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CIRCUITOS ELÉTRICOS IICIRCUITOS ELÉTRICOS II UNIDADE 4 – POTÊNCIAUNIDADE 4 – POTÊNCIA COMPLEXACOMPLEXA Autor: Guilherme SchnirmannAutor: Guilherme Schnirmann Revisora: Sofia Maria Amorim Falco RodriguesRevisora: Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues I N I C I A R Introdução Caro(a) estudante, Nas unidades anteriores, nosso estudo foi concentrado nas ferramentas matemáticas para diversas análises em circuitos de corrente alternada. Estudamos técnicas para simplificar e alterar o modo que enxergamos os circuitos para encontrar elementos de interesse com mais facilidade, calculamos informações essenciais para utilização, geração e distribuição de energia, ou seja, informações de potência e, de modo geral, nos familiarizamos com os circuitos de corrente alternada (CA) em diversas configurações e situações. Estudamos as configurações delta-estrela, os circuitos com transformadores e as principais características relacionadas. No entanto, todo esse estudo foi feito para circuitos monofásicos. Agora, nosso objetivo é aplicar os conhecimentos de análise de circuitos CA em circuitos trifásicos. 4.1 Circuitos monofásicos e trifásicos Quando falamos de transmissão de energia corrente alternada (CA), um sistema monofásico consiste em um gerador conectado a uma carga por uma linha de transmissão bifilar (par de fios). Na prática, muitas vezes temos um sistema trifilar (três fios) com duas fontes idênticas (mesma magnitude e fase) que são conectadas a duas cargas por dois fios externos e o neutro (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Os dois sistemas descritos, por operarem na mesma fase, são sistemas monofásicos, sendo o segundo muito utilizado no sistema doméstico comum, possibilitando a conexão de aparelhos para 127 e 220 V, por exemplo. A Figura 1 ilustra esses dois sistemas monofásicos. Figura 1 – Sistemas monofásicos (a) bifilar e (b) trifilar. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 446. (Adaptada). Agora, começaremos o estudo dos circuitos trifásicos, em que as fontes operam na mesma frequência, entretanto, em três fases diferentes. Assim, um sistema trifásico é composto por um gerador formado por três fontes de mesma amplitude e frequência, mas com uma diferença de Bons estudos! Autor: Guilherme Schnirmann Revisora: Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues CIRCUITOS ELÉTRICOS II UNIDADE 4. POTÊNCIA COMPLEXA INTRODUÇÃO 01 4.1 CIRCUITOS MONOFÁSICOS E TRIFÁSICOS 02 4.2 CIRCUITO TRIFÁSICO EQUILIBRADO 04 4.3 ANÁLISE POR FASE 10 4.4 CIRCUITOS TRIFÁSICOS: TEOREMAS E ANÁLISE 22 SÍNTESE 25 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 27 UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 1 4.1 Circuitos monofásicos e trifásicos Quando falamos de transmissão de energia corrente alternada (CA), um sistema monofásico consiste em um gerador conectado a uma carga por uma linha de transmissão bifilar (par de fios). Na prática, muitas vezes temos um sistema trifilar (três fios) com duas fontes idênticas (mesma magnitude e fase) que são conectadas a duas cargas por dois fios externos e o neutro (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Os dois sistemas descritos, por operarem na mesma fase, são sistemas monofásicos, sendo o segundo muito utilizado no sistema doméstico comum, possibilitando a conexão de aparelhos para 127 e 220 V, por exemplo. A Figura 1 ilustra esses dois sistemas monofásicos. Figura 1 – Sistemas monofásicos (a) bifilar e (b) trifilar. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 446. (Adaptada). Agora, começaremos o estudo dos circuitos trifásicos, em que as fontes operam na mesma frequência, entretanto, em três fases diferentes. Assim, um sistema trifásico é composto por um gerador formado por três fontes de mesma amplitude e frequência, mas com uma diferença de Bons estudos! fase entre si por 120°. Portanto, tratamos de uma fase adiantada em 120° e outra atrasada em 120°. As abas, a seguir, apresentam a importância do sistema trifásico. Importância do sistema trifásico » Clique nas abas para saber mais sobre o assunto As associações de impedância delta e estrela podem ser aplicadas na análise dos circuitos trifásicos equilibrados. Ao todo são quatro configurações que estudaremos. A Figura 2 ilustra um sistema trifásico base, em que temos cada fonte defasada em 120° ligada à respectiva carga e ao neutro. Geração de energia elétrica Versatilidade (sistemas monofásicos e polifásicos) Mundialmente, a maior parte da energia elétrica é gerada e distribuída em três fases. A frequência de operação, no Brasil, é de 60 Hz, assim como nos Estados Unidos, entreta em alguns países a frequência é de 50 Hz. Potência instantânea constante Mais econômico Por conta da quantidade de fios necessária no sistema trifásico em relação ao monofás ele é mais econômico. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 2 fase entre si por 120°. Portanto, tratamos de uma fase adiantada em 120° e outra atrasada em 120°. As abas, a seguir, apresentam a importância do sistema trifásico. Importância do sistema trifásico » Clique nas abas para saber mais sobre o assunto As associações de impedância delta e estrela podem ser aplicadas na análise dos circuitos trifásicos equilibrados. Ao todo são quatro configurações que estudaremos. A Figura 2 ilustra um sistema trifásico base, em que temos cada fonte defasada em 120° ligada à respectiva carga e ao neutro. Geração de energia elétrica Versatilidade (sistemas monofásicos e polifásicos) Mundialmente, a maior parte da energia elétrica é gerada e distribuída em três fases. A frequência de operação, no Brasil, é de 60 Hz, assim como nos Estados Unidos, entreta em alguns países a frequência é de 50 Hz. Potência instantânea constante Mais econômico Por conta da quantidade de fios necessária no sistema trifásico em relação ao monofás ele é mais econômico. fase entre si por 120°. Portanto, tratamos de uma fase adiantada em 120° e outra atrasada em 120°. As abas, a seguir, apresentam a importância do sistema trifásico. Importância do sistema trifásico » Clique nas abas para saber mais sobre o assunto As associações de impedância delta e estrela podem ser aplicadas na análise dos circuitos trifásicos equilibrados. Ao todo são quatro configurações que estudaremos. A Figura 2 ilustra um sistema trifásico base, em que temos cada fonte defasada em 120° ligada à respectiva carga e ao neutro. Geração de energia elétrica Versatilidade (sistemas monofásicos e polifásicos) Mundialmente, a maior parte da energia elétrica é gerada e distribuída em três fases. A frequência de operação, no Brasil, é de 60 Hz, assim como nos Estados Unidos, entreta em alguns países a frequência é de 50 Hz. Potência instantânea constante Mais econômico Por conta da quantidade de fios necessária no sistema trifásico em relação ao monofás ele é mais econômico. Figura 2 – Sistema trifásico. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 447. (Adaptada). 4.2 Circuito trifásico equilibrado O sistema trifásico é utilizado pela maioria dos geradores elétricos comerciais. O gerador trifásico utiliza três enrolamentos posicionados a 120° um do outro em torno do estator. Os enrolamentos possuem o mesmo número de espiras e giram na mesma velocidade angular, sendo assim, a amplitude da tensão induzida em cada enrolamento é a mesma, bem como a forma de onda e a frequência. Portanto, as tensões induzidas nos enrolamentos são geradas de forma igual e simultaneamente. De modo simplificado, temos um rotor que é um imã rotativo envolto pelo estator (enrolamento fixo) e os três enrolamentos independentes em torno desse estator. Quando o rotor gira, o fluxo magnético gerado induz as tensões em cada enrolamento. A Figura 3 ilustra o gerador trifásico com os terminais de cada fase e o neutro que é ponto comum entre elas. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 3 Mundialmente, a maior parte da energia elétrica é gerada e distribuída em três fases. A frequência de operação, no Brasil, é de 60 Hz, assim como nos Estados Unidos, entretanto, em alguns países a frequência é de 50 Hz. GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Em casos que se faz necessário a utilização de entradas monofásicas, elas podem ser extraídasdos sistemas trifásicos. Do mesmo modo, em aplicações que são necessárias mais fases, pode-se extrair do sistema base trifásico. VERSATILIDADE (SISTEMAS MONOFÁSICOS E POLIFÁSICOS) A potência instantânea de um sistema trifásico pode ser constante, resultando em uma transmissão de energia uniforme. POTÊNCIA INSTANTÂNEA CONSTANTE Por conta da quantidade de fios necessária no sistema trifásico em relação ao monofásico, ele é mais econômico. MAIS ECONÔMICO Figura 2 – Sistema trifásico. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 447. (Adaptada). 4.2 Circuito trifásico equilibrado O sistema trifásico é utilizado pela maioria dos geradores elétricos comerciais. O gerador trifásico utiliza três enrolamentos posicionados a 120° um do outro em torno do estator. Os enrolamentos possuem o mesmo número de espiras e giram na mesma velocidade angular, sendo assim, a amplitude da tensão induzida em cada enrolamento é a mesma, bem como a forma de onda e a frequência. Portanto, as tensões induzidas nos enrolamentos são geradas de forma igual e simultaneamente. De modo simplificado, temos um rotor que é um imã rotativo envolto pelo estator (enrolamento fixo) e os três enrolamentos independentes em torno desse estator. Quando o rotor gira, o fluxo magnético gerado induz as tensões em cada enrolamento. A Figura 3 ilustra o gerador trifásico com os terminais de cada fase e o neutro que é ponto comum entre elas. Figura 3 – (a) Gerador trifásico e (b) a disposição dos enrolamentos em torno do estator. Fonte: BOYLESTAD, 2012, p. 837. (Adaptada). O Gráfico 1 ilustra as fases com as formas de onda em cada enrolamento referente à Figura 3, defasadas em 120° geradas por um gerador trifásico. Gráfico 1 – Diagrama de fases: tensões geradas por gerador trifásico Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 448. (Adaptado). Como estudado, os enrolamentos têm uma tensão induzida de mesma amplitude e frequência, portanto, pode-se considerar cada um deles um gerador monofásico independente, sendo assim, um sistema trifásico é equivalente a três circuitos monofásicos. Começaremos estudando as fontes de tensão trifásicas ligadas com quatro fios em formato de estrela, conforme a Figura 4. Figura 3 – (a) Gerador trifásico e (b) a disposição dos enrolamentos em torno do estator. Fonte: BOYLESTAD, 2012, p. 837. (Adaptada). O Gráfico 1 ilustra as fases com as formas de onda em cada enrolamento referente à Figura 3, defasadas em 120° geradas por um gerador trifásico. Gráfico 1 – Diagrama de fases: tensões geradas por gerador trifásico Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 448. (Adaptado). Como estudado, os enrolamentos têm uma tensão induzida de mesma amplitude e frequência, portanto, pode-se considerar cada um deles um gerador monofásico independente, sendo assim, um sistema trifásico é equivalente a três circuitos monofásicos. Começaremos estudando as fontes de tensão trifásicas ligadas com quatro fios em formato de estrela, conforme a Figura 4. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 4 Figura 3 – (a) Gerador trifásico e (b) a disposição dos enrolamentos em torno do estator. Fonte: BOYLESTAD, 2012, p. 837. (Adaptada). O Gráfico 1 ilustra as fases com as formas de onda em cada enrolamento referente à Figura 3, defasadas em 120° geradas por um gerador trifásico. Gráfico 1 – Diagrama de fases: tensões geradas por gerador trifásico Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 448. (Adaptado). Como estudado, os enrolamentos têm uma tensão induzida de mesma amplitude e frequência, portanto, pode-se considerar cada um deles um gerador monofásico independente, sendo assim, um sistema trifásico é equivalente a três circuitos monofásicos. Começaremos estudando as fontes de tensão trifásicas ligadas com quatro fios em formato de estrela, conforme a Figura 4. Figura 4 – Sistema trifásico em estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 448. (Adaptada). O ponto em que as fontes se encontram (parte negativa) chamamos de neutro (n) e as tensões V , V , V (#PraCegoVer: V a n é igual à V b n que é igual à V c n) são as tensões de fase. Com as fontes de tensão com mesma amplitude e frequência e defasadas em 120° chegamos ao conceito de tensões equilibradas (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Portanto: Com essa diferença de fase entre as fontes e a relação com a disposição dos enrolamentos do gerador fazemos o estudo da sequência de fases, conforme os cards a seguir. Sequência de fases » Clique nas abas para saber mais sobre o assunto an bn cn Definição Sequência positiva ou abc Sequência de fases negativa ou acb Sequência de fases é a ordem cronológica na qual as tensões passam por meio dos seus valores máximos. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 5 Definição Sequência de fases é a ordem cronológica na qual as tensões passam por meio dos seus valores máximos. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 6 Na sequência de fases positiva temos os fasores girando no sentido anti-horário e passando pelo eixo horizontal em uma sequência abcabca. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 448. (Adaptada). Sequência positiva ou abc Na sequência de fases negativa, temos os fasores girando no sentido anti-horário e passando pelo eixo horizontal em uma sequência acbacba. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 448. (Adaptada). Sequência de fases negativa ou acb Assim, temos o rotor girando com frequência angular ω (#PraCegoVer: ômega) e dependendo da sequência em que os fasores atingem o valor de pico no diagrama de fases (como o apresentado no Gráfico 1) temos a sequência de fases positiva ou negativa, que é uma característica importante nos sistemas de distribuição de energia trifásicos, determinando, por exemplo, o sentido de rotação de um motor ligado a uma fonte de energia elétrica (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Ainda sobre a sequência de fases, podemos equacionar os casos vistos, conforme apresentado nas abas as seguir. Equacionamento da sequência de fases (os valores de tensão e corrente nesse capítulo são valores RMS) » Clique nas abas para saber mais sobre o assunto O conceito-base de toda análise de sistema trifásico depende, portanto, de entender e saber a sequência de fases utilizada. Com isso, ao realizar a análise da carga, pode-se fazer a conexão na associação estrela (como estudado na unidade 2), conforme a Figura 5. (A) Sequência positiva ou abc (B) Sequência de fases negativa ou acb Assim, V está adiantada em relação a V (#PraCegoVer: V c n)que está adiantada em relação a V (#PraCegoVer: V b n). an cn bn Assim, temos o rotor girando com frequência angular ω (#PraCegoVer: ômega) e dependendo da sequência em que os fasores atingem o valor de pico no diagrama de fases (como o apresentado no Gráfico 1) temos a sequência de fases positiva ou negativa, que é uma característica importante nos sistemas de distribuição de energia trifásicos, determinando, por exemplo, o sentido de rotação de um motor ligado a uma fonte de energia elétrica (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Ainda sobre a sequência de fases, podemos equacionar os casos vistos, conforme apresentado nas abas as seguir. Equacionamento da sequência de fases (os valores de tensão e corrente nesse capítulo são valores RMS) » Clique nas abas para saber mais sobre o assunto O conceito-base de toda análise de sistema trifásico depende, portanto, de entender e saber a sequência de fases utilizada. Com isso, ao realizar a análise da carga, pode-se fazer a conexão na associação estrela (como estudado na unidade 2), conforme a Figura 5. (A) Sequência positiva ou abc (B) Sequência de fases negativa ou acb Assim, V está adiantada em relação a V (#PraCegoVer: V c n)que está adiantada em relação a V (#PraCegoVer: V b n). an cn bn UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 7 Assim, Van (#PraCegoVer: V a n) está adiantada em relação a Vbn (#PraCegoVer: V b n) que está adiantada em relação a Vcn (#PraCegoVer: V c n). Assim, Van (#PraCegoVer: V a n) está adiantada em relação a Vcn (#PraCegoVer: V c n) que está adiantada em relação a Vbn (#PraCegoVer: V b n). (A) Sequência positiva ou abc (B) Sequência de fases negativa ou acb Figura5 – Sistema de três cargas. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 449. (Adaptada). A carga estará equilibrada quando as impedâncias forem iguais em todas as fases. Repare que temos as três impedâncias conectadas ao nó neutro. Entretanto faremos o estudo para a carga conectada em delta, em que não há o ponto de conexão neutro. Nesse caso, temos também a configuração em delta para as fontes, conforme a Figura 6. Figura 6 – Configuração delta para as fontes. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 448. (Adaptada). E assim, temos a configuração em delta para a carga, como ilustrado pela Figura 7. Como pode se perceber, em toda análise de sistemas trifásicos, estudamos as configurações tanto para as fontes como para as cargas. Portanto, agora, ilustra-se a representação das cargas em delta. Figura 7 – Configuração em delta para a carga. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 449. (Adaptada). Para cargas em equilíbrio (impedâncias em cada fase iguais) conhecemos as relações de transformação estrela-delta e delta estrela: Em que: Portanto, podemos transformar a configuração da carga equilibrada em delta para estrela e vice-versa. Desse modo, tanto a fonte trifásica como a carga têm a forma delta-estrela. Sendo que há quatro configurações possíveis: estrela-estrela, estrela-delta, delta-delta, delta- estrela. Essas configurações serão nossos objetos de estudo a partir de agora. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 8 fontes como para as cargas. Portanto, agora, ilustra-se a representação das cargas em delta. Figura 7 – Configuração em delta para a carga. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 449. (Adaptada). Para cargas em equilíbrio (impedâncias em cada fase iguais) conhecemos as relações de transformação estrela-delta e delta estrela: Em que: Portanto, podemos transformar a configuração da carga equilibrada em delta para estrela e vice-versa. Desse modo, tanto a fonte trifásica como a carga têm a forma delta-estrela. Sendo que há quatro configurações possíveis: estrela-estrela, estrela-delta, delta-delta, delta- estrela. Essas configurações serão nossos objetos de estudo a partir de agora. fontes como para as cargas. Portanto, agora, ilustra-se a representação das cargas em delta. Figura 7 – Configuração em delta para a carga. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 449. (Adaptada). Para cargas em equilíbrio (impedâncias em cada fase iguais) conhecemos as relações de transformação estrela-delta e delta estrela: Em que: Portanto, podemos transformar a configuração da carga equilibrada em delta para estrela e vice-versa. Desse modo, tanto a fonte trifásica como a carga têm a forma delta-estrela. Sendo que há quatro configurações possíveis: estrela-estrela, estrela-delta, delta-delta, delta- estrela. Essas configurações serão nossos objetos de estudo a partir de agora. VAMOS PRATICAR? Caro(a) estudante,Vamos colocar em prática o conceito de sequência de fases. Para o conjunto de tensões, a seguir, determine a sequência de fases: 4.3 Análise por fase A partir de agora, estudaremos cada configuração dos circuitos trifásicos. Começaremos com a conexão estrela-estrela equilibrada, pois qualquer sistema trifásico pode ser reduzido a um sistema estrela-estrela equivalente (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Assim, esse sistema será a base de resolução para as outras configurações. 4.3.1 Conexão estrela-estrela Nesse sistema, temos uma fonte conectada em estrela equilibrada e uma carga conectada em estrela equilibrada, conforme ilustrado pela Figura 8. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 9 Van = 50 ∠ 30° Vbn = 50 ∠ -210° Vcn = 50 ∠ -90° VAMOS PRATICAR? Caro(a) estudante,Vamos colocar em prática o conceito de sequência de fases. Para o conjunto de tensões, a seguir, determine a sequência de fases: 4.3 Análise por fase A partir de agora, estudaremos cada configuração dos circuitos trifásicos. Começaremos com a conexão estrela-estrela equilibrada, pois qualquer sistema trifásico pode ser reduzido a um sistema estrela-estrela equivalente (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Assim, esse sistema será a base de resolução para as outras configurações. 4.3.1 Conexão estrela-estrela Nesse sistema, temos uma fonte conectada em estrela equilibrada e uma carga conectada em estrela equilibrada, conforme ilustrado pela Figura 8. Figura 8 – Conexão estrela-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 551. (Adaptada). Note que a impedância por cada fase Z (#PraCegoVer: Z Y) (são iguais, visto que o sistema é equilibrado), nesse caso, é a soma das impedâncias da fonte Z , da linha Z (#PraCegoVer: Z l minúsculo) e da carga Z (#PraCegoVer: Z L maiúsculo). Portanto: Em que: Z = impedância interna do enrolamento de fase do gerador Z = impedância da linha que conecta a carga Z = impedância de cada fase da carga Ainda no circuito, é representada a impedância da linha neutra Z . Podemos simplificar o sistema, pois Z e Z são muito pequenas comparadas a Z , fazemos, assim, Z = Z (#PraCegoVer: Z Y é igual a Z L). A configuração simplificada fica: Y S l L S l L N S l L Y L UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 10 Figura 8 – Conexão estrela-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 551. (Adaptada). Note que a impedância por cada fase Z (#PraCegoVer: Z Y) (são iguais, visto que o sistema é equilibrado), nesse caso, é a soma das impedâncias da fonte Z , da linha Z (#PraCegoVer: Z l minúsculo) e da carga Z (#PraCegoVer: Z L maiúsculo). Portanto: Em que: Z = impedância interna do enrolamento de fase do gerador Z = impedância da linha que conecta a carga Z = impedância de cada fase da carga Ainda no circuito, é representada a impedância da linha neutra Z . Podemos simplificar o sistema, pois Z e Z são muito pequenas comparadas a Z , fazemos, assim, Z = Z (#PraCegoVer: Z Y é igual a Z L). A configuração simplificada fica: Y S l L S l L N S l L Y L Figura 9 – Conexão estrela-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 451. (Adaptada). Vamos considerar a sequência de fases positiva para definirmos as tensões entre linha e neutro, que chamaremos de tensão de fase, e as tensões entre linhas (a-b, b-c e c-a). Assim, as tensões de fase: Para a tensão entre a e b, temos: Passando para a forma retangular: Voltando para a forma polar: Realizando a mesma análise, temos: UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 11 Figura 9 – Conexão estrela-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 451. (Adaptada). Vamos considerar a sequência de fases positiva para definirmos as tensões entre linha e neutro, que chamaremos de tensão de fase, e as tensões entre linhas (a-b, b-c e c-a). Assim, as tensões de fase: Para a tensão entre a e b, temos: Passando para a forma retangular: Voltando para a forma polar: Realizando a mesma análise, temos: Assim, chamaremos de V a tensão de linha que é √3 (#PraCegoVer: raiz quadrada de três) vezes o módulo das tensões de fase V . É importante percebermos que as tensões de linha estão 30° adiantadas em relação as tensões de fase e entre elas há uma diferença de 120°, como ilustrado na Figura 10. Figura 10 – Diagrama fasorial das tensões de linha e fase. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 452. (Adaptada). As correntes de linha são encontradas analisando as malhas da Figura 9. Começamos calculando I : L p a Assim, chamaremos de V a tensão de linha que é √3 (#PraCegoVer: raiz quadrada de três) vezes o módulo das tensões de fase V . É importante percebermos que as tensões de linha estão 30° adiantadas em relação as tensões de fase e entre elas há uma diferença de 120°, como ilustrado na Figura 10. Figura 10 – Diagrama fasorial das tensões de linha e fase. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 452. (Adaptada). As correntes de linha são encontradas analisando as malhas da Figura 9. Começamos calculando I : L p a Calculamos I , e como sabemos a relação de fase entre as tensões de fase, deixamos em função de I . Na mesma lógica: Portanto, a soma das correntes de linha é zero e relacionando com a corrente que passa pela linha neutra: Como a corrente na linha neutra é zero, concluímos que a tensãode neutro é zero. Ainda, é importante ressaltar que, nessa configuração, a corrente de linha é a mesma que a corrente de fase. Uma ferramenta que pode simplificar a análise desses circuitos é a análise por fase, em que analisamos o circuito monofásico equivalente e encontramos a corrente de linha I e, a partir da sequência de fases, encontramos as outras correntes de linha. Portanto, podemos analisar separadamente fase por fase. b a a VOCÊ QUER LER? Nosso estudo é sobre sistemas trifásicos com carga equilibradas em suas diferentes ligações. Para um estudo aprofundado desses sistemas e dos sistemas com cargas desequilibradas, sugerimos a leitura do livro Introdução a sistemas elétricos de potência, de Carlos César Barioni de Oliveira, Hernán Pietro Schmidt, Neslon Kagan e Ernesto João Robba. Disponível na Biblioteca Virtual de Laureate. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 12 Calculamos I , e como sabemos a relação de fase entre as tensões de fase, deixamos em função de I . Na mesma lógica: Portanto, a soma das correntes de linha é zero e relacionando com a corrente que passa pela linha neutra: Como a corrente na linha neutra é zero, concluímos que a tensão de neutro é zero. Ainda, é importante ressaltar que, nessa configuração, a corrente de linha é a mesma que a corrente de fase. Uma ferramenta que pode simplificar a análise desses circuitos é a análise por fase, em que analisamos o circuito monofásico equivalente e encontramos a corrente de linha I e, a partir da sequência de fases, encontramos as outras correntes de linha. Portanto, podemos analisar separadamente fase por fase. b a a VOCÊ QUER LER? Nosso estudo é sobre sistemas trifásicos com carga equilibradas em suas diferentes ligações. Para um estudo aprofundado desses sistemas e dos sistemas com cargas desequilibradas, sugerimos a leitura do livro Introdução a sistemas elétricos de potência, de Carlos César Barioni de Oliveira, Hernán Pietro Schmidt, Neslon Kagan e Ernesto João Robba. Disponível na Biblioteca Virtual de Laureate. Calculamos I , e como sabemos a relação de fase entre as tensões de fase, deixamos em função de I . Na mesma lógica: Portanto, a soma das correntes de linha é zero e relacionando com a corrente que passa pela linha neutra: Como a corrente na linha neutra é zero, concluímos que a tensão de neutro é zero. Ainda, é importante ressaltar que, nessa configuração, a corrente de linha é a mesma que a corrente de fase. Uma ferramenta que pode simplificar a análise desses circuitos é a análise por fase, em que analisamos o circuito monofásico equivalente e encontramos a corrente de linha I e, a partir da sequência de fases, encontramos as outras correntes de linha. Portanto, podemos analisar separadamente fase por fase. b a a VOCÊ QUER LER? Nosso estudo é sobre sistemas trifásicos com carga equilibradas em suas diferentes ligações. Para um estudo aprofundado desses sistemas e dos sistemas com cargas desequilibradas, sugerimos a leitura do livro Introdução a sistemas elétricos de potência, de Carlos César Barioni de Oliveira, Hernán Pietro Schmidt, Neslon Kagan e Ernesto João Robba. Disponível na Biblioteca Virtual de Laureate. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 13 Estudamos o sistema base dos circuitos trifásicos (estrela-estrela), em que a fonte conectada em estrela equilibrada alimenta uma carga conectada em estrela equilibrada. Agora, abordaremos o sistema estrela-delta, ou seja, veremos fases e cargas equilibradas, entretanto, a ligação da fonte é em estrela enquanto a ligação da carga é em delta. Página não encontrada VO LTA R A página que você está procurando não existe, ou foi movida. 4.3.2 Conexão estrela-delta Esse sistema é talvez o sistema trifásico mais utilizado na prática, ou seja, normalmente as fontes trifásicas são conectadas em estrela, enquanto as cargas em delta (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Nesse sistema, não temos o fio neutro da fonte para a carga e utilizaremos a sequência positiva para as tensões de fase. O cálculo das tensões de linha é feito do mesmo modo que foi feito para a conexão estrela e estrela, ou seja, analisamos as malhas do circuito (Figura 11). UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 14 Leia o trecho e analise o circuito a seguir: “Na prática, se uma fábrica, por exemplo, tivesse apenas cargas trifásicas equilibradas, a ausência do fio neutro não teria efeito, pois, idealmente, o sistema estaria sempre em equilíbrio. Entretanto, os circuitos de iluminação e os circuitos que alimentam equipamentos elétricos de pequeno porte utilizam apenas uma fase e, mesmo que essas cargas estejam distribuídas uniformemente pelas três fases, é impossível manter constantemente um equilíbrio perfeito entre as fases, já que as lâmpadas e os equipamentos são ligados e desligados de maneira independente perturbando a situação de equilíbrio. O fio neutro é, portanto, necessário para transportar a corrente resultante de volta para o gerador conectado em Y”. Fonte: BOYLESTAD, R. I. Introdução a análise de circuitos. São Paulo: Pearson, 2012. O trecho se refere ao fio neutro nos sistemas conectados em Y nas situações de equilíbrio. Assim, considerando os conteúdos estudados e o sistema Y-Y (sequência de fase positiva) conforme a figura apresentada, analise as afirmativas a seguir. Fonte: BOYLESTAD, R. I. Introdução análise de circuitos. São Paulo: Pearson, 2012, p. 842. (Adaptada). Análise de conexão estrela-estrela Teste seus conhecimentos Estudamos o sistema base dos circuitos trifásicos (estrela-estrela), em que a fonte conectada em estrela equilibrada alimenta uma carga conectada em estrela equilibrada. Agora, abordaremos o sistema estrela-delta, ou seja, veremos fases e cargas equilibradas, entretanto, a ligação da fonte é em estrela enquanto a ligação da carga é em delta. Página não encontrada VO LTA R A página que você está procurando não existe, ou foi movida. 4.3.2 Conexão estrela-delta Esse sistema é talvez o sistema trifásico mais utilizado na prática, ou seja, normalmente as fontes trifásicas são conectadas em estrela, enquanto as cargas em delta (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Nesse sistema, não temos o fio neutro da fonte para a carga e utilizaremos a sequência positiva para as tensões de fase. O cálculo das tensões de linha é feito do mesmo modo que foi feito para a conexão estrela e estrela, ou seja, analisamos as malhas do circuito (Figura 11). UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 15 I. O ângulo de fase θ2 (#PraCegoVer: theta dois) vale −120° (#PraCegoVer: menos cento e vinte graus); II. O ângulo de fase θ3 (#PraCegoVer: theta três) vale +120° (#PraCegoVer: cento e vinte graus); III. O módulo das tensões de linha vale 220 V (o módulo das tensões de linha vale 220 volts); IV. A corrente de linha Ia vale 24 ∠ −53,13° A (#PraCegoVer: vinte e quatro com fase em menos cinquenta e três inteiros e treze centésimos graus em ampères); V. A corrente de linha Ia vale 24 ∠ −123,13° A (#PraCegoVer: vinte e quatro com fase em menos cento e vinte e três inteiros e treze centésimos graus em ampères). Está correto o que se afirma em: I e III.a II e III.c I, II e IV.b I, II, IV e V.d IV e V.e Gabarito na página 28. Atividade não pontuada Figura 11 – Conexão estrela-delta. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 454. (Adaptada). Temos as seguintes tensões de fase: Analisando o circuito, percebemos que as tensões de linha são iguais às tensões de carga (estão em paralelo): E as correntes de fase tem o mesmo módulo e estão defasadas em 120°: E os módulos das correntes de linha são √3 vezes o módulo das correntes de fase: As correntes de linha estão atrasadas em relação às correntes de fase em 30°. Por fim, podemos simplificar a análise transformando o circuito da carga que está em delta para estrela e fazer a análise do circuito monofásico, como mostrado na Figura 12. Figura 12 – Circuito monofásico após transformação da carga delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 455. (Adaptada). Assim, calculamos somente as correntes de linha, pois as correntesde fase são obtidas usando a relação I = √3 I (#PraCegoVer: I L é igual a raiz quadrada de três vezes I p) e do conceito de que cada uma das correntes de fase está adiantada 30° da respectiva linha. 4.3.3 Conexão delta-delta Estudaremos, agora, o sistema em que a fonte e a carga estão conectadas em delta equilibradas. A Figura 13 ilustra o referido sistema. Figura 13 – Conexão delta-delta. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 456. (Adaptada). Para a sequência de fase positiva, temos as tensões de fase: As tensões de linha são iguais as tensões de fase: L p UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 16 e fazer a análise do circuito monofásico, como mostrado na Figura 12. Figura 12 – Circuito monofásico após transformação da carga delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 455. (Adaptada). Assim, calculamos somente as correntes de linha, pois as correntes de fase são obtidas usando a relação I = √3 I (#PraCegoVer: I L é igual a raiz quadrada de três vezes I p) e do conceito de que cada uma das correntes de fase está adiantada 30° da respectiva linha. 4.3.3 Conexão delta-delta Estudaremos, agora, o sistema em que a fonte e a carga estão conectadas em delta equilibradas. A Figura 13 ilustra o referido sistema. Figura 13 – Conexão delta-delta. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 456. (Adaptada). Para a sequência de fase positiva, temos as tensões de fase: As tensões de linha são iguais as tensões de fase: L p e fazer a análise do circuito monofásico, como mostrado na Figura 12. Figura 12 – Circuito monofásico após transformação da carga delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 455. (Adaptada). Assim, calculamos somente as correntes de linha, pois as correntes de fase são obtidas usando a relação I = √3 I (#PraCegoVer: I L é igual a raiz quadrada de três vezes I p) e do conceito de que cada uma das correntes de fase está adiantada 30° da respectiva linha. 4.3.3 Conexão delta-delta Estudaremos, agora, o sistema em que a fonte e a carga estão conectadas em delta equilibradas. A Figura 13 ilustra o referido sistema. Figura 13 – Conexão delta-delta. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 456. (Adaptada). Para a sequência de fase positiva, temos as tensões de fase: As tensões de linha são iguais as tensões de fase: L p e fazer a análise do circuito monofásico, como mostrado na Figura 12. Figura 12 – Circuito monofásico após transformação da carga delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 455. (Adaptada). Assim, calculamos somente as correntes de linha, pois as correntes de fase são obtidas usando a relação I = √3 I (#PraCegoVer: I L é igual a raiz quadrada de três vezes I p) e do conceito de que cada uma das correntes de fase está adiantada 30° da respectiva linha. 4.3.3 Conexão delta-delta Estudaremos, agora, o sistema em que a fonte e a carga estão conectadas em delta equilibradas. A Figura 13 ilustra o referido sistema. Figura 13 – Conexão delta-delta. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 456. (Adaptada). Para a sequência de fase positiva, temos as tensões de fase: As tensões de linha são iguais as tensões de fase: L p As correntes de fase estão atrasadas em 30° em relação às correntes de linha e são calculadas do seguinte modo: E a relação entre o módulo da corrente de linha e da corrente de fase é: 4.3.4 Conexão delta-estrela Faremos a mesma análise dos itens anteriores e encontraremos as correntes de fase e linha para o sistema em que a fonte está conectada em delta e a carga em estrela (ambas equilibradas). Assim, temos as mesmas tensões de fase para a sequência positiva: Analisando a malha aANBba, temos a seguinte equação para investigarmos as correntes de fase e as correntes de linha (são iguais): Simplificando: Assim chegamos à relação: UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 17 As correntes de fase estão atrasadas em 30° em relação às correntes de linha e são calculadas do seguinte modo: E a relação entre o módulo da corrente de linha e da corrente de fase é: 4.3.4 Conexão delta-estrela Faremos a mesma análise dos itens anteriores e encontraremos as correntes de fase e linha para o sistema em que a fonte está conectada em delta e a carga em estrela (ambas equilibradas). Assim, temos as mesmas tensões de fase para a sequência positiva: Analisando a malha aANBba, temos a seguinte equação para investigarmos as correntes de fase e as correntes de linha (são iguais): Simplificando: Assim chegamos à relação: Sabemos, também, que I está atrasada em relação a I por 120° (sequência de fase positiva): Portanto, colocando I em evidência: Passando para a forma retangular e simplificando: E as outras correntes de linha: Figura 14 – Conexão delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 458. (Adaptada). Ainda, podemos fazer a conversão das fontes conectadas em delta para estrela e chegarmos na conexão base estrela-estrela. Para isso, dividimos cada tensão de fase em delta por √3 (#PraCegoVer: raiz quadrada de três) e deslocamos a fase em -30° (#PraCegoVer: menos trinta graus) e chegamos as seguintes tensões de fase: b a aUNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 18 Sabemos, também, que I está atrasada em relação a I por 120° (sequência de fase positiva): Portanto, colocando I em evidência: Passando para a forma retangular e simplificando: E as outras correntes de linha: Figura 14 – Conexão delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 458. (Adaptada). Ainda, podemos fazer a conversão das fontes conectadas em delta para estrela e chegarmos na conexão base estrela-estrela. Para isso, dividimos cada tensão de fase em delta por √3 (#PraCegoVer: raiz quadrada de três) e deslocamos a fase em -30° (#PraCegoVer: menos trinta graus) e chegamos as seguintes tensões de fase: b a a Sabemos, também, que I está atrasada em relação a I por 120° (sequência de fase positiva): Portanto, colocando I em evidência: Passando para a forma retangular e simplificando: E as outras correntes de linha: Figura 14 – Conexão delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 458. (Adaptada). Ainda, podemos fazer a conversão das fontes conectadas em delta para estrela e chegarmos na conexão base estrela-estrela. Para isso, dividimos cada tensão de fase em delta por √3 (#PraCegoVer: raiz quadrada de três) e deslocamos a fase em -30° (#PraCegoVer: menos trinta graus) e chegamos as seguintes tensões de fase: b a a Assim, chegamos no sistema estrela-estrela base e podemos utilizar o sistema monofásico para simplificar a análise, como ilustrado na Figura 15. Figura 15 – Circuito equivalente monofásico após conversão de conexão da fonte delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 458. (Adaptada). Facilmente chegamos na mesma expressão de corrente de linha: Estudamos quatro conexões diferentes para os sistemas trifásicos e são muitas equações para cada caso. Assim, as abas a seguir resumem as equações para cada tipo de conexão entre fonte e carga para sequência de fase positiva. Conexões dos sistemas trifásicos equilibrados Conexão Correntes/tensões de fase Correntes/tensões de linha Correntes idênticas às correntes de linha. Estrela-estrela UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 19 Assim, chegamos no sistema estrela-estrela base e podemos utilizar o sistema monofásico para simplificar a análise, como ilustrado na Figura 15. Figura 15 – Circuito equivalente monofásico após conversão de conexão da fonte delta-estrela. Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 458. (Adaptada). Facilmente chegamos na mesma expressão de corrente de linha: Estudamos quatro conexões diferentes para os sistemas trifásicos e são muitas equações para cada caso. Assim, as abas a seguir resumem as equações para cada tipo de conexão entre fonte e carga para sequência de fase positiva. Conexões dos sistemas trifásicos equilibrados Conexão Correntes/tensões de fase Correntes/tensões de linha Correntes idênticas às correntes de linha. Estrela-estrela UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 20 Conexão Correntes/tensõesde fase Correntes/tensõesde linha Estrela-estrela Correntes idênticas às correntes de linha. Estrela-delta Delta-delta Tensões idênticas às tensões de fase: Triângulo-estrela Correntes idênticas às correntes de linha. Tensões idênticas às tensões de fase: Embora as configurações dos sistemas trifásicos possam parecer muito complexas pela quantidade de elementos e conceitos no próprio circuito, repare que a análise pode ser muito simplificada a partir do momento que você entende a diferença dos elementos de fase e de linha em cada configuração. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 21 Estrela-delta Delta-delta Tensões idênticas às tensões de fase: Triângulo-estrela Correntes idênticas às correntes de linha. Tensões idênticas às tensões de fase: Agora que estudamos as formas dos circuitos trifásicos e suas diferentes configurações e equacionamentos, entenderemos como é realizado o cálculo de potência nesses circuitos. 4.4 Circuitos trifásicos: teoremas e análise Agora, vamos nos concentrar em fazer a análise de potência nos circuitos trifásicos. Partiremos do conceito que a potência instantânea total em um sistema trifásico equilibrado é constante, ou seja, ela não muda com o tempo à medida que a potência em cada fase muda tanto para a carga em estrela como em delta (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Assim, a potência instantânea total não é dependente do tempo e chamaremos a potência média por fase de P que representa a potência total sobre três. Logo, temos que: A potência reativa por fase é: A potência aparente por fase é: VOCÊ SABIA? No Brasil, a maior parte da iluminação e dos aparelhos domésticos opera com 127 V ou 220 V, 60 Hz (#PraCegoVer: cento e vinte e sete volts ou duzentos e vinte volts, sessenta hertz), corrente alternada monofásica. A concessionária de energia elétrica local alimenta a casa com um sistema CA trifilar. Normalmente, a tensão de linha de, por exemplo, 12.000 V (#PraCegoVer: doze mil volts) é reduzida para 127/220 V (#PraCegoVer: cento e vinte e sete, barra, duzentos e vinte) com um transformador. Os três fios provenientes do transformador são, normalmente, coloridos: vermelho, preto e branco (tensão, tensão, neutro). Sendo a linha vermelha e preta opostas em fase e a branca a neutra. Uma vez que a maioria dos eletrodomésticos é projetada para operar com 127 V(#PraCegoVer: cento e vinte e sete volts), a iluminação e os aparelhos são ligados a linhas de 120 V (#PraCegoVer: cento e vinte volts) em paralelo. Eletrodomésticos potentes que consomem grandes correntes, como ar- condicionado, máquinas de lavar louça e roupa e fornos, são ligados a linhas de 220 V (#PraCegoVer: duzentos e vinte volts) (ALEXANDER; SADIKU, 2013). p Estrela-delta Delta-delta Tensões idênticas às tensões de fase: Triângulo-estrela Correntes idênticas às correntes de linha. Tensões idênticas às tensões de fase: Embora as configurações dos sistemas trifásicos possam parecer muito complexas pela quantidade de elementos e conceitos no próprio circuito, repare que a análise pode ser muito simplificada a partir do momento que você entende a diferença dos elementos de fase e de linha em cada configuração. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 22 E a potência complexa é: Note que em negrito temos Sp que é a potência complexa por fase e V e I representando a tensão e a corrente de fase, respectivamente, com módulos V e I . Desse modo, somamos as potências médias nas fases para obter a potência média total: Essa equação pode ser expressa assim tanto para cargas conectadas em estrela como delta, pois no primeiro caso I = I (#PraCegoVer: I L é igual a I P), mas V = √3 V (#PraCegoVer: V L é igual à raiz quadrada de três vezes V p), enquanto no segundo caso I = √3 I (#PraCegoVer: I L é igual à raiz quadrada de três vezes I p) e V = V (#PraCegoVer: V L é igual a V p). Desse modo, a equação sempre é compensada no termo √3 (#PraCegoVer: raiz quadrada de três) para ambos os casos. A potência complexa total fica: Sendo que Z é a impedância de carga por fase Z = Z ∠θ (#ParaCegoVer: Z p é igual a Z p com fase theta). Assim, podemos escrever a potência complexa na forma retangular e polar do seguinte modo: Lembrando que θ (#PraCegoVer: theta) é o ângulo de fase da impedância da carga ou o ângulo entre a tensão de fase e a corrente de fase. Ainda, os valores de tensão e corrente são os valores RMS. Para finalizarmos a nossa abordagem sobre os circuitos trifásicos, é importante entendermos que tanto as ligações de fonte em delta como em estrela têm aplicações práticas fundamentais. A conexão estrela equilibrada é utilizada para transmissão de energia elétrica a longas distâncias, em que as perdas de potência devem ser mínimas. Nesse caso, a tensão em linha é √3 (#PraCegoVer: raízes quadrada de três) vezes maior do que a conexão em delta. Quando falamos de tensão elétrica residencial, precisamos de potências monofásicas, assim, utilizamos p P p p L p L p L p L p p p p Agora que estudamos as formas dos circuitos trifásicos e suas diferentes configurações e equacionamentos, entenderemos como é realizado o cálculo de potência nesses circuitos. 4.4 Circuitos trifásicos: teoremas e análise Agora, vamos nos concentrar em fazer a análise de potência nos circuitos trifásicos. Partiremos do conceito que a potência instantânea total em um sistema trifásico equilibrado é constante, ou seja, ela não muda com o tempo à medida que a potência em cada fase muda tanto para a carga em estrela como em delta (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Assim, a potência instantânea total não é dependente do tempo e chamaremos a potência média por fase de P que representa a potência total sobre três. Logo, temos que: A potência reativa por fase é: A potência aparente por fase é: VOCÊ SABIA? No Brasil, a maior parte da iluminação e dos aparelhos domésticos opera com 127 V ou 220 V, 60 Hz (#PraCegoVer: cento e vinte e sete volts ou duzentos e vinte volts, sessenta hertz), corrente alternada monofásica. A concessionária de energia elétrica local alimenta a casa com um sistema CA trifilar. Normalmente, a tensão de linha de, por exemplo, 12.000 V (#PraCegoVer: doze mil volts) é reduzida para 127/220 V (#PraCegoVer: cento e vinte e sete, barra, duzentos e vinte) com um transformador. Os três fios provenientes do transformador são, normalmente, coloridos: vermelho, preto e branco (tensão, tensão, neutro). Sendo a linha vermelha e preta opostas em fase e a branca a neutra. Uma vez que a maioria dos eletrodomésticos é projetada para operar com 127 V(#PraCegoVer: cento e vinte e sete volts), a iluminação e os aparelhos são ligados a linhas de 120 V (#PraCegoVer: cento e vinte volts) em paralelo. Eletrodomésticos potentes que consomem grandes correntes, como ar- condicionado, máquinas de lavar louça e roupa e fornos, são ligados a linhas de 220 V (#PraCegoVer: duzentos e vinte volts) (ALEXANDER; SADIKU, 2013). p UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 23 a conexão delta para obtermos circuitos monofásicos a partir da fonte trifásica. Já no caso industrial, em que se faz necessário potências elevadíssimas, o uso de fontes trifásicas é essencial. Página não encontrada VO LTA R A página que você está procurando não existe, ou foi movida. Síntese Nesta unidade, abordamos os circuitos trifásicos. Vimos a diferença entre circuitos monofásicos e trifásicos e a forma em que ambos são ligados, bem como a quantidade de fios e disposições de cada um. Entendemos como funciona um gerador trifásico e o que representa o equilíbrio nesse sistema. Estudamos a sequência de fases que é a ordem na qual ocorrem as tensões de fase no referido gerador. Na sequência positiva (abc) V está adiantada em 120° em relação a V que está adiantada em 120° em relação a V . Na sequência negativa (acb) V está adiantada em 120° em relação a V que está adiantada 120° em relação a V . Analisamos as diferentes configurações de fonte trifásica e carga (estrela-estrela; estrela-delta; delta- estrela; delta-delta) e concluímos que o modo mais simples é transformar no equivalente basean bn cn an cn bn E a potência complexa é: Note que em negrito temos Sp que é a potência complexa por fase e V e I representando a tensão e a corrente de fase, respectivamente, com módulos V e I . Desse modo, somamos as potências médias nas fases para obter a potência média total: Essa equação pode ser expressa assim tanto para cargas conectadas em estrela como delta, pois no primeiro caso I = I (#PraCegoVer: I L é igual a I P), mas V = √3 V (#PraCegoVer: V L é igual à raiz quadrada de três vezes V p), enquanto no segundo caso I = √3 I (#PraCegoVer: I L é igual à raiz quadrada de três vezes I p) e V = V (#PraCegoVer: V L é igual a V p). Desse modo, a equação sempre é compensada no termo √3 (#PraCegoVer: raiz quadrada de três) para ambos os casos. A potência complexa total fica: Sendo que Z é a impedância de carga por fase Z = Z ∠θ (#ParaCegoVer: Z p é igual a Z p com fase theta). Assim, podemos escrever a potência complexa na forma retangular e polar do seguinte modo: Lembrando que θ (#PraCegoVer: theta) é o ângulo de fase da impedância da carga ou o ângulo entre a tensão de fase e a corrente de fase. Ainda, os valores de tensão e corrente são os valores RMS. Para finalizarmos a nossa abordagem sobre os circuitos trifásicos, é importante entendermos que tanto as ligações de fonte em delta como em estrela têm aplicações práticas fundamentais. A conexão estrela equilibrada é utilizada para transmissão de energia elétrica a longas distâncias, em que as perdas de potência devem ser mínimas. Nesse caso, a tensão em linha é √3 (#PraCegoVer: raízes quadrada de três) vezes maior do que a conexão em delta. Quando falamos de tensão elétrica residencial, precisamos de potências monofásicas, assim, utilizamos p P p p L p L p L p L p p p p UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 24 Utilizamos da sequência de fases para os sistemas trifásicos equilibrados para obter as correntes de linha a partir de uma fase analisada. Assim, em muitos casos, inclusive para os cálculos de potência precisamos analisar apenas uma fase do circuito. O mesmo conceito é válido para sistemas trifilares, mesmo sem o fio neutro como o circuito a seguir: Considerando o circuito apresentado e os conteúdos estudados, analise as afirmativas a seguir. I. A corrente Ia vale 6,81 ∠ −21,8° A (#PraCegoVer: seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos vinte e um inteiros e oito décimos em ampères); II. As correntes Ib e Ic são respectivamente 6,81 ∠ −141,8° A (#PraCegoVer: seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos cento e quarenta e um inteiros e oito décimos em ampères) e 6,81 ∠ −261,8° A (#PraCegoVer: seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos duzentos e sessenta e um inteiros e oito décimos em ampères); III. A potência complexa SS na fonte é −(2087 + j834,6) V A (#PraCegoVer: menos a soma entre dois mil e oitenta e sete com oitocentos e trinta e quatro inteiros e seis décimos imaginário em volt-ampères); Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 453. (Adaptada). Análise de circuito trifásico Teste seus conhecimentos a conexão delta para obtermos circuitos monofásicos a partir da fonte trifásica. Já no caso industrial, em que se faz necessário potências elevadíssimas, o uso de fontes trifásicas é essencial. Página não encontrada VO LTA R A página que você está procurando não existe, ou foi movida. Síntese Nesta unidade, abordamos os circuitos trifásicos. Vimos a diferença entre circuitos monofásicos e trifásicos e a forma em que ambos são ligados, bem como a quantidade de fios e disposições de cada um. Entendemos como funciona um gerador trifásico e o que representa o equilíbrio nesse sistema. Estudamos a sequência de fases que é a ordem na qual ocorrem as tensões de fase no referido gerador. Na sequência positiva (abc) V está adiantada em 120° em relação a V que está adiantada em 120° em relação a V . Na sequência negativa (acb) V está adiantada em 120° em relação a V que está adiantada 120° em relação a V . Analisamos as diferentes configurações de fonte trifásica e carga (estrela-estrela; estrela-delta; delta- estrela; delta-delta) e concluímos que o modo mais simples é transformar no equivalente base an bn cn an cn bn (estrela-estrela) e a análise fase por fase. Analisamos encontrando a corrente de linha (gerador para carga) e a tensão de linha (par de linha), a corrente de fases (fase para carga) e a tensão de fases. Por fim, fizemos a análise de potência nos circuitos trifásicos. SAIBA MAIS Título: Introdução a análise de circuitos Autor: Robert L. Boylestad Editor: Pearson Ano: 2012 Comentário: Sugerimos a leitura do capítulo 23 para estudar de modo aprofundado a demonstração do equacionamento dos sistemas trifásicos e a generalização dos sistemas polifásicos. Onde encontrar: Biblioteca Virtual da Laureate Título: Introdução a sistemas elétricos de Potência Autores(as): Carlos Cesar Barioni de Oliveira, Hernán Prietro Schmidt, Nelson Kagan e Ernesto Jõao Robba Favarin Editor: Blucher Ano: 2000 Comentário: Sugerimos a leitura da unidade 1.6 para uma análise aprofundada da potência em circuitos trifásicos. Onde encontrar: Biblioteca Virtual da Laureate UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 25 IV. A potência real absorvida na carga é 2.191,7 W (#PraCegoVer: dois mil cento e noventa e um inteiros e sete décimos watts); V. A potência reativa absorvida na carga é 831,4 VAR (#PraCegoVer: oitocentos e trinta e um inteiros e quatro décimos volt-ampère reativo). Está correto apenas o que se afirma em: I e II.a II e III.c I, II e III.b IV e V.d I, III e IV.e Gabarito na página 30. Atividade não pontuada UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 26 SAIBA MAIS Título: Introdução a análise de circuitos Autor: Robert L. Boylestad Editor: Pearson Ano: 2012 Comentário: Sugerimos a leitura do capítulo 23 para estudar de modo aprofundado a demonstração do equacionamento dos sistemas trifásicos e a generalização dos sistemas polifásicos. Onde encontrar: Biblioteca Virtual da Laureate Título: Introdução a sistemas elétricos de Potência Autores(as): Carlos Cesar Barioni de Oliveira, Hernán Prietro Schmidt, Nelson Kagan e Ernesto Jõao Robba Favarin Editor: Blucher Ano: 2000 Comentário: Sugerimos a leitura da unidade 1.6 para uma análise aprofundada da potência em circuitos trifásicos. Onde encontrar: Biblioteca Virtual da Laureate Título: Dimensão da crise e a explosão das tarifas de energia elétrica Autores(as): Carlos Augusto Ramos Kirchner Ano: 2015 Comentário: A partir da leitura desse artigo, é possível relacionar o conteúdo estudado com a parte econômica do setor energético. Onde encontrar: <http://www.revistas.usp.br/revusp/article/view/106756>. Referências bibliográficas Título: Dimensão da crise e a explosão das tarifas de energia elétrica Autores(as): Carlos Augusto Ramos Kirchner Ano: 2015 Comentário: A partir da leitura desse artigo, é possível relacionar o conteúdo estudado com a parte econômica do setor energético. Onde encontrar? <http://www.revistas.usp.br/revusp/article/view/106756>. ALEXANDER, C. K.; SADIKU, M. N. O. Fundamentos de circuitos elétricos. 5. ed. São Paulo: Editora Bookman, 2013. BARRETO, G. et al. Circuitos de corrente alternada: fundamentos e prática. São Paulo: Oficina de Textos, 2012. BOYLESTAD, R. I. Introdução a análise de circuitos. São Paulo: Pearson, 2012. GÓES, A. R. T.; GÓES, H. C. Números complexos e equações algébricas. Curitiba: Intersaberes, 2015. IRWIN, J. D. Análise de circuitos em engenharia. São Paulo: Makron Books, 2000. KIRCHNER, C. A. R. Dimensão da crise e a explosão das tarifas de energia elétrica. Revista USP, São Paulo, n. 104, p. 91-102, 2015. Disponível em: <http://www.revistas.usp.br/revusp/article/view/106756>. Acesso em: 27 out. 2020. OLIVEIRA, C. C. et al. Introdução a sistemas elétricos de potência. 2. ed. São Paulo: Blucher, 2000. RASHID, M, H. Eletrônica de Potência. São Paulo: Editora Pearson, 2014. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 27 UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 28 Análisede conexão estrela-estrela Gabarito Leia o trecho e analise o circuito a seguir: “Na prática, se uma fábrica, por exemplo, tivesse apenas cargas trifásicas equilibradas, a ausência do fio neutro não teria efeito, pois, idealmente, o sistema estaria sempre em equilíbrio. Entretanto, os circuitos de iluminação e os circuitos que alimentam equipamentos elétricos de pequeno porte utilizam apenas uma fase e, mesmo que essas cargas estejam distribuídas uniformemente pelas três fases, é impossível manter constantemente um equilíbrio perfeito entre as fases, já que as lâmpadas e os equipamentos são ligados e desligados de maneira independente perturbando a situação de equilíbrio. O fio neutro é, portanto, necessário para transportar a corrente resultante de volta para o gerador conectado em Y”. Fonte: BOYLESTAD, R. I. Introdução a análise de circuitos. São Paulo: Pearson, 2012. O trecho se refere ao fio neutro nos sistemas conectados em Y nas situações de equilíbrio. Assim, considerando os conteúdos estudados e o sistema Y-Y (sequência de fase positiva) conforme a figura apresentada, analise as afirmativas a seguir. I. O ângulo de fase θ2 (#PraCegoVer: theta dois) vale −120° (#PraCegoVer: menos cento e vinte graus); II. O ângulo de fase θ3 (#PraCegoVer: theta três) vale +120° (#PraCegoVer: cento e vinte graus); III. O módulo das tensões de linha vale 220 V (o módulo das tensões de linha vale 220 volts); IV. A corrente de linha Ia vale 24 ∠ −53,13° A (#PraCegoVer: vinte e quatro com fase em menos cinquenta e três inteiros e treze centésimos graus em ampères); Fonte: BOYLESTAD, R. I. Introdução análise de circuitos. São Paulo: Pearson, 2012, p. 842. (Adaptada). UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 29 V. A corrente de linha Ia vale 24 ∠ −123,13° A (#PraCegoVer: vinte e quatro com fase em menos cento e vinte e três inteiros e treze centésimos graus em ampères). Está correto o que se afirma em: I, II, IV e V.d Como a sequência de fase é positiva (abc) temos: θ2 = −120° θ3 = +120° #PraCegoVer: Theta dois é igual a menos cento e vinte graus e theta três é igual a cento e vinte graus. O módulo é calculado da seguinte forma: VL = √3Vp VL = √3 ∙ 120 = 280 V #PraCegoVer: V L é igual à raiz quadrada de três vezes V p. Assim, V L é igual à raiz quadrada de três vezes cento de vinte, que resulta em duzentos e oito volts. E temos Van = 120 ∠ 0° V (#PraCegoVer: V a n é igual a cento e vinte com fase em zero grau em volts), portanto, a corrente de linha Ia fica: Ia = = = = 24 ∠ −53,16° A Van ZY 120 ∠ 0° 3 + j4 120 ∠ 0° 5 ∠ 53,13° Ib = 24 ∠ −173,13° A #PraCegoVer: I a é igual a V a n sobre Z Y, que é igual a cento e vinte com fase em zero grau, sobre três mais quatro imaginário, que é igual a cento e vinte com fase em zero grau sobre cinco com fase em cinquenta e três inteiros e treze centésimos graus, que é igual a vinte e quatro com fase em menos cinquenta e três inteiros e treze centésimos graus em ampères. I b é igual a vinte e quatro com fase em menos cento e setenta e três inteiros e treze centésimos graus em ampères. UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 30 Análise de circuito trifásico Utilizamos da sequência de fases para os sistemas trifásicos equilibrados para obter as correntes de linha a partir de uma fase analisada. Assim, em muitos casos, inclusive para os cálculos de potência precisamos analisar apenas uma fase do circuito. O mesmo conceito é válido para sistemas trifilares, mesmo sem o fio neutro como o circuito a seguir: Considerando o circuito apresentado e os conteúdos estudados, analise as afirmativas a seguir. I. A corrente Ia vale 6,81 ∠ −21,8° A (#PraCegoVer: seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos vinte e um inteiros e oito décimos em ampères); II. As correntes Ib e Ic são respectivamente 6,81 ∠ −141,8° A (#PraCegoVer: seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos cento e quarenta e um inteiros e oito décimos em ampères) e 6,81 ∠ −261,8° A (#PraCegoVer: seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos duzentos e sessenta e um inteiros e oito décimos em ampères); III. A potência complexa SS na fonte é −(2087 + j834,6) V A (#PraCegoVer: menos a soma entre dois mil e oitenta e sete com oitocentos e trinta e quatro inteiros e seis décimos imaginário em volt-ampères); IV. A potência real absorvida na carga é 2.191,7 W (#PraCegoVer: dois mil cento e noventa e um inteiros e sete décimos watts); V. A potência reativa absorvida na carga é 831,4 VAR (#PraCegoVer: oitocentos e trinta e um inteiros e quatro décimos volt-ampère reativo). Está correto apenas o que se afirma em: Fonte: ALEXANDER; SADIKU, 2013, p. 453. (Adaptada). I, II e III.b UNIDADE 1. NOME DA UNIDADE 31 Obtemos Ia a partir da análise monofásica: #PraCegoVer: I a é igual à V a n sobre Z Y, que é igual a cento e dez com fase zero grau sobre dezesseis inteiros e cento e cinquenta e cinco milésimos com fase em vinte e um inteiros e oito décimos graus, que é igual a seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos vinte e um inteiros e oito décimos ampères. Como temos a sequência positiva: Ib = 6,81 ∠ −141,8° A #PraCegoVer: I b é igual a seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos cento e quarenta e um inteiros e oito décimos ampères. Ic = 6,81 ∠ −261,8° A #PraCegoVer: I c é igual a seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos duzentos e sessenta e um inteiros e oito décimos ampères. A potência complexa absorvida na fonte: SS = −3VpIp* = −3(110 ∠ 0°)(6,81 ∠ 21,8°) = −2247 ∠ 21,8° = −(2087 + j834,6) V A #PraCegoVer: S s é igual a menos três vezes V p vezes I p conjugado, que é igual a menos três vezes cento e dez com fase zero graus vezes seis inteiros e oitenta e um centésimos com fase em menos vinte e um inteiros e oito décimos graus, que é igual a menos dois mil duzentos e quarenta e sete com fase vinte e um inteiros e oito décimos graus, que é igual a menos a somatória de dois mil e oitenta e sete com oitocentos e trinta e quatro inteiros e seis décimos imaginário em volt-ampère. E temos que na carga a potência complexa absorvida é: SL = 3|Ip|2Zp SL = 3(6,81) 212,81 ∠ 38,66° = (1392 + j1113) V A #PraCegoVer: S L é igual a três vezes o módulo de I P ao quadrado vezes Z p, sendo que S L é igual a três vezes seis inteiros e oitenta e um centésimos ao quadrado vezes dozes inteiros e oitenta e um centésimos com fase trinta e oito inteiros e sessenta e seis centésimos graus, que é igual à soma de mil trezentos e noventa e dois e mil cento e treze imaginário em volt-ampère. Assim, a potência real absorvida é 1392 W (PraCegoVer: mil trezentos e noventa e dois watts) e a reativa 1113 VAR (PraCegoVer: mil cento e treze volt-ampere reativo). Ia = = = 61,8 ∠ −21,8° A Van ZY 110 ∠ 0° 16,155 ∠ 21,8°
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