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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ - CAMPUS DE SOBRAL CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: CIRCUITOS ELÉTRICOS 2 PROFESSOR: MARCUS ROGERIO DE CASTRO SISTEMA TRIFÁSICO ALUNO MATRÍCULA ANDERSON ALEXANDRE CARVALHO DE ARAÚJO 397729 Sobral – CE 2020.1 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 4 2. OBJETIVOS ................................................................................................. 7 3. MATERIAL UTILIZADO ............................................................................... 7 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ........................................................... 7 4.1. Ligação em estrela (Y) .......................................................................... 7 4.2. Ligação em delta ou triângulo ............................................................. 12 5. QUESTIONÁRIO ....................................................................................... 15 6. CONCLUSÃO ............................................................................................ 19 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... 19 Lista de figuras Figura 1: Circuito trifásico ligado em triângulo. ................................................... 4 Figura 2: Diagrama fasorial para a ligação em delta. ......................................... 5 Figura 3: Circuito trifásico ligado em estrela. ...................................................... 5 Figura 4: Diagrama fasorial das tensões de fase e de linha para ligação em estrela. ............................................................................................................... 6 Figura 5: Ligação em estrela. ............................................................................. 7 Figura 6: Ligação Y-Y equilibrado com o fio de neutro. ...................................... 8 Figura 7: Valores das tensões de fase medidos pelo osciloscópio..................... 8 Figura 8: Valores das tensões de fase medidos pelo multímetro. ...................... 9 Figura 9: Valores das correntes de linha medidas pelo multímetro. ................... 9 Figura 10: Circuito Y-Y desequilibrado. ............................................................ 10 Figura 11: Corrente de linha com o circuito desequilibrado. ............................. 10 Figura 12: Circuito Y-Y desequilibrado sem o fio de neutro. ............................ 11 Figura 13: Tensões da fase e neutro para o circuito desequilibrado sem o fio de neutro. .............................................................................................................. 11 Figura 14:Correntes de linha para o circuito desequilibrado sem o fio de neutro. ......................................................................................................................... 12 Figura 15: Circuito Delta equilibrado. ............................................................... 12 Figura 16: Circuito Delta equilibrado simulado. ................................................ 13 Figura 17: Tensões de linha no circuito Delta. ................................................. 13 Figura 18: Correntes de linha no circuito Delta. ............................................... 14 Figura 19: Ligação delta desequilibrado ........................................................... 14 Figura 20: Correntes de linha para a ligação delta desequilibrado ................... 15 Figura 21: Ligação delta com as malhas .......................................................... 16 Lista de tabelas Tabela 1: Valores das tensões de fase medidos no circuito em estrela ............. 8 Tabela 2: Valores das correntes de linha e de neutro ........................................ 9 Tabela 3: Corrente de linha e de neutro para o circuito Y-Y desequilibrado .... 10 Tabela 4: Tensão de fase e de neutro .............................................................. 12 Tabela 5: Corrente de linha e neutro ................................................................ 12 Tabela 6: Valores das tensões de linha ............................................................ 13 Tabela 7:Correntes de linha e de fase na ligação delta .................................... 14 Tabela 8: Correntes de linha e fase para a ligação delta desequilibrado ......... 15 Tabela 9: Comparação entre as correntes teóricas e medidas na ligação delta equilibrada ........................................................................................................ 16 Tabela 10: Valores das correntes de linha e de fase delta desequilibrado ....... 17 Tabela 11: Comparação dos valores das correntes de linha e neutro para estrela equilibrado ........................................................................................................ 17 Tabela 12: Valores comparados das correntes de linha e neutro estrela desequilibrado .................................................................................................. 18 Tabela 13: Valores das tensões de fase comparados estrela desequilibrado sem o fio de neutro. ................................................................................................. 18 Tabela 14:Valores das correntes de linha comparadas estrela desequilibradp sem o fio de neutro ........................................................................................... 19 UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 4 SISTEMAS TRIFÁSICOS 1. INTRODUÇÃO O sistema trifásico é bastante utilizado para geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em corrente alternada. Esse sistema é constituído de três ondas senoidais balanceadas, defasadas em 120 graus (2π/3 radianos) entre si, equilibrando o circuito, assim, torna-se mais eficiente ao comparar com três sistemas isolados. As máquinas elétricas trifásicas tendem a ser mais eficientes pelo uso integral dos circuitos magnéticos. As linhas de transmissão possibilitam a ausência do neutro, além disso, o acoplamento entre as fases reduz significantemente os campos eletromagnéticos. Nos circuitos trifásicos, existem dois tipos básicos de ligação, tanto para os geradores e transformadores como para as cargas, estas são as ligações em triângulo e em estrela, apresentadas a seguir. Para o tipo de ligação em delta ou triângulo, a associação entre as cargas apresenta formato semelhante à de um triângulo. Veja a Figura 1, abaixo: Figura 1: Circuito trifásico ligado em triângulo. Fonte: (CREDER, 2016). Onde a, b e c são os terminais das cargas que apresentam tensões entre fases Vab, Vbc e Vca de um gerador, essas tensões estão defasadas de 120º. As correntes Ia, Ib e Ic são denominadas correntes de linha e são iguais em módulo, contudo, defasadas de 120° entre si. Neste caso, as correntes são iguais devido o circuito trifásico ser equilibrado. As tensões de linha (VL) são iguais às tensões de fase (Vp), para a ligação em delta, e são relacionadas de acordo com as equações 1, 2 e 3. 𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝐿∠30° (1) 𝑉𝐵𝐶 = 𝑉𝐿∠ − 90° (2) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 5 SISTEMAS TRIFÁSICOS 𝑉𝐶𝐴 = 𝑉𝐿∠ − 210° (3) Onde, tem-se a equação 4. 𝑉𝐿 = 𝑉𝑃 (4) Já a relação entre o módulo das correntes de linha (IL) e de fase (IP) é dada pela equação 5. 𝐼𝐿 = √3 . 𝐼𝑃(5) O diagrama fasorial completo do circuito, com tensões e correntes, está sendo apresentado na Figura 2. Figura 2: Diagrama fasorial para a ligação em delta. Fonte: (JOHNSON, 1994). Agora, para o circuito trifásico com tipo de ligação em estrela é dado pela Figura 3. Figura 3: Circuito trifásico ligado em estrela. Fonte: (CREDER, 2016). UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 6 SISTEMAS TRIFÁSICOS Nesta ligação, um terminal de cada carga se conecta em um nó. Através da Figura 3, as correntes IA, IB e IC são as correntes de linha. Neste tipo de ligação existem dois tipos de tensões: as tensões entre fases (Vab, Vbc e Vca) e as tensões de fase e neutro (VaN, VbN e VcN). A relação entre as tensões de fase e as de fase e neutro é dada nas equações 6, 7 e 8. Sabendo que a tensão de linha está 30° adiantada da tensão de fase 𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝑎𝑁∠0° (6) 𝑉𝐵𝐶 = 𝑉𝑏𝑁∠ − 120° (7) 𝑉𝐶𝐴 = 𝑉𝑐𝑁∠ − 240° (8) Onde, relacionando os módulos das tensões de linha, VL, e de fase, VP, tem-se a equação 9. 𝑉𝐿 = √3 . 𝑉𝑃 (9) Já para as correntes de linha (IL) e de fase (IP), obtém-se a equação 10. 𝐼𝐿 = 𝐼𝑃 (10) A potência em um circuito trifásico equilibrado é três vezes a do circuito monofásico, conforme é analisado nas equações 11 e 12. 𝑃3𝜙 = 3 . 𝑃𝜙 = 3 . 𝐼𝑃 . 𝑉𝑃 . cos (𝜃) (11) 𝑃3𝜙 = √3 . 𝑉𝐿 . 𝐼𝐿 . cos (𝜃) (12) Onde 𝜃, é o ângulo da impedância. Na Figura 4, tem-se o diagrama fasorial, indicando tensões de fase e de linha. Figura 4: Diagrama fasorial das tensões de fase e de linha para ligação em estrela. Fonte: (JOHNSON, 1994). UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 7 SISTEMAS TRIFÁSICOS 2. OBJETIVOS A prática tem como objetivo realizar a medição de tensões e de correntes de linha e de fase em um sistema trifásico equilibrado e desequilibrado. 3. MATERIAL UTILIZADO Simulador de circuitos – MULTISIM 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1. Ligação em estrela (Y) Utilizando o software para simulação de circuitos MULTISIM, montou-se o circuito da figura 5. Figura 5: Ligação em estrela. Fonte: (ROGÉRIO, 2020). Sendo Z = 300 Ω, V̇NA = V̇BN = V̇CN = 80 VRMS. A tensão de fase 80 VRMS, foi usada pelo fato da potência máxima dissipada do resistor ser 50 W, essa relação é melhor explicada nas equações a seguir. 𝑃 = 𝑅 . 𝐼2 (13) 50 = 300 . 𝐼2 (14) 𝐼 = 0,4 𝐴 (15) Sabendo a corrente, calcula-se a tensão máxima permitida sob o resistor através da equação (16) 𝑉 = 300 . 0,4 = 122 𝑉𝑅𝑀𝑆 (16) Então afim de ter segurança para montar o circuito, foi usada uma tensão de fase com 80 VRMS UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 8 SISTEMAS TRIFÁSICOS O primeiro circuito montado em estrela, foi com ele equilibrado, com o fio de neutro conectado, como mostra a figura 6 a seguir. Figura 6: Ligação Y-Y equilibrado com o fio de neutro. Fonte: (AUTOR, 2020). Depois de feita a simulação, foram anotados na tabela 1 os valores das tensões de fase V̇AN, V̇BN e V̇CN, comparando com os valores dessas mesmas tensões medidos pelo osciloscópio e pelo multímetro como mostra as figuras 7 e 8 respectivamente. Tabela 1: Valores das tensões de fase medidos no circuito em estrela V̇NA[V] V̇BN[V] V̇CN[V] Osciloscópio 79,6 79,9 79,6 Multímetro 79,997 80 79,998 Figura 7: Valores das tensões de fase medidos pelo osciloscópio. Fonte: (AUTOR, 2020). UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 9 SISTEMAS TRIFÁSICOS Figura 8: Valores das tensões de fase medidos pelo multímetro. Fonte: (AUTOR, 2020). Na figura 7, os parâmetros CH1, CH2 e CH3, correspondem respectivamente as tensões V̇AN, V̇BN e V̇CN. E na figura 8, os multímetros XMM1, XMM2 e XMM3, correspondem respectivamente as tensões V̇AN, V̇BN e V̇CN. Ainda observando a figura 7, nota-se que o sistema trifásico está na sequencia positiva abc, sendo “a” a onda amarela, “b” a onda azul e “c” a onda rosa. Agora, através dos multímetros XMM4, XMM5 e XMM6 foram medidas as correntes de linha IAN, IBN e ICN respectivamente, como mostra a figura 9. E a sonda de corrente IN, mediu a corrente de neutro, como mostra a tabela 2. Figura 9: Valores das correntes de linha medidas pelo multímetro. Fonte: (AUTOR, 2020). Tabela 2: Valores das correntes de linha e de neutro IA[A] IB[A] IC[A] IN[A] Multímetro 0,266 0,266 0,266 0 UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 10 SISTEMAS TRIFÁSICOS Mantendo a linha de neutro conectada, foi colocado um resistor em paralelo de 300 Ω na carga R1, assim o equivalente da impedância ficou sendo 150 Ω, deixando o circuito trifásico desequilibrado, como mostra a figura 10. Figura 10: Circuito Y-Y desequilibrado. Fonte: (AUTOR, 2020). E assim foram medidos os valores das correntes de linha como mostra a figura 11 e da corrente de neutro como mostra a tabela 3. Figura 11: Corrente de linha com o circuito desequilibrado. Fonte: (AUTOR, 2020). Tabela 3: Corrente de linha e de neutro para o circuito Y-Y desequilibrado IA[A] IB[A] IC[A] IN[A] Multímetro 0,533 0,266 0,266 0,267 Como observado na figura 10, a sonda de corrente IN mediu um valor de 0,267 A. UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 11 SISTEMAS TRIFÁSICOS Agora mantendo o circuito desequilibrado, desconecta-se o fio de neutro como mostra a figura 12. As medições das tensões de fase e neutro e das correntes de linha estão mostradas nas figuras 13 e 14 respectivamente. E assim os valores das tensões de fase e das correntes de linha são mostrados nas tabelas 4 e 5 respectivamente. Figura 12: Circuito Y-Y desequilibrado sem o fio de neutro. Fonte: (AUTOR, 2020). Figura 13: Tensões da fase e neutro para o circuito desequilibrado sem o fio de neutro. Fonte: (AUTOR, 2020). Onde o multímetro XMM7 mede o valor da tensão entre o neutro das cargas e das fontes. UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 12 SISTEMAS TRIFÁSICOS Figura 14:Correntes de linha para o circuito desequilibrado sem o fio de neutro. Fonte: (AUTOR, 2020). Tabela 4: Tensão de fase e de neutro VAN[V] VBN[V] VCN[V] vnN[V] Multímetro 59,99 91,649 91,647 20 Tabela 5: Corrente de linha e neutro IA[A] IB[A] IC[A] IN[A] Multímetro 0,399 0,305 0,305 0 4.2. Ligação em delta ou triângulo Para a montagem do circuito em delta, foram utilizados os mesmos parâmetros de impedância e de tensão de fase da montagem do circuito em estrela. Mediante isso, na figura 15, mostra o circuito delta equilibrado a ser montado. E na figura 16 mostra o circuito Delta equilibrado simulado no MULTISIM. Figura 15: Circuito Delta equilibrado. Fonte: (ROGÉRIO, 2020). UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 13 SISTEMAS TRIFÁSICOS Figura 16: Circuito Delta equilibrado simulado. Fonte: (AUTOR, 2020). Após montado,mediu-se as tensões de linha V̇AB, V̇BC e V̇CA correspondendo respectivamente aos multímetros XMM4, XMM5 e XMM6, como mostra na figura 17. Figura 17: Tensões de linha no circuito Delta. Fonte: (AUTOR, 2020). Com os valores da figura 17, montou-se a tabela 6. Tabela 6: Valores das tensões de linha VAB[V] VBC[V] VCA[V] Multímetro 138,56 138,56 138,56 Após o procedimento de medir as tensões de linha no circuito delta equilibrado, mediu-se as correntes de fase e de linha. Sendo as correntes de UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 14 SISTEMAS TRIFÁSICOS linha IA, IB e IC medidas respectivamente pelos multímetros XMM1, XMM2 e XMM3, como mostra a figura 18. Figura 18: Correntes de linha no circuito Delta. Fonte: (AUTOR, 2020). Enquanto as correntes de fase, foram medidas pelas sondas PR1, PR2 e PR3, equivalendo a um valor de 0,462 A. Os resultados das correntes de linha e de fase, são expostos na tabela 7. Tabela 7:Correntes de linha e de fase na ligação delta IA[A] IB[A] IC[A] IAB[A] IBC[A] ICA[A] Valores 0,799 0,799 0,799 0,462 0,462 0,462 Agora montou-se um circuito Delta desequilibrado, colocando um resistor de 300Ω em paralelo com a carga R1, deixando-o com uma resistência equivalente de 150 Ω. Na figura 19, mostra o circuito em ligação delta desequilibrado. Figura 19: Ligação delta desequilibrado Fonte: (AUTOR, 2020). UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 15 SISTEMAS TRIFÁSICOS Na tabela 8, mostra os valores das correntes de linha como mostra a figura 20 e as correntes de fase para a ligação delta desequilibrado. Figura 20: Correntes de linha para a ligação delta desequilibrado Fonte: (AUTOR, 2020). Tabela 8: Correntes de linha e fase para a ligação delta desequilibrado IA[A] IB[A] IC[A] IAB[A] IBC[A] ICA[A] Valores 1,22 1,22 0,799 0,924 0,462 0,462 5. QUESTIONÁRIO 1) Comparar os valores obtidos nas Tabelas 7 e 8 com os valores teóricos calculados para o circuito da Figura 15. R. Calculando o valor da tensão de linha VL sabendo que as fontes estão equilibradas, 𝑉𝐿 = √3 . 𝑉𝐹 = √3 . 80 = 138,56 𝑉 (17) Sabendo que na ligação delta, a tensão de linha na fonte é igual as tensões de fase na carga, calcula-se as correntes de fase. 𝐼𝑓 = 138,56 300 = 0,462 𝐴 (18) Sabendo que as cargas estão equilibradas, calcula-se as correntes de linha IL. 𝐼𝐿 = 0,462 . √3 = 0,799 𝐴 (19) A tabela 9, compara os valores teóricos com os medidos no circuito delta equilibrado. UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 16 SISTEMAS TRIFÁSICOS Tabela 9: Comparação entre as correntes teóricas e medidas na ligação delta equilibrada IA[A] IB[A] IC[A] IAB[A] IBC[A] ICA[A] Valores medidos 0,799 0,799 0,799 0,462 0,462 0,462 Valores Teóricos 0,799 0,799 0,799 0,462 0,462 0,462 Agora calculando as correntes de fases para o circuito delta desequilibrado, tem-se que, 𝐼𝐹𝑅1 = 138,56 150 = 0,92 𝐴 (20) 𝐼𝐹𝑅2 = 138,56 300 = 0,462 𝐴 (21) 𝐼𝐹𝑅3 = 138,56 300 = 0,462 𝐴 (22) Onde as equações (20), (21) e (22) correspondem respectivamente aos resistores R1, R2 e R3. Na qual o R1 é o único resistor com o valor diferente, equivalendo a 150 Ω. Aplicando a lei das malhas na figura 15, calcula-se as correntes de linhas. 80∠ − 120° − 80∠0° + 150(𝐼1 − 𝐼3) = 0 ∴ 𝐼1 − 𝐼3 = 0,92∠30° (23) 80∠ − 240° − 80∠ − 120° + 300(𝐼2 − 𝐼3) = 0 ∴ 𝐼2 − 𝐼3 = 0,46∠ − 90° (24) 300(𝐼3 − 𝐼2) + 150(𝐼3 − 𝐼1) = 0 ∴ 𝐼3 = 0,46∠ − 30° (25) Onde as equações (23), (24) e (25) correspondem as malhas 1, 2 e 3 respectivamente, como mostra a figura 16. Figura 21: Ligação delta com as malhas Fonte: (ROGÉRIO, 2020) Assim as correntes de linha podem ser calculadas da seguinte forma. 𝐼𝑎 = 𝐼1 ∴ 0,46 + 0,92 = 1,33 𝐴 (26) 𝐼𝑏 = 𝐼2 − 𝐼1 ∴ 0,41 𝐴 (27) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 17 SISTEMAS TRIFÁSICOS 𝐼𝑐 = 𝐼2 ∴ 0,46 + 0,46 = 0,92 𝐴 (28) Logo, monta-se a tabela 10, afim de comparar os valores das correntes de linha e fase para o circuito delta desequilibrado. Tabela 10: Valores das correntes de linha e de fase delta desequilibrado IA[A] IB[A] IC[A] IAB[A] IBC[A] ICA[A] Valores medidos 1,22 1,22 0,799 0,924 0,462 0,462 Valores teóricos 1,33 0,41 0,92 0,920 0,462 0,462 2) Comparar os valores obtidos nas Tabelas 2 e 3 com os valores teóricos calculados para o circuito da Figura 5. R. Sabendo que o circuito estrela está equilibrado, e que a corrente de linha é a mesma da de fase, calcula-se a corrente de linha. 𝐼𝐿 = 80 300 = 0,266 𝐴 (29) Calculando o valor da corrente de neutro para o circuito estrela equilibrado. 𝐼𝑁 = −(𝐼𝑎 + 𝐼𝑏 + 𝐼𝑐) ∴ −(0,26∠0° + 0,26∠ − 120° + 0,26∠ − 240°) = 0 (30) Assim anotou-se os valores teóricos e medidos na tabela 11 para o circuito estrela equilibrado. Tabela 11: Comparação dos valores das correntes de linha e neutro para estrela equilibrado IA[A] IB[A] IC[A] IN[A] Multímetro 0,266 0,266 0,266 0 Teóricos 0,266 0,266 0,266 0 Para o circuito estrela desequilibrado, tendo em vista que R1 agora equivale a 150 Ω, calcula-se as correntes de linha. 𝐼𝑎 = 80 150 = 0,533 𝐴 (31) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 18 SISTEMAS TRIFÁSICOS 𝐼𝑏 = 80 300 = 0,266 𝐴 (32) 𝐼𝑐 = 80 300 = 0,266 𝐴 (33) Calculando a corrente de neutro para o circuito desequilibrado. 𝐼𝑁 = −(0,53∠0° + 0,26∠ − 120° + 0,26∠ − 240°) = −0,267 𝐴 (34) Montou-se a tabela 12, afim de comparar os valores teóricos com os medidos no circuito estrela desequilibrado. Tabela 12: Valores comparados das correntes de linha e neutro estrela desequilibrado IA[A] IB[A] IC[A] IN[A] Multímetro 0,533 0,266 0,266 0,267 Valores teóricos 0,533 0,266 0,266 0,267 3) Comparar os valores obtidos nas Tabelas 4 e 5 com os valores teóricos calculados para o circuito da Figura 5 com a carga desequilibrada e o fio neutro desconectado. R. Calculou-se os valores teóricos referentes as tensões de fase e correntes de linha, e montou-se as tabelas 13 e 14. Tabela 13: Valores das tensões de fase comparados estrela desequilibrado sem o fio de neutro. VAN[V] VBN[V] VCN[V] vnN[V] Multímetro 59,99 91,649 91,647 20 Valores teóricos 55,4 90,1 90,12 18,6 UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 19 SISTEMAS TRIFÁSICOS Tabela 14:Valores das correntes de linha comparadas estrela desequilibrado sem o fio de neutro IA[A] IB[A] IC[A] IN[A] Multímetro 0,399 0,305 0,305 0 Valores teóricos 0,399 0,30 0,30 0 6. CONCLUSÃO Concluiu-se então que o sistema trifásico é um sistema muito eficiente, onde pode ter a configuração em estrela e em delta. Nas quais as cargas e as fontes podem ser equilibradas ou desequilibradas. Observou-se que em ambas as configurações desequilibradas, foi-se necessário o uso da lei das malhas, afim de descobrir as tensões e as correntes de linha. Ainda em relação as configurações dos circuitos estrelam em delta, foi confirmado que o circuito em delta não possui fio de neutro, diferentementedo circuito em estrela. Na qual a corrente de neutro em um circuito equilibrado é zero e desequilibrado é diferente de zero. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALEXANDER, Charles K.; SADIKU, Matthew N. O. Fundamentos de circuitos elétricos. 5. ed. New York: Bookman, 2013. 894 p. HAYT, Jr., W.H., KEMMERLY, J.E. Análise de Circuitos em Engenharia. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1973.
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