Sistema trifasiko

Ingeniaritza elektrikoan, sistema trifasikoa edo hiru faseko sistema korronte alternoko energia elektrikoaren sorkuntza, banaketa eta kontsumo sistema bat da. Maiztasun eta anplitude berdineko —eta beraz balio efikaz berdineko— hiru korronte alternoz osatzen da, zeinak beraien artean 120ºko desfase bat aurkezten duten, eta ordena zehatz baten antolatuak dauden. Sistema osatzen duten hiru korronte alternoetako bakoitza fase izenarekin izendatzen da.

Sistema trifasikoa sistema polifasiko mota bat da, mundu guztiko sare elektrikoetan energia elektrikoa garraiatzeko erabiliena. Orokorrean, lurrarekiko tentsio berdin baterako, sistema trifasiko bat sistema monofasiko baliokide bat baino merkeagoa da, energia elektriko kopuru berdina garraiatzeko material eroale gutxiago erabiltzen delako. Potentzia haundiko motor elektriko eta beste karga batzuk elikatzeko ere erabiltzen da, eta honegatik industrian ere oso erabilia da.

Sistema trifasiko bat orekatua da hiru faseen korronteak berdinak badira eta fase arteko desfasea simetrikoa —120ºkoa— bada. Hauetako baldintza bat betetzen ez bada sistema desorekatua da. Sistemako tentsioak orekatuak izanda, hargailutik korronte desberdinak edo 120ºko desfase desberdinak igarotzea eragiten duen inpedantzia desberdinen taldeari, karga desorekatu edo karga asimetriko deitzen zaio.

Sistema trifasikoan konexio konfigurazio mota bi daude: izar erako konexioan (Y) laugarren linea bat, neutroa, erabiltzen da, eta tentsio maila bi erabili daitezke —adibidez, fase bat eta neutroaren artean 230 volteko tentsioa, eta fase biren artean 400 volteko tentsioa—; triangelu erako konexioan —baita delta erako konexio deitua— (∆) tentsio maila bat bakarrik erabili daiteke.

Sistema trifasikoa Galileo Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, Jonas Wenström eta Nikola Teslak asmatu zuten 1880ko hamarkada bukaeran, bakoitzak bere aldetik.

Printzipioa 

Hiru faseko energia iturri sistema simetriko baten, hiru eroaleetako bakoitzak tentsio eta maiztasun berdineko korronte alterno bat darama erreferentzia komun batekiko, baina periodoaren heren bateko fase arteko diferentziarekin. Erreferentzia komuna orokorrean lurrera konektatua dago, eta askotan korronte elektrikoa daraman neutro deituriko eroale batera. Fase diferentzia dela eta, eroale bakoitzeko tentsioa bere balio maximora beste eroale bat baino ziklo heren bat arinago eta gelditzen den eroalea baino ziklo heren bat beranduago heltzen da. Fase arteko atzerapen honekin karga elektriko orekatu bati potentzia elektriko konstantea ematen zaio. Honetaz gain motor elektriko baten eremu magnetiko birakor bat lortu daiteke, eta transformadoreak erabiliz beste fase arteko ordenamendu batzuk ere lortu daitezke.
       
Deskribatutako hiru faseko sistema simetriko honi soilik hiru faseko sistema edo sistema trifasiko deitzen zaio, zeren, hiru faseko sistema asimetrikoak diseinatu eta ezartzea posible bada ere —tentsio desberdinekin edo fase arteko diferentzia desberdinekin—, sistema asimetrikoak praktikan ez dira erabiltzen, sistema simetrikoen abantaila nagusiak galtzen bait dituzte.

Orekatutako karga lineal bat elikatzen duen hiru faseko sistema baten, hiru eroaletako aldiuneko korronteen batura zero da. Beste ere batera esanda, eroale bakoitzeko korrontea beste eroale bien korrontearen baturaren berdina, baina aurkako zeinukoa. Fase bateko eroaleko korrontearen itzulera bidea beste fase bietako eroaleak dira.

Eroale bi —fase eta neutroa— erabiltzen dituen energi iturri monofasiko batekin konparatuz, neutro gabeko iturri trifasiko batek, fase bakoitzeko fase-neutro tentsio berdin eta korronte kapazitate berdinarekin, hiru aldiz potentzia elektriko gehiago garraitzen du, 1.5 aldiz eroale gehiago erabilita —bi eroale fase bakarrarentzat eta hiru eroale hiru faserentzat—. Beraz, material eroale kopuru berdinarentzat energia elektrikoaren garraio kapazitatea bikoiztu egiten da.

Sistema trifasikoetan laugarren eroale bat erabili daiteke, bereziki behe-tentsioko banaketan. Laugarren eroale hau neutroa da. Neutroaren bitartez hiru faseetako bakoitza tentsio konstantedun iturri monofasiko banatu bezala erabili daiteke, sistema hau fase bakarreko kargak osatzen dituzten etxebizitza taldeak elikatzeko erabiltzen delarik, talde bakoitza fase batekin elikatuz. Konexioak antolatzerakoan, ahal den neurrian, talde bakoitzak fase bakoitzetik potentzia kopuru berdina xurgatzeko eran egiten dira. Energia elektrikoaren banaketa sisteman korronteak orokorrean ongi orekatuta egoten dira. Transformadoreak lau hariko sekundarioarekin diseinatu daitezke, baina hiru hariko primarioarekin, sistemak karga desorekatuak eta sekundarioko neutroko korronteak onartzen dituelarik.
         
Sistema trifasikoak, berauen ezaugarri batzuegatik, sistema oso desiragarriak dira energia elektrikoaren banaketarako sistemetan:
 Faseetako korronteek batak-bestea hutseratzeko joera dute, karga lineal orekatuekin korronteen batura zero izanik. Honen ondorioz neutroaren eroalearen tamaina txikitu egin daiteke, korronte gutxi edo ezer ez eramaten bait du. Karga orekatuekin, faseko hiru eroaleek korronte berbera daramate eta beraz tamaina berdinekoak izan daitezke.
 Karga orekatu linealetan potentzia emaria konstantea da, sorgailu eta motoreetako bibrazioak gutxitu egiten direlarik.
 Sistema trifasikoekin norantza zehatzeko eta balio konstantedun eremu magnetiko birakor bat sortu daiteke, motor elektrikoen diseinua sinplifikatu egiten delarik.

Sistema trifasikoetako eroaleak herrialdearen arabera aldatzen diren kolore kodeekin identifikatzen dira. Motor elektriko trifasikoen biratze norantza egokia ziurtatzeko faseak ordena egokian konektatu behar dira. Adibidez, ponpa eta haizagailuek aurkako norantzan ez funtzionatzea gerta daiteke. Faseen identifikazioa beharrezkoa da iturri bi aldi berean konektatzea posible bada; fase biren arteko konexio zuzena zirkuitu-laburra da.

Sorkuntza eta banaketa 

Zentral elektrikoan, sorgailu elektrikoak energia mekanikoa hiru korronte alternotan bihurtzen du, sorgailuaren harilkatu bakoitzeko korronte bat. Harilkatuak era zehatz baten antolatuak daude, korrontearen balioaren aldaketa sinusoidala izan dadin, eta hiru korronteek maiztasun berdina izan dezaten, baina bakoitzaren uhin-formaren balio maximoak besteekiko ziklo heren bateko (120°) desplazamendu edo desfasea duelarik. Sorgailuaren maiztasuna orokorrean 50 edo 60 hertzekoa da, herrialdearen arabera, Europan 50 Hertzekoa delarik.

Zentral elektrikoan, transformadoreen bitartez sorgailuek emandako tentsioa aldatu egiten da energia elektrikoaren garraiorako tentsio balio egokietara, garraioko galerak minimizatzeko.

Energia elektrikoaren garraio sarean tentsio aldaketa gehiagoren ondoren, tentsioa erabilpen balio estandarrera bihurtzen da bezeroei banandu aurretik. Tentsio honen balioa, maiztasunarekin gertatzen den lez, herrialdearen araberakoa da, gehienetan 110 edo 230 voltekoa izanik —fase bat eta neutroaren arteko tentsioaren balio efikaza—, Europan 230 voltekoa delarik.

Ibilgailuen alternadoreek korronte alternoa sortzen dute, korronte hau diodo zubiekin arteztuta korronte zuzen bihurtzen delarik.

Hiru hariko eta lau hariko zirkuituak 

Sistema trifasikoan oinarrizko konexio konfigurazio mota bi daude: izar erakoa (Y) eta triangelu (edo Delta) erakoa (Δ). Irudian ikusten denez, triangelu erako konfigurazioan hiru eroale bakarrik behar dira garraiorako, izar erakoan laugarren eroale bat egon daitekeelarik. Laugarren haria badago, neutroa da, eta orokorrean lurrera konektatzen da. Hiru hari edo lau hari esaterakoan ez da energia elektrikoa garraiatzeko aireko lineen goialdean doan lur eroalea kontatzen, eroale hau akatsengandik babesteko bakarrik erabiltzen bait da, akatsik gabeko egoeran ez daramalarik korronterik.

Fase eta neutro arteko tentsio simetrikodun lau hariko sistema bat neutroa elikatze harilkatu guztien izarreko puntu komunera konektatzen denean lortzen da. Honelako sistema baten hiru faseek tentsio balio berdina izango neutroarekiko.

Lau hariko izar erako sistema, lurrarekiko erreferentzia duten tentsioak behar direnean edo tentsio mailaren hautaketa behar denean erabiltzen da. Fase bateko akats batek babes gertaera lokal bat —fusiblea edo babesgailua irekitzea— sortuko du, eta ez du beste faseetan akatsik eragingo. Banaketa lokal honen erabilpen adibidea Europan —eta beste edozein tokitan— aurkitu daiteke, non erabiltzaile lokal bakoitzak fase bateko eta neutro arteko elikadura bakarrik eduki dezakeen —neutroa hiru faseekiko komuna delarik—. Neutroa elkarbanatzen duen erabiltzaile talde batek fase bakoitzean korronte kopuru desberdina xurgatzen duenean, neutroaren eroale komunak desorekak horrek sortutako korrontea eramango du. Ingeniari elektrikoak, sistema diseinatzerakoan, kargak ahalik eta orekatuenak izan daitezen saiatuko dira, bai banakakoen banaketa eskalan zein mundu mailako banaketa eskalan.

Zirkuitu orekatuak 
Zirkuitu orekatu batetan hiru lineek karga baliokideak elkarbanatzen dituzte. Zirkuitua aztertuz, lineako tentsio eta korronteen arteko erlazioak, eta kargako tentsio eta korronteak izar eta triangelu erako kargentzat lortzen dira.

Sistema orekatu batetan linea bakoitzak tentsio berdinak sortzen ditu, fase arteko angeluek bata bestearengandik banaketa berdina dutelarik.

Tentsio hauek izarrean zein triangeluan konektatutako kargak elikatzen dituzte.

Izar eran 

Izar erako kasuan, karga bakoitzak bere lineako tentsioa ikusten du, eta beraz:

non Ztotal lineako eta kargako inpedantzien batura den (Ztotal = ZLN + ZY), eta θ inpedantzia osoaren (Ztotal) fasea den .

Fase bakoitzeko tentsio eta korrontearen arteko fase angelua ez da derrigorrez 0 izan behar, eta kargako inpedantzia (Zy) motaren araberakoa da. Karga induktibo eta kapazitiboek korrontea tentsioarekiko atzeratu edo aurreratu egiten dute. Hala ere, hiru linea pareen arteko fase angelua −1 eta 2, 2 eta 3, 3 eta 1− 120°koa izango da oraindik.

Kirchhoffen korrontearen legea neutroko korapiloan erabiliz, faseko hiru korronteen batura neutroko lineako korrontea da. Karga orekatuen kasuan:

Triangelu eran 

Triangelu erako zirkuituetan, kargak lineen artean konektatzen dira, eta beraz kargek lineen arteko tentsioak ikusten dituzte:

Eta:

non θ triangelu inpedantziaren (ZΔ) fase angelua den.

Angelu erlatiboak mantendu egiten dira. Kirchhoffen korrontearen legea triangeluko korapilo bakoitzean erabiliz lineako korronteak kalkulatu daitezke:

eta beste lineak:

non θ triangelu inpedantziaren (ZΔ) fase angelua den.

Potentzia transferentzia karga orekatuekin 
Orokorrean, potentziako sistema elektrikoetan, ahal den neurrian kargak hiru faseen artean era berdintsuan banatzen dira. Ohikoa da lehenengo sistema orekatua aztertzea eta ondoren sistema desorekatuen efektuak honen desbideraketa lez deskribatzea.

Sistema trifasikoaren ezaugarri garrantzitsu bat karga trifasiko batek jasotzen duen potentzia elektriko osoa aldiunero konstantea dela da —nahiz eta fase bakoitzaren potentzia aldakorra den, hiru faseen potentzia batura konstantea da—.

 tentsio maximodun sistema trifasiko baten:
 

 

 

Karga orekatua dela ulertzen da. Fase bakoitzean inpedantzia dago:
 

 korronte maximoaren balioa hurrengo da:
 

eta aldiuneko korronteak hurrengoak:
 

 

 

Ondorioz, fase bakoitzeko aldiuneko potentziak hurrengoak dira:
 

 

 

Identitate trigonometrikoak erabiliz:
 

 

 

Hiru faseak batuz aldiuneko potentzia osoa lortzen da:
 

Kako arteko terminoek sistema trifasiko simetriko bat osatzen dutelarik, zero batzen dute, eta potentzia osoa konstantea bihurtzen da:
 

edo, tentsio maximoa ordezkatuz,
 
 

 eta  tentsio eta korrontearen balio maximoak erabili beharrean  eta  balio efikazak erabiltzen badira:
 , eta 

beraz,

Fase bakarreko kargak 
Karga monofasikoak fase biren artean, edo fase eta neutro artean konektatu daitezke. Karga monofasikoak sistema trifasikoko faseen artean banatzerakoan karga osoa orekatu egiten da, eta eroale eta transformadoreen erabilpen merkeago bat lortzen da.

Lau hariko izar erako sistema trifasiko baten, faseko hiru eroaleek tentsio berdina daukate neutroarekiko. Lineako eroaleen arteko tentsioa fase eta neutroaren artekoa baino √3 aldiz haundiagoa da:

Erabiltzaileen instalazioetatik hornitzailearen transformadorera doazen itzulerako korronte guztiek eroale neutroa elkarbanatzen dute. Kargak hiru faseen artean era berdintsuan banatu badira, itzulera korronteen batura neutroan zero ingurukoa izango da. Transformadorearen sekundarioari konektatutako faseko karga ez orekatuek transformadorearen eraginkortasuna gutxitu egingo dute.

Elikadurako neutroa hausten bada, fase eta neutro arteko tentsioa ez da mantentzen. Kasu honetan karga erlatibo haundiagoa daukan faseak tentsio gutxitzea jasango du, eta karga erlatibo txikiagoa daukan faseak tentsio haunditzea, faseen arteko tentsiora iristeraino.

√3 ≈ 1.73 izanik, VLN linea eta neutro arteko tentsioa %100 dela definitzen bada VLL lineen arteko tentsioa ≈%173koa izango da, eta VLL lineen arteko tentsioa %100 dela definitzen bada VLN linea eta neutro arteko tentsioa ≈%57,7koa izango da.

Karga desorekatuak 
Hiru lineatako korronteak ez direnean berdinak edo beraien artean ez dutenean 120ºko banaketa zehatza, potentzia galera sistema orekatu batena baino haundiagoa da. Sistema desorekatuak analizatzeko osagai simetrikoen metodoa erabiltzen da.

Karga ez-linealak 
Karga linealekin, neutroak daraman korronte bakarra fase arteko desorekak sortutakoa da. Aurrealdeko kondentsadore-artezgailua erabiltzen duten gailuek, elikatze iturri kommutatu, ordenagailu, bulegoko ekipamendu eta horrelakoek, hirugarren ordenako harmonikoak sortzen dituzte, zeinak fasean eragiten elikadurako hiru faseetan. Ondorioz, harmoniko hauek neutroan batu egiten dira, honek neutroko korronteak faseko korrontea gainditzea eragin dezakeelarik.

Hiru faseko kargak 
Karga trifasiko mota garrantzitsu bat motor elektrikoa da. Hiru faseko indukziozko motor batek diseinua sinplea, abiarazte indar momentu haundia eta eraginkortasun haundia ditu. Motor mota honek industrian erabilpen asko ditu. Motor trifasiko bat tentsio maila eta sailkapen berdineko motor monofasiko bat baino trinkoagoa eta merkeagoa da, 10 HP (7.5 kW) baino gehiagoko motor monofasikoak ez direlarik ohikoak. Motor trifasikoek gainera bibrazio gutxiago dituzte, eta beraz potentzia berdineko eta baldintza berdinetan erabilitako motor monofasikoek baino bizitza luzeagoa dute.

Argiztapenean, lineako maiztasunaren keinada (flicker) gutxitu egin daiteke lineako maiztasuna darabilten argi iturriak hiru faseetan uniformeki banatuz, argiztatutako eremuak hiru faseetako argi iturriengatik hartzen duelarik argia. Lineako maiztasunaren keinadaren efektua kaltegarria da kirol errentransmisioetan erabiltzen diren kamera super-geldoentzat. Hiru fasetako argiztapena era arrakastatsuan erabili da 2008ko Pekineko Olinpiar Jokoetan, kamera super-geldoek hartutako koadro bakoitzari argi maila konstantea emanik. Beroketa erresistiboko kargak, labe elektriko edo berogailuetakoak adibidez, sistema trifasikoetara konektatu daitezke. Argiztapen elektrikoa ere sistema trifasikoetara konektatu daiteke.

Artezgailuek iturri trifasikoa erabili dezakete sei-pultsuko korronte zuzeneko irteera sortzeko. Honelako artezgailuen irteera artezgailu monofasikoena baino askoz leunagoa da, eta tentsioa ez da zerora erortzen fase artean, artezgailu monofasikoetan gertatzen den lez. Artezgailu trifasikoak bateriak kargatzeko, elektrolisi porozesuetan —aluminio produkzioan adibidez— edo korronte zuzeneko motor elektrikoetan erabili daitezke. Zig-zag erako transformadoreak sei faseko artezgailuaren baliokidea egiteko balio dute, zikloko hamabi pultsuduna; metodo hau batzutan iragazkien osagaien kostua txikiagotzeko erabiltzen da, aldi berean sortutako korronte zuzenaren kalitatea hobetzen delarik.

Karga trifasiko adibide bat altzairugintzan eta mea errefinatzeko erabiltzen den arku elektrikozko labea da.

Kolore kodea 
Sistema trifasikoan erabiltzen diren eroaleak kolore kode batekin bereizten dira, kargak orekatu ahal izateko eta motor elektrikoen
biraketa norantza egokia ziurtatzeko. Kolore kodea herrialdearen araberakoa da, eta herrialde berean ere kode berriak eta kode desberdin zaharkituak aurkitu daitezke. Europar Batasunean IEC 60446 nazioarteko estandarra erabiltzen da.

Lurreko eroalea berde eta horiz markatzea agintzen duen estandarra instalatzaile daltonikoak nahastu ahal izatea gutxitzeko erabaki zen. Gutxigorabehera %7-%10 gizonek ez dute garbi bereizten gorri eta berdearen artean, eta hau segurtasun kezka berezi bat da kolore hauek dituen instalazio zahar batzutan, non gorria tentsiodun eroalea markatzeko erabiltzen zen eta berdea lurra markatzeko.

Ikus, gainera 
 Korronte alterno
 Sistema polifasiko
 Sistema monofasiko

Kanpo estekak 

Elektrizitatea
Energia elektrikoaren banaketa
Ingeniaritza elektrikoa
Potentzia elektrikoa