Hola, ¿Qué tal? Me da mucho gusto saludarte, hoy te voy a hablar de la POTENCIA TRIFÁSICA, un concepto importante dentro del tema de la potencia eléctrica que ya hemos explorado bastante en artículos anteriores; si no has leído estos artículos, te invito a hacerlo, pues tendrás mucho más conocimiento que se complementará con el tema que exploraremos hoy.

El objetivo final de este artículo es sencillo: lograr que comprendas por completo el tema de la potencia trifásica; desde los conceptos básicos relacionados a la potencia eléctrica, hasta conocimientos específicos, como los cálculos y toda la teoría matemática que viene detrás de este tópico.

¿Qué es la potencia trifásica?

De una forma simple, podemos definir a la potencia trifásica de la siguiente manera:

La potencia trifásica es aquella potencia que se encuentra en una instalación eléctrica con tres fases y tres corrientes alternas (de ahí surge su nombre).

Una de las características más importantes en los sistemas trifásicos, es que en ellos se pueden considerar como tres circuitos monofásicos, concluyendo en que la potencia total instantánea que se transfiere a un circuito trifásico, es igual a la suma de las potencias instantáneas transferidas a cada uno de los sistemas monofásicos.

• Esto no es más que la división del numero de kilowatts (kW) contratados en tres partes iguales.
• Las instalaciones trifásicas tienen la capacidad de manejar potencias que van más allá de los 15 kW, pero se puede poseer este tipo de instalación sin tener esa cantidad de potencia.

Estas instalaciones puedes encontrarlas fácilmente en fabricas y empresas grandes, así como en viviendas que utilicen sistemas que utilicen motores complejos, como un ascensor o una puerta automática para el estacionamiento.

Ahora que ya conoces que es la potencia trifásica y sobre todo sabes donde se encuentra, surge una duda importante: ¿Qué es mejor para la potencia? ¿Instalación trifásica o instalación monofásica? Veámoslo en el siguiente apartado.

Instalación trifásica vs instalación monofásica

A decir verdad, no existe una instalación mejor que otra, pues ambas tienen características distintas, y son cien por ciento útiles dependiendo del contexto de aplicación, y las necesidades que tengamos, conociendo nuestra vivienda o industria.

Para conocer que es lo que necesitas, debes saber muy bien el equipo eléctrico que posees y la potencia eléctrica que debes de contratar. También es ideal conocer el número de electrodomésticos que hay en el hogar y cuantas personas viven en el.

Una instalación monofásica se define como un sistema de distribución y consumo de energía eléctrica que trabaja con una sola corriente alterna y una fase, logrando que todo el voltaje que corre por la instalación varíe de la misma forma.

• Comúnmente esta instalación se encuentra en la mayoría de los hogares, y sus voltajes normalizados van de los 220 a 230 volts; basándonos en el dato anterior, la potencia que se utiliza va de los 13.8 kW a los 14.5 kW.
• Otra característica que tiene la instalación monofásica es que es mucho más segura, tiene menor perdida de energía y posee un único ICP (Interruptor de Control de Potencia).

Mientras tanto, la instalación trifásica es un sistema de distribución y consumo de energía eléctrica que trabaja con tres corrientes alternas y tres fases. Como te mencioné anteriormente, las instalaciones trifásicas se encuentran en fabricas e industrias. Los voltajes normalizados van desde los 380 a los 400 volts, y la potencia manejada supera los 15 kW.

Otras características inherentes de este tipo de instalaciones, es que son menos seguras, puede existir una mayor perdida de energía y poseen tres ICP (uno por cada fase).

Se dice que un sistema trifásico se encuentra en equilibrio cuando presenta las siguientes características:

• Los tres voltajes del sistema trifásico son de igual valor eficaz y entre ellos existe un desfase de 120°. A esto se le llama “sistema equilibrado de voltajes”.
• Las tres impedancias tienen un mismo valor eficaz y un mismo factor de potencia. A esta propiedad se le llama “sistema equilibrado de impedancias".
• Las tres corrientes del sistema tienen un mismo valor eficaz y tienen desfase de 120° entre sí. A esto se le llama “sistema equilibrado de corrientes”

En la instalación trifásica, podemos encontrar dos tipos de conexión: triángulo y estrella; esto es importante, pues en el siguiente apartado veremos en que consiste cada una de estas conexiones.

Conexión en estrella y conexión en triángulo

En los sistemas trifásicos, las cargas pueden ser conectadas en estrella o en triángulo. Si en estas cargas las tres fases tienen la misma magnitud, se dice que el sistema trifásico esta en equilibrio. En este apartado conocerás algunas de las características de cada tipo de conexión.

➤ Conexión en estrella

En un circuito con conexión de estrella, los valores de las corrientes de fase (IF) coinciden con las correspondientes en línea (IL), por lo que la corriente de fase es igual a la corriente de línea. Mientras tanto, los voltajes de fase (UF) y de línea (UL) en equilibrio tienen relación. A continuación, te muestro el diagrama representativo y sus respectivas igualdades de voltaje e intensidad.

➤ Conexión en triángulo

Esta conexión consiste en conectar entre sí las fases de la carga, donde el principio de cada fase de conecta con el final de la siguiente fase, lo podrás observar mejor en el diagrama que te mostraré más adelante. Esta configuración se caracteriza por tener su corriente de fase y su corriente de línea en relación, un caso muy parecido a la relación que tiene el voltaje de fase con el de línea en la configuración de conexión estrella. Por otro lado, el voltaje de fase y de línea en la conexión en triángulo son iguales. Como en el caso anterior, a continuación te muestro el diagrama de conexión de cargas y las relaciones de corriente y voltaje.

La descripción de las conexiones existentes en los sistemas trifásicos ha sido fácil, ¿no? Llegados a este punto, sabemos un poco más sobre este tipo de sistemas, así que es tiempo de conocer como se comportan las distintas potencias que existen en la corriente alterna en circuitos trifásicos.

Recuerda que al hablar de potencias en corriente alterna, tenemos que ir directamente a la potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y potencia compleja; en el siguiente apartado solo se van a rescatar puntos esenciales, pero si gustas conocer más sobre cada una de estas potencias, te recomiendo ir a leer los artículos dedicados a explicar con detalle en que consiste cada una de estas potencias, se que te servirá de mucho.

Potencia activa, reactiva, aparente y compleja en sistemas trifásicos

Antes que nada, recordemos que la potencia en sistemas trifásicos es igual a la suma de las potencias de sus tres fases; si el sistema se encuentra en equilibrio, las potencias activa, reactiva, aparente y compleja en las tres fases son la misma. Basándonos en la deducción anterior, podemos decir que las potencias activa, reactiva, aparente y compleja totales es equivalente a tres veces estas mismas potencias en una sola fase. Sabiendo esto, podemos pasar a explicar el comportamiento de cada una de las potencias y conocer sus fórmulas.

Potencia activa en sistemas trifásicos

Recordemos de forma rápida que la potencia activa o potencia real es aquella potencia que es aprovechada durante la transformación de energía eléctrica en un circuito de corriente alterna. Su unidad de medida es el kilowatt (kW) y para identificarla se utiliza la literal P.

En un sistema trifásico, la potencia activa se expresa de la siguiente forma:

Donde:

• IF = Valor de la corriente en fase, en ampere (A)
• Vf = Valor del voltaje en fase, en volts (V).
• Cos = coseno de Fi.
• P = Potencia activa, en kilowatt (kW)

También se puede obtener la potencia activa del sistema trifásico en función de sus tensiones y corrientes de línea, independientemente si se encuentran conectadas en estrella o en triángulo. Esta relación es la siguiente:

Donde:

• IF = Valor de la corriente en línea, en ampere (A)
• Vf = Valor del voltaje en línea, en volts (V).
• Cos = coseno de Fi.
• P = Potencia activa, en kilowatt (kW)

Ya que conocimos como obtener la potencia activa en circuitos trifásicos, veamos que hay de la potencia reactiva.

Potencia reactiva en sistemas trifásicos

La potencia reactiva es toda aquella potencia que es consumida por bobinas y capacitores, ya que es necesaria para campos eléctricos; sin embargo, es una potencia que no genera un trabajo útil. Su unidad de medida son los voltampere reactivos (var) y se identifica con la letra Q.

En un sistema trifásico equilibrado, se calcula de la siguiente manera:

Ahora solo nos queda conocer como obtener la potencia aparente y la potencia compleja en los circuitos trifásicos.

Potencia aparente y compleja en sistemas trifásicos

Para obtener la potencia aparente y la potencia compleja en un circuito trifásico, tenemos que hacer uso de un recurso que se utilizó mucho para explicar la relación que existe entre la potencia activa, reactiva y aparente: el triángulo de potencias.

La potencia aparente es la potencia total que debe entregar el generador. Su unidad de medida es el voltampere (VA) y se identifica con la letra S. Gracias al triángulo de potencias, podemos deducir que la potencia aparente se puede conocer con la siguiente expresión:

Para la conexión tipo estrella y triángulo, respectivamente.

Por último, la potencia compleja en un sistema trifásico se encuentra con la siguiente expresión:

En esta fórmula, la potencia activa (P) es la parte real de la potencia aparente (S), correspondiendo la potencia reactiva como la parte imaginaria.

Muy sencillas las fórmulas, ¿no crees? Pero aún nos falta conocer como trabaja una potencia muy importante en los sistemas trifásicos; esta potencia no te la mencioné anteriormente: la potencia instantánea.

Potencia instantánea en sistemas trifásicos

La potencia instantánea también esta presente en los sistemas trifásicos, y es consumida por cada una de las fases del circuito trifásico. Su comportamiento es igual a que si se tratara de un sistema monofásico; la potencia varía de forma sinusoidal a una frecuencia doble respecto a la frecuencia de los voltajes y las corrientes. El valor medio es el valor de la potencia activa, y la potencia instantánea total es igual a la suma de las potencias instantáneas de cada una de las tres fases.

En pocas palabras, la potencia instantánea en instalaciones trifásicas tiene un valor constante, sin importar si cada una de las fases tenga una potencia que varía en el tiempo, ya que al conjuntarlas, estas variaciones de tiempo se compensan entre ellas.

Hemos explorado ya la forma de calcular las diferentes potencias de la corriente alterna en un sistema trifásico. Lo último que queda por conocer es como se comporta el factor de potencia en estos sistemas, para que después podamos hacer un ejercicio como ejemplo. ¡Vamos!

Factor de potencia en sistemas trifásicos

Esta fórmula también se deduce del triángulo de potencia, igual que en la potencia monofásica. Con la siguiente expresión, podemos obtener el valor del factor de potencia en sistemas trifásicos equilibrados:

Otro aspecto importante dentro del factor de potencia es el interés que se tiene de mantener su valor lo más alto posible en los circuitos monofásicos. Recordemos que mantener el factor de potencia cerca de la unidad significa reducir la potencia reactiva que la instalación absorbe de la red.

La naturaleza del factor de potencia en los sistemas eléctricos es normalmente inductiva, por lo que para corregir su valor se tienen que conectar unos capacitores que se encuentren cerca de las cargas inductivas; de esta forma, las potencias reactivas de los capacitores y de las cargas se compensan entre sí y la demanda de la potencia reactiva baja drásticamente. Para calcular el valor de estos capacitores, dependiendo de la conexión con la que se esté trabajando, se utilizan las siguientes expresiones matemáticas:

• En conexión de estrella:

• En conexión de triángulo:

Donde:

• Vc = valor eficaz del voltaje de fase de los capacitores, en volts (V).
• Ic = valor eficaz de la corriente de fase de los capacitores, en amperes (A).
• Qc = potencia reactiva de los capacitores, en voltamperes reactivos (var).
• VL = valor de voltaje en línea, en volts (V).
• C = valor de capacitancia, en farads (F).

Ya hemos terminado con la teoría de la potencia en sistemas trifásicos; exploramos desde el concepto básico de potencia trifásica, hasta teoría matemática, pasando por definiciones especificas de las instalaciones trifásicas y sus características. Ahora solo nos queda ponernos manos a la obra con un ejemplo práctico donde ocupemos algunas de las fórmulas que hemos estado viendo. ¿Me acompañas?

Ejemplo: ejercicio de potencia trifásica

Para el ejercicio donde aplicaremos las fórmulas que vimos en la teoría, tenemos el siguiente enunciado:

Una fabrica tiene una puerta automática que maneja un motor trifásico constituido  de tres bobinas conectadas en triángulo. Este motor esta conectado a una instalación eléctrica que maneja un voltaje de 500 V, maneja una potencia de 22 kW y se ha registrado que tiene un factor de potencia de 0.7. Para arreglar esta situación se requiere conocer la corriente que absorbe la instalación trifásica y la potencia aparente y reactiva del motor.

• Para calcular la corriente que absorbe la instalación, utilizaremos la fórmula de potencia activa, pues ya conocemos su valor y el de factor de potencia. El procedimiento se ve de la siguiente forma:

• Para calcular la potencia reactiva, tenemos que obtener el valor de fi.

• Ya conociendo el valor de Fi, podemos calcular la potencia reactiva:

• Finalmente, podemos conocer el valor de la potencia aparente:

De esta forma, podemos concluir que la potencia aparente tiene un valor de 3135.011 VA, mientras que la potencia reactiva tiene un valor de 1790.98 var. La corriente que absorberá la red será de 3.62 A. Muy fácil, ¿no crees?

Vídeo de potencia trifásica

Así es como llegamos al final de este artículo dedicado a explicar todas las propiedades relacionadas con la potencia trifásica y las instalaciones de esta naturaleza. Como ya pudiste darte cuenta, es muy importante conocer como se comporta la potencia eléctrica en este tipo de sistemas, pues muchas viviendas e industrias utilizan circuitos trifásicos. 

Tenemos que recordar que las instalaciones monofásicas y trifásicas son completamente diferentes, pues cada una de ellas tienen características especiales, ideales en aplicación dependiendo del contexto y la necesidad que se tenga en el lugar donde se va a instalar. Una de las características obvias, pero importantes, es que la monofásica solo posee una fase, mientras que la instalación trifásica posee tres fases, con sus respectivos ICP (Interruptor de Control de Potencia). La instalación monofásica es ideal si en la vivienda o industria solo se necesitan menos de 14 kW. Si la potencia es mayor a 15 kW, entonces entra en juego la instalación trifásica.

También pudiste haberte dado cuenta que en los sistemas trifásicos influye mucho el tipo de conexión que tengamos en nuestros circuitos, pues esto afecta directamente al comportamiento de la potencia, y sobre todo afecta en la manera de obtener su valor mediante teoría matemática. 

Con este tema hemos cerrado la parte de potencia eléctrica en corriente alterna. Si no lo has hecho, te recomiendo ir a echarles un ojo a los demás artículos donde se habla de cada una de las potencias en la corriente alterna: activa, reactiva, aparente, instantánea y compleja; cada una de estas potencias tienen características especiales que valen la pena conocer, pues tu conocimiento en este tema será mucho más completo.

Como ya es costumbre, antes de despedirnos te dejo algunos puntos que valen la pena rescatar en esta racha final, para tener un conocimiento más fresco. Veamos a continuación cuales son estos puntos:

• La potencia trifásica es aquella potencia que está presenta en una instalación eléctrica con tres fases y tres corrientes alternas. Una de sus mayores características es que el numero de kilowatts se divide en tres partes iguales.
• Las instalaciones trifásicas pueden soportar más de 15kW.
• Por su propiedad de soporte ante una elevada magnitud de potencia, usualmente este tipo de instalaciones se encuentran en industrias y casas con sistemas constituidos por motores complejos.
• Para calcular la potencia activa, se utiliza la siguiente expresión:
• Los sistemas trifásicos tiene dos tipos de conexiones principales: estrella y triángulo.
• La potencia activa, reactiva, aparente, compleja e instantánea también tienen presencia en este tipo de instalaciones eléctricas.
• Para calcula la potencia activa, se utiliza la siguiente formula:

• Para calcular la potencia reactiva, utilizamos las siguientes expresiones:

• Para calcular la potencia aparente, se utiliza la siguiente fórmula:

• La potencia compleja se expresa de la siguiente manera:

• Por último, el factor de potencia en sistemas trifásicos se define por la siguiente expresión matemática:

Espero te haya gustado y servido este artículo. No olvides compartirlo con quien creas que le será de mucha ayuda. Como te mencioné anteriormente, si no lo has hecho, te recomiendo ir a leer los demás artículos sobre las potencias en la corriente alterna, pues vas a complementar muy bien tus conocimientos obtenidos aquí.

Sin más, agradezco mucho tu atención. No olvides jamás dejar de aprender y explorar; la curiosidad es el arma más poderosa de los genios.

¡Hasta la próxima!