Como converter alimentação monofásica em trifásica

Nos Estados Unidos, a maior parte da energia que entra nas casas das pessoas é monofásica. A energia gerada na usina de eletricidade, no entanto, é trifásica. Esta é a ideia por trás das grandes linhas de transmissão que você vê presas a torres altas - essas linhas devem transmitir como quanta tensão é viável em longas distâncias antes que essa energia seja "conectada" e entregue aos bairros em um nível bastante reduzido Voltagem.

A alimentação monofásica é suficiente para praticamente todos os eletrodomésticos, enquanto as configurações industriais com equipamentos pesados ​​requerem alimentação trifásica. Mas e se você precisar de energia trifásica e tudo o que você tem é a energia monofásica entrando em sua casa?

• As informações aqui são destinadas apenas para fins acadêmicos - não instrucionais. Nunca experimente ou altere fios elétricos em sua casa ou em qualquer outro lugar, a menos que tenha sido especificamente treinado para o trabalho.

Imagine você e dois de seus amigos (obviamente entediados) caminhando para frente e para trás a uma velocidade rápida de 2 metros por segundo (cerca de 4,5 milhas por hora) ao longo de um caminho que vai de norte a sul e mede 60 metros de ponta a fim. Cada um de vocês começa no meio deste caminho, caminha até o extremo norte, retorna ao início, continua caminhando para a extremidade oposta e retorna novamente para o meio, completando assim uma "volta" de 120 metros, ou ciclo. Como cada um de vocês está caminhando a 2 metros por segundo, uma viagem de ida e volta leva exatamente 60 segundos para cada pessoa.

Suponha ainda que, no ponto de partida, o "status" de cada um de vocês seja zero. Você ganha uma unidade de status para cada metro que caminha para o norte e perde uma unidade de status para cada metro que caminha para o sul. Portanto, sempre que um de vocês chega ao extremo norte do caminho, essa pessoa tem um status de 30, enquanto qualquer um que fizer a curva no extremo sul tem um status de -30. Você reconhece que vocês três podem se separar ao máximo começando 20 segundos de intervalo, porque cada circuito leva 60 segundos e há três de vocês, e 60 dividido por 3 é 20. Se você fizer a álgebra, descobrirá que quando um de vocês maximizou seu "status" em um valor de 30 ao atingir a extremidade norte, os outros dois estão se cruzando na metade do caminho ao longo da seção sul, um indo para o norte e o outro indo para o sul, onde cada caminhante tem um status de -15. Se você adicionar seus valores de status em um determinado momento, eles somam 30 + (-15) + (-15) = 0. É possível mostrar que, de fato, a soma de todos os seus valores de status a qualquer momento é 0, desde que vocês três estejam perfeitamente escalonados conforme descrito.

Isso oferece um modelo de como a energia elétrica trifásica se parece, exceto que a "tensão" é substituído por "status" e em vez de um ciclo ocorrendo a cada 60 segundos, ocorrem 60 ciclos de tensão cada segundo. Além disso, em vez de cada pessoa passar pelo ponto de partida duas vezes por minuto, a voltagem passa pelo ponto zero 120 vezes por segundo.

Por causa da maneira como a potência, a corrente e a tensão estão matematicamente relacionadas, a potência trifásica permanece em um nível constante, diferente de zero, embora as três tensões individuais adicionem zero a qualquer momento. Esta relação é:

P = V²/ R

Aqui, P é a potência em watts, V é a tensão em volts e R é a resistência elétrica em unidades chamadas ohms. Você pode ver que as tensões negativas contribuem para a energia porque elevar ao quadrado um número negativo produz um valor positivo. A potência total em um sistema trifásico é apenas a soma da potência dos três valores de potência individuais de cada fase.

Além disso, se você já se perguntou como a corrente alternada (CA) recebeu esse nome, agora você tem sua resposta. A tensão nunca é estável em sistemas monofásicos ou trifásicos e, como resultado, nem a corrente; estes são relacionados pela lei de Ohm, que é V = IR, onde I representa a corrente em amperes ("amperes").

Para estender a analogia do camarada andando para a frente e para trás ao poder de uma fase, simplesmente imagine que dois de seus amigos são chamados para jantar em casa enquanto você continua caminhando, e aí está. Ou seja, a energia trifásica é literalmente apenas três fontes de energia monofásicas mutuamente compensadas por um terço de um ciclo (ou em termos trigonométricos, por 120 graus). Em uma fonte de alimentação monofásica, cada vez que a tensão única torna-se zero brevemente, o mesmo ocorre com a saída de energia. Talvez você possa entender agora por que os pequenos aparelhos, que não são muito afetados por breves lapsos de energia, pode funcionar com energia monofásica, enquanto grandes máquinas que operam em altos níveis de wattagem (potência) não pode; eles requerem uma fonte de alimentação grande e estável.

Tudo o que precede é mais facilmente compreendido ao consultar um gráfico de tensão vs. tempo para uma fonte de alimentação trifásica (consulte Recursos). Neste gráfico, as fases individuais são representadas em linhas vermelhas, roxas e azuis. Eles sempre somam zero, mas a soma de seus quadrados é positiva e constante. Assim, dado um valor imutável de R, a potência P nessas configurações também é constante devido à relação P = V²/R.

Para uma alimentação monofásica, não há tensões para somar, e a tensão monofásica passa pelo ponto zero 120 vezes por segundo. Nesses instantes, a energia cai para zero, mas se recupera rápido o suficiente para que luzes menores, aparelhos e assim por diante não sofram interrupções perceptíveis.

Se você tem um motor trifásico em um dispositivo maior, como um compressor de ar de tamanho industrial, e não tem acesso imediato a alimentação trifásica devido à forma como sua rede local está configurada, existem soluções alternativas que você pode usar para obter seu equipamento adequadamente alimentado. (Uma delas é simplesmente substituir o motor trifásico por um motor monofásico, mas isso não é tão inteligente quanto outras soluções.)

Vários tipos de conversores trifásicos estão disponíveis. Um destes, um conversor estático, aproveita o fato de que, embora um motor trifásico não possa dar partida com alimentação monofásica, ele pode continuar funcionando com alimentação monofásica assim que for iniciado. Um conversor estático faz isso com a ajuda de capacitores (dispositivos que podem armazenar carga), o que permite que o conversor estático substituem uma das fases, embora de forma ineficiente, garantindo a diminuição da vida útil do motor período. UMA conversor de fase rotativapor outro lado, atua como uma espécie de combinação de um motor trifásico substituto e um gerador independente. Este dispositivo inclui um motor de polia, que, uma vez colocado em movimento, não gira nenhuma peça móvel no pai máquinas, mas em vez disso, gera energia para que toda a configuração possa imitar um sistema de energia trifásico razoavelmente Nós vamos. Finalmente, um unidade de frequência variável (VFD) faz uso de componentes chamados inversores, que podem ser usados ​​para criar corrente alternada em quase qualquer frequência desejada e replicar a maioria das condições dentro de um motor trifásico padrão.

Nenhum desses conversores é perfeito, assim como uma faca de pão não pode ser usada para cortar carne com facilidade. Mas uma faca de pão é melhor do que suas próprias mãos e, portanto, esses conversores são realmente bons para ter à mão se você costuma trabalhar com máquinas e ferramentas que consomem muita energia.