Figura abajo)

Las mismas cargas de 10 kW a 240 Vca requieren un cableado menos sustancial que a 120 Vac (83 A).

Ahora nuestra corriente total del circuito es de 83.33 amperios, la mitad de lo que era antes. Ahora podemos usar alambre de calibre número 4, que pesa menos de la mitad de lo que hace el alambre calibre 1/0 por unidad de longitud. Esto es una reducción considerable en el costo del sistema sin degradación en el rendimiento. Esta es la razón por la que los diseñadores de sistemas de distribución de energía eligen transmitir energía eléctrica utilizando voltajes muy altos (muchos miles de voltios): para capitalizar los ahorros que se obtienen por el uso de cables más pequeños, livianos y más baratos.

Sin embargo, esta solución no está exenta de desventajas. Otra preocupación práctica con los circuitos de potencia es el peligro de descarga eléctrica de altas tensiones. Nuevamente, esto no suele ser el tipo de cosas en las que nos concentramos mientras aprendemos sobre las leyes de la electricidad, sino que es una preocupación muy válida en el mundo real, sobre todo cuando se están tratando grandes cantidades de energía. La ganancia en eficiencia realizada al aumentar el voltaje del circuito nos presenta un mayor peligro de descarga eléctrica. Las compañías distribuidoras de energía abordan este problema encordando sus líneas eléctricas a lo largo de postes altos o torres, y aislando las líneas de las estructuras de soporte con grandes aisladores de porcelana.

En el punto de uso (el cliente de energía eléctrica), aún existe el tema de qué voltaje usar para alimentar cargas. El alto voltaje proporciona una mayor eficiencia del sistema por medio de una corriente reducida del conductor, pero puede que no siempre sea práctico mantener el cableado de energía fuera del alcance en el punto de uso de la manera en que puede elevarse fuera del alcance en los sistemas de distribución. Este compromiso entre eficiencia y peligro es uno que los diseñadores europeos de sistemas eléctricos han decidido arriesgar, todos sus hogares y electrodomésticos operando a una tensión nominal de 240 voltios en lugar de 120 voltios como lo es en Norteamérica. Es por eso que los turistas de América que visitan Europa deben llevar pequeños transformadores reductores para sus electrodomésticos portátiles, para bajar la alimentación de 240 VCA (voltios CA) a una más adecuada 120 VCA.

¿Hay alguna manera de darse cuenta de las ventajas tanto del aumento de la eficiencia como de la reducción del riesgo de seguridad al mismo tiempo? Una solución sería instalar transformadores reductores en el punto final del uso de energía, tal como debe hacer el turista estadounidense mientras esté en Europa. Sin embargo, esto sería costoso e inconveniente para cualquier cosa menos cargas muy pequeñas (donde los transformadores se pueden construir a bajo costo) o cargas muy grandes (donde el gasto de cables de cobre gruesos excedería el gasto de un transformador).

Una solución alternativa sería utilizar una fuente de mayor voltaje para proporcionar energía a dos cargas de menor voltaje en serie. Este enfoque combina la eficiencia de un sistema de alto voltaje con la seguridad de un sistema de baja tensión: (Figura a continuación)

Cargas conectadas en serie de 120 Vca, impulsadas por una fuente de 240 Vac a una corriente total de 83.3

Observe las marcas de polaridad (+ y -) para cada voltaje mostrado, así como las flechas unidireccionales para la corriente. En su mayor parte, he evitado etiquetar “polaridades” en los circuitos de CA que hemos estado analizando, aunque la notación es válida para proporcionar un marco de referencia para la fase. En secciones posteriores de este capítulo, las relaciones de fase se volverán muy importantes, por lo que estoy introduciendo esta notación al principio del capítulo para su familiaridad.

La corriente a través de cada carga es la misma que en el simple circuito de 120 voltios, pero las corrientes no son aditivas porque las cargas están en serie más que en paralelo. El voltaje a través de cada carga es de solo 120 voltios, no 240, por lo que el factor de seguridad es mejor. Eso sí, todavía tenemos 240 voltios completos a través de los cables del sistema de alimentación, pero cada carga está operando a un voltaje reducido. Si alguien va a quedar impactado, lo más probable es que sea por entrar en contacto con los conductores de una carga en particular en lugar de por el contacto a través de los cables principales de un sistema de alimentación.

Solo hay una desventaja en este diseño: las consecuencias de que una carga no se abra o se apague (suponiendo que cada carga tenga un interruptor de encendido/apagado en serie para interrumpir la corriente) no son buenas. Al ser un circuito en serie, si alguna de las cargas se abriera, la corriente también se detendría en la otra carga. Por esta razón, necesitamos modificar un poco el diseño: (Figura abajo)

La adición de conductor neutro permite que las cargas sean conducidas individualmente.

En lugar de una sola fuente de alimentación de 240 voltios, utilizamos dos fuentes de 120 voltios (¡en fase entre sí!) en serie para producir 240 voltios, luego pasar un tercer cable al punto de conexión entre las cargas para manejar la eventualidad de una abertura de carga. Esto se llama sistema de energía de fase dividida. Tres cables más pequeños siguen siendo más baratos que los dos cables necesarios con el diseño paralelo simple, por lo que todavía estamos a la vanguardia en eficiencia. El astuto observador notará que el cable neutro solo tiene que llevar la diferencia de corriente entre las dos cargas de regreso a la fuente. En el caso anterior, con cargas perfectamente “equilibradas” que consumen cantidades iguales de potencia, el cable neutro lleva corriente cero.

Observe cómo el cable neutro está conectado a tierra en el extremo de la fuente de alimentación. Esta es una característica común en los sistemas de energía que contienen cables “neutros”, ya que poner a tierra el cable neutro garantiza el menor voltaje posible en un momento dado entre cualquier cable “caliente” y tierra a tierra.

Un componente esencial de un sistema de energía de fase dividida es la fuente de voltaje de CA dual. Afortunadamente, diseñar y construir uno no es difícil. Dado que la mayoría de los sistemas de CA reciben su energía de un transformador reductor de todos modos (bajando el voltaje de niveles de distribución altos a un voltaje de nivel de usuario como 120 o 240), ese transformador se puede construir con un devanado secundario de toma central: (Figura a continuación)

La potencia americana de 120/240 Vac se deriva de un transformador de utilidad con toma central.

Si la alimentación de CA proviene directamente de un generador (alternador), las bobinas pueden ser de manera similar en el centro para el mismo efecto. El gasto adicional para incluir una conexión de toma central en un devanado de transformador o alternador es mínimo.

Aquí es donde las marcas de polaridad (+) y (-) realmente cobran importancia. Esta notación se usa a menudo para hacer referencia a las fases de múltiples fuentes de voltaje de CA, por lo que está claro si se están ayudando (“potenciando”) entre sí o se oponen (“chocando”) entre sí. Si no fuera por estas marcas de polaridad, las relaciones de fase entre múltiples fuentes de CA podrían ser muy confusas. Tenga en cuenta que las fuentes de fase dividida en el esquema (cada una de 120 voltios 0 ^o), con marcas de polaridad (+) a (-) al igual que las baterías de ayuda en serie se pueden representar alternativamente como tales: (Figura a continuación)

La fuente de fase dividida de 120/240 Vac es equivalente a dos fuentes de 120 Vac que ayudan en serie.

Para calcular matemáticamente el voltaje entre cables “calientes”, debemos restar voltajes, porque sus marcas de polaridad muestran que están opuestos entre sí:

Si marcamos el punto de conexión común de las dos fuentes (el cable neutro) con la misma marca de polaridad (-), debemos expresar sus desplazamientos de fase relativos como separados 180 ^o. De lo contrario, estaríamos denotando dos fuentes de voltaje en oposición directa entre sí, lo que daría 0 voltios entre los dos conductores “calientes”. ¿Por qué me tomo el tiempo para elaborar marcas de polaridad y ángulos de fase? ¡Tendrá más sentido en la siguiente sección!

Los sistemas de energía en los hogares estadounidenses y la industria ligera suelen ser de la variedad de fase dividida, proporcionando la llamada alimentación de 120/240 VCA. El término “fase dividida” se refiere simplemente al suministro de voltaje dividido en dicho sistema. En un sentido más general, este tipo de fuente de alimentación de CA se llama monofásica porque ambas formas de onda de voltaje están en fase, o en paso, entre sí.

El término “monofásico” es un contrapunto a otro tipo de sistema de energía llamado “polifase” que estamos a punto de investigar en detalle. Disculpas por la larga introducción que condujo al título-tema de este capítulo. Las ventajas de los sistemas de energía polifásicos son más obvias si uno primero tiene una buena comprensión de los sistemas monofásicos.

REVISAR

• Los sistemas de energía monofásicos se definen por tener una fuente de CA con una sola forma de onda de voltaje.
• Un sistema de energía de fase dividida es uno con múltiples fuentes de voltaje de CA (en fase) conectadas en serie, que entregan energía a cargas a más de un voltaje, con más de dos cables. Se utilizan principalmente para lograr el equilibrio entre la eficiencia del sistema (corrientes bajas del conductor) y la seguridad (tensiones de carga bajas).
• Las fuentes de CA de fase dividida se pueden crear fácilmente mediante el roscado central de los devanados de bobina de transformadores o alternadores.