Sistemas de Potencia

Los tres EMF de un conjunto trifásico equilibrado están separados 120 grados y suman cero. Reúnelos en un punto para Y (un neutro); ciérralos en un lazo para Δ (sin corriente de circulación). Ajusta el desfase y observa cómo la suma desaparece.

La tensión de línea es √3 veces la de fase no como un número que memorizar sino como la geometría de una diferencia de dos fasores a 120 grados. Observa cómo la diferencia crece hasta √3 y aprende la dualidad: √3 cae en la tensión en Y y en la corriente en Δ.

La potencia trifásica es solo tres veces una fase, y en valores de línea se vuelve √3 V_L I_L cosφ sin importar la conexión. Arrastra el indicador de factor de potencia para ver la potencia activa moverse sobre la aparente, y aprende que las sustituciones Y y Δ llegan a la misma fórmula.

La potencia instantánea de un conjunto trifásico equilibrado es constante en el tiempo, porque la pulsación de cada fase (2ω) está a 120 grados y las tres suman cero (esto es A1). Suma fases 1, 2, 3 para ver desaparecer la pulsación, y aprende que potencia constante significa par suave y constante.

En equilibrio (A1) las tres corrientes suman cero y el neutro está vacío. Cuando una fase se desvía la suma deja el cero, y el sobrante fluye como la corriente de neutro de Y I_N = I_a+I_b+I_c = 3 I_0 (secuencia cero). Arrastra la punta del fasor I_a para crear desequilibrio y aprende que el equilibrio es un punto especial.

Cuando una carga saca su corriente del paso con la tensión en φ, la potencia se divide en un triángulo rectángulo. Activa P = S cosφ (trabajo real), reactiva Q = S sinφ (solo vaivén), aparente S = VI (la hipotenusa). Arrastra φ para reformar el triángulo y aprende S² = P² + Q² y el factor de potencia cosφ = P/S.

Cancela la reactiva en atraso Q_L de una carga de bobina con la reactiva en adelanto Q_C de un condensador, y la reactiva neta Q_net = Q_L − Q_C cae, encogiendo juntas la aparente S y la corriente de línea. Arrastra el condensador para encoger el triángulo y aprende el Q_C = P(tanφ1 − tanφ2) necesario y la sobrecompensación.

El equipo se dimensiona a la demanda máxima compuesta, no a la suma de nominales. El factor de diversidad (suma de máximos / compuesto ≥ 1), el de demanda (máxima / instalada ≤ 1) y el de carga (media / máxima) miden ese hueco. Arrastra dos picos de carga fuera de paso para ver la compuesta caer bajo la suma y aprende las tres razones.

La potencia trifásica de tres hilos se mide con dos vatímetros monofásicos (Blondel: n hilos → n−1 medidores). Cada uno lee V_L I_L cos(30°∓φ), así que la suma W1+W2 = √3 V_L I_L cosφ = P (A3) y la diferencia √3(W2−W1) = Q. Arrastra la fase de la corriente para ver W1 volverse negativo bajo un factor de potencia de 0.5.

Una línea de transmisión no es un cable perfecto sino una impedancia en serie Z = R + jX. R es la resistencia del conductor, X la reactancia del campo magnético (inductancia), y en alta tensión normalmente X > R, así que el ángulo de impedancia ronda los 80 grados. Arrastra la longitud de la línea para ver crecer el triángulo de impedancia y aprende por qué un cable se comporta más como un reactor que como un resistor.

Expresa cada cantidad como razón a una base (por-unidad), y con V_base fijada en la relación de espiras el valor por-unidad de una impedancia es el mismo en ambos lados. Z_base = V_base²/S_base, Z_pu = Z/Z_base. Arrastra la relación a para ver los ohmios oscilar con a² mientras el por-unidad no se mueve.

La corriente por la línea Z=R+jX baja la tensión receptora (e ≈ I(R cosφ + X sinφ)) y la resistencia absorbe la pérdida 3I²R. Como I = P/(√3 V cosφ) a igual potencia, subir la tensión recorta la caída como 1/V y la pérdida como 1/V². Arrastra la tensión de transmisión para ver la pérdida caer pronunciada.

Al cambiar la carga la caída I·Z hunde la tensión receptora (pesada) o la sube (ligera, Ferranti). Como el término X sinφ domina, la compensación reactiva (condensador = tensión ↑, reactor = tensión ↓) y el cambio de tomas la mantienen en banda. Arrastra el condensador para subir una tensión hundida a la banda (0.95 a 1.05).

La topología de distribución fija cuánto corta una sola falla. El radial es barato pero corta todo aguas abajo, el anillo realimenta y solo cae la sección con falla, la red reencamina sin corte. Para la misma falla, cambia la topología con pestañas para ver encoger los clientes interrumpidos, y aprende el trato de comprar fiabilidad con el coste de cable y aparamenta.

Entre dos barras, la activa la empuja no la magnitud sino la diferencia de ángulo δ. En una línea de reactancia X, P = (V_s V_r / X) sin δ, la transferencia llega al máximo en δ=90° y más allá cruza el límite de estabilidad estática. La reactiva la empuja la diferencia de magnitud. Arrastra el ángulo por la curva potencia-ángulo para ver P subir y luego voltear.

Cualquier conjunto trifásico desequilibrado se descompone únicamente en tres conjuntos equilibrados — secuencia positiva, negativa y cero. I_a = I_1 + I_2 + I_0 y la cero I_0 = (I_a+I_b+I_c)/3 es el residuo de neutro de A5. Equilibrado da solo positiva; una falla desequilibrada saca negativa y cero. Arrastra la punta de I_a para ver crecer la negativa y la cero desde cero.

El tipo de falla fija la conexión de los tres circuitos de secuencia (Z1, Z2, Z0) y su impedancia combinada fija la corriente de falla. Un corto trifásico usa solo positiva (E/Z1, suele la mayor), una a tierra pone las tres en serie (3E/(Z1+Z2+Z0)), una entre líneas usa positiva y negativa (√3E/(Z1+Z2)). Cambia el tipo con pestañas para ver la conexión y la corriente, y aprende que sin camino de secuencia cero la corriente a tierra es cero.

Un relé mide corriente y tensión para juzgar una falla y envía un disparo al interruptor, que corta el arco para aislar la sección con falla. Un relé de sobrecorriente es de tiempo inverso (más rápido a más corriente), y apilar las curvas separadas por un margen da selectividad, donde el relé más cercano a la falla dispara primero. Arrastra la corriente de falla para ver la brecha de tiempo entre el relé cercano y el de respaldo.

Las renovables se conectan por un inversor (electrónica de potencia), no un generador síncrono, sincronizando activamente su salida a la frecuencia y fase de la red. La diferencia clave es la inercia: una máquina síncrona frena el cambio de frecuencia (RoCoF = ΔP/2H) pero un inversor tiene inercia ≈0. Arrastra la proporción renovable para ver que al caer la inercia la frecuencia baja más rápido y hondo tras un evento.

La frecuencia refleja el equilibrio oferta-demanda y la inercia (primaria), el regulador (secundaria) y el AGC (terciaria) restauran 60 Hz. La estabilidad transitoria es si el ángulo abierto por una falla mantiene el sincronismo. Criterio de áreas iguales: si el área desaceleradora A2 tras despejar absorbe la aceleradora A1 durante la falla (A1≤A2), el sincronismo se mantiene, si no, resbala. Arrastra el ángulo de despeje para ver la frontera del ángulo crítico y aprende que la protección rápida es estabilidad.