La alimentación eléctrica trifásica de corriente alterna (CA) se utiliza habitualmente para suministrar electricidad a centros de datos, así como a edificios comerciales e industriales que albergan maquinaria de gran consumo eléctrico. Hay un buen motivo para ello, porque la alimentación eléctrica trifásica puede proporcionar más potencia con mayor eficiencia, a diferencia de la corriente alterna monofásica. La alimentación eléctrica monofásica se usa habitualmente en la mayoría de las aplicaciones domésticas y comerciales ligeras, como la iluminación y los pequeños electrodomésticos. En esta página te explicaremos por qué es así y cuáles son las principales diferencias entre los sistemas de alimentación monofásicos y trifásicos.
Por qué necesitamos alimentación eléctrica trifásica
La capacidad de proporcionar cantidades cada vez mayores de energía es especialmente importante a medida que los centros de datos y las salas de servidores siguen registrando mayores densidades. Los sistemas informáticos más potentes se están integrando en los mismos espacios que antes albergaban servidores que solo utilizaban una fracción de la energía eléctrica que demandan los ordenadores y redes actuales.
No hace mucho tiempo, un solo rack informático de 10 servidores consumiría un total de cinco kilovatios (kW) de potencia. Hoy en día, ese mismo rack puede albergar docenas de servidores que consumen colectivamente entre 20 y 30 kW. A esos niveles, es natural que quieras dar prioridad a la eficiencia, ya que incluso un pequeño porcentaje de mejora en el consumo de potencia significa un importante ahorro económico a lo largo del tiempo.
El cableado es otro problema. Considera un rack de 30 kW. Usando alimentación eléctrica monofásica a 240 VCA, se necesitan 125 A para alimentar el rack, lo que requeriría un cable de 25 mm2, demasiado grueso para trabajar con facilidad, por no hablar de su coste. Como la alimentación eléctrica trifásica es más eficiente, puede proporcionar la misma potencia (y más) mediante un cableado más pequeño. Para admitir el mismo rack de 30 kW con alimentación eléctrica trifásica se necesitan tres cables capaces de suministrar 42 A (4 mm2), que son una fracción del tamaño.
La corriente alterna monofásica explicada
Entonces, ¿qué es exactamente la alimentación eléctrica trifásica? ¿Y dónde deberíamos usarla?
Antes de profundizar en esa discusión, es interesante empezar por entender qué es la corriente alterna monofásica.
La corriente alterna monofásica utiliza un sistema de suministro de tres cables que consta de un cable “caliente”, un cable neutro y una conexión a tierra. Con la alimentación eléctrica de corriente alterna (CA), la corriente o la tensión de alimentación eléctrica se invierten periódicamente, fluyendo de una forma en el cable caliente que suministra alimentación a la carga y de otra forma en el cable neutro. Se produce un ciclo de alimentación completo durante un cambio de fase de 360 grados, y la tensión se invierte 50 o 60 veces por segundo, dependiendo del sistema en uso en diferentes partes del mundo. En EMEA, es 50 veces o 50 hercios (Hz).
Lo importante es que las dos fases portadoras de corriente estén siempre separadas 180 grados. Para visualizar esto, piensa en la potencia como en una onda, técnicamente una onda sinusoidal con una frecuencia y amplitud definidas. En cada ciclo, las ondas de cada cable pasan a través de la amplitud cero dos veces al mismo tiempo (consulta la Figura 1). Durante estos casos, no se suministra alimentación a la carga.
Figura 1
Estas interrupciones, siempre breves, no marcan ninguna diferencia para las aplicaciones de edificios residenciales y comerciales, como entornos de oficina, pero tienen implicaciones significativas para los motores que alimentan grandes maquinarias, así como ordenadores y otros equipos informáticos.
Profundizar en la alimentación eléctrica trifásica
Como su nombre indica, los sistemas de alimentación eléctrica trifásica proporcionan tres corrientes separadas, cada una separada por un tercio del tiempo que se tarda en completar un ciclo completo. Pero, a diferencia de la monofásica, donde las dos fases están siempre separadas a 180 grados, con la trifásica, las corrientes están separadas por 120 grados.
En la figura 2, a continuación, verás que cuando cualquier línea está en su corriente máxima, las otras dos no lo están. Por ejemplo, cuando la fase 1 está en su pico positivo, las fases 2 y 3 están en -0,5. Esto significa que, a diferencia de la corriente monofásica, no hay ningún punto en el que no se suministre alimentación eléctrica a la carga. De hecho, en seis posiciones diferentes en cada fase, una de las líneas está en su máximo positivo o negativo.
A efectos prácticos, esto significa que la cantidad colectiva de energía suministrada por las tres corrientes permanece constante; no hay picos ni valles cíclicos como con la monofásica.
Los ordenadores y muchos motores utilizados en maquinaria pesada están diseñados teniendo esto en cuenta. Pueden consumir un flujo de energía constante, en lugar de considerar la variación inherente a la energía de CA monofásica. Como resultado, consumen menos energía.
Como analogía, piensa en un motor de un solo cilindro frente a uno de tres cilindros. Ambos funcionan en un modelo de cuatro tiempos (entrada, compresión, potencia, escape). Con un motor de un solo cilindro, solo se obtiene un ciclo de “potencia” por cada cuatro carreras del cilindro, lo que proporciona un suministro de potencia bastante desigual. Un motor de tres tiempos, por el contrario, proporcionará potencia en tres fases alternas (de nuevo separadas por 120 grados), para una potencia más suave, constante y eficiente.
Figura 2
Ventajas de la alimentación eléctrica trifásica
Entre las ventajas que aporta la alimentación eléctrica trifásica se encuentra la capacidad de suministrar casi el doble de potencia que los sistemas monofásicos sin necesidad de duplicar el número de cables. No es el triple de potencia, como uno podría esperar, porque en la práctica, normalmente tomas un conductor activo y lo conectas a otro.
Para entender cómo la trifásica proporciona más potencia, tienes que hacer cuentas. La fórmula para la alimentación eléctrica monofásica es Potencia = Tensión (V) x Corriente (I) x Factor de potencia (PF). Si asumimos que la carga en el circuito es solo resistiva, el factor de potencia es unidad (o uno) que reduce la fórmula a P = V x I. Si consideramos un circuito de 120 V que admite 20 A, la potencia es igual a 2400 W.
La fórmula para la potencia de un circuito trifásico es Potencia = Tensión (V) x Corriente (I) x Factor de potencia (PF) x raíz cuadrada de tres. Si asumimos que la carga en el circuito es solo resistiva, el factor de potencia es la unidad (o uno) que reduce la fórmula a P = V x I x raíz cuadrada de tres. Si consideramos un circuito trifásico de 120 V y cada fase admite 20 A, la fórmula funciona a 120 V x 20 A x 1,732 = 4157 W. Así es como los sistemas trifásicos pueden proporcionar casi el doble de potencia que los sistemas monofásicos. Este es un ejemplo simplificado, pero puede usarse para investigar la potencia adicional disponible de los circuitos que soportan tensiones (p. ej., 415 V) o corrientes (p. ej., 30 A o más).
Este tipo de capacidad resulta útil cuando se trata de alimentar racks de equipos informáticos. Mientras que antes lo normal era utilizar alimentación eléctrica monofásica para un rack, a medida que aumenta la densidad de los racks informáticos, resulta menos factible y práctico. Todo el cableado, los conductores y las tomas se vuelven más grandes, más caros y cada vez más difíciles de manejar.
Suministrar alimentación eléctrica trifásica directamente al rack del servidor permite utilizar un cableado y otros componentes menos costosos y, al mismo tiempo, suministrar más potencia. Sin embargo, requiere prestar atención a la carga en cada circuito para garantizar que estén equilibrados y no superen la capacidad del circuito.
Para obtener más información sobre cómo funciona la alimentación eléctrica trifásica y qué beneficios aporta, visita: https://www.vertiv.com/en-us/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups.
