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01000-RH/FA-216 Superintendência de Recursos Humanos ELETROTÉCNICA – MÓDULO IV CIRCUITO TRIFÁSICO Gerência do Centro de Formação e Aperfeiçoamento Pr ofissional Sete Lagoas – fevereiro/ 2004 Treinamento & Desenvolvimento 01000-RH/FA-216 Superintendência de Recursos Humanos ELETROTÉCNICA – MÓDULO IV CIRCUITO TRIFÁSICO Elaborado por: Roberto Horta Maia – Instrutor Técnico / EFAP (CEMIG) Gerência do Centro de Formação e Aperfeiçoamento Pr ofissional Sete Lagoas – fevereiro/ 2004 Treinamento & Desenvolvimento SUMÁRIO 1 SISTEMAS TRIFÁSICOS ............................. ........................................................... 4 1.1 Características do sistema trifásico ....................................................................... 4 1.2 Geração de Tensão Trifásica ................................................................................ 4 1.3 Tensão de fase e tensão de linha ......................................................................... 8 1.4 Relação entre a tensão de linha e de fase ............................................................ 9 1.4 Relação entre a tensão de linha e de fase .......................................................... 10 1.5 Como instalar as cargas em uma rede trifásica .................................................. 10 2 CIRCUITO ESTRELA ................................ ............................................................ 11 2.1 Circuito estrela equilibrado .................................................................................. 11 2.2 Circuito estrela desequilibrado ............................................................................ 14 3 CIRCUITO TRIÂNGULO .............................. .......................................................... 19 3.1 Circuito triângulo equilibrado ............................................................................... 19 3.2 Circuito triângulo desequilibrado ......................................................................... 23 4 POTÊNCIA EM CIRCUITOS ESTRELA ................... ............................................. 27 4.1 Potência monofásica (1ø) num circuito estrela equilibrado ou desequilibrado .... 28 4.2 Potência trifásica (3ø) num circuito estrela equilibrado ....................................... 28 4.3 Potência trifásica ( 3ø ) num circuito estrela desequilibrado .............................. 29 4.4 Fator de potência monofásico ou trifásico (3ø) num circuito estrela equilibrado ou desequilibrado ........................................................................................................... 30 5 POTÊNCIA EM CIRCUITOS TRIÂNGULO ................. ........................................... 30 5.1 Potência monofásica (1ø) num circuito triângulo equilibrado ou desequilibrado . 31 5.2 Potência trifásica (3ø) num circuito triângulo equilibrado .................................... 31 5.3 Potência trifásica ( 3ø ) num circuito triângulo desequilibrado ............................ 32 5.4 Fator de potência monofásico ou trifásico (3ø) num circuito estrela equilibrado ou desequilibrado ........................................................................................................... 33 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................... ................................................ 34 Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 4 1 SISTEMAS TRIFÁSICOS 1.1 Características do sistema trifásico Um sistema trifásico (3Ø) é uma combinação de três sistemas monofásicos (1Ø). Num sistema (3Ø) equilibrado, a potência é fornecida por um gerador CA que produz três tensões iguais em módulo, mas defasadas entre si de 120º. Embora os circuitos monofásicos sejam amplamente usados em sistemas elétricos, a maior parte da geração e distribuição da corrente alternada é trifásica. ⇒ Vantagens da Utilização de Circuitos Trifásicos: • Os motores, geradores e transformadores trifásicos têm menores dimensões, são mais leves e mais eficientes do que seus equivalentes monofásicos. • Para determinado peso e custo, uma linha de transmissão trifásica é capaz de transmitir mais potência do que uma linha monofásica. • Os circuitos trifásicos permitem maior flexibilidade na escolha das tensões e podem ser usados na alimentação de cargas trifásicas ou monofásicas. 1.2 Geração de Tensão Trifásica Na figura 1, está representado um alternador trifásico que tem um estator e um rotor. Os três conjuntos de enrolamentos (enrolamentos de fase) da armadura estão fisicamente distribuídos a cada 120º da periferia interna do estator. São nesses conjuntos de enrolamentos, também chamados de induzido, que as três tensões senoidais são geradas. No rotor do gerador está o enrolamento de campo denominado por indutor, que alimentado por uma fonte de corrente contínua produz um campo magnético. Como o rotor é girante, seu campo magnético corta os enrolamentos da armadura, induzindo neles as tensões senoidais mostradas na figura 2. Essas tensões têm um valor de pico separado de um terço do período, ou separados de 120º, em virtude da disposição espacial de 120º dos enrolamentos da armadura. Como resultado, o alternador produz três tensões de mesmo valor eficaz (rms), e de mesma freqüência (60Hz), mas defasadas de um ângulo de fase de 120º. Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 5 Fig.3 Os terminais dos enrolamentos de fase de mesmo índice numérico são terminais de mesma polaridade, A1, B1 e C1, assim como A2, B2 e C2. Os terminais A1 e A2 pertencem ao grupo de enrolamentos da fase A, Os terminais B1 e B2 pertencem ao grupo de enrolamentos da fase B e Os terminais C1 e C2 pertencem ao grupo de enrolamentos da fase C. Para melhor visualizar o defasamento físico das bobinas, na figura 3 representamos seus enrolamentos concentrados, em três pontos eqüidistantes no estator. t 120° 240° VA VB VC 0° Enrolamento de campo ou indutor (Rotor) Enrolamento da armadura ou induzido (Estator) 0º 90º 180º 270º 360º + _ 0 Fig.2 120º 240º 0º Fase A Fase B Fase C Fig.1 V Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 6 Em seguida, as três fases do gerador são interligadas para a operação trifásica. Ligando-se os terminais de mesma polaridade dos três enrolamentos de fase entre si, obtém-se um condutor comum, chamado neutro (N), conforme se verifica na figura 4. Diz-se que em tais condições o gerador está ligado em estrela ( ΥΥΥΥ ). Desta maneira é disponibilizado para o sistema elétrico três condutores de fases distintas, ØA, ØB e ØC. Deve existir uma linha conectada ao terminal do neutro, como mostrado, nos casos em que existem quatro linhas ou condutores. Se nenhuma linha é conectada ao neutro, o circuito é um circuito a três condutores. As tensões de fase VA, VB e VC podem ser representadas através de um diagrama fasorial. Na figura 5, os três fasores estão defasadosentre si de 120º, e as tensões estão representadas pelo seu valor eficaz (rms). 0º 90º 180º 270º V 12 + t 0º 90º 180º 270º V + t 240° 0º 90º 180º 270º V+ t FA FB FC N Aterramento A1 A2 B1 B2 C1 C2 Fig.4 Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 7 Como o gerador está ligado em estrela, as tensões em, cada fase correspondem às tensões entre fase e neutro deste sistema, e a origem da circunferência representa o ponto comum da ligação dos enrolamentos, sendo este ponto comum o neutro (N). Assim, obtemos as três tensões entre fase e neutro da rede, VAN, VBN e VCN, figura 6. As tensões mostradas na figura 5 são determinadas em qualquer instante de tempo, pode-se observar que a soma das tensões é zero. Esse zero como resultado pode também ser verificado pela adição vetorial gráfica dos fasores correspondentes a tais tensões conforme a figura 7. fig.5 fig.6 VA VB VC N VAN VBN VCN Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 8 Esses três fasores são somados na figura 7 conectando o início de VBN, a ponta de VAN e o início de VCN, a ponta de VBN. Sendo que a ponta de VCN toca o inicio de VAN, a soma é zero. E, como a soma dos fasores de tensão é zero, a soma dos valores instantâneos de tensão correspondentes é zero para qualquer instante. De uma forma geral, três senóides têm uma soma zero se elas têm a mesma freqüência, mesmo valor de pico e são defasadas de 120º. Em particular, isto é verdadeiro para correntes. 1.3 Tensão de fase e tensão de linha Num sistema elétrico alimentado por uma rede trifásica a quatro fios, temos três condutores de fase que são, fase A, B e C, e um condutor de neutro (N). No sistema elétrico a tensão de fase (VF) ou tensão simples (v) é a tensão medida entre cada fase e o neutro, que para rede trifásica são três, VAN, VBN e VCN. A tensão de linha (VL) ou tensão composta (V) é a tensão medida entre duas fases distintas, que para rede trifásica são três, VAB, VBC e VCA. Como a tensão de linha é a diferença de potencial entre duas fases que se encontram defasadas entre si de 120º, estas tensões correspondem À diferença vetorial entre duas tensões de fase, assim: ØN ØA ØB ØC VBN VCN VAN + VBN + VCN = 0 VAN fig.7 Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 9 VAB = VAN + (- VBN) VBC = VBN + (- VCN) VCA = VCN + (- VAN) O fasor resultante da diferença vetorial entre duas tensões de fase, é um fasor que une as extremidades de dois fasores de fases distintas, como se verifica na figura 1. No diagrama fasorial da figura 2, estão representadas as tensões de linha com a origem de cada fasor deslocado para a origem da circunferência. Desta forma se verifica que as tensões de linha se encontram defasadas entre si de 120º, e que o defasamento existente entre a tensão de linha e de fase é de 30º, com a tensão de linha adiantada em relação à de fase. fig.5 30º 30º 30º VAN VCN VBN VCA VAB VBC Fig.1 Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 10 1.4 Relação entre a tensão de linha e de fase A relação entre as tensões de linha (VL) e de fase (VF) num sistema trifásico simétrico, com as tensões deslocadas entre si de um ângulo de fase de 120º e de mesmo valor eficaz (rms), é igual a 3 , conforme a figura 1 1.5 Como instalar as cargas em uma rede trifásica As cargas podem ser instaladas: • Entre condutor de fase e condutor de neutro, figura 1. • Entre dois condutores de fase, figura 2. A escolha da instalação depende da tensão nominal das cargas e das tensões da rede. • Se a tensão nominal das cargas corresponde à tensão de fase da rede, as cargas serão instaladas entre condutores de fase e condutor neutro. • Se a tensão nominal das cargas corresponde à tensão de linha da rede, as cargas serão instaladas entre condutores de fase. fig.1 F L F L F L V V 3 V 1 2 V 2 3 V 2 V º30cos =⇒ ×=⇒= 30º VF VF VL VL/2 VL/2 Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 11 É extremamente desejável operar sistemas de potência em estado de equilíbrio ou bem próximo do equilíbrio. As linhas de transmissão são também propriamente equilibradas. Por outro lado, os circuitos de distribuição são desequilibrados, resultantes da aplicação de cargas monofásicas separadas. A ligação estrela ou triângulo é obtida pela ligação de cargas trifásicas, ou pelo agrupamento de cargas monofásicas instaladas na rede trifásica. 2 CIRCUITO ESTRELA 2.1 Circuito estrela equilibrado Na figura 1, está representado um circuito que tem uma carga trifásica equilibrada ligada em estrela, ou um grupo de cargas monofásicas equilibradas distribuídas igualmente entre as fases da rede trifásica formando uma ligação estrela. Essas cargas são alimentadas por uma fonte com os enrolamentos conectados em estrela. Essa fonte pode ser um gerador, ou o secundário de um transformador trifásico. A linha de neutro conecta os dois nós neutros. ⇒ Para que um circuito seja estrela equilibrado, ele terá que atender às condições de equilíbrio, que são: • Impedâncias idênticas nas fases • Mesmo Ângulo de defasagem entre tensão e corrente nas fases • Cargas de natureza iguais nas fases A corrente que atravessa cada linha ( IL ) de alimentação de um circuito alimentando cargas ligadas em estrela é a mesma que percorre a carga ligada a cada uma das Esta montagem é chamada ligação estrela ( Υ ) ØC ØA ØB N Z1 Z2 Z3 Esta montagem é chamada ligação triângulo ( ∆ ) ØC ØA ØB N Z1 Z2 Z3 Fig.1 Fig.2 Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 12 fases. A corrente de carga é também denominada por corrente de fase ( IF ), sendo assim: ILA = IF1 ; ILB = IF2 ; ILC = IF3. ⇒ Conseqüências do equilíbrio: • As correntes de linha ou correntes de fase são iguais: IF1 = IF2 = IF3 ou ILA = ILB = ILC • Não existe corrente circulando no neutro, pois a soma vetorial das correntes de fase é zero: ⇒ Determinação das correntes de fase: A correntes de fase podem ser encontradas a partir de: 1 NA 1F Z V I = 2 NB 2F Z V I = 3 NC 3F Z V I = ; ; IN = IF1 + IF2 + IF3 = 0 Figura 1 C N VCN N ØA VCA VBC VAB Ø C VBN VAN IL IL IN ILA B A Z 2 Z 3 Z 1 ØB IN = I1 + I2 + IF IFIF Secundário em estrela de um transformador trifásico Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 13Como o circuito é equilibrado, as correntes de fase IF1, IF2 e IF3 possuem o mesmo módulo, mas defasadas entre si de 120º, conforme determinado pela seqüência de fase visto na figura 1. Como já foi verificado, não existe corrente na linha de neutro para um circuito estrela equilibrado, conforme se verifica na figura 1. A não existência da corrente de neutro é devido às correntes de fase possuírem o mesmo módulo e uma diferença de fase de 120º, portanto a soma vetorial destas correntes é igual a zero. Como exemplo para representação fasorial das correntes de fase, na figura 1, foram consideradas as cargas sendo puramente resistivas, e assim, o ângulo ( ϕϕϕϕ ) de defasagem entre corrente e tensão em cada fase é igual a zero. Representação Fasorial das correntes de fase ⇒ Rompimento do condutor neutro Pelo fato de o condutor do neutro não conduzir corrente, ele pode ser eliminado para transformar o circuito de quatro condutores em um circuito de três condutores. A mais importante conseqüência da corrente zero no neutro é que os dois nos neutros estão no mesmo potencial, mesmo na ausência do condutor neutro da rede. O neutro obtido no ponto comum da ligação estrela é também denominado de neutro artificial ou flutuante, sendo representado pela letra O para diferenciá-lo do neutro da rede, apesar de estarem os dois nos neutros em mesmo potencial, VN = VO e VON = 0. VB VCA VAB VAN = VAO VBN = V VCN = V IF1 IF IF2 IF2 120º 120º 30º 30º 60º 30º IF3 IF1 IF2 IF3 IN = IF1 + IF2 + IF3 = 0 Fig.1 ω Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 14 3 V V V V V V CO CA BO BC AO AB === As tensões aplicadas às cargas após o rompimento do neutro da rede serão VAO, VBO e VCO, sendo que estas tensões são iguais em módulo e com o mesmo ângulo de fase das tensões VAN, VBN e VCN, assim: VAO = VAN ; VBO = VBN ; VCO = VCN Na prática, entretanto, é conveniente a presença de um condutor de neutro para assegurar o equilíbrio das tensões nas fases no caso de as impedâncias de carga não serem exatamente iguais. Em um circuito estrela equilibrado mesmo com o neutro da rede rompido, o ângulo de defasagem entre os fasores representativos das tensões de linha e de fase permanecem em 30º figura 1, e desta forma a relação entre tensão de linha e de fase permanece igual a 3 como por exemplo: 2.2 Circuito estrela desequilibrado Para que um circuito seja estrela desequilibrado, ele terá que atender a uma das condições para desequilíbrio ou todas ao mesmo instante que são: • Impedâncias diferentes nas fases • Ângulo de defasagem entre tensão e corrente diferentes nas fases • Cargas de natureza diferentes nas fases ⇒ Conseqüências do equilíbrio: • As correntes de linha ou de fase podem ser diferentes em módulo, e os ângulos de defasagem entre as correntes podem ser diferentes de 120º, dependendo da natureza das cargas e do ângulo de defasagem entre tensão e corrente em cada uma das fases. • Existe corrente circulando no neutro por ser esta corrente a soma vetorial de IF1, IF2 e IF3, como se verifica na figura 1. Pelo fato do condutor de neutro conduzir corrente, ele não pode ser eliminado. IN = IF1 + IF2 + IF3 ≠≠≠≠ 0 ⇒ Determinação das correntes de fase: As correntes de fase podem ser encontradas a partir de: 1 NA 1F Z V I = 2 NB 2F Z V I = 3 NC 3F Z V I = ; ; Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 15 A54,2I 50 V127 I Z V I 2F2F 2 BN 2F =⇒Ω =⇒= A27,1I 100 V127 I Z V I 1F1F 1 AN 1F =⇒Ω =⇒= A08,5I 25 V127 I Z V I 3F3F 3 CN 3F =⇒Ω =⇒= Na figura 1, foi representado um circuito estrela com desequilíbrio entre as três fases, sendo que a impedância nas três fases é de natureza resistiva, e o ângulo (φ) de defasagem entre tensão e corrente em cada fase é de 0º. Sendo a tensão de fase igual a 127V e as impedâncias das cargas, Z1 = 100Ω, Z2 = 50 Ω e Z3 = 25 Ω, os módulos das correntes de fase ou linha serão iguais a: Como o circuito é desequilibrado, a soma vetorial das correntes das fases é diferente de zero: IF1 + IF2 + IF3 ≠ 0 , no caso do exemplo acima citado: Desta forma, verifica-se que existe corrente circulando no neutro por ser esta corrente a soma vetorial de I F1 , I F2 e I F3 , como se verifica na figura 2. IN VCN IN N Ø A VAB VCA VB ØC VBN VAN ILB = 2,54 A ILC = 5,08 A ILA = 1,27 A ØB C N B A Z 2 Z 3 Z 1 IF IFIF Fig. 1 IN = IF1 + IF2 + IF3 = IN IN = IF1 + IF2 + IF3 = 3,15 A Equação 1.6.2 a Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 16 Representação Fasorial das correntes de fase e corr ente do neutro ⇒ Rompimento do condutor neutro Pelo fato de o condutor de neutro conduzir corrente, ele não pode ser eliminado. A mais importante conseqüência da circulação de corrente no neutro é que, caso o neutro da rede venha a ser suprimido, os dois nós neutros não estarão no mesmo potencial figura 3. B VCN N A VAB VCA VBC C VBN VAN ILB ILC ILA B A Z2 Z3 Z1 B VON IF3 IF2 IF1 Condutor neutro interrompido O Fig.3 I F1 + I F2 + I F3 = 0 VAB VBC VCA VAN VBN VCN IF1 IF3 IF2 Fig.2 IF2 IF3 IN IF1 IF3 IF2 IN = IF1 + IF2 + IF3 = 3,15 A ω Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 17 Através da figura 4, verifica-se que o neutro (N) da rede está representado na origem da circunferência, e que o neutro artificial (O) está deslocado em relação a esta origem, e desta forma, existe uma diferença de potencial entre o neutro da rede e o artificial denominado por VON, que, para os valores representados na figura 1, tem valor de: VON = 44,97 V O deslocamento do neutro artificial em relação ao neutro da rede é provocado pela condição de que a soma vetorial das correntes de fase tem que ser, obrigatoriamente, igual a zero (IF1 + IF2 + IF3 = 0), uma vez que não existe o condutor de neutro para que ocorra o retorno da corrente de desequilíbrio. Desta forma, como não existe a possibilidade de variação das impedâncias das cargas, ocorrerá o deslocamento do neutro artificial em relação ao neutro da rede, o que irá provocar sobretensão na fase de menor carga e subtensão na fase mais carregada. Em conseqüência da variação das tensões nas cargas, os módulos e os ângulos das correntes de fase irão variar para que seja atendida a condição imposta, IF1 + IF2 + IF3 = 0. Apesar das variações das tensões de fase (VAO , VBO e VCO), o módulo e o ângulo das tensões de linha (VAB ,VBC e VCA ) permanecem inalterados. Com o neutro da rede rompido, o ângulo de defasagem entre os fasores representativos das tensões de linha e de fase (VAO , VBO e VCO) são diferentes de 30º e, desta forma, a relação entre tensão de linha e de fase é diferente de 3 , como por exemplo: AO AB V V ou BO BC V V ou CO CA V V 3≠ Fig. 4 VBN VAN VCO N VON VBO VCN VAO Neutro artificial deslocado em relaçãoao neutro da rede. Tensão entre o ponto comum da estrela e a fase Diferença de potencial entre o neutro da rede e o neutro artificial (VON) O ω Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 18 A78,2I 50 V23,139 I Z V I 2F2F 2 BO 2F =⇒Ω =⇒= A65,1I 100 V43,165 I Z V I 1F1F 1 AO 1F =⇒Ω =⇒= A51,3I 25 V75,87 I Z V I 3F3F 3 CO 3F =⇒Ω =⇒= Os valores das sobretensões e subtensões nas fases após o rompimento do neutro, para os valores de impedância de carga e corrente de neutro representado na figura 1, serão iguais: VAO = 165,43 V ; VBO = 139,23 ; VCO = 87,75 As correntes nas fases após o rompimento do condutor neutro terão os seguintes valores: B VCN N VBC C ILC = 3,51 A B Z3 VON IF3 A VAB VCA VBN VAN ILB = 2,78 A ILA = 1,65 A A Z2 Z1 B IF2 IF1 O Fig.3 Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 19 3 CIRCUITO TRIÂNGULO 3.1 Circuito triângulo equilibrado Na figura 1, está representado um circuito que tem uma carga trifásica equilibrada ligada em triângulo, ou um grupo de cargas monofásicas distribuídas igualmente entre as fases da rede trifásica formando uma ligação triângulo equilibrado. Estas cargas são alimentadas por uma fonte com os enrolamentos conectados em estrela(Y). Esta fonte pode ser um gerador, ou o secundário de um transformador trifásico conectado em Y. Não existe, é claro , um condutor de neutro, porque uma carga ∆ tem apenas três terminais de fase. ⇒ Para que um circuito seja triângulo equilibrado ele terá que atender às condições de equilíbrio, que são: • Impedâncias idênticas nas fases • Mesmo Ângulo de defasagem entre tensão e corrente nas fases • Cargas de natureza iguais nas fases A corrente de cada linha ( IL ) de alimentação de um circuito que esteja alimentando cargas ligadas em triângulo é diferente da corrente que percorre a carga. A corrente de carga é também denominada por corrente de fase ( IF ), sendo assim têm-se três correntes de fase e três correntes de linha que são: Correntes de fase: IF1 , IF2 e IF3 Correntes de linha: ILA , ILB e ILC VA VB IF1 IF3 C A B Z2 Z1 Z3 ILB ILC ILA Fig. 1 ØA ØB ØC IF2 VC N Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 20 ⇒ Conseqüências do equilíbrio: • As correntes de linha são iguais: ILA = ILB = ILC • As correntes de fase são iguais: IF1 = IF2 = IF3 ⇒ Determinação das correntes de fase: A correntes de fase podem ser encontradas a partir de: Como o circuito é equilibrado as correntes de fase IF1, IF2 e IF3 possuem o mesmo módulo, mas defasadas entre si de 120º, então para encontrar as correntes de fase, basta encontrar a corrente em uma das fases e usá-la com a seqüência de fase para encontrar as outras duas. Como exemplo para representação fasorial das correntes de fase, na figura 2, foram consideradas as cargas sendo, puramente, resistivas, e assim o ângulo ( ϕϕϕϕ ) de defasagem entre corrente e tensão em cada fase é igual a zero. Verificamos, então, que IF1 está em fase VAB, IF2 com VBC e IF3 com VCA. Representação Fasorial das correntes de fase 1 BA 1F Z V I = 2 CB 2F Z V I = 3 AC 3F Z V I = ; ; Figura 17.10 a VAB VBC VCA IF3 IF1 120º IF2 120º 120º Fig.2 ω Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 21 A2,2I 100 V220 I Z V I 2F2F 2 BC 2F =⇒Ω =⇒= A2,2I 100 V220 I Z V I 1F1F 1 AB 1F =⇒Ω =⇒= A2,2I 100 V220 I Z V I 3F3F 3 CA 3F =⇒Ω =⇒= Sendo a tensão de fase igual a 220V, e as impedâncias das cargas, Z1 = 100 Ω, Z2 = 100 Ω e Z3 = 100 Ω, os módulos das correntes de fase serão iguais a: ⇒ Determinação das correntes de linha: A corrente em cada uma das linhas de alimentação é a composição vetorial de duas correntes de fase em sentido contrário, o que se verifica na figura 3, e como as correntes de fase são equilibradas, as correntes de linha também serão. As correntes de linha são determinadas vetorialmente pela expressão: Para análise vetorial das correntes de linha, foi considerado o circuito resistivo e as correntes de fase com valores já mencionados anteriormente, IF1 = 2,2 A, IF2 = 2,2 A e IF3= 2,2 A. Em relação aos valores das correntes de fase descritos, as correntes de linha terão seus módulos iguais a: ILA = IF1 + (- IF3) ; ILB = IF2 + (- IF1) ; ILC = IF3 + (- IF2) VA VB IF3 C B Z2 Z1 Z3 ILB ILC ILA Fig.3 ØA ØB ØC IF2 VC IF2 IF1 IF3 IF2 IF1 IF1 I N Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 22 Conforme se verifica no diagrama fasorial da figura 4, o ângulo de defasagem entre a corrente de cada uma das linhas e a respectiva corrente de fase para o circuito triângulo equilibrado é igual a 30º, e a corrente de fase está adiantada da de linha desde que seja acompanhada a seqüência de fase positiva A,B e C. Este ângulo de defasagem de 30º entre as correntes independe do módulo e do ângulo da impedância de carga. As correntes de linha ILA , ILB e ILC estão defasadas entre si em 120º e com a mesma seqüência de fase das correntes de fase. ⇒ Relação entre corrente de linha e de carga Em função do defasamento de 30º entre a corrente de linha IL e de carga IF para um circuito ∆ equilibrado, o módulo da corrente de linha é 3 vezes o módulo da corrente de fase : Para valores de corrente de fase exemplificados anteriormente, a corrente de linha é igual a : 3.II3 I I FL F L ====⇒⇒⇒⇒==== A81,3I3.A2,2I LL ====⇒⇒⇒⇒==== ILA = IF1 + (- IF3) ⇒⇒⇒⇒ ILA = 3,81 A ; I LB = IF2 + (- IF1) ⇒⇒⇒⇒ ILB = 3,81 A ILC = IF3 + (- IF2) ⇒⇒⇒⇒ ILC = 3,81 A VBC VCA VAB VAN VBN VCN IF1 IF2 ILC 120º 120º 30º 30º 30º IF3 Fig.4 ILA ILB -IF2 -IF3 -IF1 120º ω Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 23 Vetorialmente, podemos verificar a relação 3 entre a corrente de linha e a de fase. 3.2 Circuito triângulo desequilibrado Na figura 1, está representado um circuito que tem uma carga trifásica desequilibrada ligada em triângulo, ou um grupo de cargas monofásicas distribuídas entre as fases da rede trifásica formando uma ligação triângulo desequilibrado. Estas cargas são alimentadas por uma fonte com os enrolamentos conectados em estrela(Y). Esta fonte pode ser um gerador, ou o secundário de um transformador trifásico conectado em Y. Não existe, é claro , um condutor de neutro, porque uma carga ligada em triângulo tem apenas três terminais de fase. VAB VB VCA VAB VAN VBN VCN IF1 IF2ILC 120º 120º 30º 30º 30º IF3 ILA ILB -IF2 -IF3 -IF1 120º ω IF IF 2 IL 2 IL I L 30º F L F L F L I I 3 I 1 . 2 I 2 3 I 2 I º30cos =⇒=⇒= Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 24 ⇒ Para que um circuito seja triângulo desequilibrado, basta atender a uma das condições de desequilíbrio, que são: • Impedâncias diferentes nas fases • Ângulo de defasagem entre tensão e corrente diferentes nas fases • Cargas de natureza diferentes nas fases ⇒ Conseqüências do desequilíbrio: • As correntes de linha são diferentes: • As correntes de fase são diferentes: As correntes de fase podem ser diferentes em módulo, e os ângulos de defasagem entre as correntes podem se diferenciar de 120º, dependendo da natureza das cargas e do ângulo de defasagem entre tensão e corrente em cada uma das fases. O mesmo acontece com as correntes de linha, por serem a composição de correntes de fase desequilibradas. ⇒ Determinação das correntes de fase: Como o circuito é desequilibrado, as correntes de fase terão que ser calculadas individualmente e podem ser encontradas a partir de: VA VB IF1 IF3 C A B Z2 Z1 Z3 ILB ILC ILA Fig. 1 ØA ØB ØC IF2 VC VAN VBN VCN N 1 BA 1F Z V I = 2 CB 2F Z V I = 3 AC 3F Z V I = ; ; Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 25 A4,4I 50 V220 I Z V I 2F2F 2 BC 2F =⇒Ω =⇒= A2,2I 100 V220 I Z V I 1F1F 1 AB 1F =⇒Ω =⇒= A47,1I 150 V220 I Z V I 3F3F 3 CA 3F =⇒Ω =⇒= Como exemplo para representação fasorial das correntes de fase, na figura 2, foram consideradas as cargas sendo puramente resistivas, e com os valores das impedâncias diferentes nas três fases. Assim, as correntes possuem módulos diferentes, mas o ângulo (ϕ) de defasagem entre corrente e tensão em cada fase é igual a zero. Verificamos então que IF1 está em fase VAB, IF2 com VBC e IF3 com VCA. Representação Fasorial das correntes de fase Na figura 3, foi representado um circuito triângulo alimentado por uma fonte trifásica de 220V / 127V - 60Hz, com desequilíbrio entre as três fases, sendo que as cargas são de natureza resistiva, mas com valores de impedâncias diferentes nas fases. As impedâncias das fases são: Z1 = 100Ω ; Z2 = 50 Ω ; Z3 = 150 Ω As correntes de fase serão iguais a: Figura 17.10 a VAB VBC VCA IF3 IF1 120º IF2 120º 120º Fig.2 ω Figura 17.11 a Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 26 ⇒ Determinação das correntes de linha: A corrente em cada uma das linhas de alimentação é a composição vetorial de duas correntes de fase em sentidos contrários, o que se verifica na figura 3, e como as correntes de fase são desequilibradas, as correntes de linha também serão. As correntes de linha são determinadas, vetorialmente, pela expressão: Para análise vetorial das correntes de linha foi considerado o circuito resistivo e as correntes de fase com valores já mencionados anteriormente, IF1 = 2,2 A, IF2 = 4,4 A e IF3 = 1,47 A. Em relação aos valores das correntes de fase descritos, as correntes de linha terão seus módulos iguais a: No diagrama fasorial da figura 4, estão representadas as correntes de linha determinadas através da composição vetorial das correntes de fase, verifica-se pelo diagrama fasorial que o ângulo de defasagem entre a corrente de cada uma das linhas e a respectiva corrente de fase para o circuito triângulo desequilibrado é diferente de 30º. ILA = IF1 + (- IF3) ; ILB = IF2 + (- IF1) ; ILC = IF3 + (- IF2) ILA = IF1 + (- IF3) ⇒⇒⇒⇒ ILA = 3,2 A ; I LB = IF2 + (- IF1) ⇒⇒⇒⇒ ILB = 5,82 A ILC = IF3 + (- IF2) ⇒⇒⇒⇒ ILC = 4,28 A VA VB IF1=2,2A IF3=1,47A C A B Z2 Z1 Z3 ILB = 5,82 A ILC = 4,28 A Fig. 3 ØA ØB ØC IF2 =4,4A VC ILA = 3,2 A IF1 =2,2A IF3 =1,47A IF2 =4,4A IF1=2,2A IF3 =1,47A IF2 =4,4A VAN VBN VCN N Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 27 ⇒ Relação entre corrente de linha e de carga Em função do defasamento entre a corrente de linha IL e de carga If ser diferente de 30º para um circuito triângulo desequilibrado, o módulo da corrente de linha é diferente de 3 vezes o módulo da corrente de fase : 4 POTÊNCIA EM CIRCUITOS ESTRELA Num circuito estrela equilibrado ou desequilibrado, a tensão na carga é a tensão de fase (VF) da rede, e a corrente na carga (IF) é igual a corrente na linha (IL). VBC VCA VAB VAN VBN VCN IF1 IF2 ILC 30º 30º 30º IF3 Fig.4 ILA ILB -IF2 -IF3 -IF1 ω IL ≠ 3 . If Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 28 Para se calcular a potência em um circuito estrela deve proceder da seguinte forma: 4.1 Potência monofásica (1ø) num circuito estrela e quilibrado ou desequilibrado Quando está se calculando as potências por fase, as expressões abaixo são usadas tanto para o circuito estrela equilibrado, quanto para o desequilibrado. ⇒ Potência aparente monofásica: S1Ø = VF . IL (VA) ⇒ Potência ativa monofásica: P1Ø = VF . IL . cos ϕϕϕϕ (W) ⇒ Potência reativa monofásica: Q1Ø = VF . IL . sen ϕϕϕϕ (var) 4.2 Potência trifásica (3ø) num circuito estrela eq uilibrado As expressões para cálculo das potências trifásicas em circuito estrela equilibrado não podem ser utilizadas para o circuito estrela desequilibrado. ØA ØB ØC N VF = VAN VF = VCN VF = VBN VL VL VL = VF . 3 IL = IF Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 29 ⇒ Potência aparente trifásica: S3Ø = VF . IL . 3 (VA) Como 3 V V LF ==== , teremos ⇒ Potência ativa trifásica: P3Ø = S1Ø . cos ϕϕϕϕ . 3 ⇒⇒⇒⇒ P3Ø = VF . IL . 3 . cos ϕϕϕϕ (W) ou , P3Ø = S3Ø . cos ϕϕϕϕ ⇒⇒⇒⇒ ⇒ Potência reativa trifásica: Q3Ø = S1Ø . sen ϕϕϕϕ . 3 ⇒⇒⇒⇒ Q3Ø = VF . IL . 3 . sen ϕϕϕϕ (var) ou , Q3Ø = S3Ø. sen ϕϕϕϕ ⇒⇒⇒⇒ 4.3 Potência trifásica ( 3ø ) num circuito estrela desequilibrado Num circuito estrela equilibrado ou desequilibrado, as potências ativa de cada fase podem ser somadas, algebricamente, para se determinar a potência ativa trifásica (P3Ø), o mesmo acontece com as potências reativas por fase que podem ser somadas para se determinar a potência reativa trifásica (Q3Ø). Porém a potência aparente trifásica (S3Ø) para um circuito estrela desequilibrado só pode ser determinada atravésdo teorema de Pitágoras. )VA(3.I.VS 3 3.3.I.V S 9 3.3.I.V S 3 3 .3.I. 3 V S3. I . 3 V S LL3Ø LL 3Ø LL 3ØL L 3ØL L 3Ø ====⇒⇒⇒⇒ ====⇒⇒⇒⇒ ====⇒⇒⇒⇒====⇒⇒⇒⇒==== )W(cos.3.I.VP LL3Ø ϕϕϕϕ==== (var)sen.3.I.VQ LL3Ø ϕϕϕϕ==== Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 30 ⇒ Potência ativa trifásica : P3Ø = PØA + PØB + PØC (W) ⇒ Potência reativa trifásica : Q3Ø = QØA + QØB + QØC (var) ⇒ Potência aparente trifásica : S3Ø = 2 3Ø 2 3Ø Q P ++++ 4.4 Fator de potência monofásico ou trifásico (3ø) num circuito estrela equilibrado ou desequilibrado ⇒ Fator de potência monofásico: FP1Ø = 1Ø 1Ø S P ⇒ Fator de potência trifásico: FP3Ø = 3Ø 3Ø S P 5 POTÊNCIA EM CIRCUITOS TRIÂNGULO Em um circuito triângulo equilibrado ou desequilibrado, a tensão na carga (VF) corresponde a tensão de linha (VL) da rede. Num circuito triângulo equilibrado, a corrente na linha de alimentação (IL) é √3 vezes maior que a corrente na carga (IF). Porém, para os circuitos triângulo desequilibrado a relação entre a corrente de linha (IL) e a de fase (IF) é diferente de √3. Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 31 Para se calcular a potência em um circuito triângulo deve proceder da seguinte forma: 5.1 Potência monofásica (1ø) num circuito triângulo equilibrado ou desequilibrado Quando está se calculando as potências por fase, as expressões abaixo são usadas tanto para o circuito triângulo equilibrado quanto para o desequilibrado. Devemos, porém, observar que a corrente na carga é chamada de corrente de fase (IF), e que a tensão na carga corresponde à tensão de linha (VL) da rede. ⇒ Potência aparente monofásica: S1Ø = VL . IF (VA) ⇒ Potência ativa monofásica: P1Ø = VL . IF . cos ϕϕϕϕ (W) ⇒ Potência reativa monofásica: Q1Ø = VL . IF . sen ϕϕϕϕ (var) 5.2 Potência trifásica (3ø) num circuito triângulo equilibrado As expressões para cálculo das potências trifásicas em um circuito triângulo equilibrado não podem ser utilizadas para o circuito triângulo desequilibrado. VF = VL VF = VL IF1 IF3 C A B Z2 Z1 Z3 ILB ILC ILA ØA ØB ØC IF2 VF = VL VL = VAB VL = VBC VL = VAC Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 32 ⇒ Potência aparente trifásica: S3Ø = VL . IF . 3 (VA) Como 3 I I LF ==== , teremos: ⇒ Potência ativa trifásica: P3Ø = S1Ø . cos ϕϕϕϕ . 3 ⇒⇒⇒⇒ P3Ø = VL . IF . 3 . cos ϕϕϕϕ (W) ou , P3Ø = S3Ø. cos ϕϕϕϕ ⇒⇒⇒⇒ ⇒ Potência reativa trifásica: Q3Ø = S1Ø . sen ϕϕϕϕ . 3 ⇒⇒⇒⇒ Q3Ø = VL . IF . 3 . sen ϕϕϕϕ (var) ou , Q3Ø = S3Ø. sen ϕϕϕϕ ⇒⇒⇒⇒ 5.3 Potência trifásica ( 3ø ) num circuito triângul o desequilibrado Num circuito triângulo equilibrado ou desequilibrado, as potências ativas de cada fase podem ser somadas, algebricamente, para se determinar a potência ativa trifásica (P3Ø), o mesmo acontece com as potências reativas por fase que podem ser somadas para se determinar a potência reativa trifásica (Q3Ø). Porém a potência )VA(3.I.VS 3 3.3.I.V S 9 3.3.I.V S 3 3 .3. 3 I . VS3. 3 I . V S LL3Ø LL 3Ø LL 3Ø L L3Ø L L3Ø ====⇒⇒⇒⇒ ====⇒⇒⇒⇒ ====⇒⇒⇒⇒====⇒⇒⇒⇒==== (var)sen.3.I.VQ LL3Ø ϕϕϕϕ==== )W(cos.3.I.VP LL3Ø ϕϕϕϕ==== Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 33 aparente trifásica (S3Ø) para um circuito triângulo desequilibrado só pode ser determinada através do teorema de Pitágoras. ⇒ Potência ativa trifásica: P3Ø = PØA + PØB + PØC (W) ⇒ Potência reativa trifásica: Q3Ø = QØA + QØB + QØC (var) ⇒ Potência aparente trifásica: S3Ø = 2 3Ø 2 3Ø Q P ++++ 5.4 Fator de potência monofásico ou trifásico (3ø) num circuito estrela equilibrado ou desequilibrado ⇒ Fator de potência monofásico: FP1Ø = 1Ø 1Ø S P ⇒ Fator de potência trifásico: FP3Ø = 3Ø 3Ø S P Escola de Formação e Aperfeiçoamento Profissional – EFAP 34 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS O’ Malley John. Análise de Circuitos 2ª Edição Gussow Millton. Eletricidade Básica Kerchner & Corcoran. Circuitos de Corrente Alternada Say M.G. Manual do Engenheiro Eletricista Martignoni Alfonso. Eletrotécnica Halliday & Resnick. Física Valkenburgh Van, Nooger & Neville Inc. Eletricidade Básica Apostilas de Eletrotécnica I, II e III - EFAP / CEMIG.