Conexión en estrella (Y) y en triángulo (Δ) de devanados trifásicos

Dos formas de conectar tres devanados

Un motor, transformador o generador trifásico tiene tres devanados idénticos, uno por fase. Cada devanado tiene dos extremos, un principio y un final, y pueden unirse de dos maneras.

• Estrella (Y): un extremo de cada devanado se une a un punto común, el punto neutro. Los otros tres extremos van a las líneas de alimentación L1, L2 y L3.
• Triángulo (Δ): los tres devanados se unen extremo con principio en un triángulo cerrado. Cada vértice del triángulo va a una línea de alimentación.

Los valores de las líneas de alimentación se llaman magnitudes de línea (V_L, I_L). Los valores entre los extremos de un devanado y a través de él se llaman magnitudes de fase (V_fase, I_fase). Las dos conexiones se diferencian en cómo se relacionan.

Conexión en estrella: V_L = √3 × V_fase

En estrella, cada línea está unida a un devanado, así que la corriente de línea es la corriente del devanado:

I_L = I_fase

La tensión de línea se mide entre dos líneas, es decir, a través de dos devanados en serie cuyas tensiones están desfasadas 120°. Su diferencia fasorial es √3 veces una tensión de fase:

V_L = √3 × V_fase

En una red de 400 V cada devanado ve por tanto 400 / √3 ≈ 231 V. Una conexión en estrella también ofrece un punto neutro, que un generador o transformador puede sacar como cuarto hilo.

Conexión en triángulo: I_L = √3 × I_fase

En triángulo, cada devanado está conectado directamente entre dos líneas, de modo que el devanado ve toda la tensión de línea:

V_fase = V_L

Cada corriente de línea se reparte en dos corrientes de devanado, desfasadas 120°, y la corriente de línea es su diferencia fasorial:

I_L = √3 × I_fase

En una red de 400 V cada devanado de una máquina conectada en triángulo ve 400 V, que es √3 veces más que en estrella. El mismo devanado con la misma tensión de línea toma por tanto √3 veces la corriente de fase y tres veces la corriente de línea y la potencia de la conexión en estrella.

La potencia tiene la misma fórmula en ambas

La potencia total es la suma de las tres potencias de fase. En estrella, 3 × V_fase × I_fase × cos φ con V_fase = V_L / √3 da

P = √3 × V_L × I_L × cos φ

En triángulo, 3 × V_fase × I_fase × cos φ con I_fase = I_L / √3 da exactamente la misma expresión. Por eso la placa de características y la fórmula de la potencia usan siempre valores de línea, sea cual sea la conexión.

El ángulo φ es el desfase entre una tensión de fase y la corriente de la misma fase, y cos φ es el factor de potencia.

La caja de bornes y la placa de 230/400 V

Un motor estándar lleva los dos extremos de cada devanado a la caja de bornes: U1, V1, W1 son los principios y U2, V2, W2 son los finales. Se disponen en dos filas, con U1, V1, W1 bajo W2, U2, V2.

• Estrella: tres puentes unen U2, V2 y W2 entre sí. La alimentación va a U1, V1 y W1.
• Triángulo: tres puentes unen los bornes situados uno encima de otro (U1 con W2, V1 con U2, W1 con V2). La alimentación va a los tres puntos de los puentes.

La placa de características indica qué conexión conviene a cada alimentación, por ejemplo Δ/Y 230/400 V. Cada devanado está diseñado para 230 V. Con una alimentación de 230 V entre líneas se usa el triángulo, y con una de 400 V entre líneas se usa la estrella. En ambos casos el devanado ve 230 V, así que el motor produce el mismo par, velocidad y potencia. Una placa de motor marcada 400/690 V Δ/Y sigue la misma regla para redes de 400 V y 690 V.

Conectar un motor de 230/400 V en triángulo a 400 V pone 400 V en devanados diseñados para 230 V. La corriente aumenta bruscamente y el devanado se sobrecalienta.

Ejemplo resuelto

Un motor de 4 kW está marcado Δ/Y 230/400 V, 8,2 A a 400 V, cos φ = 0,82, y funciona en una red de 400 V, así que se conecta en estrella.

1. Tensión del devanado: V_fase = 400 / √3 ≈ 231 V. 2. Corriente del devanado: I_fase = I_L = 8,2 A. 3. Potencia de entrada: P = √3 × 400 × 8,2 × 0,82 ≈ 4,66 kW. Con 4 kW en el eje, el rendimiento es de aproximadamente el 86 %.

Veamos ahora el mismo motor en una red de 230 V, conectado en triángulo. Cada devanado sigue viendo 230 V y llevando 8,2 A, así que la corriente de línea es

I_L = √3 × I_fase = 1,732 × 8,2 ≈ 14,2 A

y P = √3 × 230 × 14,2 × 0,82 ≈ 4,64 kW, lo mismo salvo redondeo. La tensión más baja requiere más corriente de línea para la misma potencia.

Por último, el arranque estrella-triángulo. Tome un motor marcado Δ/Y 400/690 V en una red de 400 V. Funciona en triángulo, con 400 V en cada devanado. Para el arranque, los devanados se conectan primero en estrella, de modo que cada uno recibe 400 / √3 ≈ 231 V, que es 1/√3 de la tensión de funcionamiento. La corriente de fase disminuye en 1/√3, y como la corriente de línea en estrella es igual a la de fase, la corriente de línea es 1/√3 × 1/√3 = 1/3 del valor del arranque directo. El par sigue el cuadrado de la tensión del devanado, así que también baja a 1/3.

Pruébelo en el simulador del motor de inducción trifásico

El simulador no tiene un conmutador para la conexión de la caja de bornes; el motor se describe por sus valores de línea. Sin embargo, sí modela la conexión estrella-triángulo en el método de arranque. Abra el simulador del motor de inducción trifásico y mantenga el motor predeterminado de 4 kW, 400 V, 8,2 A y cuatro polos.

• En Método de arranque, elija Directo y anote las lecturas Corriente de arranque máxima (× In) y Tiempo de arranque.
• Cambie a Estrella-triángulo. El simulador aplica 1/√3 de la tensión hasta el tiempo de conmutación (3 s por defecto, fijado por Tiempo de conmutación a tensión plena) y después la tensión plena. La gráfica marca el cambio con la etiqueta Y→Δ.
• Compare la Corriente de arranque máxima (× In) de los dos arranques. Durante la etapa en estrella la corriente de línea es aproximadamente un tercio de la del arranque directo; el pico tras la conmutación a triángulo puede ser mayor que eso, así que compare la lectura con la forma de la curva de corriente.
• Suba la Carga mecánica con el arranque estrella-triángulo. Como solo hay un tercio del par disponible durante la etapa en estrella, espere un Tiempo de arranque más largo con carga elevada.

El simulador del motor de inducción de rotor bobinado tiene el mismo control Método de arranque. El modelo 3D del motor incluye una tapa de caja de bornes, pero los puentes de estrella y triángulo en sí no se modelan.

Pruébalo en el simulador