SISTEMA MONOFÁSICO E TRIFÁSICO

O entendimento do sistema monofásico é necessário para o estudo do sistema trifásico. Note que um sistema monofásico difere de um circuito monofásico. A instalação de uma lâmpada utiliza um circuito monofásico, na grande maioria das vezes derivado de um sistema trifásico que emprega geradores, transformadores, linhas de transmissão e linhas de distribuição trifásicas.

Já um sistema monofásico é aquele oriundo de um gerador monofásico que produz uma única tensão senoidal, chamada tensão de fase. A Figura 4.1 mostra, de forma simplificada, duas tipologias de gerador monofásico.

Na Figura 4.1(a) temos um gerador monofásico com geração no rotor, isto é, o campo magnético do estator é fixo, enquanto a bobina de geração é forçada a girar dentro desse campo magnético, induzindo, pelas Leis de Faraday e Lenz, uma tensão alternada em seus terminais.

Na Figura 4.1(b) e 4.1(c) temos um gerador monofásico com geração no estator, isto é, o campo magnético é produzido no rotor, que é forçado a girar no interior da bobina de geração fixa, induzindo, pelas leis de Faraday e Lenz, uma tensão alternada em seus terminais.

Os sistemas que possuem mais de uma fase são denominados polifásicos, apresentam fases iguais, porém defasadas entre si de um ângulo de 360º/n, sendo n o número de fases. O sistema polifásico composto de três fases, chamado de trifásico, é o mais usado em todas as etapas do sistema elétrico. Existem aparelhos que demandam três fases para o seu funcionamento, como é o caso de motores elétricos trifásicos.

Os sistemas trifásicos apresentam uma série de vantagens em relação aos monofásicos, tais como:

• Possibilidade de obtenção de duas tensões diferentes na mesma rede ou fonte. Além disso, os circuitos monofásicos podem ser alimentados pelas fases do sistema trifásico.
• As máquinas trifásicas têm quase 50 % a mais de potência que as monofásicas de mesmo peso e volume.
• O conjugado (torque) dos motores trifásicos é mais constante que o das máquinas monofásicas.
• Para transmitir a mesma potência, as redes trifásicas usam condutores de menor bitola que as monofásicas.
• Redes trifásicas criam campos magnéticos giratórios utilizados pelos motores de indução trifásicos que são os mais baratos e robustos de todos os motores elétricos.

Em um gerador trifásico, existem três enrolamentos distribuídos simetricamente no estator da máquina, propiciando uma separação física de 120º entre os enrolamentos. Dessa forma, a geração resulta em três tensões (fases) com a mesma amplitude e frequência, porém defasadas em 120º.

A Figura 4.2 mostra, de forma simplificada, um gerador trifásico com geração no estator e rotor, bem como seus enrolamentos e formas de onda.

Da mesma forma que no gerador monofásico, a tipologia com geração no estator é a mais viável, entretanto utilizaremos aqui a tipologia com geração no rotor para um melhor entendimento das tensões geradas.

A Figura 4.3 mostra a representação por forma de onda, expressões trigonométricas, números complexos e diagrama fasorial para as tensões A, B e C.

Como vimos, os geradores trifásicos possuem três bobinas (seis terminais). Considerando a utilização independente destas bobinas, necessitaríamos de seis condutores para o transporte da energia gerada por um gerador trifásico. Entretanto, existem duas formas de ligação das bobinas de máquinas elétricas trifásicas que permitem a redução do número de condutores e, consequentemente, dos custos no transporte da energia. Estas ligações são denominadas estrela (Y) e triângulo ou delta (∆), devido ao seu formato.

A ligação dos terminais A’, B’ e C’, como na Figura 4.4(a), resulta num gerador ligado em Y, ao passo que a ligação de A em B’, de B em C’ e de C em A’, como na Figura 4.4(b), resulta num gerador ligado em ∆.

Note que na ligação ∆ não há condutor neutro, enquanto na ligação Y, o ponto de interligação das bobinas pode originar o condutor neutro (N) se devidamente aterrado.

Note que na ligação ∆ não há condutor neutro, enquanto na ligação Y, o ponto de interligação das bobinas pode originar o condutor neutro (N) se devidamente aterrado.

Considerando equilibrada a carga dos geradores da Figura 4.4, isto é, mesma potência conectada a cada fase, obtemos as seguintes relações entre os valores de correntes e tensões de linha e de fase:

Corrente de linha (Il) – é a corrente que circula nos terminais das máquinas elétricas, isto é, a corrente fornecida à rede pelo gerador ou recebida da rede pelos motores e transformadores (linha).

Corrente de fase (If) – é a corrente que circula pelo interior das bobinas das máquinas elétricas.

Tensão de linha (Vl) – é a diferença de potencial entre duas fases quaisquer de um gerador ou da rede que alimenta motores e transformadores.

Tensão de fase (Vf) – é a diferença de potencial entre os terminais individuais de qualquer bobina de uma máquina elétrica. No caso da ligação Y, entre qualquer fase e o neutro.

Observe que na ligação Y, as correntes de linha e de fase são iguais em módulo, enquanto a tensão de linha é √3 vezes maior que a tensão de fase. Já na ligação ∆ ocorre o contrário; as tensões de linha e de fase são iguais em módulo, enquanto a corrente de linha é √3 vezes maior que a corrente de fase. A relação √3 surge, em ambos os casos, devido à defasagem angular de 120° entre as fases. Além das possíveis variações de módulo, as correntes de linha e de fase, bem como as tensões de linha e de fase poderão estar defasadas, dependendo do tipo de ligação, sequência de fase e rotação de fase.

As relações apresentadas entre valores de linha e fase também são válidas para as ligações de outras máquinas elétricas trifásicas, como transformadores e motores elétricos equilibrados. A opção pelas ligações Y ou ∆ se deve às características técnicas e operacionais do sistema elétrico e as especificações técnicas das máquinas elétricas.

Por exemplo, um motor elétrico com a especificação de placa 380/220 V pode ligar em partida direta tanto numa rede trifásica de 380 V (valor de linha) ou de 220 V (valor de linha). O menor valor da especificação do motor, no caso 220 V, corresponde à tensão nominal da bobina.

Dessa forma, numa rede de 220 V, para que a bobina do motor receba a tensão nominal, a forma de ligação de suas bobinas será ∆. Já numa rede de 380 V a ligação correta será a Y, caso contrário o motor será submetido a uma sobretensão, o que ocasionaria sua queima.

As potências ativa, reativa e aparente, estão presentes tanto em circuitos CA monofásicos, quanto em circuitos CA trifásicos. Entretanto, precisamos entender como estas potências são determinadas em circuitos trifásicos

Relembrando as potências em circuitos CA monofásicos, estudadas na Aula 3, temos:

Considerando um circuito trifásico equilibrado e tendo em vista que eles são constituídos por três circuitos monofásicos de mesma potência conectados em Y ou ∆, poderemos determinar as potências trifásicas totais através dos valores de fase, conforme as Equações 4.7, 4.8 e 4.9:

Observe que as expressões referidas empregam valores eficazes e são válidas para a determinação das potências de máquinas elétricas trifásicas ligadas tanto em Y como em ∆.

Ainda, considerando o mesmo circuito equilibrado e substituindo os valores de fase por valores de linha, através das relações já conhecidas, poderemos determinar as potências trifásicas totais através dos valores de linha, conforme as Equações 4.10, 4.11 e 4.12:

Entretanto, caso as cargas sejam desequilibradas, deveremos determinar as potências ativas e reativas individuais de cada fase (A, B e C), para posterior somatório. Já a potência aparente poderá ser obtida empregando o triângulo de potências, conforme as Equações 4.13, 4.14 e 4.15: