Energia elétrica trifásica - Three-phase electric power

Transformador trifásico com saída de quatro fios para serviço 208Y / 120 volts: um fio para neutro, outro para fases A, B e C

A energia elétrica trifásica (abreviada como 3φ ) é um tipo comum de corrente alternada usada na geração , transmissão e distribuição de eletricidade . É um tipo de sistema polifásico que emprega três fios (ou quatro, incluindo um fio de retorno neutro opcional) e é o método mais comum usado por redes elétricas em todo o mundo para transferir energia.

A energia elétrica trifásica foi desenvolvida na década de 1880 por várias pessoas. A alimentação trifásica funciona quando a tensão e as correntes estão 120 graus defasadas nos três fios. Como um sistema CA, ele permite que as tensões sejam facilmente aumentadas usando transformadores para alta tensão para transmissão, e de volta para distribuição, proporcionando alta eficiência.

Um circuito trifásico de três fios é geralmente mais econômico do que um circuito monofásico de dois fios equivalente na mesma linha para a tensão de aterramento porque usa menos material condutor para transmitir uma determinada quantidade de energia elétrica. A energia trifásica é usada principalmente para alimentar grandes motores e outras cargas pesadas. Cargas pequenas geralmente usam apenas um circuito monofásico de dois fios, que pode ser derivado de um sistema trifásico.

Terminologia

Os condutores entre uma fonte de tensão e uma carga são chamados de linhas, e a tensão entre quaisquer duas linhas é chamada de tensão de linha . A tensão medida entre qualquer linha e o neutro é chamada de tensão de fase . Por exemplo, para um serviço de 208/120 volts, a tensão da linha é 208 Volts e a tensão da fase é 120 Volts.

História

Os sistemas de energia polifásicos foram inventados de forma independente por Galileo Ferraris , Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Jonas Wenström , John Hopkinson e Nikola Tesla no final da década de 1880.

O primeiro motor AC do mundo do físico italiano Galileo Ferraris. Este era um motor de 2 fases e requer 4 fios, o que é menos eficiente. Os motores e geradores trifásicos foram desenvolvidos adicionando bobinas extras e conectando alguns dos fios

A energia trifásica evoluiu a partir do desenvolvimento do motor elétrico. A Ferraris pesquisou independentemente o campo magnético rotativo em 1885. A Ferraris fez experiências com diferentes tipos de motores elétricos assíncronos. A pesquisa e seus estudos resultaram no desenvolvimento de um alternador , que pode ser pensado como um motor de corrente alternada operando ao contrário, de modo a converter energia mecânica (giratória) em energia elétrica (como corrente alternada).

Em 11 de março de 1888, Ferraris publicou sua pesquisa em um artigo para a Royal Academy of Sciences em Torino (dois meses depois, Nikola Tesla ganhou a patente americana 381.968 , pedido apresentado em 12 de outubro de 1887. Número de série 252.132). Esses alternadores operavam criando sistemas de correntes alternadas deslocadas umas das outras em fase por quantidades definidas e dependiam de um campo magnético giratório para sua operação. A fonte resultante de energia polifásica logo encontrou ampla aceitação. A invenção do alternador polifásico é fundamental na história da eletrificação, assim como o transformador de potência . Essas invenções permitiram que a energia fosse transmitida por fios de maneira econômica a distâncias consideráveis. A energia polifásica possibilitou o uso de energia hídrica (por meio de usinas de geração hidrelétrica em grandes barragens) em locais remotos, permitindo assim que a energia mecânica da queda d'água fosse convertida em eletricidade, que então poderia ser alimentada a um motor elétrico em qualquer local onde trabalho mecânico precisava ser feito. Essa versatilidade gerou o crescimento das redes de transmissão de energia em continentes ao redor do globo.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desenvolveu o gerador elétrico trifásico e um motor elétrico trifásico (1888) e estudou as conexões estrela e delta . O triunfo do sistema trifásico foi exibido na Europa na Exposição Eletrotécnica Internacional de 1891, onde Dolivo-Dobrovolsky usou este sistema para transmitir energia elétrica a uma distância de 176 km com 75% de eficiência . Em 1891, ele também criou um transformador trifásico e um motor de indução em curto-circuito ( gaiola de esquilo ) . Ele projetou a primeira usina hidrelétrica trifásica do mundo em 1891.

Princípio

Formas de onda normalizadas das tensões instantâneas em um sistema trifásico em um ciclo com o tempo aumentando para a direita. A ordem das fases é 1-2-3. Este ciclo se repete com a frequência do sistema de energia. Idealmente, a tensão , corrente e potência de cada fase são compensadas das outras em 120 °.

Linhas de transmissão de energia elétrica trifásica

Transformador trifásico (Békéscsaba, Hungria): à esquerda estão os fios primários e à direita estão os fios secundários

Em um sistema de alimentação trifásico simétrico, três condutores carregam, cada um, uma corrente alternada de mesma frequência e amplitude de tensão em relação a uma referência comum, mas com uma diferença de fase de um terço de um ciclo (ou seja, 120 graus fora de fase) entre cada. A referência comum geralmente é conectada ao aterramento e, freqüentemente, a um condutor condutor de corrente denominado neutro. Devido à diferença de fase, a tensão em qualquer condutor atinge seu pico em um terço de um ciclo após um dos outros condutores e um terço de um ciclo antes do condutor restante. Este atraso de fase fornece transferência de potência constante para uma carga linear balanceada. Também torna possível produzir um campo magnético giratório em um motor elétrico e gerar outros arranjos de fase usando transformadores (por exemplo, um sistema bifásico usando um transformador Scott-T ). A amplitude da diferença de tensão entre duas fases é (1,732 ...) vezes a amplitude da tensão das fases individuais. ${\ displaystyle {\ sqrt {3}}}$

Os sistemas trifásicos simétricos descritos aqui são simplesmente referidos como sistemas trifásicos porque, embora seja possível projetar e implementar sistemas de energia trifásicos assimétricos (ou seja, com tensões ou mudanças de fase desiguais), eles não são usados ​​na prática porque carecem das vantagens mais importantes dos sistemas simétricos.

Em um sistema trifásico alimentando uma carga linear e equilibrada, a soma das correntes instantâneas dos três condutores é zero. Em outras palavras, a corrente em cada condutor é igual em magnitude à soma das correntes nos outros dois, mas com sinal oposto. O caminho de retorno para a corrente em qualquer condutor de fase são os outros dois condutores de fase.

A transferência de potência constante e o cancelamento das correntes de fase são possíveis com qualquer número (maior que um) de fases, mantendo a relação capacidade-material condutor que é o dobro da potência monofásica. No entanto, duas fases resultam em uma corrente menos suave (pulsante) para a carga (tornando a transferência de energia suave um desafio) e mais de três fases complicam a infraestrutura desnecessariamente.

Os sistemas trifásicos podem ter um quarto fio, comum na distribuição de baixa tensão. Este é o fio neutro . O neutro permite que três fontes monofásicas separadas sejam fornecidas em uma tensão constante e é comumente usado para fornecer várias cargas monofásicas . As conexões são organizadas de modo que, na medida do possível em cada grupo, a mesma potência seja extraída de cada fase. Mais acima no sistema de distribuição , as correntes geralmente são bem equilibradas. Os transformadores podem ser conectados para ter um secundário de quatro fios e um primário de três fios, enquanto permitem cargas desequilibradas e as correntes neutras do lado secundário associadas.

Sequência de fase

A fiação para as três fases é normalmente identificada por cores que variam de acordo com o país. As fases devem ser conectadas na ordem correta para atingir o sentido de rotação pretendido dos motores trifásicos. Por exemplo, bombas e ventiladores não funcionam ao contrário. A manutenção da identidade das fases é necessária se duas fontes puderem ser conectadas ao mesmo tempo; uma interconexão direta entre duas fases diferentes é um curto-circuito .

Vantagens

Em comparação com uma fonte de alimentação CA monofásica que usa dois condutores (fase e neutro ), uma fonte trifásica sem neutro e a mesma tensão fase-terra e capacidade de corrente por fase podem transmitir três vezes mais energia usando apenas 1,5 vezes mais fios (ou seja, três em vez de dois). Assim, a relação entre a capacidade e o material condutor é duplicada. A proporção da capacidade para o material condutor aumenta para 3: 1 com um sistema trifásico não aterrado e um sistema monofásico aterrado centralmente (ou 2,25: 1 se ambos empregarem aterramentos da mesma bitola dos condutores).

Os suprimentos trifásicos têm propriedades que os tornam desejáveis ​​em sistemas de distribuição de energia elétrica:

• As correntes de fase tendem a se anular, somando zero no caso de uma carga linear equilibrada. Isso torna possível reduzir o tamanho do condutor neutro porque ele transporta pouca ou nenhuma corrente. Com uma carga balanceada, todos os condutores de fase carregam a mesma corrente e, portanto, podem ter o mesmo tamanho.
• A transferência de potência para uma carga linear equilibrada é constante. Em aplicações de motor / gerador, isso ajuda a reduzir as vibrações.
• Os sistemas trifásicos podem produzir um campo magnético giratório com uma direção especificada e magnitude constante, o que simplifica o projeto de motores elétricos, já que nenhum circuito de partida é necessário.

A maioria das cargas domésticas são monofásicas. Em residências na América do Norte, a energia trifásica pode alimentar um bloco de apartamentos, enquanto as cargas domésticas são conectadas como monofásicas. Em áreas de baixa densidade, uma única fase pode ser usada para distribuição. Alguns aparelhos domésticos de alta potência, como fogões elétricos e secadoras de roupas, são alimentados por um sistema de fase dividida a 240 volts ou por duas fases de um sistema trifásico a 208 volts.

Geração e distribuição

Animação de corrente trifásica

Imagem à esquerda: alternador trifásico de seis fios elementar com cada fase usando um par separado de fios de transmissão. Imagem à direita: alternador trifásico trifásico elementar mostrando como as fases podem compartilhar apenas três fios.

Na estação de energia , um gerador elétrico converte a energia mecânica em um conjunto de três correntes elétricas AC , uma de cada bobina (ou enrolamento) do gerador. Os enrolamentos são dispostos de modo que as correntes estejam na mesma frequência, mas com os picos e vales de suas formas de onda compensados ​​para fornecer três correntes complementares com uma separação de fase de um terço do ciclo ( 120 ° ou 2π ⁄ 3 radianos ). A frequência do gerador é normalmente 50 ou 60 Hz , dependendo do país.

Na usina, os transformadores mudam a tensão dos geradores para um nível adequado para transmissão , a fim de minimizar as perdas.

Após outras conversões de tensão na rede de transmissão, a tensão é finalmente transformada para a utilização padrão antes que a energia seja fornecida aos clientes.

A maioria dos alternadores automotivos gera CA trifásico e o retifica para CC com uma ponte de diodo .

Conexões de transformador

Um enrolamento de transformador conectado em "delta" é conectado entre as fases de um sistema trifásico. Um transformador "estrela" conecta cada enrolamento de um fio de fase a um ponto neutro comum.

Um único transformador trifásico pode ser usado ou três transformadores monofásicos.

Em um sistema "delta aberto" ou "V", apenas dois transformadores são usados. Um delta fechado feito de três transformadores monofásicos pode operar como um delta aberto se um dos transformadores falhar ou precisar ser removido. Em delta aberto, cada transformador deve levar corrente para suas respectivas fases e também corrente para a terceira fase, portanto a capacidade é reduzida para 87%. Com um dos três transformadores faltando e os dois restantes com 87% de eficiência, a capacidade é 58% ( 2 ⁄ 3 de 87%).

Onde um sistema alimentado em delta deve ser aterrado para detecção de corrente parasita para o aterramento ou proteção contra sobretensões, um transformador de aterramento (geralmente um transformador em zigue - zague ) pode ser conectado para permitir que as correntes de falha de aterramento retornem de qualquer fase para o aterramento. Outra variação é um sistema delta "aterrado em canto", que é um delta fechado que é aterrado em uma das junções dos transformadores.

Circuitos de três e quatro fios

Circuitos estrela (Y) e delta (Δ)

Existem duas configurações trifásicas básicas: estrela (Y) e delta (Δ). Conforme mostrado no diagrama, uma configuração delta requer apenas três fios para transmissão, mas uma configuração estrela (estrela) pode ter um quarto fio. O quarto fio, se houver, é fornecido como neutro e normalmente é aterrado. As designações de três e quatro fios não contam o fio terra presente acima de muitas linhas de transmissão, que é exclusivamente para proteção de falha e não transporta corrente em uso normal.

Um sistema de quatro fios com tensões simétricas entre fase e neutro é obtido quando o neutro é conectado ao "ponto estrela comum" de todos os enrolamentos de alimentação. Nesse sistema, todas as três fases terão a mesma magnitude de tensão em relação ao neutro. Outros sistemas não simétricos foram usados.

O sistema estrela de quatro fios é usado quando uma mistura de cargas monofásicas e trifásicas deve ser servida, como iluminação mista e cargas do motor. Um exemplo de aplicação é a distribuição local na Europa (e em outros lugares), onde cada cliente pode ser alimentado apenas por uma fase e o neutro (que é comum às três fases). Quando um grupo de clientes que compartilha o neutro consome correntes de fase desiguais, o fio neutro comum carrega as correntes resultantes desses desequilíbrios. Os engenheiros elétricos tentam projetar o sistema de energia trifásico para qualquer local de forma que a energia retirada de cada uma das três fases seja a mesma, tanto quanto possível naquele local. Os engenheiros elétricos também tentam organizar a rede de distribuição de modo que as cargas sejam equilibradas tanto quanto possível, uma vez que os mesmos princípios que se aplicam a instalações individuais também se aplicam ao sistema de distribuição de energia em larga escala. Assim, todos os esforços são feitos pelas autoridades de abastecimento para distribuir a energia consumida em cada uma das três fases por um grande número de instalações de modo que, em média, o mais próximo possível, uma carga equilibrada seja vista no ponto de abastecimento.

Uma configuração delta-estrela em um núcleo de transformador (observe que um transformador prático normalmente tem um número diferente de voltas em cada lado).

Para uso doméstico, alguns países como o Reino Unido podem fornecer uma fase e neutro em alta corrente (até 100  A ) para uma propriedade, enquanto outros, como a Alemanha, podem fornecer 3 fases e neutro para cada cliente, mas com um fusível inferior nominal, normalmente 40-63  A por fase e "girado" para evitar o efeito de que mais carga tende a ser colocada na primeira fase.

Um transformador para um sistema " high-leg delta " usado para cargas monofásicas e trifásicas mistas no mesmo sistema de distribuição. Cargas trifásicas, como motores, se conectam a L1, L2 e L3. Cargas monofásicas seriam conectadas entre L1 ou L2 e neutro, ou entre L1 e L2. A fase L3 é 1,73 vezes a tensão L1 ou L2 para neutro, portanto, esta perna não é usada para cargas monofásicas.

Com base na conexão estrela (Y) e delta (Δ). Geralmente, existem quatro tipos diferentes de conexões de enrolamento de transformador trifásico para fins de transmissão e distribuição.

• estrela (Y) - estrela (Y) é usado para corrente baixa e alta tensão.
• Delta (Δ) - Delta (Δ) é usado para grandes correntes e baixas tensões.
• Delta (Δ) - estrela (Y) é usado para transformadores elevadores, ou seja, em estações geradoras.
• estrela (Y) - Delta (Δ) é usado para transformadores abaixadores, ou seja, no final da transmissão.

Na América do Norte, uma alimentação delta de perna alta às vezes é usada onde um enrolamento de um transformador conectado em delta que alimenta a carga é com derivação central e essa derivação central é aterrada e conectada como neutro, conforme mostrado no segundo diagrama. Esta configuração produz três tensões diferentes: Se a tensão entre a derivação central (neutro) e cada uma das derivações superior e inferior (fase e antifásica) for 120  V (100%), a tensão entre as linhas de fase e antifásica é 240 V (200%), e a tensão do neutro para "perna alta" é ≈ 208 V (173%).

A razão para fornecer a alimentação conectada em delta é geralmente para alimentar grandes motores que requerem um campo rotativo. No entanto, as instalações em questão também exigirão os suprimentos "normais" de 120 V da América do Norte, dois dos quais são derivados (180 graus "fora de fase") entre o "neutro" e qualquer um dos pontos de fase centrais com derivação.

Circuitos balanceados

No caso perfeitamente equilibrado, todas as três linhas compartilham cargas equivalentes. Examinando os circuitos, podemos derivar as relações entre a tensão e a corrente da linha e a tensão e a corrente da carga para cargas conectadas em estrela e triângulo.

Em um sistema equilibrado, cada linha produzirá magnitudes de tensão iguais em ângulos de fase igualmente espaçados entre si. Com V ₁ como nossa referência e V ₃ atrasado V ₂ atrasado V ₁ , usando a notação de ângulo , e V _LN a tensão entre a linha e o neutro, temos:

${\ displaystyle {\ begin {alinhado} V_ {1} & = V _ {\ text {LN}} \ ângulo 0 ^ {\ circ}, \\ V_ {2} & = V _ {\ text {LN}} \ ângulo {-120} ^ {\ circ}, \\ V_ {3} & = V _ {\ text {LN}} \ ângulo {+120} ^ {\ circ}. \ End {alinhado}}}$

Essas tensões alimentam uma carga conectada em estrela ou em triângulo.

Estrela (ou estrela; Y)

Gerador CA trifásico conectado como uma fonte estrela ou estrela a uma carga conectada em estrela ou estrela

A tensão vista pela carga dependerá da conexão da carga; para o caso em estrela, conectar cada carga a tensões de fase (linha para neutro) dá:

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} I_ {1} & = {\ frac {V_ {1}} {\ left | Z _ {\ text {total}} \ right |}} \ ângulo (- \ theta), \ \ [2pt] I_ {2} & = {\ frac {V_ {2}} {\ left | Z _ {\ text {total}} \ right |}} \ angle \ left (-120 ^ {\ circ} - \ theta \ right), \\ [2pt] I_ {3} & = {\ frac {V_ {3}} {\ left | Z _ {\ text {total}} \ right |}} \ ângulo \ left (120 ^ { \ circ} - \ theta \ right), \ end {alinhado}}}$

onde Z _total é a soma das impedâncias de linha e carga ( Z _total = Z _LN + Z _Y ), e θ é a fase da impedância total ( Z _total ).

A diferença do ângulo de fase entre a tensão e a corrente de cada fase não é necessariamente 0 e depende do tipo de impedância de carga, Z _y . Cargas indutivas e capacitivas farão com que a corrente atrase ou conduza a tensão. No entanto, o ângulo de fase relativo entre cada par de linhas (1 a 2, 2 a 3 e 3 a 1) ainda será -120 °.

Um diagrama fasorial para uma configuração estrela, em que V _ab representa uma tensão de linha e V _an representa uma tensão de fase. As tensões são equilibradas como:

(α = 0 neste caso.)

Aplicando a lei da corrente de Kirchhoff (KCL) ao nó neutro, as três correntes de fase somam-se à corrente total na linha neutra. No caso equilibrado:

${\ displaystyle I_ {1} + I_ {2} + I_ {3} = I _ {\ text {N}} = 0.}$

Delta (Δ)

Gerador CA trifásico conectado como uma fonte estrela a uma carga conectada em delta

No circuito delta, as cargas são conectadas através das linhas e, portanto, as cargas veem as tensões linha a linha:

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} V_ {12} & = V_ {1} -V_ {2} = \ left (V _ {\ text {LN}} \ angle 0 ^ {\ circ} \ right) - \ left (V _ {\ text {LN}} \ ângulo {-120} ^ {\ circ} \ direita) \\ & = {\ sqrt {3}} V _ {\ text {LN}} \ ângulo 30 ^ {\ circ} = {\ sqrt {3}} V_ {1} \ ângulo \ esquerda (\ phi _ {V_ {1}} + 30 ^ {\ circ} \ direita), \\ [3pt] V_ {23} & = V_ { 2} -V_ {3} = \ left (V _ {\ text {LN}} \ angle {-120} ^ {\ circ} \ right) - \ left (V _ {\ text {LN}} \ ângulo 120 ^ { \ circ} \ right) \\ & = {\ sqrt {3}} V _ {\ text {LN}} \ ângulo {-90} ^ {\ circ} = {\ sqrt {3}} V_ {2} \ ângulo \ left (\ phi _ {V_ {2}} + 30 ^ {\ circ} \ right), \\ [3pt] V_ {31} & = V_ {3} -V_ {1} = \ left (V _ {\ texto {LN}} \ ângulo 120 ^ {\ circ} \ direita) - \ esquerda (V _ {\ texto {LN}} \ ângulo 0 ^ {\ circ} \ direita) \\ & = {\ sqrt {3}} V _ {\ text {LN}} \ angle 150 ^ {\ circ} = {\ sqrt {3}} V_ {3} \ angle \ left (\ phi _ {V_ {3}} + 30 ^ {\ circ} \ direita). \\\ end {alinhado}}}$

(Φ _v1 é a mudança de fase para a primeira tensão, comumente considerada como 0 °; neste caso, Φ _v2 = −120 ° e Φ _v3 = −240 ° ou 120 °.)

Avançar:

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} I_ {12} & = {\ frac {V_ {12}} {\ left | Z _ {\ Delta} \ right |}} \ angle \ left (30 ^ {\ circ} - \ theta \ right), \\ [2pt] I_ {23} & = {\ frac {V_ {23}} {\ left | Z _ {\ Delta} \ right |}} \ angle \ left (-90 ^ {\ circ} - \ theta \ right), \\ [2pt] I_ {31} & = {\ frac {V_ {31}} {\ left | Z _ {\ Delta} \ right |}} \ angle \ left (150 ^ {\ circ} - \ theta \ right), \ end {alinhado}}}$

onde θ é a fase da impedância delta ( Z _Δ ).

Os ângulos relativos são preservados, então I ₃₁ defasagens I ₂₃ defasagens I ₁₂ por 120 °. O cálculo das correntes de linha usando KCL em cada nó delta dá:

${\ displaystyle {\ begin {alinhado} I_ {1} & = I_ {12} -I_ {31} = I_ {12} -I_ {12} \ angle 120 ^ {\ circ} \\ & = {\ sqrt { 3}} I_ {12} \ ângulo \ esquerdo (\ phi _ {I_ {12}} - 30 ^ {\ circ} \ direito) = {\ sqrt {3}} I_ {12} \ ângulo (- \ theta) \ end {alinhado}}}$

e da mesma forma para cada linha:

${\ displaystyle {\ begin {alinhados} I_ {2} & = {\ sqrt {3}} I_ {23} \ angle \ left (\ phi _ {I_ {23}} - 30 ^ {\ circ} \ right) = {\ sqrt {3}} I_ {23} \ angle \ left (-120 ^ {\ circ} - \ theta \ right), \\ [2pt] I_ {3} & = {\ sqrt {3}} I_ {31} \ angle \ left (\ phi _ {I_ {31}} - 30 ^ {\ circ} \ right) = {\ sqrt {3}} I_ {31} \ angle \ left (120 ^ {\ circ} - \ theta \ right), \ end {alinhado}}}$

onde, novamente, θ é a fase da impedância delta ( Z _Δ ).

Uma configuração delta e um diagrama fasorial correspondente de suas correntes. As tensões de fase são iguais às tensões de linha e as correntes são calculadas como:

A potência geral transferida é:

A inspeção de um diagrama fasorial, ou a conversão de notação fasorial em notação complexa, ilumina como a diferença entre duas tensões linha a neutro produz uma tensão linha a linha que é maior por um fator de √ 3 . Como uma configuração delta conecta uma carga através das fases de um transformador, ela fornece a diferença de tensão linha a linha, que é √ 3 vezes maior do que a tensão linha a neutro fornecida a uma carga na configuração estrela. Como a potência transferida é V ² / Z, a impedância na configuração delta deve ser 3 vezes o que seria em uma configuração estrela para que a mesma potência seja transferida.

Cargas monofásicas

Exceto em um sistema delta de perna alta e um sistema delta aterrado em vértice, as cargas monofásicas podem ser conectadas em quaisquer duas fases ou uma carga pode ser conectada da fase ao neutro. Distribuir cargas monofásicas entre as fases de um sistema trifásico equilibra a carga e torna mais econômico o uso de condutores e transformadores.

Em um sistema estrela simétrico trifásico de quatro fios, os condutores trifásicos têm a mesma tensão para o neutro do sistema. A tensão entre os condutores de linha é √ 3 vezes a tensão do condutor de fase para o neutro:

${\ displaystyle V _ {\ text {LL}} = {\ sqrt {3}} V _ {\ text {LN}}.}$

Todas as correntes que retornam das instalações dos clientes para o transformador de alimentação compartilham o fio neutro. Se as cargas são distribuídas uniformemente em todas as três fases, a soma das correntes de retorno no fio neutro é aproximadamente zero. Qualquer carga de fase desequilibrada no lado secundário do transformador usará a capacidade do transformador de maneira ineficiente.

Se o neutro da alimentação for interrompido, a tensão fase-neutro não será mais mantida. As fases com carga relativa mais alta terão tensão reduzida e as fases com carga relativa mais baixa terão tensão elevada, até a tensão fase-fase.

Um delta de perna alta fornece relação fase-neutro de V _LL = 2  V _LN  , no entanto, a carga de LN é imposta a uma fase. Uma página do fabricante do transformador sugere que a carga do LN não exceda 5% da capacidade do transformador.

Como √ 3 ≈ 1,73, definir V _LN como 100% resulta em V _LL ≈ 100% × 1,73 = 173% . Se V _LL foi definido como 100%, então V _LN ≈ 57,7% .

Cargas desequilibradas

Quando as correntes nos três fios energizados de um sistema trifásico não são iguais ou não estão em um ângulo de fase exato de 120 °, a perda de energia é maior do que em um sistema perfeitamente balanceado. O método de componentes simétricos é usado para analisar sistemas desequilibrados.

Cargas não lineares

Com cargas lineares, o neutro carrega apenas a corrente devido ao desequilíbrio entre as fases. Lâmpadas de descarga de gás e dispositivos que utilizam front-end de capacitor-retificador, como fontes de alimentação comutadas , computadores, equipamentos de escritório e outros, produzem harmônicos de terceira ordem que estão em fase em todas as fases de alimentação. Consequentemente, tais correntes harmônicas adicionam o neutro em um sistema estrela (ou no transformador aterrado (zigue-zague) em um sistema delta), o que pode fazer com que a corrente de neutro exceda a corrente de fase.

Cargas trifásicas

Máquina elétrica trifásica com campos magnéticos rotativos

Uma classe importante de carga trifásica é o motor elétrico . Um motor de indução trifásico tem um design simples, torque de partida inerentemente alto e alta eficiência. Esses motores são aplicados na indústria para muitas aplicações. Um motor trifásico é mais compacto e menos caro do que um motor monofásico da mesma classe de tensão e classificação, e motores CA monofásicos acima de 10  HP (7,5 kW) são incomuns. Os motores trifásicos também vibram menos e, portanto, duram mais do que os motores monofásicos com a mesma potência usados ​​nas mesmas condições.

As cargas de aquecimento de resistência, como caldeiras elétricas ou aquecimento ambiente, podem ser conectadas a sistemas trifásicos. A iluminação elétrica também pode ser conectada de forma semelhante.

A oscilação da frequência de linha na luz é prejudicial para câmeras de alta velocidade usadas na transmissão de eventos esportivos para replays em câmera lenta . Ele pode ser reduzido distribuindo uniformemente as fontes de luz operadas por frequência de linha nas três fases, de modo que a área iluminada seja iluminada por todas as três fases. Esta técnica foi aplicada com sucesso nos Jogos Olímpicos de Pequim em 2008.

Os retificadores podem usar uma fonte trifásica para produzir uma saída CC de seis pulsos. A saída de tais retificadores é muito mais suave do que a monofásica retificada e, ao contrário da monofásica, não cai para zero entre os pulsos. Esses retificadores podem ser usados ​​para carregamento de bateria, processos de eletrólise , como produção de alumínio ou para operação de motores CC. Os transformadores "zig-zag" podem fazer o equivalente à retificação de onda completa de seis fases, doze pulsos por ciclo, e este método é ocasionalmente empregado para reduzir o custo dos componentes de filtragem, enquanto melhora a qualidade da CC resultante.

Plugue trifásico usado no passado em fogões elétricos na Alemanha

Um exemplo de carga trifásica é o forno elétrico a arco usado na siderurgia e no refino de minérios.

Em muitos países europeus, os fogões elétricos são normalmente projetados para alimentação trifásica com conexão permanente. As unidades de aquecimento individuais são freqüentemente conectadas entre fase e neutro para permitir a conexão a um circuito monofásico se trifásico não estiver disponível. Outras cargas trifásicas usuais no campo doméstico são sistemas de aquecimento de água sem tanque e termoacumuladores . Casas na Europa e no Reino Unido padronizaram em 230 V nominal entre qualquer fase e terra. (Os suprimentos existentes permanecem próximos a 240 V no Reino Unido.) A maioria dos grupos de casas é alimentada por um transformador de rua trifásico, de modo que instalações individuais com demanda acima da média possam ser alimentadas com uma conexão de segunda ou terceira fase.

Medidor elétrico trifásico inteligente

O primeiro novo medidor SMETS2 trifásico, desenvolvido pela Aclara Technologies, foi instalado em nome do fornecedor de energia do Reino Unido, Good Energy , em Gloucestershire, Inglaterra, em agosto de 2020.

O primeiro medidor SMETS2 trifásico em uma propriedade comercial foi instalado em Aberdare, Gales do Sul, em agosto de 2020.

Conversores de fase

Os conversores de fase são usados ​​quando o equipamento trifásico precisa ser operado em uma fonte de alimentação monofásica. Eles são usados ​​quando a alimentação trifásica não está disponível ou o custo não é justificável. Esses conversores também podem permitir que a frequência seja variada, permitindo o controle de velocidade. Algumas locomotivas ferroviárias usam uma fonte monofásica para acionar motores trifásicos alimentados por um acionamento eletrônico.

Um conversor de fase rotativo é um motor trifásico com arranjos especiais de partida e correção do fator de potência que produz tensões trifásicas balanceadas. Quando adequadamente projetados, esses conversores rotativos podem permitir a operação satisfatória de um motor trifásico em uma fonte monofásica. Em tal dispositivo, o armazenamento de energia é realizado pela inércia (efeito volante) dos componentes rotativos. Um volante externo às vezes é encontrado em uma ou ambas as extremidades do eixo.

Um gerador trifásico pode ser acionado por um motor monofásico. Esta combinação motor-gerador pode fornecer uma função de troca de frequência, bem como conversão de fase, mas requer duas máquinas com todas as suas despesas e perdas. O método motor-gerador também pode formar uma fonte de alimentação ininterrupta quando usado em conjunto com um grande volante e um motor DC alimentado por bateria; tal combinação fornecerá energia quase constante em comparação com a queda de frequência temporária experimentada com um grupo gerador de reserva cede até que o gerador de reserva seja ativado.

Capacitores e autotransformadores podem ser usados ​​para aproximar um sistema trifásico em um conversor de fase estático, mas a tensão e o ângulo de fase da fase adicional podem ser úteis apenas para certas cargas.

Os inversores de frequência e conversores de fase digital usam dispositivos eletrônicos de potência para sintetizar uma fonte trifásica balanceada a partir da potência de entrada monofásica.

Testando

A verificação da sequência de fases em um circuito é de considerável importância prática. Duas fontes de alimentação trifásica não devem ser conectadas em paralelo, a menos que tenham a mesma sequência de fases, por exemplo, ao conectar um gerador a uma rede de distribuição energizada ou ao conectar dois transformadores em paralelo. Caso contrário, a interconexão se comportará como um curto-circuito e o excesso de corrente fluirá. O sentido de rotação dos motores trifásicos pode ser revertido trocando quaisquer duas fases; pode ser impraticável ou prejudicial testar uma máquina energizando momentaneamente o motor para observar sua rotação. A sequência de fases de duas fontes pode ser verificada medindo a tensão entre pares de terminais e observando que terminais com tensão muito baixa entre eles terão a mesma fase, enquanto os pares que apresentam uma tensão maior estão em fases diferentes.

Onde a identidade de fase absoluta não é necessária, os instrumentos de teste de rotação de fase podem ser usados ​​para identificar a sequência de rotação com uma observação. O instrumento de teste de rotação de fase pode conter um motor trifásico miniatura, cujo sentido de rotação pode ser observado diretamente através da caixa do instrumento. Outro padrão usa um par de lâmpadas e uma rede de mudança de fase interna para exibir a rotação de fase. Outro tipo de instrumento pode ser conectado a um motor trifásico desenergizado e pode detectar as pequenas tensões induzidas pelo magnetismo residual, quando o eixo do motor é girado manualmente. Uma lâmpada ou outro indicador acende para mostrar a sequência de tensões nos terminais para a direção de rotação do eixo fornecida.

Alternativas para trifásico

Energia elétrica de fase dividida

Usado quando a alimentação trifásica não está disponível e permite o dobro da tensão de utilização normal a ser fornecida para cargas de alta potência.

Energia elétrica bifásica

Usa duas tensões CA, com uma mudança de fase elétrica de 90 graus entre elas. Os circuitos bifásicos podem ser ligados com dois pares de condutores, ou dois fios podem ser combinados, exigindo apenas três fios para o circuito. As correntes no condutor comum somam 1,4 vezes a corrente nas fases individuais, de modo que o condutor comum deve ser maior. Sistemas bifásicos e trifásicos podem ser interconectados por um transformador Scott-T , inventado por Charles F. Scott . Máquinas CA muito antigas, notadamente os primeiros geradores em Niagara Falls , usavam um sistema bifásico e alguns sistemas de distribuição bifásicos remanescentes ainda existem, mas os sistemas trifásicos substituíram o sistema bifásico para instalações modernas.

Potência monocíclica

Um sistema de energia bifásico assimétrico modificado usado pela General Electric por volta de 1897, patrocinado por Charles Proteus Steinmetz e Elihu Thomson . Este sistema foi planejado para evitar a violação de patentes. Nesse sistema, um gerador era enrolado com um enrolamento monofásico de tensão plena destinado a iluminar cargas e com uma pequena fração (geralmente 1/4 da tensão da linha) de enrolamento que produzia uma tensão em quadratura com os enrolamentos principais. A intenção era usar este enrolamento adicional "fio de potência" para fornecer torque de partida para motores de indução, com o enrolamento principal fornecendo energia para iluminação de cargas. Após a expiração das patentes da Westinghouse sobre sistemas de distribuição de energia bifásicos e trifásicos simétricos, o sistema monocíclico caiu em desuso; era difícil de analisar e não durava o suficiente para que uma medição de energia satisfatória fosse desenvolvida.

Sistemas de alta ordem de fase

Foram construídos e testados para transmissão de energia. Essas linhas de transmissão normalmente usariam seis ou doze fases. As linhas de transmissão de ordem de fase alta permitem a transferência de potência um pouco menor do que proporcionalmente maior por meio de um determinado volume, sem a despesa de um conversor de corrente contínua de alta tensão (HVDC) em cada extremidade da linha. No entanto, eles exigem correspondentemente mais peças de equipamento.

DC

AC foi historicamente usado porque poderia ser facilmente transformado em tensões mais altas para transmissão de longa distância. No entanto, a eletrônica moderna pode aumentar a voltagem de CC com alta eficiência, e a CC não tem efeito de pele, o que permite que os fios de transmissão sejam mais leves e baratos e, portanto , a corrente contínua de alta voltagem causa perdas menores em longas distâncias.

Códigos de cores

Os condutores de um sistema trifásico são geralmente identificados por um código de cores, para permitir o carregamento balanceado e garantir a rotação de fase correta para os motores . As cores usadas podem aderir ao padrão internacional IEC 60446 (posterior IEC 60445 ), padrões mais antigos ou nenhum padrão e podem variar mesmo dentro de uma única instalação. Por exemplo, nos EUA e no Canadá, códigos de cores diferentes são usados ​​para sistemas aterrados (aterrados) e não aterrados.

Veja também

Notas

Referências

links externos

• Histórico e cronograma de energia CA