Sistemas Trifásicos de Potência: Fundamentos e Benefícios

O Que é Potência Bifásica (Split-Phase)?

Sistemas bifásicos melhoram eficiência de condutores enquanto reduzem riscos de segurança dividindo a tensão total em níveis menores. Cada carga opera em tensão reduzida, ainda que as correntes permaneçam típicas de um sistema de tensão plena.

Embora o termo "fase" seja estritamente um conceito AC, o mesmo princípio se aplica a DC. Estes são geralmente chamados sistemas de três fios em vez de bifásicos.

Como tensões AC fora de fase não somam simplesmente, podemos explorar este comportamento para criar sistemas de potência com eficiência de condutor ainda maior e menores riscos de choque que bifásicos.

Exemplos

Duas Fontes de Tensão Defasadas em 120°

Considere duas fontes de tensão AC conectadas em série como em um sistema bifásico, mas cada fonte está 120° fora de fase com a outra:

 

Par de fontes 120 Vac defasadas 120°, similar a bifásico.

 

Cada fonte fornece 120 V, e cada resistor de carga está diretamente em paralelo com sua respectiva fonte. Consequentemente, a tensão sobre cada carga é 120 V, e com corrente de carga de 83,33 A cada carga dissipa 10 kW.

A tensão entre os dois condutores "quentes" não é 240 V (120° – 180°) porque a diferença de fase é 120°. Em vez disso, a tensão linha-a-linha é:

 

 

Nominalmente dizemos que a tensão entre condutores quentes é 208 V (arredondado), então o sistema é designado como 120/208.

Calcular a corrente do neutro revela que não é zero mesmo com cargas balanceadas. A Lei das Correntes de Kirchhoff dita que as correntes entrando e saindo do nó entre as duas cargas devem se cancelar:

 

 

O fio neutro conduz 83,33 A plenos, igual a cada condutor quente.

 

Descobertas e Conclusões

Embora o neutro ainda conduza a mesma corrente que os condutores quentes, a potência total entregue permanece 20 kW (10 kW por carga). Como a tensão quente-a-quente é apenas 208 V — 32 V menor que os 240 V do bifásico — a segurança é melhorada sem mudar custo do condutor, já que o mesmo calibre de cobre é requerido.

Três Fontes de Tensão Defasadas em 120°

A corrente do neutro sugere que poderíamos usá-lo como condutor quente adicional. Adicionando uma terceira fonte de 120 V defasada 240° permite uma quarta carga compartilhar os mesmos três condutores:

 

Com terceira carga defasada 120° das outras duas, as correntes permanecem as mesmas que para duas cargas.

 

Cálculos SPICE para Sistema Trifásico

Embora uma análise de rede completa usaria o Teorema da Superposição, o resultado intuitivo é que três fontes de 120 V a 120° de distância entregam 120 V a cada resistor de carga balanceado.

SPICE confirma isto:

 

Circuito SPICE: Três cargas 3-Φ defasadas 120°.

 

120/208 polyphase power system
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 SOBRE 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

Resultados mostram 120 V sobre cada carga, ~208 V entre quaisquer dois condutores quentes, e 83,33 A em cada condutor. Cada carga assim dissipa 10 kW.

O circuito carece de fio neutro para estabilidade de tensão. Se uma carga abre, as cargas restantes veem tensões alteradas. Adicionar neutro garante operação estável quando cargas são balanceadas, e ele conduz nenhuma corrente a menos que uma carga falhe ou seja desconectada.

 

Circuito SPICE anotado com resultados da simulação: Três cargas 3-Φ defasadas 120°.

 

Circuito Polifásico

O que examinamos — três fontes de tensão com ângulos de fase distintos — é chamado de circuito polifásico. O prefixo "poli" significa "mais de um", como em "politeísmo" ou "polígono". Em sistemas de potência, denota múltiplas formas de onda de tensão defasadas.

Especificamente, um circuito trifásico é a forma mais comum de sistema polifásico, alimentando redes de distribuição em grande escala.

Sistema Trifásico vs. Sistema Monofásico

Sistema Monofásico

Três cargas idênticas em um sistema monofásico de 120 V consomem total de 250 A (83,33 A × 3). Para manejar esta corrente, cobre 3/0 AWG (≈510 lb/1.000 ft) seria requerido. Em 1.000 ft, mais de meia tonelada de cobre seria necessária.

 

Para comparação, três cargas de 10 kW em sistema 120 Vac consomem 250 A.

 

Sistema Bifásico

Um sistema bifásico pode reduzir a corrente pela metade. Duas cargas de 15 kW, 120 V consomem 125 A a 240 V tensão de linha, permitindo uso de cobre 2 AWG (≈200 lb/1.000 ft). No entanto, a presença de 240 V introduz risco de choque maior.

 

Sistema bifásico consome metade da corrente de 125 A a 240 Vac comparado a sistema 120 Vac.

 

Sistema Trifásico

Comparado aos dois anteriores, um sistema trifásico balanceado usa apenas 83,33 A por condutor. Cobre 4 AWG (≈125 lb/1.000 ft) basta, cortando custo de material enquanto mantém tensão máxima em 208 V — menor que os 240 V no bifásico.

A questão principal é como gerar três fontes de tensão AC 120° separadas. Diferente do bifásico, que usa derivação central, um alternador trifásico coloca três conjuntos de enrolamentos 120° ao redor do rotor, produzindo o desfasamento requerido diretamente na fonte.

Na figura abaixo, os seis enrolamentos de polos formam três pares; cada par entrega uma forma de onda AC de 120 V 120° fora de fase com as outras. Os enrolamentos são tipicamente ligados em configuração "Y" (estrela), conectando uma extremidade de cada enrolamento a um nó neutro comum.

 

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

 

Configuração Y do alternador.

 

Revisão

• Um sistema monofásico tem uma fonte de tensão AC.
• Um sistema bifásico usa duas fontes 180° fora de fase, reduzindo correntes nos condutores enquanto mantém tensões de carga baixas.
• Um sistema polifásico emprega múltiplas fontes de tensão com diferentes ângulos de fase, entregando mais potência em tensão menor e com condutores menores.
• Fontes de tensão defasadas são criadas em alternadores com múltiplos conjuntos de enrolamentos espaçados ao redor do rotor.

Planilhas Relacionadas

• Planilha de Sistemas de Potência Polifásicos