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Circuitos Polifásicos

Circuitos polifásicos são circuitos nos quais as fontes CA operam na mesma frequência, mas com ângulos de fases diferentes.

A geração e transmissão de energia elétrica são mais eficientes em sistemas polifásicos que empregam combinações de 2, 3 ou mais tensões sinusoidais.

O sistema trifásico foi independentemente inventado por Galileo Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolski e Nikola Tesla, nos meados do fim da década de 1880.

Circuito Trifásico Equilibrado

É constituído por 3 tensões sinusoidais possuindo amplitudes e frequências iguais, com desafamento de 120º entre si.

Vaa’ + Vbb’ + Vcc’ = 0

Isto é feito dispondo-se sobre o mesmo eixo, três bobinas deslocadas entre si de 2π/3 rad e girando o conjunto com velocidade angular constante no sentido horário, no interior de um campo magnético uniforme. Nos terminais das bobinas aparecerá um sistema de tensões de mesmo valor máximo e defasadas entre si de 2π/3 rad , conforme a Figura:

Gerador trifásico (alternador)

Enrolamento estacionário → estator
Ímã rotativo → rotor
Bobinas com terminais a-a’, b-b’ e c-c’ estão fisicamente dispostas em 120º.
À medida que o rotor gira, seu campomagnético “corta” as três bobinas e induz tensões nelas.
Tensões induzidas nas três bobinas são iguais em magnitude, mas defasadas de 120º.
Cada bobina pode ser considerada como um gerador monofásico, suprindo potência para cargas monofásicas ou trifásicas.

A Energia elétrica é,em geral, gerada e distribuída em sistemas trifásicos e frequências de 60Hz ou 50Hz.

A potência instantânea de um sistema trifásico pode ser constante (sem pulsos). Resultando em uma transmissão mais uniforme de potência e menos vibrações dos sistemas trifásicos.

Este sistema também é mais econômico que o sistema monofásico.

Sequência de fase

É o instante ou a ordem em que as tensões passam por um ponto fixo: seus valores máximos, por exemplo. Define-se, para um sistema polifásico simétrico, “seqüência de fase” como sendo a ordem pela qual as tensões das fases passam pelo seu valor máximo.

Por exemplo, no sistema trifásico das Figuras acima, a seqüência de fase é A-B-C, uma vez que as tensões passam consecutivamente pelo valor máximo na ordem A-B-C.

Evidentemente, uma alteração cíclica não altera a seqüência de fase, isto é, a seqüência A-B-C é a mesma que B-C-A e que C-A-B.

À seqüência A-B-C é dado o nome “seqüência direta” ou “seqüência positiva”, e à seqüência A-C-B, que coincide com C-B-A e B-A-C, dá-se o nome de “seqüência inversa” ou “seqüência negativa”.

Exemplo

Um sistema trifásico simétrico tem seqüência de fase negativa, B-A-C, e VC = 220 ∠ 40° V . Determinar as tensões VA e VB .

Solução:

Sendo a seqüência de fase B-A-C, a primeira tensão a passar pelo valor máximo será VB , a qual será seguida, na ordem, por VA e VC . Portanto, deverá ser:

VB = Vm. cos( ωt +  θ)

VA = Vm. cos( ωt +  θ - 2π/3)

VC = Vm. cos( ωt +  θ - 4π/3)

em que θ representa o ângulo inicial ou a rotação de fase em relação à origem.

No instante t=0, tem-se:

VB = Vm. cos(θ)

VA = Vm. cos(θ - 2π/3)

VC = Vm. cos(θ - 4π/3)

Sendo V = Vm/ √2 , fasorialmente tem-se:

VB = V ∠ θ

VA = V ∠ (θ - 2π/3)

VC = V. ∠(θ - 4π/3)

Por outro lado, sendo dado VC = 220 ∠ 40° V , resulta

V = 220 V

θ + 120 = 40° → θ = − 80°

e portanto

VB = 220 ∠ − 80°

VA = 220 ∠ − 200°

VC = 220. ∠ 40°

Tipos de conexão

Um típico sistema trifásico consiste em três fontes de tensão conectadas às cargas por três ou quatro fios (linhas de transmissão).

Um sistema trifásico é equivalente a três circuitos monofásicos.

As formas em que as fontes de tensão estão conectadas podem ser estrela e delta:

Tensões de fase

As tensões de fase são as tensões 𝑉𝑎𝑛, 𝑉𝑏𝑛 e 𝑉𝑐𝑛.

São as tensões entre as linhas a, b e c, respectivamente e o neutro n.

Tensões de linha

As tensões de linha são as tensões 𝑉𝑎𝑏, 𝑉𝑏𝑐 e 𝑉𝑐𝑎.

São as tensões entre as linhas a e b, b e c, e c e a, respectivamente.

Cargas balanceadas

Um sistema trifásico com cargas balanceadas significa que as Impedâncias são iguais em magnitude e fase.

Impedâncias de linha: 𝑍1, 𝑍2 e 𝑍3
Impedâncias de fase: 𝑍𝑎, 𝑍𝑏 e 𝑍𝑐

Cargas trifásicas - conversão

Quando as cargas são balanceadas:

𝑍1 = 𝑍2 = 𝑍3 = 𝑍𝑌

𝑍𝑎 = 𝑍𝑏 = 𝑍𝑐 = 𝑍Δ

onde

𝑍𝑌 → Impedância de carga por fase conectada em estrela

𝑍Δ → Impedância de carga por fase conectada em delta

Conexões fonte-carga de sistemas trifásicos balanceados

Conexão estrela-estrela balanceada (Y-Y)

Sistema trifásico com fonte balanceada conectada em Y e uma carga balanceada conectada também em Y.

Considerando-se as impedâncias do circuito:

onde:

𝑍𝑠 - impedância da fonte
𝑍𝑙 - impedância da linha
𝑍𝑛 - impedância do condutor do neutro
𝑍𝐿 - impedância da carga

Assim:

𝑍𝑌 = 𝑍𝐿 + 𝑍𝑙 + 𝑍𝑠

Mas

𝑍𝐿 ≫ 𝑍𝑠, 𝑍𝑙 e 𝑍𝑛

Então

As correntes serão:

Tensões de linhas

Conexão estrela-delta (Y-Δ)

Conexão delta-delta (Δ -Δ)

Conexão delta-estrela (Δ -Y)

Tensão composta

Redes Trifásicas

O sistema de produção, transporte e distribuição de energia elétrica tem a seguinte constituição:

Nas centrais há geradores de corrente alternada (acionadas por turbinas hidráulicas ou máquinas térmicas). Nas grandes usinas geradoras o nível de tensão na saída dos geradores está normalmente na faixa de 6 a 25 kV.

Para poder ser transmitida, a tensão produzida é, então, elevada. As tensões usuais de transmissão adotadas no Brasil, em corrente alternada, podem variar de 138 kV até 765 kV, incluindo neste intervalo as tensões de 230 kV, 345 kV, 440 kV e 500 kV.

O transporte de energia elétrica é feita pelas linhas de alta tensão até às subestações, situadas junto dos centros consumidores.

Os sistemas ditos de subtransmissão contam com níveis mais baixos de tensão, tais como 34,5 kV, 69 kV ou 88 kV e 138 kV e alimentam subestações de distribuição, cujos alimentadores primários de saída operam usualmente em níveis de 13,8 kV.

Junto aos pequenos consumidores existe uma outra redução do nível de tensão para valores entre 110 V e 440 V, na qual operam os alimentadores secundários. Nas cidades, há redes de cabos aéreos e subterrâneos que transportam a energia até aos pontos de transformação onde a tensão é reduzida a 110V ou 220V, para alimentar instalações de baixas tensão.

Cada posto de transformação alimenta um grande consumidor, fábrica, ou um grupo de pequenos consumidores, conjunto de edifícios residenciais.

O transporte da energia elétrica é feito em alta tensão para reduzir as perdas: P = Vef. Ief. cosϕ .

Para a mesma potência, se a tensão for maior, a corrente é menor, logo as perdas nos condutores, Ief². R, são menores.

O sistemas de produção, transporte e distribuição de energia elétrica constitui uma rede trifásica, com várias vantagens:

Usam-se apenas 3 ou 4 condutores (fase 1,2,3, neutro) em vez de 6 (no caso de 3 redes monofásicas separadas)
Nos geradores e motores o binário é constante (ausência de vibração)
Motores e geradores são mais simples.

Na conexão estrela podemos calcular o valor eficaz das tensões de linha a partir dos valores eficazes das tensões de fase:

V linha =√3 Vfase

E as correntes de fase são idênticas às correntes de linha, pois a corrente que circula por uma das cargas é a mesma que circula por uma das fases.

Na conexão triângulo, ou delta, a tensão de fase é igual a tensão de linha pois a tensão aplicada sobre cada uma das cargas é a diferença entre as tensões aplicadas às cargas vizinhas. E os valores eficazes das correntes de linha podem ser calculadas com os valores eficazes das 'correntes de fase':

I linha=√3 Ifase

Pressupondo um sistema balanceado, que nem sempre ocorre na prática.

LIGAÇÕES EM ESTRELA

Supondo que sejam alimentadas, a partir dos terminais das três bobinas do item precedente, três impedâncias quaisquer, Z, porém iguais entre si (carga equilibrada).

É evidente que os três circuitos assim constituídos formam três circuitos monofásicos, nos quais circularão as correntes:

Isto é, nos três circuitos circularão correntes de mesmo valor eficaz e defasadas entre si de 120° .

Observa-se que os três circuitos são eletricamente independentes, e portanto pode-se interligar os pontos NA, NB e NC, designados por N, sem que isso venha a causar qualquer alteração nos mesmos.

Por outro lado, observa-se que os pontos NA', NB' e NC' estão ao mesmo potencial que o ponto N; logo, podem ser interligados designando-os por N ′. A corrente que circula pelo condutor NN ′ é dada por

  INN' = IA + IB + IC = 0 ,

pois as três correntes aferentes ao nó N ′ têm o mesmo valor eficaz e estão defasadas entre si de 2π/3 rad. Deve-se salientar a mesma conclusão poderia ser obtida, observando que os pontos N e N ′ estão no mesmo potencial.

O condutor que interliga os pontos N e N′ recebe o nome de fio neutro ou quarto fio.

Evidentemente, sendo nula a corrente que o percorre, poderia ser retirado do circuito.

Observa-se aqui uma das grandes vantagens dos sistemas trifásicos. Para a transmissão da mesma potência, são utilizados 3 ou 4 fios, enquanto seriam necessários 6 fios se fossem utilizados 3 circuitos monofásicos.

Ao esquema de ligação assim obtido é dado o nome de circuito trifásico simétrico com gerador ligado em "estrela" (Y) e carga "equilibrada em estrela" (Y), dando-se o nome de "centro-estrela" ao ponto N ou N´.

Definem-se:

Tensão de fase: tensão medida entre o centro-estrela e qualquer um dos terminais do gerador ou da carga;
Tensão de linha: tensão medida entre dois terminais (nenhum deles sendo o "centroestrela") do gerador ou da carga. Evidentemente, define-se a tensão de linha como sendo a tensão medida entre os condutores que ligam o gerador à carga;
Corrente de fase: corrente que percorre cada uma das bobinas do gerador ou, o que é o mesmo, corrente que percorre cada uma das impedâncias da carga;
Corrente de linha: corrente que percorre os condutores que interligam o gerador à carga (exclui-se o neutro).

Salienta-se que as tensões e correntes de linha e de fase num sistema trifásico simétrico e equilibrado têm, em todas as fases, valores eficazes iguais, estando defasadas entre si de 2π/3 rad.

Em vista deste fato, é evidente que a determinação desses valores num circuito trifásico com gerador em Y e carga em Y, resume-se à sua determinação para o caso de um circuito monofásico constituído por uma das bobinas ligada a uma das impedâncias por um condutor de linha, lembrando ainda que a intensidade de corrente no fio neutro é nula.

De acordo com as definições apresentadas, tem-se a Tabela abaixo, que apresenta todos os valores de linha e de fase para o circuito da Figura. 4.1.

Um gerador trifásico simétrico é equivalente a um conjunto de três geradores iguais cujas tensões estão desfasadas de (120º) 2π/3:

As tensões compostas são as tensões entre as fases v12, v23, v13, como se indica nos seguinte diagrama vetorial.

O valor eficaz das tensões compostas V∆ef é

V∆ef = 2 Vef .cos(π / 6) = √3 Vef.

Por exemplo: na rede de distribuição em baixa tensão, a tensão simples é Vef = 220 V e a tensão composta, V∆ef = 380V.

Uma carga trifásica simétrica é constituída por 3 impedâncias iguais:

Se o gerador e a carga forem simétricos, as correntes serão iguais e desfasadas de 120º:

Numa rede trifásica simétrica tem-se, assim,

i1+ i2 +i3 = 0

A potência fornecida pelo gerador à carga é:

p(t) = v1.i1 + v2.i2 + v3.i3

Se a rede trifásica for simétrica, potência instantânea é constante:

p(t) = 3.Vlinha,ef . I ef .cosϕ

EXEMPLO:

Um sistema trifásico a 4 condutores, (tensão composta V∆ef = 208V) alimenta uma carga em estrela equilibrada, constituída por impedâncias 20∠−30º . Calcular as correntes da linha e a potência fornecida pelos geradores.