Sistemas de energia trifásicos

O que são sistemas de energia de fase dividida?

Os sistemas de energia de fase dividida alcançam sua alta eficiência de condutor e baixo risco de segurança, dividindo a tensão total em partes menores e alimentando várias cargas nessas tensões menores, ao mesmo tempo que extrai correntes em níveis típicos de um sistema de tensão total.

Essa técnica, aliás, funciona tão bem para sistemas de energia CC quanto para sistemas CA monofásicos. Esses sistemas são geralmente chamados de três fios sistemas em vez de fase dividida porque “fase” é um conceito restrito a CA.

Mas sabemos por nossa experiência com vetores e números complexos que as tensões CA nem sempre somam como pensamos que seriam se estivessem fora de fase uma com a outra.

Este princípio, aplicado a sistemas de energia, pode ser usado para fazer sistemas de energia com eficiências de condutor ainda maiores e menor risco de choque do que com fase dividida.

Exemplos

Duas fontes de tensão de 120 ° fora de fase

Suponha que tenhamos duas fontes de tensão CA conectadas em série como o sistema de fase dividida que vimos antes, exceto que cada fonte de tensão estava 120 ° fora de fase com a outra:(Figura abaixo)

Par de fontes de 120 Vca em fase de 120 °, semelhante à fase dividida.



Uma vez que cada fonte de tensão é de 120 volts, e cada resistor de carga é conectado diretamente em paralelo com sua respectiva fonte, a tensão em cada carga deve ser 120 volts também. Dadas as correntes de carga de 83,33 amperes, cada carga ainda deve estar dissipando 10 quilowatts de potência.

No entanto, a tensão entre os dois fios “quentes” não é de 240 volts (120 ∠ 0 ° - 120 ∠ 180 °) porque a diferença de fase entre as duas fontes não é 180 °. Em vez disso, a voltagem é:







Nominalmente, dizemos que a tensão entre os condutores “quentes” é de 208 volts (arredondando para cima) e, portanto, a tensão do sistema de potência é designada como 120/208.

Se calcularmos a corrente através do condutor "neutro", descobrimos que não zero, mesmo com resistências de carga balanceadas. A Lei Atual de Kirchhoff nos diz que as correntes que entram e saem do nó entre as duas cargas devem ser zero:(Figura abaixo)







O fio neutro transporta uma corrente no caso de um par de fontes em fase de 120 °.

Descobertas e conclusões

Portanto, descobrimos que o fio “neutro” está carregando 83,33 amperes completos, assim como cada fio “quente”.

Observe que ainda estamos transmitindo 20 kW de potência total para as duas cargas, com cada fio "quente" carregando 83,33 amperes como antes.

Com a mesma quantidade de corrente através de cada fio "quente", devemos usar os mesmos condutores de cobre de calibre, portanto, não reduzimos o custo do sistema em relação ao sistema de fase dividida 120/240.

No entanto, percebemos um ganho em segurança, porque a tensão geral entre os dois condutores “quentes” é 32 volts mais baixa do que era no sistema de fase dividida (208 volts em vez de 240 volts).

Três fontes de tensão de 120 ° fora de fase

O fato de o fio neutro estar carregando 83,33 amperes de corrente levanta uma possibilidade interessante:já que está carregando corrente de qualquer maneira, por que não usar esse terceiro fio como outro condutor "quente", alimentando outro resistor de carga com uma terceira fonte de 120 volts com um ângulo de fase de 240 °?

Dessa forma, poderíamos transmitir mais potência (outros 10 kW) sem ter que adicionar mais condutores. Vamos ver como isso pode ficar:(Figura abaixo)

Com uma terceira carga faseada 120 ° em relação às outras duas, as correntes são as mesmas que para duas cargas.

Cálculos de SPICE para sistema trifásico

Uma análise matemática completa de todas as tensões e correntes neste circuito exigiria o uso de um teorema de rede, sendo o mais fácil o Teorema da Superposição.

Vou poupá-lo dos cálculos longos e demorados porque você deve ser capaz de entender intuitivamente que as três fontes de tensão em três ângulos de fase diferentes fornecerão 120 volts cada para uma tríade balanceada de resistores de carga.

Para provar isso, podemos usar o SPICE para fazer as contas para nós:(Figura abaixo, lista do SPICE:sistema de energia polifásico 120/208)

Circuito SPICE:três cargas 3-Φ faseadas a 120 °.

 120/208 sistema de potência polifásica v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1,44 r2 2 4 1,44 r3 3 4 1,44 .ac lin 1 60 60 .print ac v (1,4) v (2,4) v (3,4) .print ac v (1,2) v (2,3) v (3,1) .print ac i (v1) i (v2 ) i (v3) .end 

 TENSÃO EM CADA CARGA freq v (1,4) v (2,4) v (3,4) 6.000E + 01 1.200E + 02 1.200E + 02 1.200E + 02 TENSÃO ENTRE CONDUTORES “QUENTES” freq v (1,2) v (2,3) v (3,1) 6.000E + 01 2.078E + 02 2.078E + 02 2.078E + 02 CORRENTE ATRAVÉS DE CADA FONTE DE TENSÃO freq i (v1) i (v2) i (v3 ) 6,000E + 01 8,333E + 01 8,333E + 01 8,333E + 01 

Com certeza, obtemos 120 volts em cada resistor de carga, com (aproximadamente) 208 volts entre quaisquer dois condutores “quentes” e correntes condutoras iguais a 83,33 amperes. (Figura abaixo)

Com essa corrente e tensão, cada carga estará dissipando 10 kW de potência.

Observe que este circuito não tem condutor “neutro” para garantir tensão estável para todas as cargas, caso uma seja aberta.

O que temos aqui é uma situação semelhante ao nosso circuito de alimentação de fase dividida sem condutor “neutro”:se acontecer de uma carga abrir, a tensão cai na (s) carga (s) restante (s) mudará.

Para garantir a estabilidade da tensão de carga no caso de outra abertura de carga, precisamos de um fio neutro para conectar o nó de origem e o nó de carga juntos:

Circuito SPICE anotado com resultados de simulação:três cargas de 3-Φ faseadas a 120 °.



Enquanto as cargas permanecerem equilibradas (resistência igual, correntes iguais), o fio neutro não terá que transportar nenhuma corrente. Ele está lá apenas no caso de um ou mais resistores de carga falharem ao abrir (ou serem desligados por meio de uma chave seccionadora).

Circuito Polifásico

Este circuito que estivemos analisando com três fontes de tensão é chamado de polifase o circuito. O prefixo “poli” significa simplesmente “mais de um”, como em “ poli teísmo ”(crença em mais de uma divindade),“ poli gon ”(uma forma geométrica feita de vários segmentos de linha:por exemplo, pentágono e hexágono ) e “ poli atômica ”(uma substância composta de vários tipos de átomos).

Uma vez que as fontes de tensão estão todas em ângulos de fase diferentes (neste caso, três ângulos de fase diferentes), este é um “ poli circuito de fase ”.

Mais especificamente, é um circuito trifásico , o tipo usado predominantemente em grandes sistemas de distribuição de energia.

Sistema trifásico versus sistema monofásico

Sistema monofásico

Vamos examinar as vantagens de um sistema de energia trifásico em relação a um sistema monofásico de tensão de carga e capacidade de energia equivalentes. Um sistema monofásico com três cargas conectadas diretamente em paralelo teria uma corrente total muito alta (83,33 vezes 3, ou 250 amperes. (Figura abaixo)

Para comparação, três cargas de 10 Kw em um sistema de 120 VCA consomem 250 A.



Isso exigiria fio de cobre de bitola 3/0 ( muito grande!), em cerca de 510 libras por mil pés, e com um preço considerável anexado. Se a distância da fonte à carga fosse de 1000 pés, precisaríamos de mais de meia tonelada de fio de cobre para fazer o trabalho.

Sistema de fase dividida

Por outro lado, poderíamos construir um sistema de fase dividida com duas cargas de 15 kW e 120 volts. (Figura abaixo)

O sistema de fase dividida consome metade da corrente de 125 A a 240 Vca em comparação com o sistema de 120 Vca.



Nossa corrente é a metade do que era com o circuito paralelo simples, o que é uma grande melhoria.

Poderíamos nos safar usando fio de cobre de calibre 2 com uma massa total de cerca de 600 libras, calculando cerca de 200 libras por mil pés com três passagens de 1000 pés cada entre a fonte e as cargas. No entanto, também devemos considerar o maior risco de segurança de ter 240 volts presentes no sistema, embora cada carga receba apenas 120 volts.

No geral, há um grande potencial para a ocorrência de um choque elétrico perigoso.

Sistema Trifásico

Quando comparamos esses dois exemplos com nosso sistema trifásico (Figura acima), as vantagens são bastante claras.

Primeiro, as correntes do condutor são um pouco menores (83,33 amperes contra 125 ou 250 amperes), permitindo o uso de fios muito mais finos e leves. Podemos usar fio de bitola 4 com cerca de 125 libras por mil pés, o que totalizará 500 libras (quatro execuções de 1000 pés cada) para nosso circuito de exemplo.

Isso representa uma economia de custo significativa em relação ao sistema de fase dividida, com o benefício adicional de que a tensão máxima no sistema é menor (208 contra 240).

Resta uma pergunta a ser respondida:como no mundo podemos obter três fontes de tensão CA cujos ângulos de fase estão exatamente 120 ° separados?

Obviamente, não podemos derivar o centro de um transformador ou enrolamento do alternador como fizemos no sistema de fase dividida, uma vez que isso só pode nos dar formas de onda de tensão que estão em fase ou 180 ° fora de fase.

Talvez pudéssemos descobrir uma maneira de usar capacitores e indutores para criar mudanças de fase de 120 °, mas então essas mudanças de fase dependeriam dos ângulos de fase de nossas impedâncias de carga também (substituir uma carga capacitiva ou indutiva por uma carga resistiva mudaria tudo!).

A melhor maneira de obter as mudanças de fase que procuramos é gerá-las na fonte:construir o gerador CA (alternador) fornecendo a energia de tal forma que o campo magnético rotativo passe por três conjuntos de enrolamentos de fio, cada conjunto espaçados 120 ° em torno da circunferência da máquina como na Figura abaixo.

(a) Alternador monofásico, (b) Alternador trifásico.



Juntos, os seis enrolamentos “polares” de um alternador trifásico são conectados para compreender três pares de enrolamentos, cada par produzindo tensão CA com um ângulo de fase de 120 ° deslocado de qualquer um dos outros dois pares de enrolamentos.

As interconexões entre pares de enrolamentos (como mostrado para o alternador monofásico:o fio de ponte entre os enrolamentos 1a e 1b) foram omitidas do desenho do alternador trifásico para simplificar.

Em nosso circuito de exemplo, mostramos as três fontes de tensão conectadas em uma configuração "Y" (às vezes chamada de configuração "estrela"), com um cabo de cada fonte ligado a um ponto comum (o nó onde conectamos o "neutro" condutor).

A maneira comum de descrever esse esquema de conexão é desenhar os enrolamentos em forma de “Y” como a Figura abaixo.

Configuração do alternador “Y”.



A configuração “Y” não é a única opção aberta para nós, mas é provavelmente a mais fácil de entender no início. Mais sobre esse assunto será abordado posteriormente neste capítulo.



REVER:

• Um monofásico sistema de energia é aquele em que há apenas uma fonte de tensão CA (uma forma de onda de tensão de fonte).
• Uma fase dividida O sistema de energia é aquele em que há duas fontes de tensão, com defasagem de 180 ° uma da outra, alimentando duas cargas conectadas em série. A vantagem disso é a capacidade de ter correntes condutoras mais baixas, mantendo baixas tensões de carga por razões de segurança.
• Uma polifase O sistema de energia usa múltiplas fontes de tensão em diferentes ângulos de fase entre si (muitas “fases” de formas de onda de tensão em funcionamento). Um sistema de energia polifásico pode fornecer mais energia com menos tensão com condutores de calibre menor do que sistemas monofásicos ou bifásicos.
• As fontes de tensão com mudança de fase necessárias para um sistema de energia polifásico são criadas em alternadores com vários conjuntos de enrolamentos de fio. Esses conjuntos de enrolamento são espaçados em torno da circunferência de rotação do rotor no (s) ângulo (s) desejado (s).

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de sistemas de energia polifásica