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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

A I C N A T S I D A L A N O I S E F O R P N ‡ I C A M R O F

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Sistemas Polifásicos

MÓDULO Electrotecnia

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Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: ELECTROTECNIA Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Romualdo Pérez Fernández

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Sofía Ardura Gancedo Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: ISBN: 84-690-1473-0 Depósito Legal: Legal: AS-0593-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”.















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Sumario general Objetivos Objetivos ................................. .................................................. .................................. .................................. ......................... ........

3

Conocimien Conocimientos tos ................................... .................................................... .................................. ................................. ................

4

Introducción......................................................................................... 6 Contenido Contenidoss generales...... generales....................... .................................. .................................. .................................. .....................

6

Sistemas Sistemas trifásicos trifásicos equilibrad equilibrados os en tensión tensión ................................. ............................................ ...........

7

Cargas Cargas trifási trifásicas cas equilibra equilibradas das ................................. ................................................... ............................... ............. 14 Cargas Cargas trifásica trifásicass desequ desequilibra ilibradas das .................................. ................................................... ......................... ........ 30 Medida de potencia y de de energía energía activa activa en sistemas trifásicos................ trifásicos....... ......... 36 Resumen Resumen de conte contenidos...................... nidos....................................... .................................. ................................. ................ 41 Autoevalua Autoevaluación ción .................................. ................................................... .................................. ................................. ................ 42 Respuesta Respuestass de de actividad actividades es................ ................................. .................................. .................................. ..................... 44 Respuestas de autoevaluación.................... autoevaluación........... .................. ................... ................... .................. ............... ...... 49















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ódulo: Electrotecnia ódulo: Electrotecnia



Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M



Explicar el concepto de sistema trifásico equilibrado equilibrado en tensiones.



Diferenciar y relacionar tensiones de línea y de fase. f ase.



Explicar el concepto de sistema trifásico equilibrado en corrientes.



Diferenciar y relacionar corrientes de línea y fase f ase en estrella y en triángulo



Razonar la conexión adecuada de cargas trifásicas en función de la tensión de red.



Advertir y argumentar la necesidad del conductor neutro en redes con carga desequilibrada.



Realizar el conexionado de los dispositivos apropiados para realizar medidas de potencia y de energía en sistemas trifásicos.















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Conocimientos que deberías adquirir CONOCIMIENTOSS • Sistema trifásico equilibrado equilibrado en tensiones. • Tensiones de línea y de fase. • Cargas trifásicas trifásicas equilibradas equilibradas y desequilibradas. desequilibradas. • Sistema trifásico equilibrado equilibrado en corrientes. corrientes. • Conexiones estrella y triángulo. • Corrientes de línea y de fase. • Conductores de fase y de neutro.

PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS ITUACIONES S • Realizar el conexionado en estrella y en triángulo de una carga trifásica. • Realizar con precisión y seguridad el conexionado de un sistema de medida básico en un sistema trifásico. • Determinar a partir de las lecturas de los aparatos de medida, las características de una carga trifásica.

ACTITUDES S • Cumplir los procedimientos y normas de seguridad seguridad de los laboratorios y talleres donde se realizan los ensayos.















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

Introducción

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M

Hasta ahora ahora hemos visto las principales características de los circuitos de corriente alterna y de las instalaciones eléctricas monofásicas, es decir las alimentadas mediante un conductor de fase y el conductor neutro. Sin embargo, una instalación monofásica no es más que una subdivisión de una instalación mayor llamada polifásica que, como su nombre indica, contiene varios conductores de fase y un conductor neutro. De esta forma, mediante redes polifásicas, llega la energía eléctrica a los edificios y es dentro de éstos, donde la red polifásica se descompone en varias líneas monofásicas para alimentar ciertas instalaciones como viviendas, pequeños locales comerciales, etc. De todos los sistemas polifásicos (trifásicos, tetrafásicos, pentafásicos, etc.), el único que presenta interés para un técnico en máquinas y equipos de refrigeración y climatización es el trifásico, pues es así como se transporta la energía eléctrica desde las centrales eléctricas hasta los puntos de consumo. El resto de sistemas se restringen a aplicaciones industriales muy concretas y específicas.

Contenidos generales En esta unidad estudiaremos las particularidades de los sistemas trifásicos equilibrados en tensiones y, que en función de la carga trifásica a la que alimenten, pueden ser equilibrados o desequilibrados en corrientes.

















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Sistemas trifásicos equilibrados en tensión Los alternadores de las centrales eléctricas generan sistemas trifásicos equilibrados en tensiones, de frecuencia 50 Hz y donde las tensiones tienen el mismo valor eficaz pero están desfasadas 120≥ entre si. A lo largo de la red eléctrica este equilibrio se va perdiendo y la calidad del suministro disminuye disminuye.. Sin embargo los avances técnicos consiguen a través de potentes y precisos filtros eléctricos, que se compense la distorsión de las tensiones y disminuya el grado de desequilibrio. Los técnicos de electrotecnia, sobretodo en Baja Tensión, debemos de suponer por tanto que la compañía eléctrica, nos suministra una acometida con un sistema trifásico equilibrado en tensiones.

Generación y transporte de tensión trifásica Para generar tensiones trifásicas es necesario un alternador con tres devanados iguales pero desfasados 120° en el espacio. Normalmente estos devanados se encuentran en la parte no giratoria de la máquina llamada estator estator. La variación de flujo magnético necesaria para generar fuerza electromotriz, Fem, se consigue al circular corriente continua por un devanado inductor situado en la parte móvil llamada rotor rotor, que se somete a giro mediante una fuerza motriz exterior (turbina). De esta forma, el campo

















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r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e


Fig. 1: Alternador trifásico.

El valor eficaz de las Fems inducidas depende de: 

El número de espiras espiras de las bobinas estatóricas.



El flujo magnético del campo inductor.



La velocidad de giro.

La frecuencia de estas Fems depende de: 

La velocidad de giro.



















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1

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a


∂A qué velocidad debe girar un alternador de 4 polos para conseguir tensiones de 50 Hz?

Inicialmente son las centrales eléctricas las encargadas de generar tensiones trifásicas, mediante los alternadores. Éstos normalmente suelen producir tensiones de 12, 15, 20 o 22 (kV) que, tras ser elevadas mediante un transformador, se transportan a grandes distancias mediante líneas eléctricas trifásicas. Posteriormente estas líneas sufren reducciones de tensión mediante transformadores para poder alimentar a los puntos de consumo tanto industriales, comerciales como domésticos (Fig. 2). Ten en cuenta que desde la central hasta los puntos de consumo en BT, las redes que transportan la energía eléctrica son trifásicas (en la Fig. 2 ves un solo cable porque la figura emplea esquema unifilar).

















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

En los puntos de consumo como por ejemplo la entrada a los edificios, las líneas trifásicas se van desdoblando en monofásicas para alimentar a pequeños consumidores como viviendas, locales comerciales, etc. En la figura 3 puedes ver una línea monofásica de BT obtenida a partir de una trifásica.

fases r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e

neutro

    

negro marrón

400 (V)

gris azul

230 (V)

 trifásica   monofásica 

Fig. 3: Redes trifásica y monofásica en BT.

Las tensiones de fase Los devanados del inducido del alternador se conectan conectan normalmente en estre estrella ella. lla En esta conexión, los extremos finales de cada devanado (a»-b»-c») se unen entre si formando lo que se conoce como punto neutro de la estrella. estrella. Los extremos iniciales de cada devanado (a-b-c) forman las fases de la red trifásica y constituyen los puntos de salida del alternador. Fíjate en su representación en la figura 4.

















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Las tensiones de fase de una red trifásica son las tensiones existentes entre cada fase y el punto neutro de la estrella; son iguales en valor eficaz y están desfasadas 120° entre sí.

En la figura 5 se representa el diagrama vectorial de las tensiones de fase. VTN

R VRN

120º

S N

VRN

120º VSN

120º

VRN, VSN. VTN iguales en valor eficaz pero desfasadas 120° entre sí.

T VTN

VSN

Fig. 5: Tensiones de fase.

Las tensiones de línea Las tensiones de línea de una red trifásica, son las existentes entre cada par de fases y se pueden obtener a partir de las tensiones de fase, por aplicación directa de la ≈Ley de Tensiones de Kirchhoff (LVK)∆. Son por tanto:






















En la figura 6 se representa el diagrama vectorial donde hacemos la resta fasorial. R

VRN

S

N

VTR

VSN T

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m

= V + (− V VST = V + (− V V TR = V + (− V V RS

VRS

VST

RN

VTN VTR

TN

TN

RN

VRS

30º 30º VRN VSN 30º

) ) )

SN

VTN - VRN

SN

- VSN





















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Las tensiones de línea son las existentes entre fases, son iguales en valor eficaz y están desfasadas 120° entre sí. Además: VL = 3 ∗ VF

En la Tabla 1 se recogen los valores normalizados de las tensiones nomina nominales ales de fase y línea en las redes de distribución de BT. Desde el año 2002, con la entrada en vigor del nuevo REBT, las líneas trifásicas son de 400 V (entre fases) y 230 V (entre fase y neutro). Este es el motivo por el cual la tensión nominal de las instalaciones monofásicas es de 230 V. No obstante es muy posible que te encuentres redes con tensiones de línea de 380 V e incluso de 220 V (entre fases) en edificios muy antiguos. APLICA ACI‡N AÑO APLIC ACI‡N

TENSI‡N ENSI‡N DE FASE (V)

TENSI‡N DE L‹NEA (V)

DESIGNACI‡N

Antes de 1973

127

220

127/220

REBT 1973

220

380

220/380

REBT 2002

230

400

230/400



















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

Cargas trifásicas equilibradas Es habitual llamar a los receptores trifásicos ≈cargas∆ y así lo haremos a partir de ahora. Si una carga monofásica es equivalente a una impedancia, una carga trifásica equilibrada está formada por tres impedancias iguales. A la hora de conectar entre sí estas tres impedancias hay dos posibilidades: r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m

 

Conexión estrella. Conexión triángulo.

Además las corrientes absorbidas por una carga trifásica se clasifican en tres corrientes de línea y tres corrientes de fase; ambos grupos grupos como veremos, veremos, iguales en valor eficaz y desfasadas 120° entre sí.

Carga trifásica equilibrada en estrella (Y)



















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La característica más importante de la conexión estrella equilibrada es que el punto punto ne neuneutro de la carga coincide eléctricamente con el punto neutro de la red trifásica que la alimenta, aunque físicamente puedan estar separados una distancia apreciable. Esto significa que si conectamos un voltímetro entre ambos puntos neutros, marcara 0V. Como ambos puntos neutros son el mismo, cualquier voltímetro entre una fase y alguno de los neutros, marcará lo mismo. Observa la figura 9: 

El voltímetro V1 marca 0 V.



Los voltímetros V2 y V3 marcan la tensión de fase, 230 V, puesto que están conectados entre alguna fase y el punto neutro. V1 0 Voltios

Fase R

U

X





















3

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a r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m


Indica cuál será la lectura de un voltímetro conectado entre los siguientes puntos de la figura 9: a. U-Y b. W-U c. Y-Z























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Carga trifásica equilibrada en triángulo ( ∆) Para conectar tres impedancias en triángulo, cada una de ellas debe estar conectada entre dos fases. Para ello basta con unir cada borne final con el borne inicial de la siguiente impedancia. En la figura 9: 

X con V



Y con W



Z con U


























Ejemplo

Si disponemos de tres bombillas de 230 (V), 100 (W) y queremos realizar con ellas una carga trifásica, ∂cómo se deben conectar en una red trifásica de 230/400 (V)?

Solución r o l a C e

Si conectamos las bombillas en triángulo, cada una soportará 400 (V) por lo que el filamento se fundirá debido a que la intensidad absorbida es muy elevada. Si las conectamos en estrella, cada bombilla estará entre fase y neutro y funcionan-





















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Para entender convenientemente las corrientes de línea y fase, vamos a analizarlas analizarlas por separado en una carga en estrella y en triángulo.

o Carga equilibrada en estrella es trella (Y) Observa la figura 12; las corrientes de línea y de fase en estrella coinciden coinciden, puesto que cada impedancia de la carga está en serie con el conductor de fase de la red correspondiente. Cada impedancia está entre fase y neutro y soporta la tensión de fase (V F), por tanto: DONDE : valor eficaz de la tensión de línea





















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

En argot electrotécnico puesto que las tres corrientes son iguales en valor eficaz, tanto de línea como de fase, es habitual referirse a ellas en singular. Cuando se dice que una carga absorbe 10 (A) de corriente de línea, debemos de entender que absorbe tres corrientes de valor eficaz 10 (A) y desfasadas 120° entre sí. Lo mismo ocurre con las corrientes de fase, con las tensiones de fase y con las tensiones de línea.

Ejemplo

r o l a C e

Sean tres impedancias de 23 ( Ω Ω ) cone conecta ctada dass en estre estrella lla sob sobre re una una red red de de 230/4 230/400 00 (V). (V). Determina el valor eficaz de las corrientes de fase y de línea.





















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o Carga equilibrada en triángulo (∆) En triángulo las corrientes de fase y de línea son distintas puesto que en los bornes iniciales (U,V,W) de cada impedancia, están conectados tres conductores y se produce una derivación. Fíjate en la figura 14; las tres corrientes de fase son I RS, I ST, I TR; son iguales en valor eficaz (I F) y están desfasadas 120° entre sí. V de Línea

R

IR

U

IRS

X


























Llamemos IL al valor eficaz de las corrientes de línea e I F al de las corrientes de fase, y resolvamos un triángulo de corrientes similar al visto en la figura 6 para las tensiones; obtenemos la siguiente relación:

IL (∆) = 3 ∗ IF (∆)

























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Potencias en sistemas trifásicos equilibrados Los conceptos de potencia activa, reactiva, aparente, factor de potencia, etc., vistos en la























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

Relaciones estrella-triángulo Supongamos que disponemos de tres impedancias iguales y pretendemos con ellas reali-























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Conexión de motores trifásicos a la red Hasta ahora vimos como realizar una carga trifásica a partir de impedancias monofásicas.























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En la figura 17 puedes ver la placa de características técnicas de un motor trifásico. Observa que la potencia, velocidad y frecuencia nominales son 15 (kW), 2.910 (rpm) y 50 (Hz) respectivamente. Pero ∂cuáles son su tensión y corriente nominales?

























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