Para la electricidad trifásica, la onda está desfasada por 120 grados (2π/3 Rad). ¿Por qué las fases no están más cerca? ¿Es porque afectará la frecuencia de las fases? ¿Cómo se eligieron estos 120 grados?
Cuando hay 120° entre fases, la suma de los voltajes en cualquier momento será cero.
Esto significa que con una carga balanceada no circula corriente en la línea de retorno (neutro).
Además, si cada fase es de 230V con respecto al neutro (operación en estrella), entonces habrá 230V × √3 = 400V entre cualquier par de fases (operación en triángulo o delta), y también están igualmente espaciadas, es decir, a ángulos de 120°.
(imágenes de http://www.electrician2.com/electa1/electa3htm.htm)
Este es ciertamente el motivo por el cual el sistema trifásico tal como está actualmente diseñado es agradable. Creo que la razón original de por qué es como es es que es más fácil enrollar un motor con las fases de salida equidistantes.
Por supuesto, si tienes un sistema con al menos dos fases únicas, puedes derivar un equilibrado de 3 fases a partir de él (usando transformadores adecuados) y así mantener una potencia constante en una carga, pero las corrientes en la línea de transmisión resultantes serán asimétricas; con ángulos de fase desiguales tendrías que (1) vivir con una potencia instantánea variable en el tiempo, (2) subutilizar algunos de los conductores de la línea de transmisión, o (3) tener conductores de tamaño diferente. Ángulos de fase igualmente espaciados dan la solución óptima con respecto al dimensionamiento y utilización de los conductores.
La respuesta corta: porque tres fases equidistantes son más simples de trabajar (los motores y generadores no tienen que lidiar con asimetría) y más económicamente viables (los tres conductores pueden ser especificados de la misma manera) que cualquier otro sistema de tres fases.
En principio, cualquier generador de energía tiene un rotor con imanes y una bobina en la periferia, una rotación del rotor es un ciclo de 360 grados.
Supongamos que el generador tiene un imán y una bobina, entonces a medida que el imán/rotor gira una vuelta, el voltaje generado en la bobina aumenta gradualmente y alcanza su pico máximo cuando la bobina se acerca más al imán y disminuye gradualmente a medida que el imán se aleja.
Supongamos que conectamos la bombilla entonces la frecuencia de parpadeo es claramente visible. Esto se llama AC monofásica de 360 grados.
Ahora, supongamos que el generador tiene dos imanes y dos bobinas colocadas equidistantemente, entonces la frecuencia de parpadeo se aumenta, es AC de 2 fases, 360/2=180 grados.
Supongamos que el generador tiene 3 imanes y 3 bobinas colocadas equidistantemente, entonces la frecuencia de parpadeo se aumenta mucho; es AC de 3 fases con 360/3=120 grados.
si tenemos 4 imanes y 4 bobinas colocadas equidistantemente, entonces la frecuencia de parpadeo aumenta mucho más (no es visible), luego es AC de 4 fases con 360/4=90 grados, AC de 4 fases.
En la práctica, la de 3 fases es mucho más adecuada para el diseño.
Creo que esto merece muchos más votos de los que ha tenido, físicamente es más conveniente (y asumo que más eficiente) producir motores / generadores con 3 polos, lo que proporciona una entrega de potencia suave y eficiente. Apostaría a que la elección de diseño es un compromiso entre "suavidad" (más fases) y costo (menos devanados separados). Muy parecido a los compromisos en los motores de automóviles en cuanto al número de cilindros que utilizan.
Creo que vale la pena echar un vistazo a esta imagen de Wikipedia que muestra una animación de un generador de 3 fases
Al separar las fases por 120° se mantienen los picos de voltaje (por ejemplo) uniformemente espaciados. Por ejemplo, a 60 Hz los picos son cada 16.66 ms, por lo que los picos de fase A, B, C estarían separados un tercio de ese tiempo, en este patrón: A-5.55ms-B-5.55ms-C-5.55ms-A. Si se separaran las fases A y C de la B, digamos, por 100°, entonces las fases C y A estarían separadas por 160°, y el patrón de picos sería A-4.63ms-B-4.63ms-C-7.40ms-A.
Un conjunto de fases con una separación así (por ejemplo, 100°, 100°, 160°) implicaría muchas consecuencias ineficientes e innecesarias, entre las que destaca diseñar un motor de CA que pueda utilizar efectivamente los impulsos escalonados de tales picos de voltaje sincopados.
La mayor parte de la energía eléctrica se produce mediante generadores de corriente alterna.
2/3 de la energía eléctrica es utilizada por motores eléctricos de corriente alterna (energía eléctrica entra - energía mecánica sale), los cuales están construidos de manera muy similar a los generadores eléctricos (energía mecánica entra - energía eléctrica sale).
Para crear una rotación en los motores eléctricos de corriente alterna, es necesario tener devanados equidistantes en el estator alimentados por campos magnéticos equidistantes; los campos magnéticos equidistantes son creados por corrientes equidistantes (esto responde a tu pregunta sobre los 120 grados para el sistema de 3 fases).
La razón de utilizar 3 fases en lugar de 2, 6 o 12 es porque es el sistema más eficiente (tener 2 significaría más pérdidas de potencia durante la transmisión, tener 6 fases significaría transportar la energía con 6 cables en lugar de 3).
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No estoy seguro de conocer la respuesta oficial, así que solo estoy publicando como comentario en su lugar. Con tres fases, un desplazamiento de 120 grados entre cualquier dos fases es la forma natural de hacerlo, ya que 360/3 = 120. Esto facilita el trabajo, control, etc. Teóricamente, no hay razón por la que no puedas tener cualquier relación arbitraria entre las tres fases. Pero puede haber más que eso ... por ejemplo, quizás sea más fácil construir un generador de corriente alterna de tres fases para producir formas de onda de salida separadas por 120 grados ... pero no estoy seguro.