12 - Sistema Trifásico
 

12.1) Introdução:

O estudo dos circuitos trifásicos é um caso particular do estudo dos circuitos polifásicos. Por razões técnicas e econômicas, o sistema trifásico tornou-se padrão mundial em geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, possuindo a flexibilidade de atender cargas monofásicas, bifásicas e trifásicas sem qualquer alteração em sua configuração.

Um sistema trifásico genérico pressupõe o triplo de trabalho para modelar o circuito de cada fase e as interações entre eles. Nesse sentido, torna-se importante o Método de Estudo das Componentes Simétricas, no qual um circuito trifásico pode ser decomposto em três circuitos monofásicos. Logo, cada circuito representa uma componente: zero, positiva ou negativa. Essa modelagem é amplamente utilizada nos estudos dos sistemas elétricos de potência, com as grandezas frequentemente representadas em pu (por unidade) devido à questões de simplicidade.

Originalmente, o sistema trifásico é projetado para fornecer três sinais de tensão senoidal no tempo, mas com o aumento das cargas eletrônicas (não-lineares), a exemplo dos computadores e reatores, a forma de onda do sinal sofre deformações causando o surgimento de harmônicos. Os conceitos mais importantes com relação à este tópico serão definidos nos próximos itens.


12.2) O Alternador Trifásico:

12.2.1) Bobinas do Estator:

Num alternador trifásico existem três bobinas no estator (parte fixa do alternador) separadas fisicamente umas das outras e podendo ser conectadas em Estrela, ou Delta (Triângulo). Quando o campo magnético gira, atravessa sucessivamente essas bobinas, produzindo em cada uma delas um sinal de tensão senoidal balanceado e igual ao sinal das outras duas bobinas, mas defasado de 120º com relação aos outros dois sinais. Devido ao defasamento angular entre essas tensões, as mesmas não possuem o mesmo valor em cada instante. Isso pode ser observado na Figura 01:

Figura 01 - Defasagem Angular entre as Tensões das Bobinas do Estator.

 

12.2.2) Tipos de Conexão do Estator:

Dependendo da maneira de se conectar as três bobinas do estator (aa’, bb’ e cc’), pode-se ter dois tipos de configuração, como mostra a Figura 02:

Figura 02 - Disposição das Três Bobinas do Estator.

 

Logo, o estator pode ter dois tipos de fechamento: em Estrela, ou Delta (Triângulo), como pode ser visto na Figura 03:

Figura 03 - Tipos de Conexão do Estator.

 

Cabem aqui algumas definições:

a) Tensão de Fase: é a tensão medida em cada uma das bobinas do gerador;

b) Tensão de Linha: é a tensão medida entre dois terminais (com exceção do centro da Estrela) do gerador;

c) Corrente de Fase: é a corrente que percorre cada uma das bobinas do gerador;

d) Corrente de Linha: é a corrente que percorre o condutor (com exceção do neutro) entre o gerador e a carga.

12.2.3) Conexão do Tipo "Estrela":

No estator, o fechamento em estrela pode ser representado conforme mostra a Figura 04, ou seja:

Figura 04 - Conexão do Tipo "Estrela" no Estator.

 

OBS: Considerando a existência do neutro (quarto fio), a corrente no mesmo será nula somente para cargas equilibradas.

12.2.4) Conexão do Tipo "Delta" ou "Triângulo":

No estator, o fechamento em delta pode ser representado conforme mostra a Figura 05, ou seja:

Figura 05 - Conexão do Tipo "Delta" no Estator.

 

A ligação de uma carga trifásica também poderá ser do tipo "Estrela", ou "Delta". Conforme a necessidade prática, a configuração do tipo "Estrela" pode ser transformada na configuração do tipo "Delta" e vice-versa. Essas duas transformações são mostradas na Figura 06:

Figura 06 - Transformações: "Estrela-Delta" (a) e "Delta-Estrela" (b).

 


12.3) Definições Importantes:

a) Um circuito trifásico é simétrico quando ele possui tensões e correntes trifásicas simétricas em qualquer ponto de sua configuração;

b) As tensões (ou correntes) trifásicas de um circuito trifásico são ditas simétricas quando elas podem ser representadas por fasores balanceados;

c) Diz-se que um conjunto de três fasores, representativos de três tensões (ou correntes) de um certo sistema trifásico, são balanceados quando eles possuem o mesmo módulo e estão defasados um do outro de um mesmo ângulo, igual ao ângulo característico do sistema trifásico;

d) Adotando-se, por exemplo, a tensão da fase A na referência, um conjunto de três tensões de um circuito trifásico é de seqüência direta ou positiva (ABC), quando (Figura 07):

Figura 07 - Conjunto de Três Fasores Balanceados Representativos de Três Tensões de Fase Simétricas de Seqüência Direta.

 

e) Adotando-se, por exemplo, a tensão da fase A na referência, um conjunto de três tensões de um circuito trifásico é de seqüência inversa ou negativa (ACB), quando (Figura 08):

Figura 08 - Conjunto de Três Fasores Balanceados Representativos de Três Tensões de Fase Simétricas de Seqüência Inversa.

 

f) Diz-se que um circuito trifásico é equilibrado quando ele é composto por equipamentos equilibrados, ou seja, que podem ser representados por matrizes de impedâncias de fase equilibradas;

g) Diz-se que a matriz de impedância de fase é equilibrada quando ela é composta de elementos na diagonal iguais entre si e elementos fora da diagonal também iguais entre si (Figura 09).

Figura 09 - Matriz de Impedância de Fase Equilibrada.

 

Onde:

           

OBS: Caso não existam impedâncias mútuas, a matriz de impedância de fase é do tipo diagonal, com elementos iguais entre si.


12.4) Seqüência Positiva para Conexão do Tipo "Estrela":

É mostrada na Figura 10, a seguir:

Figura 10 - Seqüência Positiva para Conexão do Tipo "Estrela".

 


12.5) Seqüência Negativa para Conexão do Tipo "Estrela":

É mostrada na Figura 11, a seguir:

Figura 11 - Seqüência Negativa para Conexão do Tipo "Estrela".

 


12.6) Seqüência Positiva para Conexão do Tipo "Delta":

É mostrada na Figura 12, a seguir:

Figura 12 - Seqüência Positiva para Conexão do Tipo "Delta".

 


12.7) Seqüência Negativa para Conexão do Tipo "Delta":

É mostrada na Figura 13, a seguir:

Figura 13 - Seqüência Negativa para Conexão do Tipo "Delta".

 

Nota:

A distribuição do sistema trifásico em estrela é feita a quatro fios, ou seja, A, B, C e N (condutor de neutro). Se medirmos a tensão entre as fases obtemos 220 V e tem-se 127 V quando medimos a tensão entre uma destas fases e o neutro. Em uma rede trifásica em 380 V, se medirmos a tensão entre duas fases teremos 380 V e entre uma fase e o neutro obteremos 220 V.

Antigamente, no início do fornecimento de energia elétrica, usava-se um sistema trifásico em 220 V/127 V para a distribuição. Para uma tensão menor é necessário uma corrente elétrica proporcionalmente maior para suprir a potência solicitada pela carga. Ao contrário, se houver aumento da tensão, é preciso diminuir a corrente elétrica para gerar exatamente a mesma potência. Analisando isso pelo lado de custos, os transformadores e os condutores elétricos para uma tensão em 220 V/127 V teriam de ser mais robustos que os transformadores em 380 V/220 V para conduzir a corrente elétrica, além de possuir condutores de maiores bitolas. As cidades que foram as primeiras a receber o fornecimento de energia elétrica tem sua rede em 220 V/127 V, já nas cidades que começaram a receber o fornecimento mais tarde, seu sistema adotado é de 380 V/220 V.