Sistemas eléctricos. Monofásico. Bifásico. Trifásico

Actualizaciones Ene-2021

Definiciones de la NOM-001-SEDE-2012

Las siguientes definiciones sirven para comprender y explicar los diferentes sistemas eléctricos:

1. Tensión (de un circuito) Voltage (of a circuit): La mayor diferencia de potencial (tensión rms) entre dos conductores cualesquiera de un circuito considerado.

2. Tensión a tierra Voltage to Ground: En los circuitos puestos a tierra, es la tensión entre un conductor dado y el punto o conductor del circuito que está puesto a tierra; en circuitos no puestos a tierra es la mayor diferencia de potencial entre un conductor dado y cualquier otro conductor del circuito.

NOTA: Algunos sistemas, como los de 3 fases 4 hilos, de 1 fase 3 hilos y de corriente continua de 3 hilos, pueden tener varios circuitos a diferentes tensiones.

3. Tensión nominal Voltage, Nominal: Valor nominal asignado a un circuito o sistema para designar convenientemente su clase de tensión. La tensión a la cual un circuito opera puede variar de la nominal, dentro de un margen que permite el funcionamiento satisfactorio de los equipos.

NOTA: Donde se lea 120 volts, podrá ser 120 ó 127 volts.

4. Conductor neutro Neutral Conductor: Conductor conectado al punto neutro de un sistema que está destinado a transportar corriente en condiciones normales.

5. Punto neutro Neutral Point: Punto común en una conexión en estrella en un sistema polifásico, o punto medio en un sistema monofásico de 3 hilos, o punto medio de una porción monofásica de un sistema trifásico en delta, o punto medio de un sistema de corriente continua de 3 hilos.

6. Puesto a tierra Grounded (Grounding): Conectado (conexión) a tierra o a algún cuerpo conductor que extienda la conexión a tierra.

7. Puesto a tierra sólidamente Grounded, Solidly: Conectado a tierra sin insertar ningún dispositivo de resistencia o de impedancia.

8. Sólidamente puesto a tierra Grounded, Solidly: significa que el conductor puesto a tierra (neutro) lo está sin necesidad de intercalar ninguna resistencia o dispositivo de impedancia.

9. Conductor puesto a tierra Grounded Conductor: Conductor de un sistema o de un circuito, intencionadamente puesto a tierra.

10. Conductor de puesta a tierra de los equipos Grounding Conductor, Equipment (EGC): Trayectorias conductoras utilizadas para conectar las partes metálicas, que normalmente no conducen corriente, de todos los equipos y al conductor del sistema puesto a tierra o al conductor del electrodo de puesta a tierra o a ambos.

11. Conductor del electrodo de puesta a tierra Grounding Electrode Conductor: Conductor utilizado para conectar el conductor puesto a tierra del sistema o el equipo, al electrodo de puesta a tierra o a un punto en el sistema del electrodo de puesta a tierra.

12. Unión Bonded (Bonding): Conexión permanente de partes metálicas, que no lleva corriente normalmente, que forma una trayectoria eléctricamente conductora que asegure la continuidad y capacidad de conducir con seguridad cualquier corriente a la que puedan estar sometidas.

13. Puente de unión Bonding Conductor or Jumper: Conductor confiable, para asegurar la conductividad eléctrica requerida entre partes metálicas que deben estar conectadas eléctricamente.

14. Puente de unión, sistema Bonding Jumper, System: Conexión entre el conductor puesto a tierra del circuito y el conductor de puesta a tierra del lado del suministrador, o el conductor puesto a tierra del equipo, o ambos, a un sistema derivado separado.

15. Puente de unión, equipo Bonding Jumper, Equipment: Conexión entre dos o más partes del conductor de puesta a tierra del equipo.

16. Puente de unión, principal Bonding Jumper, Main: Conexión en la acometida entre el conductor del circuito puesto a tierra y el conductor de puesta a tierra del equipo.

17. Puente de unión, lado línea Bonding Jumper, Supply-Side: Un conductor instalado del lado del suministro de una acometida o en las envolventes del equipo de acometida, o de un sistema derivado separado, que asegura la conductividad eléctrica requerida entre las partes metálicas que se requiere que estén conectadas eléctricamente.

18. Trayectoria de la corriente de falla a tierra Ground-Fault Current Path: Trayectoria eléctricamente conductora desde el punto de falla a tierra en un sistema de alambrado a través de conductores o equipo que normalmente no transportan corriente o la tierra, hasta la fuente de alimentación eléctrica.

NOTA: Ejemplos de trayectorias de corriente de falla a tierra podrían consistir en cualquier combinación de conductores de puesta a tierra de equipos, canalizaciones metálicas, cubiertas metálicas de cables, equipo eléctrico y cualquier otro material eléctricamente conductor tal como tuberías metálicas de agua y gas, elementos estructurales de acero, mallas metálicas para recubrimiento de paredes, ductos metálicos, refuerzos de acero, blindajes de cables de comunicaciones y la propia tierra.

19. Trayectoria efectiva de la corriente de falla a tierra Effective Ground-Fault Current Path: Trayectoria construida intencionalmente, eléctricamente conductora, de baja impedancia, diseñada para transportar la corriente bajo condiciones de falla a tierra desde el punto de falla a tierra en un sistema de alambrado hasta la fuente de alimentación eléctrica y que facilita el funcionamiento del dispositivo de protección contra sobrecorriente o de los detectores de falla a tierra en sistemas puestos a tierra de alta impedancia.

20. Electrodo de puesta a tierra Grounding Electrode: Objeto conductor a través del cual se establece una conexión directa a tierra.

A continuación se presenta un diagrama de un sistema trifásico (por ser el más completo) con las partes esenciales de los sistemas eléctricos. Algunos elementos tienen un letrero donde se mencionan las coincidencias de las definiciones de la NOM-001-SEDE-2012 y el papel que juega el elemento en el sistema eléctrico. Los elementos de un sistema trifásico son extensibles a cualquier otro sistema eléctrico.

Los elementos visualmente idénticos comparten las mismas definiciones, sin embargo, no fueron colocadas por tema de saturación de espacio. Nota: El nodo del neutro de las fuentes solo es idéntico al otro nodo del neutro de las cargas y no a otros nodos.

Generalidades

En los sistemas eléctricos podemos diferenciar elementos eléctricos básicos como:

• Punto de conexión o terminal (nodo, en teoría de circuitos eléctricos): Punto de unión de elementos eléctricos.

• Conductor: Elemento eléctrico para unir dos elementos eléctricos.

• Fase: Conductor o nodo donde se encuentra un voltaje diferente de 0 V respecto a una referencia que se considera con voltaje de 0 V.

• Punto Neutro: Punto de conexión común (lo comparten) a todas las fuentes o cargas que componen el sistema.

• Conductor Neutro: Conductor que crea un circuito cerrado y que une un punto de conexión neutro con otro elemento (puede ser otro punto de conexión neutro)

• Neutro: Punto de conexión neutro y/o conductor neutro que crea un circuito cerrado y que es común a todas las fuentes y/o cargas que componen el sistema.

• Sistema de puesta a tierra o sistema de tierra física: Conjunto de los elementos que cumplen con las definiciones de la 10 a la 19 antes descritas de la NOM-001-SEDE-2012, no teniendo que cumplir con todas las definiciones, pero si cumpliendo con el propósito de aterrizar.

En este texto solo se consideran sistemas eléctricos que tengan neutro, quedando descartados los sistemas en delta y sus derivados. Para ejemplificar las explicaciones, se hará uso de los voltajes 220/127 V y 240/120 V, las explicaciones serán extensibles a otros voltajes.

En los sistemas eléctricos generalmente se aterriza el neutro en las fuentes de voltaje (transformador, regularmente), sin embargo, las cargas de los sistemas eléctricos pueden o no estar aterrizadas en su neutro. Si es una carga individual, generalmente nunca se aterriza, si es un sistema más complejo como una instalación eléctrica industrial, comercial, residencial o de otro tipo, siempre se aterriza el neutro en la acometida.

Como nota aparte, cualquier sistema polifásico en estrella y sus derivados, tendrá neutro. Los sistemas que no tienen neutro, como los sistemas trifásicos en delta o cualquier sistema polifásico en anillo, es posible aterrizarlo en cualquier otro punto del sistema, por ejemplo, aterrizarlo en una fase o en una derivación central, lo que originará un conductor puesto a tierra. Solo se puede aterrizar un solo conductor del sistema, ya que el aterrizar más de uno, origina un corto circuito.

Sistema trifásico

El sistema trifásico esta formado por tres fuentes de voltaje iguales desplazadas 120° respecto una de la otra. En los sistemas trifásicos con neutro, las fuentes de voltaje se encuentran en estrella, cada una con voltaje de 127 V, resultando un voltaje de fase a fase de 220 V, es decir, el voltaje de fase a neutro de 127 por .

Estos sistemas generalmente salen de un transformador trifásico que tiene 3 devanados en su secundario.

En sistemas trifásicos, si las cargas están balanceadas, por el neutro no circula corriente.

En sistemas trifásicos, si las cargas están desbalanceadas, por el neutro circula una corriente igual a la suma vectorial de las corrientes de cada fase. Si solo hay corriente en una fase, por el neutro circulará la misma corriente. Si solo circulan corrientes desbalanceadas en dos fases, la suma vectorial en el neutro no será ser mayor que la mayor corriente de las dos fases. Si circulan corrientes desbalanceadas en las tres fases, la suma vectorial en el neutro no será mayor que la mayor corriente de las tres fases. Por lo tanto, el peor caso es cuando solo circula corriente en una sola fase.

Sistema monofásico

Para visualizar más fácil que es el neutro, el caso más sencillo donde se encuentra el neutro es un sistema monofásico, este sistema monofásico tiene una sola fuente de voltaje que puede ser un transformador monofásico o la fase y neutro de otros sistemas polifásicos.

Abajo se encuentra un sistema monofásico que esta conectado a tierra, tanto en la fuente como en la carga, generalmente todos los sistemas se aterrizan en algún punto de la fuente, aunque la carga puede o no puede estar aterrizada.

Como usted ya sabe, la corriente alterna no tiene polaridad y los símbolos de + y - que tiene la fuente del sistema monofásico solo sirven de referencia, en este sistema se podría decir que la terminal con el signo + es la fase y la linea con el signo - es el neutro, ¿y como sabemos esto? porque la linea con el signo - esta aterrizada y en sistemas monofásicos la linea aterrizada siempre es el neutro, de hecho la NOM-001-SEDE-2012 habla de conductores puestos a tierra en la mayoría de los casos, antes que referirse al conductor neutro en sí.

De hecho, si aterrizáramos la terminal con el signo +, en lugar de la terminal con el signo -, la terminal con el signo + sería el nuevo neutro del sistema monofásico.

En un sistemás monofásico como solo hay una fuente, el neutro solo debe ser común a esa fuente y además tiene la función de cerrar el circuito con la carga que se conecte a dicha fuente. Muchas veces se dice que el neutro es por donde retorna la corriente, aunque esto no sea del todo cierto y/o preciso para todos los sistemas.

Transformador monofásico 120/240 V. Fuente monofásica con derivación central. Mal llamado bifásico

A este sistema se le conoce como sistema bifásico porque tiene dos fuentes de voltaje, es decir, dos fases. Aunque esto no es realmente así, ya que este sistema no cumple con las características de un verdadero sistema bifásico, es cual debe tener dos fuentes de voltaje iguales desplazadas 90° entre ellas. Más bien es un sistema monofásico con dos lineas "vivas'' o lineas con voltaje diferente de 0 V respecto a la referencia, en este caso, el neutro.

El diagrama de abajo representa este sistema con dos fuentes de voltaje conectadas en serie, con una derivación central que representa el neutro y que se encuentra aterrizada, en realidad, en los transformadores monofásicos es una sola fuente de voltaje con derivación central, es decir, un transformador monofásico con derivación central.

Este es un transformador con un solo devanado secundario que tiene una derivación en su centro. Si representamos este devanado con derivación central como un circuito eléctrico, sería como el diagrama de arriba con dos fuentes y un conductor aterrizado común a las dos fuentes, en este caso, sería el conductor neutro. Por lo tanto, como es un solo devanado con una derivación en su centro, cada mitad del devanado seria una fuente idéntica a la otra. Si medimos el voltaje de fase a neutro de la primera fuente y el voltaje de fase a neutro de la segunda fuente nos darían dos voltajes idénticos pero de signo contrario. Y si medimos el voltaje de fase a fase tendríamos el doble de voltaje que de fase a neutro, en esta ocasión estaríamos midiendo las fuentes en serie o el voltaje del devanado completo del transformador, como se quiera ver. Por ello los transformadores monofásicos en su secundario tienen un voltaje 240/120 V.

Por lo tanto, si las cargas 1 y 2 son iguales, el sistema esta balanceado y no circula corriente por el neutro, de lo contrario, circulará corriente por el neutro.

En este sistema ("Transformador monofásico 120/240 V. Fuente monofásica con derivación central. Mal llamado bifásico'') cuando hay dos cargas desbalanceadas, por el neutro circulará la suma vectorial de las dos corrientes de cada carga, es decir, la suma aritmética de la magnitud de cada carga. Por lo tanto, el peor caso es cuando solo hay una carga conectada a una linea "viva'' y a la derivación central.

Sistema bifásico

Los sistemas bifásicos están en desuso, estos son sistemas eléctricos con dos fuentes de voltaje iguales desplazadas 90° entre ellas.

Es decir, cuando las corrientes están balanceadas en las fases, por el neutro circula la corriente de fase por . Cuando las corrientes están desbalanceadas por el neutro circulará . Un sistema muy desfavorable sin duda.

Ir a la sub-sección "Transformador monofásico 120/240 V. Fuente monofásica con derivación central'' de la sección "Sistema monofásico'' para encontrar más información de un sistema aparentemente bifásico.

Obtención de sistemas de menos fases de otros sistemas de más fases

Como ya pudo notar, de un sistema trifásico se pueden obtener sistemas monofásicos y bifásicos, y de un sistema aparentemente bifásico ("Transformador monofásico 120/240 V. Fuente monofásica con derivación central. Mal llamado bifásico'') como el de la sección "Sistema monofásico'' se puede obtener un sistema monofásico, por ello, en la sección de sistemas monofásicos el voltaje de la fuente no esta definido sí es de 120 V o de 127 V, para ambos casos, el sistema monofásico sea cual sea su origen se comporta de la misma forma.

Sin embargo, sistemas aparentemente bifásicos obtenidos de un transformador monofásico y sistemas bifásicos de un transformador trifásico no se comportan igual. Para cargas balanceadas en un sistema de dos fases y neutro de un sistema trifásico, lo corriente en el neutro sera la suma vectorial de las corrientes de cada fase, resultando en una corriente con ángulo de 120°/2.