La alimentación de corriente alterna (CA) trifásica se utiliza comúnmente para suministrar electricidad a los centros de datos, así como a los edificios comerciales e industriales que albergan maquinaria que consume mucha energía. Hay un buen motivo para ello, porque la alimentación trifásica puede ofrecer más potencia con mayor eficiencia, en comparación con la alimentación CA monofásica. La CA monofásica se utiliza comúnmente en la mayoría de aplicaciones domésticas y comerciales ligeras, como iluminación y electrodomésticos pequeños. En esta página, explicaremos por qué es así y las diferencias clave entre los sistemas de potencia monofásica y trifásica.
Por qué necesitamos la alimentación trifásica
La capacidad de suministrar cantidades cada vez mayores de energía es especialmente importante, ya que los centros de datos y las salas de servidores siguen experimentando densidades más altas. Los sistemas informáticos más potentes se están integrando en los mismos espacios que antes alojaban servidores que solo consumían una fracción de la energía eléctrica de exigida por las redes y los ordenadores actuales.
No hace mucho tiempo, un solo rack informático de 10 servidores consumía un total de cinco kilovatios (kW) de energía. Hoy, ese mismo rack puede contener docenas de servidores que consumen colectivamente 20 o 30 kW. En ese tipo de niveles, naturalmente se quiere dar prioridad a la eficiencia, ya que incluso un pequeño porcentaje de mejora en el consumo energético significará ahorros significativos en dólares con el tiempo.
El cableado es otro problema. Considere un rack de 15 kW. Con una alimentación monofásica de 120 voltios CA (VAC), se necesitan 125 amperios para alimentar el rack, lo cual requeriría un cable de casi un cuarto de pulgada de diámetro (AWG 4), — demasiado grueso para trabajarlo fácilmente, sin mencionar el precio. Debido a que la alimentación trifásica es más eficiente, puede suministrar la misma potencia (y más) con un cableado más delgado. Para soportar el mismo rack de 15 kW con alimentación trifásica, se necesitan tres cables capaces de suministrar 42 A (AWG 10), cada uno con un tamaño — menor a una décima parte de pulgada de diámetro.
Explicación de la corriente alterna monofásica
Entonces, ¿qué es exactamente la corriente trifásica? ¿Y dónde deberíamos usarla?
Antes de profundizar en esa discusión, es útil comenzar con una comprensión de la alimentación CA monofásica.
La alimentación CA 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 CA, la corriente de alimentación o el voltaje se invierten periódicamente, y fluye en un sentido en el cable caliente que suministra alimentación a la carga y de manera contraria en el cable neutro. Se produce un ciclo de alimentación completo durante un cambio de fase de 360 grados y el voltaje se invierte 50 o 60 veces por segundo, dependiendo del sistema en uso en diferentes partes del mundo. En Norteamérica, es 60 veces o 60 hertzios (Hz).
Es importante destacar que las dos patas que transportan corriente están siempre separadas 180 grados. Para visualizar esto, piense en la potencia como si fuera 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 (consulte la Figura 1). Durante estos casos, no se suministra energía a la carga.
Figura 1
Estas interrupciones tan breves no suponen ninguna diferencia para las aplicaciones de edificios residenciales y comerciales, como los entornos de oficina, pero tienen implicaciones significativas para los motores que alimentan maquinaria grande, así como computadoras y otros equipos de TI.
Adentrándonos en la potencia trifásica
Como su nombre lo indica, los sistemas de potencia de alimentación trifásica proporcionan tres corrientes separadas, cada una separada por un tercio del tiempo que se tarda en completar un ciclo completo. Sin embargo, a diferencia de la alimentación monofásica, donde las dos patas calientes están siempre separadas a 180 grados, con la trifásica, las corrientes están separadas por 120 grados.
En la Figura 2 que se muestra a continuación, se puede ver que cuando una línea está en su corriente máxima y las otras dos no lo están. Por ejemplo, cuando la fase 1 está en su pico positivo, las fases 2 y 3 están ambas en -0.5. Esto significa que, a diferencia de la corriente monofásica, no hay ningún punto en el que no se esté suministrando energía a la carga. De hecho, en seis posiciones diferentes en cada fase, una de las líneas está en la posición positiva o negativa máxima.
Para fines prácticos, esto significa que la cantidad colectiva de energía suministrada por las tres corrientes permanece constante; no tiene picos ni valles cíclicos como con la monofásica.
Las computadoras y muchos motores utilizados en maquinaria pesada están diseñados con esto en cuenta. Pueden consumir una corriente de potencia constante, en lugar de tener que tener en cuenta la variación inherente a la alimentación CA monofásica. Como resultado, consumen menos energía.
Como analogía, piense 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 uniforme, constante y eficiente.
Figura 2
Ventajas de la alimentación trifásica
Entre los beneficios que aporta la alimentación trifásica se encuentra la capacidad de suministrar casi el doble de potencia que los sistemas monofásicos sin necesidad del doble de cables. No es el triple de potencia que uno podría esperar, porque en la práctica, normalmente se toma una línea directa y se conecta a otra línea directa.
Para comprender cómo la alimentación trifásica proporciona más potencia, hay que aplicar las matemáticas La fórmula para la potencia monofásica es Potencia = Voltaje (V) x Corriente (I) x Factor de potencia (FP). Si asumimos que la carga en el circuito es solo resistiva, el factor de potencia es unitario (o uno) que reduce la fórmula a P = V x I. Si consideramos un circuito de 120 voltios que soporta 20 A, la potencia es igual a 2400 vatios.
La fórmula para la potencia monofásica es Potencia = Voltaje (V) x Corriente (I) x Factor de potencia (FP) x raíz cuadrada de tres. Si asumimos que la carga en el circuito es solo resistiva, el factor de potencia es unitario (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 soporta 20 A, la fórmula funciona a 120 V x 20 A x 1.732 = 4157 W. Así es como la alimentación trifásica puede ofrecer casi el doble de potencia que los sistemas monofásicos. Este es un ejemplo simplificado, pero se puede utilizar para investigar la potencia adicional disponible de los circuitos que soportan voltajes más altos (por ejemplo, 208 o 480 voltios) o corrientes (por ejemplo, 30 amperios o más).
Este tipo de capacidad resulta útil cuando se trata de alimentar racks de equipos de TI. Mientras que en algún tiempo la norma fue utilizar energía monofásica con un rack, a medida que aumentan las densidades en los racks de TI, esto se vuelve menos factible y práctico. Todo el cableado, los conductores y los enchufes se hacen más grandes, más costosos y cada vez más difíciles de trabajar.
La entrega de alimentación trifásica directamente al rack de servidores le permite utilizar cableado y otros componentes menos costosos, todo mientras proporciona más alimentación. Sin embargo, es necesario prestar atención a la carga en cada circuito para garantizar que estén equilibrados y no excedan la capacidad del circuito.
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