Configurações Y trifásicas e Delta

Conexão Trifásica Y (Y)

Inicialmente, exploramos a ideia de sistemas de energia trifásicos conectando três fontes de tensão no que é comumente conhecido como configuração “Y” (ou “estrela”).

Esta configuração de fontes de tensão é caracterizada por um ponto de conexão comum unindo um lado de cada fonte. (Figura abaixo)

A conexão trifásica “Y” tem três fontes de tensão conectadas a um ponto comum.



Se desenharmos um circuito mostrando cada fonte de tensão como uma bobina de fio (alternador ou enrolamento do transformador) e fizermos um pequeno rearranjo, a configuração em “Y” se torna mais óbvia na Figura abaixo.

A conexão “Y” trifásica de quatro fios usa um quarto fio “comum”.



Os três condutores que se afastam das fontes de tensão (enrolamentos) em direção a uma carga são normalmente chamados de linhas , enquanto os próprios enrolamentos são normalmente chamados de fases .

Em um sistema conectado em Y, pode haver ou não (Figura abaixo) um fio neutro conectado no ponto de junção no meio, embora certamente ajude a aliviar problemas potenciais caso um elemento de uma carga trifásica falhe ao abrir, conforme discutido mais cedo.

A conexão "Y" trifásica de três fios não usa o fio neutro.

Valores de tensão e corrente em sistemas trifásicos

Quando medimos tensão e corrente em sistemas trifásicos, precisamos ser específicos quanto a onde estamos medindo.

Tensão de linha refere-se à quantidade de tensão medida entre quaisquer dois condutores de linha em um sistema trifásico balanceado. Com o circuito acima, a tensão da linha é de aproximadamente 208 volts.

Tensão de fase refere-se à tensão medida em qualquer componente (enrolamento de fonte ou impedância de carga) em uma fonte ou carga trifásica balanceada.

Para o circuito mostrado acima, a tensão de fase é de 120 volts. Os termos linha atual e corrente de fase segue a mesma lógica:o primeiro referindo-se à corrente através de qualquer condutor de linha, e o último à corrente através de qualquer um dos componentes.

Fontes e cargas conectadas em Y sempre têm tensões de linha maiores que as tensões de fase e correntes de linha iguais às correntes de fase. Se a fonte ou carga conectada em Y estiver equilibrada, a tensão da linha será igual à tensão de fase vezes a raiz quadrada de 3:







No entanto, a configuração “Y” não é a única válida para conectar fontes de tensão trifásicas ou elementos de carga.

Configuração Delta Trifásica (Δ)

Outra configuração é conhecida como “Delta”, por sua semelhança geométrica com a letra grega de mesmo nome (Δ). Observe a polaridade de cada enrolamento na figura abaixo.

Conexão trifásica, três fios Δ não tem comum.



À primeira vista, parece que três fontes de voltagem como essa criariam um curto-circuito, os elétrons fluindo ao redor do triângulo com nada além da impedância interna dos enrolamentos para contê-los.

Devido aos ângulos de fase dessas três fontes de tensão, entretanto, este não é o caso.

Lei de tensão de Kirchhoff em conexões delta

Uma verificação rápida disso é usar a Lei de Tensão de Kirchhoff para ver se as três tensões ao redor do circuito somam zero. Se o fizerem, não haverá tensão disponível para empurrar a corrente ao redor e ao redor desse loop e, conseqüentemente, não haverá corrente circulante.

Começando com o enrolamento superior e progredindo no sentido anti-horário, nossa expressão KVL se parece com isto:







De fato, se somarmos essas três grandezas vetoriais, a soma delas é zero. Outra maneira de verificar o fato de que essas três fontes de tensão podem ser conectadas juntas em um loop sem resultar em correntes circulantes é abrir o loop em um ponto de junção e calcular a tensão através do intervalo:(figura abaixo)

A tensão em Δ aberto deve ser zero.



Começando com o enrolamento direito (120 V ∠ 120 °) e progredindo no sentido anti-horário, nossa equação KVL se parece com isto:







Com certeza, haverá tensão zero no intervalo, nos dizendo que nenhuma corrente circulará dentro do loop triangular de enrolamentos quando a conexão for concluída.

Tendo estabelecido que uma fonte de tensão trifásica conectada em Δ não se queimará totalmente devido às correntes circulantes, voltamos ao seu uso prático como fonte de energia em circuitos trifásicos.

Como cada par de condutores de linha está conectado diretamente em um único enrolamento em um circuito Δ, a tensão da linha será igual à tensão de fase.

Por outro lado, como cada condutor de linha se conecta a um nó entre dois enrolamentos, a corrente de linha será a soma vetorial das duas correntes de fase de junção.

Não surpreendentemente, as equações resultantes para uma configuração Δ são as seguintes:

Exemplo de análise de circuito de conexão delta

Vamos ver como isso funciona em um circuito de exemplo:(Figura abaixo)

A carga na fonte Δ é conectada em um Δ.



Com cada resistência de carga recebendo 120 volts de seu respectivo enrolamento de fase na fonte, a corrente em cada fase deste circuito será de 83,33 amperes:

Vantagens do sistema Delta trifásico

Portanto, cada corrente de linha neste sistema de energia trifásico é igual a 144,34 amperes, o que é substancialmente mais do que as correntes de linha no sistema conectado em Y que examinamos anteriormente.

Alguém pode se perguntar se perdemos todas as vantagens da alimentação trifásica aqui, dado o fato de que temos correntes condutoras maiores, necessitando de fios mais grossos e mais caros.

A resposta é não. Embora este circuito requeira três condutores de cobre de calibre número 1 (a 1000 pés de distância entre a fonte e a carga, isso equivale a um pouco mais de 750 libras de cobre para todo o sistema), ainda é menos do que as 1000+ libras de cobre necessárias para um sistema monofásico fornecendo a mesma potência (30 kW) na mesma tensão (120 volts condutor a condutor).

Uma vantagem distinta de um sistema conectado por Δ é a falta de um fio neutro. Com um sistema conectado em Y, um fio neutro era necessário no caso de uma das cargas de fase abrir (ou ser desligada), a fim de evitar que as tensões de fase na carga mudem.

Isso não é necessário (ou mesmo possível!) Em um circuito conectado por Δ.

Com cada elemento de fase de carga diretamente conectado através de um respectivo enrolamento de fase de fonte, a tensão de fase será constante, independentemente de falhas abertas nos elementos de carga.

Talvez a maior vantagem da fonte conectada em Δ seja sua tolerância a falhas.

É possível que um dos enrolamentos em uma fonte trifásica conectada em Δ falhe ao abrir (Figura abaixo) sem afetar a tensão ou a corrente de carga!

Mesmo com uma falha no enrolamento da fonte, a tensão da linha ainda é 120 V e a tensão da fase de carga ainda é 120 V. A única diferença é a corrente extra no restante funcional enrolamentos de fonte.



A única consequência da falha de abertura de um enrolamento de fonte para uma fonte conectada em Δ é o aumento da corrente de fase nos enrolamentos restantes. Compare essa tolerância a falhas com um sistema conectado em Y sofrendo um enrolamento de fonte aberta na figura abaixo.

O enrolamento de fonte “Y” aberto divide pela metade a tensão em duas cargas de um Δ conectado à carga.



Com uma carga conectada a Δ, duas das resistências sofrem tensão reduzida enquanto uma permanece na tensão de linha original, 208. Uma carga conectada em Y sofre um destino ainda pior (Figura abaixo) com a mesma falha de enrolamento em uma fonte conectada em Y .

O enrolamento de código aberto de um sistema “Y-Y” divide a tensão em duas cargas e perde uma carga inteiramente.



Neste caso, duas resistências de carga sofrem tensão reduzida enquanto a terceira perde completamente a tensão de alimentação! Por esse motivo, as fontes conectadas em Δ são preferidas para confiabilidade.

No entanto, se tensões duplas são necessárias (por exemplo, 120/208) ou preferidas para correntes de linha mais baixas, os sistemas conectados em Y são a configuração escolhida.



REVER:

• Os condutores conectados aos três pontos de uma fonte ou carga trifásica são chamados de linhas .
• Os três componentes que constituem uma fonte ou carga trifásica são chamados de fases .
• Tensão de linha é a tensão medida entre quaisquer duas linhas em um circuito trifásico.
• Tensão de fase é a tensão medida em um único componente em uma fonte ou carga trifásica.
• Linha atual é a corrente em qualquer linha entre uma fonte trifásica e a carga.
• Corrente de fase é a corrente por meio de qualquer componente compreendendo uma fonte ou carga trifásica.
• Em circuitos “Y” balanceados, a tensão da linha é igual à tensão da fase vezes a raiz quadrada de 3, enquanto a corrente da linha é igual à corrente da fase.

• Em circuitos Δ balanceados, a tensão da linha é igual à tensão da fase, enquanto a corrente da linha é igual à corrente da fase vezes a raiz quadrada de 3.

• Fontes de tensão trifásicas conectadas em Δ fornecem maior confiabilidade no caso de falha do enrolamento do que fontes conectadas em Y. No entanto, as fontes conectadas em Y podem fornecer a mesma quantidade de energia com menos corrente de linha do que as fontes conectadas em Δ.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de circuitos trifásicos Delta e Wye