Inventado por Galileo Ferraris, Mikhail Dolivo-Dobrovolski e Nikola Tesla nos meados da década de 1880, o sistema trifásico é a configuração mais comum para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica de corrente alternada (CA).
Os sistemas elétricos com um número de fase múltiplos de três tendem a ser mais estáveis. Contudo, a adoção dos sistemas trifásicos (3 fases) provém a estabilidade necessária com o número mínimo de condutores, o que reduz as despesas com a implementação.
Operação de Sistemas Trifásicos
Os sistemas elétricos trifásicos podem operar de duas maneiras: equilibrada ou desequilibrada.
Nos sistemas trifásicos equilibrados a adoção de três fases interligadas e caracterizadas por três senoides balanceados e defasadas em $ 120^\circ $ entre si provém equilíbrio ao sistema, tornando-o mais eficiente quando comparado ao uso de três sistemas isolados. Em sistemas isolados seriam necessários um par de fios para cada fase, aumentando o custo para sua implementação. Como em sistemas trifásicos equilibrados a soma das correntes nas três cargas é nula, não existe a necessidade do segundo fio em cada fase, ou seja, um sistema trifásico equilibrado é capaz de transmitir a mesma potência com metade dos condutores. Quanto maior o nível de tensão de operação de uma rede elétrica trifásica, maior o seu equilíbrio.
Já nos sistemas trifásicos desequilibrados as três fases são caracterizadas por três senoides desbalanceadas de baixa tensão e defasadas em diferentes ângulos entre si, causando desequilíbrio ao sistema. Quanto menor o nível de tensão de operação de uma rede elétrica, maior o seu desequilíbrio.
Implementação de Sistemas Trifásicos
Na geração de energia, as máquinas elétricas trifásicas de corrente alternada, quando utilizadas como gerador de energia, tendem a ser mais eficientes que as máquinas elétricas monofásicas devido ao melhor aproveitamento do campo magnético girante pelas bobinas do estator.
O sistema elétrico trifásico é dividido em dois níveis de tensão:
- sistemas de transmissão (superior a 230 kV);
- sistemas de distribuição (inferior a 230 kV).
Os sistemas de transmissão são aqueles que operam com tensão nominal acima de 230kV. Na transmissão, as cargas de cada fase são praticamente as mesmas e as fases nas estruturas de transmissão são dispostas geometricamente de modo simétrico ou são transpostas ao longo da linha.
Já os sistemas de distribuição são aqueles que operam com tensão nominal inferior a 230kV. Os sistemas de distribuição são compostos pela rede elétrica e pelo conjunto de instalações e equipamentos elétricos que operam em três níveis de tensão:
- alta tensão ou AT (superior a 69 kV e inferior a 230 kV);
- média tensão ou MT (superior a 1 kV e inferior a 69 kV);
- baixa tensão ou BT (igual ou inferior a 1 kV).
Na distribuição AT as fases nas estruturas estão dispostas em modo simétrico e o carregamento de cada fase é praticamente igual.
Na distribuição MT as fases nas estruturas estão dispostas em modo assimétrico e o carregamento de cada fase apresenta alguma diferença entre si. Contudo, o sistema pode ser considerado equilibrado.
Na distribuição BT as fases nas estruturas também estão dispostas em modo assimétrico. Porém, nas redes de BT são mais difíceis de se obter o balanceamento de carga, devido a presença ao menor número de unidades consumidoras, ou seja, quanto menos unidades consumidoras em uma rede BT mais difícil é o seu balanceamento e, consequentemente, maior a probabilidade de seu desequilíbrio. Por existir a possibilidade do desequilíbrio é instalado um quarto fio (fio neutro) com $V=0$ para garantir que o ponto neutro ao longo de todo alimentador seja igual a referencia (neutro do transformador com $V_{T}=0$). O quarto fio também permite a disponibilidade de dois níveis de tensão através das ligações fase-neutro $(V_F)$ e a fase-fase $(V_L)$, com relação $ V_F = 1/sqrt(3) V_L $. Para a melhor compreensão do desenvolvimento matemático das ligações fica o convite ao leitor o estudo das configurações trifásicas que estão presentes por todo o sistema interligado nacional (SIN).
Cabe ressaltar que, quanto menos unidades consumidoras em uma rede elétrica, mais difícil é o seu balanceamento, ou seja, maior a probabilidade de seu desequilíbrio. Razão pela qual a presença do quarto condutor geralmente é dispensada em redes elétricas acima de 1kV (transmissão, distribuição AT e distribuição MT).
Referências
- Notas de aula do prof. Dr. Max Chianca Pimentel Filho.
- MONTICELLI, Alcir. Introdução a Sistemas de Energia Elétrica, UNICAMP, 2Ed, São Paulo-SP, 2011.
- ELGERD, O. I., Introdução à Teoria de Sistemas de Energia Elétrica, McGraw-Hill, São Paulo-SP, 1981.
- J. J. Grainger and W.D. Stevenson Jr. Power Systems Analysis, McGraw-Hill, 1994.
- J. D. Glover, M. S. Sarma and T. J. Overbye Power Systems Analysis and Design, 4th Edition, Thomson, 2008.
- A. R. Bergen and V. Vittal, Power Systems Analysis, 2nd Edition, Prentice Hall, 2000.
- Prabha Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, 1994.
- GÓMEZ-EXPÓSITO, A., CONJETO, A. J., CAÑIZARES, C., Sistemas de Energia Elétrica – Análise e Operação, LTC, Rio de Janeiro, 2011.
- Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Regulação dos Serviços de Distribuição. <https://www.aneel.gov.br/regulacao-dos-servicos-de-distribuicao> Acesso em: 14/08/2020.