Eletricidade trifásica. Neste tutorial vamos aprender mais sobre a eletricidade trifásica. Iremos abordar como são geradas as 3 fases, o que significa um ciclo e Hertz, traçar a forma de onda da tensão à medida que é gerada, calcular as nossas tensões monofásicas e trifásicas.
Desloque-se até ao fundo para ver o vídeo tutorial do YouTube sobre tensão trifásica + cálculos
Assim, no nosso último tutorial trifásico Neste tutorial, vamos aprofundar um pouco mais a forma como estes sistemas funcionam e a matemática básica que lhes está subjacente.
Utilizamos as tomadas nas nossas casas para alimentar os nossos aparelhos eléctricos. A tensão destas tomadas varia consoante o local do mundo em que nos encontramos. Por exemplo: a América do Norte utiliza ~120V, a Europa utiliza ~230V, a Austrália e a Índia utilizam ~230V e o Reino Unido utiliza ~230V.
Estas são as tensões padrão definidas pelos regulamentos governamentais de cada país, que podem ser consultadas na Internet ou medidas em casa, se tiver as ferramentas adequadas.
Enquanto estive no Reino Unido, efectuei algumas medições de tensão numa tomada de corrente doméstica normal. Pode ver-se que obtenho cerca de 235V nesta tomada utilizando um simples medidor de energia. Em alternativa, também posso utilizar um multímetro para ler este valor. O valor varia ligeiramente ao longo do dia, por vezes mais alto e por vezes mais baixo, mas mantém-se dentro de uma certa tolerância.
Se não tiver um contador de energia ou um multímetro, estes são muito baratos e muito úteis, pelo que recomendo que compre um.
Estas tensões nas tomadas das nossas casas são monofásicas, provenientes de uma ligação em Y. Provêm da ligação entre uma fase e a linha neutra ou, por outras palavras, apenas uma bobina do gerador.
Mas também podemos ligar duas ou três fases ao mesmo tempo, ou seja, duas ou três bobinas do gerador, e se o fizermos obtemos uma tensão mais elevada.
Nos EUA, obtemos 120V de uma fase ou 208V de duas ou três fases.
Na Europa, temos 230V monofásicos ou 400V
Na Austrália e na Índia, temos 230V monofásicos ou 400V
Se ligar um oscioscópio à fase monofásica, obtenho uma onda sinusoidal; se ligar às três fases, obtenho três ondas sinusoidais seguidas.
Então, o que está a acontecer aqui, porque é que temos tensões diferentes e porque é que temos estas ondas sinusoidais?
Recapitulando, obtemos eletricidade útil quando muitos electrões se movem ao longo de um cabo na mesma direção. Utilizamos fios de cobre porque cada um dos milhares de milhões de átomos no interior do material de cobre tem um eletrão solto na sua camada mais externa. Este eletrão solto é livre de se mover entre outros átomos de cobre e move-se constantemente, mas em direcções aleatórias, o que não tem qualquer interesse.para nós.
Para que se movam na mesma direção, movemos um íman ao longo do fio de cobre. O campo magnético faz com que os electrões livres se movam na mesma direção. Se enrolarmos o fio de cobre numa bobina, podemos colocar mais átomos de cobre no campo magnético e podemos mover mais electrões. Se o íman se mover para a frente apenas numa direção, então os electrões fluem apenas numa direção e obtemos DC ouSe movermos o íman para a frente e depois para trás, obtemos corrente alternada, em que os electrões se movem para a frente e depois para trás. É como a maré do mar, a água flui para trás e para a frente constantemente.
Em vez de alguém mover um íman para trás e para a frente durante todo o dia, os engenheiros limitam-se a rodá-lo e a colocar uma bobina de fio de cobre à volta do exterior. Dividimos a bobina em duas, mas mantemo-las ligadas e colocamos uma em cima e outra em baixo para cobrir o campo magnético.
Quando o gerador arranca, o pólo norte e o pólo sul do íman estão diretamente entre as bobinas, pelo que a bobina não sofre qualquer efeito e nenhum eletrão se move. À medida que rodamos o íman, o lado norte passa pela bobina superior e isto empurra os electrões para a frente. À medida que o campo magnético atinge o seu máximo, mais e mais electrões começam a fluir, mas depois passa o seu máximo e volta a dirigir-se para zero.Em seguida, o pólo magnético sul atravessa e puxa os electrões para trás. Mais uma vez, a quantidade de electrões em movimento varia à medida que a intensidade do campo magnético muda durante a rotação.
Se traçarmos a variação da tensão durante a rotação, obtemos uma onda sinusoidal em que a tensão começa em zero, aumenta até ao máximo e depois diminui até zero. O pólo sul entra em ação e puxa os electrões para trás, pelo que obtemos valores negativos, aumentando novamente até um valor máximo e depois voltando a descer até zero.
Este circuito dá-nos uma alimentação monofásica. Se adicionarmos uma segunda bobina a 120 graus de rotação da primeira, obtemos uma segunda fase. Esta bobina experimenta a mudança no campo magnético em momentos diferentes em comparação com a primeira fase, pelo que a sua forma de onda será a mesma, mas será atrasada. A forma de onda da segunda fase não começa até que o íman gire a 120 graus de rotação.Novamente, esta bobina experimentará a mudança no campo magnético num momento diferente das outras duas, pelo que a sua onda será igual às outras, exceto que será mais atrasada e começará com uma rotação de 240 graus. Quando o íman gira várias vezes, acaba por formar uma fonte trifásica ininterrupta com estas 3 ondasformas.
Quando o íman completa uma rotação completa, chamamos-lhe um ciclo. Medimos os ciclos na unidade de Hertz ou Hz. Se olhar para os seus aparelhos eléctricos, verá 50Hz ou 60Hz, o que significa que o fabricante lhe diz a que tipo de alimentação o equipamento tem de ser ligado. Alguns aparelhos podem ser ligados a qualquer uma das duas.
Cada país utiliza 50Hz ou 60Hz. A América do Norte, alguma da América do Sul e alguns outros países utilizam 60Hz, o resto do mundo utiliza 50Hz. 50Hz significa que o íman completa 50 rotações por segundo, 60Hz significa que o íman completa 60 rotações por segundo.
Se o íman fizer uma rotação completa 50 vezes por segundo, o que corresponde a 50 Hertz, então a bobina no gerador experimenta uma mudança na polaridade do campo magnético 100 vezes por segundo (norte e sul ou positivo e negativo), pelo que a tensão muda entre um valor positivo e um valor negativo 100 vezes por segundo. Se for de 60 Hz, então a tensão mudará 120 vezes por segundo.os electrões para criar corrente eléctrica, os electrões mudam de direção 100 ou 120 vezes por segundo.
Podemos calcular o tempo que demora uma única rotação a completar-se utilizando a fórmula Tempo T = 1 / f.
f = frequência. Assim, uma alimentação de frequência de 50Hz demora 0,02 segundos ou 20 milissegundos a completar-se e uma alimentação de 60Hz demora 0,0167 segundos ou 16,7 milissegundos.
Vimos anteriormente que as tensões das tomadas de corrente são diferentes em todo o mundo.
Estas tensões são conhecidas como o valor RMS ou o valor da raiz quadrada média. Vamos calculá-lo um pouco mais tarde no vídeo. A tensão que sai das tomadas não é constantemente 120, 220, 230 ou 240V. Vimos pela onda sinusoidal que está constantemente a mudar entre picos positivos e negativos.
Os picos são de facto muito mais elevados, por exemplo.
Nos EUA, a tensão na tomada atinge 170V
A Europa atinge 325V
Índia e Austrália atingem 325V
Podemos calcular este pico ou tensão máxima utilizando a fórmula:
Como as três fases estão a sentir o campo magnético em momentos diferentes, se somarmos as suas tensões instantâneas obtemos zero porque se anulam mutuamente, veremos isso mais tarde.
Felizmente, uma pessoa inteligente teve a ideia de utilizar a tensão RMS, que é igual à potência média dissipada por uma carga puramente resistente, que é alimentada por uma corrente de direção DC.
Por outras palavras, calcularam a tensão necessária para alimentar uma carga restritiva, como um aquecedor, alimentado por uma fonte de corrente contínua, e depois calcularam qual a tensão alternada necessária para produzir a mesma quantidade de calor.
Vamos rodar o íman no gerador muito lentamente e depois calcular as tensões para cada segmento e ver como isto forma a onda sinusoidal para cada fase.
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UE 👉 //engmind.info/3-Phase-Excel-EU
ÍNDIA 👉 //engmind.info/3-Phase-Excel-IN
Reino Unido 👉 //engmind.info/3-Phase-Excel-UK
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Se dividirmos a circunferência do gerador em segmentos, com 30 graus de distância entre si, para obtermos 12 segmentos, podemos ver como é feita cada onda. Também vou desenhar um gráfico com cada um dos segmentos para podermos calcular a tensão e traçá-lo. A propósito, pode dividir isto em tantos segmentos quantos quiser, quanto mais pequeno for o segmento mais preciso será o cálculo.
Primeiro, temos de converter cada segmento de graus para radianos, utilizando a fórmula:
Para a fase um, calculamos a tensão instantânea em cada segmento utilizando a fórmula.
(Por tensão instantânea entende-se apenas a tensão num determinado momento)
Assim, por exemplo, a uma rotação de 30 graus ou 0,524 radianos, devemos obter o valor de
84,85 para uma alimentação de 120V
155,56 para uma alimentação de 220V
162,63 para uma alimentação de 230V
169,71 para uma alimentação de 240V
Basta efetuar esse cálculo para cada segmento até que a tabela esteja completa para 1 ciclo completo.
Tensões de onda sinusoidal da fase 1 em segmentos de 30 graus Os valores aumentam à medida que o campo magnético se torna mais forte e força mais electrões a fluir, diminuindo depois até chegar a zero, onde o campo magnético está exatamente entre o norte e o sul da bobina, pelo que não tem qualquer efeito.para trás, obtemos um valor negativo e este aumenta à medida que o campo magnético do pólo sul muda de intensidade.
Para a fase 2, é necessário utilizar a fórmula
"(120*pi/180))" esta parte final apenas tem em conta o atraso porque a bobina está a 120 graus da primeira.
Exemplo a 30 graus para a fase 2, devemos obter o valor de
-169,71 para uma alimentação de 120V
-311,13 para uma alimentação de 220V
-325,27 para uma alimentação de 230V
339,41 para uma alimentação de 240V
Assim, basta efetuar esse cálculo para cada segmento até que a tabela esteja completa para 1 ciclo completo.
Para a fase 3, é necessário utilizar a fórmula
Exemplo: a 30 graus para a fase 3, devemos obter o valor de
84,85 para uma alimentação de 120V
155,56 para uma alimentação de 220V
162,63 para uma alimentação de 230V
169,71 para uma alimentação de 240V
Assim, basta efetuar esse cálculo para cada segmento até que a tabela esteja completa para 1 ciclo completo.
Podemos agora desenhar isto para ver a forma de onda das fases 1,2 e 3 e como as tensões estão a mudar. Esta é a nossa alimentação trifásica, mostrando a tensão em cada fase a cada 30 graus de rotação do gerador.
Se tentarmos somar a tensão instantânea de todas as fases em cada segmento, verificamos que se anulam mutuamente. Por isso, em vez disso, vamos utilizar a tensão RMS equivalente DC.
Para o fazer para a fase 1, elevamos ao quadrado o valor instantâneo da tensão para cada segmento. Faça isto para todos os segmentos para um ciclo completo.
Depois somamos todos estes valores e dividimos esse número pelo número de segmentos que temos, neste caso temos 12 segmentos. Depois tiramos a raiz quadrada desse número. Isto dá-nos a nossa tensão rms de 120, 220, 230V ou 240 volts, dependendo da fonte de alimentação para a qual está a calcular.
Isto significa que, se ligarmos um dispositivo entre qualquer fase e a linha neutra, obtemos Vrms de 120, 220, 230 ou 240 V, tal como acontece com a ficha da sua casa.
Fazemos agora o mesmo para as outras duas fases.
Se precisarmos de mais potência, ligamos entre duas ou três fases. Calculamos a tensão fornecida elevando ao quadrado cada uma das tensões instantâneas por fase, depois somamos os três valores por segmento e depois tiramos a raiz quadrada desse número.
Verá que a tensão trifásica é de
208V para uma alimentação de 120V
380V para uma alimentação de 220V
398V para uma alimentação de 230V
415v para uma alimentação de 240V
Podemos obter duas tensões a partir de uma alimentação trifásica.
Chamamos à tensão mais pequena a nossa tensão de fase e obtêmo-la ligando qualquer fase à linha neutra. É assim que obtemos as tensões das nossas tomadas eléctricas em casa, porque só estão ligadas a uma fase e ao neutro.
Chamamos à tensão maior a nossa tensão linha a linha e obtêmo-la ligando duas fases quaisquer. É assim que obtemos mais potência da alimentação.
Nos EUA, por exemplo, muitos aparelhos precisam de 208V porque 120V simplesmente não é suficientemente potente, pelo que temos de ligar duas fases. Na América do Norte, também podemos obter sistemas de 120/240V que funcionam de forma diferente. Abordaremos esse assunto noutro tutorial.
