¿Por qué transmisión de potencia trifásica y no monofásica?

¿Por qué la transmisión de potencia utiliza tres líneas con tres fases diferentes? ¿Por qué no tres líneas todas en la misma fase? ¿Tiene que ver con los alternadores utilizados para generar la energía, o hay menos pérdida cuando las fases de las tres líneas son todas diferentes?

^{Mi pregunta es algo al contrario de " ¿Por qué la potencia trifásica? ¿Por qué no un mayor número de fases? " (Cf. " ¿Por qué la compensación trifásica es 120 grados? ").}

¿Por qué no tres líneas todas en la misma fase?

1. Porque entonces no hay camino de regreso.
2. Porque la fase única no tiene "rotación". Trifásico hace que sea muy sencillo hacer un motor rotativo con secuencia de fase que determine la dirección de rotación. Intercambia dos fases y la dirección se invierte.

¿Hay menos pérdida cuando las fases de las tres líneas son todas diferentes?

1. La distribución de energía trifásica requiere menos cobre o aluminio para transferir la misma cantidad de energía en comparación con la energía monofásica.
2. El tamaño de un motor trifásico es más pequeño que el de un motor monofásico de la misma clasificación.
3. Los motores trifásicos se inician automáticamente, ya que pueden producir un campo magnético giratorio. El motor monofásico requiere un devanado de arranque especial ya que produce solo un campo magnético pulsante.
4. En motores monofásicos, la potencia transferida en los motores es una función de la potencia instantánea que varía constantemente. En trifásico, la potencia instantánea es constante.
5. Los motores monofásicos son más propensos a las vibraciones. Sin embargo, en los motores trifásicos, la potencia transferida es uniforme durante todo el ciclo y, por lo tanto, las vibraciones se reducen considerablemente.
6. Los motores trifásicos tienen una mejor regulación del factor de potencia.
7. Trifásico permite la rectificación de CC eficiente con baja ondulación.

Figura 1. DC resultante del rectificador trifásico.

8. Los generadores también se benefician al presentar una carga mecánica constante durante toda la revolución, maximizando así la potencia y también minimizando la vibración.

Buena respuesta de @Transistor. Para agregar un poco más: -

La trifásica es inherentemente corriente y voltaje balanceados desde un punto de vista que genera interferencia. En cualquier punto en el tiempo (y una carga razonablemente equilibrada) la emisión magnética es baja porque todos los campos magnéticos se cancelan debido a las corrientes que se equilibran.

Existe un equilibrio de voltaje neto en el campo lejano cercano, importante para reducir la EMI. Esto no es cierto para un cable monofásico y de retorno porque el campo de voltaje de CA neto visto en el campo lejano cercano es la mitad del campo de CA en el terminal activo. Esto puede generar EMI.

Claramente, puede argumentar que, en condiciones de desequilibrio, habrá un campo magnético neto pero, para contrarrestar esto, en una línea de transmisión de alta potencia grande, el desequilibrio normalmente será solo un pequeño porcentaje máximo:

Entonces, para una carga equilibrada de 30 A (por fase), debido al equilibrio de 120 grados, la suma neta de los tres fasores de corriente individuales es cero.

Otro beneficio es que cuando se convierte a CC, la fase 3 produce un voltaje de ondulación mucho más bajo debido al hecho de que siempre hay dos diodos conductores:

Centraré mi respuesta solo en la transmisión, sin explicar por qué la fase 3 es útil en general porque otras respuestas lo hicieron.

La transmisión del poder es un compromiso. Un compromiso entre la eficiencia de transmisión y la facilidad de conversión. La forma más eficiente de transmitir energía eléctrica es DC. Es por eso que la mayoría de las líneas súper largas son HVDC (corriente continua de alto voltaje). Sin embargo, DC es el peor para convertirlo a HV cuando desea enviarlo desde la estación de energía, y de regreso a LV cuando desea alimentarlo a los consumidores.

La CA, por otro lado, es muy conveniente para convertir, simplemente coloque un transformador. Sin embargo, la transmisión apesta. P.ej. La CA irradia parte de la energía, pero esa no es la principal preocupación. Si observa el gráfico sinusoidal, se dará cuenta de que el cable de CA en realidad no funciona el 100% del tiempo. Mientras que el cable de CC lleva corriente útil todo el tiempo (uno puede pensar en CC como 100% de ciclo de trabajo PWM), el cable de CA lleva corriente solo una parte del tiempo. Esto significa que para el mismo voltaje pico (que dicta el costo de aislar la línea) y para el mismo pico de corriente (que dicta el tamaño y el costo de los conductores), la CA puede transmitir solo una parte de la energía.

Aquí viene la idea de múltiples fases. Por supuesto, la fase múltiple sola no significa nada, puede tener 3 fases en 6 conductores (3 pares completamente independientes entre sí). La clave aquí es compartir los cables entre fases. Es como una litera caliente en un barco de guerra: 2 marineros comparten 1 litera, cuando un chico se despierta y comienza su turno, el otro termina su turno y se duerme. El punto es no tener una litera vacía solo desperdiciando espacio, y la CA trifásica funciona con el mismo concepto: en el momento en que una fase "descansa", otra fase está reutilizando uno de sus cables para transmitir su propia corriente. A primera vista, no está claro porque es muy fluido, uno cae hacia 0 mientras que los otros se elevan, y nunca hay un momento en que una fase como un cable se haga sola. Pero el punto es reutilizar el tiempo de inactividad de los cables.

¿Por qué 3? Debido a que 2 es demasiado pequeño, no puede tener 2 fases en 2 cables. 3 es el número mínimo de fases que pueden compartir todos los cables. ¿Por qué compensar? Porque una fase en X conductores es lo mismo que 1 conductor X veces más grueso.

Cuando compara el sistema trifásico con un sistema monofásico, puede ver claramente que al agregar solo un 50% más de cables obtiene 3 veces más corriente.

La transmisión trifásica utiliza los cables DOS VECES con la misma eficacia que la monofásica. Por lo tanto, puede usar la mitad de cobre al construir la línea.