Sistemas de energia monofásicos

O diagrama esquemático do sistema de energia monofásico mostra pouco sobre a fiação de um circuito de energia prático.



Retratado acima, é um circuito CA muito simples. Se a dissipação de energia do resistor de carga fosse substancial, poderíamos chamar isso de "circuito de energia" ou "sistema de energia" em vez de considerá-lo apenas um circuito normal.

A distinção entre um “circuito de força” e um “circuito regular” pode parecer arbitrária, mas as questões práticas definitivamente não são.

Análise prática de circuitos

Uma dessas preocupações é o tamanho e o custo da fiação necessária para fornecer energia da fonte CA à carga. Normalmente, não damos muita atenção a esse tipo de preocupação se estivermos apenas analisando um circuito com o objetivo de aprender sobre as leis da eletricidade.

No entanto, no mundo real, pode ser uma grande preocupação. Se dermos à fonte no circuito acima um valor de tensão e também dermos valores de dissipação de energia para os dois resistores de carga, podemos determinar as necessidades de fiação para este circuito específico:

Por uma questão prática, a fiação para as cargas de 20 kW a 120 Vca é bastante substancial (167 A).







83,33 amperes para cada resistor de carga na figura acima soma 166,66 amperes de corrente total do circuito. Esta não é uma pequena quantidade de corrente e necessitaria de condutores de fio de cobre de pelo menos 1/0 de bitola.

Esse fio tem bem mais de 1/4 de polegada (6 mm) de diâmetro, pesando mais de 300 libras por mil pés. Lembre-se que o cobre também não é barato! Seria de nosso interesse encontrar maneiras de minimizar esses custos se estivéssemos projetando um sistema de potência com longos condutores.

Uma maneira de fazer isso seria aumentar a tensão da fonte de alimentação e usar cargas construídas para dissipar 10 kW cada uma nessa tensão mais alta.

As cargas, é claro, teriam que ter valores de resistência maiores para dissipar a mesma potência de antes (10 kW cada) em uma tensão maior do que antes.

A vantagem seria menos corrente necessária, permitindo o uso de fio menor, mais leve e mais barato:

As mesmas cargas de 10 kW a 240 Vca requerem fiação menos substancial do que a 120 Vca (83 A).







Agora nosso total a corrente do circuito é 83,33 amperes, metade do que era antes.

Agora podemos usar o fio de bitola 4, que pesa menos da metade do peso do fio de bitola 1/0 por unidade de comprimento. Esta é uma redução considerável no custo do sistema sem degradação do desempenho.

É por isso que os projetistas de sistemas de distribuição de energia optam por transmitir energia elétrica usando tensões muito altas (muitos milhares de volts):para capitalizar a economia obtida com o uso de fios menores, mais leves e mais baratos.

Perigos de aumentar a tensão da fonte

No entanto, esta solução tem desvantagens. Outra preocupação prática com os circuitos de energia é o perigo de choque elétrico devido a altas tensões.

Novamente, esse não é geralmente o tipo de coisa em que nos concentramos enquanto aprendemos sobre as leis da eletricidade, mas é uma preocupação muito válida no mundo real, especialmente quando estamos lidando com grandes quantidades de energia.

O ganho de eficiência obtido com o aumento da tensão do circuito nos apresenta um perigo maior de choque elétrico. As empresas de distribuição de energia enfrentam esse problema amarrando suas linhas de energia ao longo de postes ou torres altas e isolando as linhas das estruturas de suporte com grandes isoladores de porcelana.

No ponto de uso (o consumidor de energia elétrica), ainda há a questão de qual tensão usar para alimentar as cargas.

A alta tensão dá maior eficiência ao sistema por meio da redução da corrente do condutor, mas nem sempre é prático manter a fiação de energia fora de alcance no ponto de uso da maneira como pode ser elevada para fora do alcance em sistemas de distribuição.

Essa compensação entre eficiência e perigo é algo que os projetistas de sistemas de energia europeus decidiram arriscar, todos os seus lares e aparelhos operando a uma tensão nominal de 240 volts em vez de 120 volts, como ocorre na América do Norte.

É por isso que os turistas da América que visitam a Europa devem carregar pequenos transformadores abaixadores para seus aparelhos portáteis, para reduzir a potência de 240 VAC (volts AC) para 120 VAC mais adequados.

Soluções para fornecimento de tensão aos consumidores

Transformadores abaixadores no ponto final do uso de energia

Existe alguma maneira de perceber as vantagens de maior eficiência e redução do risco de segurança ao mesmo tempo?

Uma solução seria instalar transformadores abaixadores no ponto final do uso de energia, assim como o turista americano deve fazer na Europa.

No entanto, isso seria caro e inconveniente para qualquer coisa, exceto cargas muito pequenas (onde os transformadores podem ser construídos de forma barata) ou cargas muito grandes (onde a despesa de fios de cobre grossos excederia a despesa de um transformador).

Duas cargas de tensão inferior em série

Uma solução alternativa seria usar uma fonte de tensão mais alta para fornecer energia a duas cargas de tensão mais baixa em série. Esta abordagem combina a eficiência de um sistema de alta tensão com a segurança de um sistema de baixa tensão:

Cargas de 120 VCA conectadas em série, impulsionadas por uma fonte de 240 VCA a uma corrente total de 83,3 A.



Observe as marcações de polaridade (+ e -) para cada tensão mostrada, bem como as setas unidirecionais para a corrente.

Na maior parte, evitei rotular "polaridades" nos circuitos CA que estivemos analisando, embora a notação seja válida para fornecer um quadro de referência para a fase.

Nas seções posteriores deste capítulo, os relacionamentos de fase se tornarão muito importantes, então, vou apresentar essa notação no início do capítulo para sua familiaridade.

A corrente em cada carga é a mesma que era no circuito simples de 120 volts, mas as correntes não são aditivas porque as cargas estão em série, e não em paralelo.

A tensão em cada carga é de apenas 120 volts, não 240, portanto, o fator de segurança é melhor. Lembre-se, ainda temos 240 volts completos nos fios do sistema de energia, mas cada carga está operando em uma tensão reduzida.

Se alguém vai ficar chocado, é provável que seja pelo contato com os condutores de uma carga específica, e não pelo contato dos fios principais de um sistema de energia.

Modificações no projeto de duas séries de carga

Há apenas uma desvantagem neste projeto:as consequências de uma falha na abertura ou desligamento de uma carga (assumindo que cada carga tenha uma chave liga / desliga em série para interromper a corrente) não são boas.

Sendo um circuito em série, se uma das cargas abrisse, a corrente também pararia na outra carga. Por este motivo, precisamos modificar um pouco o design:(Figura abaixo)

A adição de um condutor neutro permite que as cargas sejam conduzidas individualmente.

Sistema de energia de fase dividida

Em vez de uma única fonte de alimentação de 240 volts, usamos duas fontes de 120 volts (em fase uma com a outra!) Em série para produzir 240 volts, em seguida, passamos um terceiro fio ao ponto de conexão entre as cargas para lidar com a eventualidade de uma carga abertura.

Isso é chamado de fase dividida sistema de energia. Três fios menores ainda são mais baratos do que os dois fios necessários com o design paralelo simples, então ainda estamos à frente em eficiência.

O observador astuto notará que o fio neutro só precisa carregar a diferença de corrente entre as duas cargas de volta à fonte.

No caso acima, com cargas perfeitamente “balanceadas” consumindo quantidades iguais de energia, o fio neutro carrega corrente zero.

Observe como o fio neutro é conectado ao aterramento na extremidade da fonte de alimentação. Este é um recurso comum em sistemas de energia contendo fios “neutros”, uma vez que o aterramento do fio neutro garante a menor tensão possível a qualquer momento entre qualquer fio “quente” e o aterramento.

Um componente essencial de um sistema de energia de fase dividida é a fonte de tensão CA dupla. Felizmente, projetar e construir um não é difícil.

Uma vez que a maioria dos sistemas CA recebe sua energia de um transformador redutor de qualquer maneira (reduzindo a tensão de níveis de distribuição elevados para uma tensão de nível de usuário como 120 ou 240), esse transformador pode ser construído com um enrolamento secundário com derivação central:

A potência americana 120/240 Vca é derivada de um transformador central com derivação.



Se a alimentação CA vem diretamente de um gerador (alternador), as bobinas podem ser derivadas de forma semelhante ao centro para o mesmo efeito. A despesa extra para incluir uma conexão de derivação central em um enrolamento de transformador ou alternador é mínima.

É aqui que as marcações de polaridade (+) e (-) se tornam realmente importantes. Esta notação é freqüentemente usada para fazer referência às fases de múltiplas Fontes de tensão CA, então fica claro se elas estão ajudando (“impulsionando”) umas às outras ou se opondo (“resistindo”) umas às outras.

Se não fosse por essas marcações de polaridade, as relações de fase entre várias fontes CA podem ser muito confusas. Observe que as fontes de fase dividida no esquema (cada uma 120 volts ∠ 0 °), com marcas de polaridade (+) a (-) assim como baterias auxiliares em série, podem ser representadas alternativamente como tal:(Figura abaixo)

Split phase 120/240 Vac source é equivalente a duas séries auxiliando fontes de 120 Vac.



Para calcular matematicamente a tensão entre fios "quentes", devemos subtrair tensões, porque suas marcas de polaridade mostram que eles são opostos um ao outro:







Se marcarmos o ponto de conexão comum das duas fontes (o fio neutro) com a mesma marca de polaridade (-), devemos expressar suas mudanças de fase relativas como estando 180 ° afastadas. Caso contrário, estaríamos denotando duas fontes de tensão em oposição direta uma à outra, o que daria 0 volts entre os dois condutores "quentes".

Por que estou dedicando um tempo para elaborar as marcas de polaridade e os ângulos de fase? Fará mais sentido na próxima seção!

Os sistemas de energia nos lares americanos e na indústria leve são, na maioria das vezes, da variedade de fase dividida, fornecendo a chamada energia de 120/240 VAC. O termo “fase dividida” refere-se meramente ao fornecimento de tensão dividida em tal sistema.

Em um sentido mais geral, este tipo de fonte de alimentação CA é chamado de monofásica porque ambas as formas de onda de tensão estão em fase, ou em passo, uma com a outra.

O termo “fase única” é um contraponto a outro tipo de sistema de energia denominado “polifase” que estamos prestes a investigar em detalhes. Pedimos desculpas pela longa introdução que conduziu ao tópico-título deste capítulo.

As vantagens dos sistemas de energia polifásicos são mais óbvias se primeiro tivermos um bom conhecimento dos sistemas monofásicos.



REVER:

• Monofásica os sistemas de energia são definidos por ter uma fonte CA com apenas uma forma de onda de tensão.
• Uma fase dividida O sistema de energia é aquele com várias fontes de tensão CA (em fase) conectadas em série, fornecendo energia para cargas em mais de uma tensão, com mais de dois fios. Eles são usados ​​principalmente para alcançar um equilíbrio entre a eficiência do sistema (baixas correntes do condutor) e a segurança (baixas tensões de carga).
• Fontes CA de fase dividida podem ser facilmente criadas tocando no centro os enrolamentos da bobina de transformadores ou alternadores.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de sistemas de energia polifásica