Por que a energia trifásica? Por que não 6, 12 ou mais fases para transmissão de energia?

É bem conhecido que os sistemas monofásico e trifásico são as configurações mais prevalentes para transmissão, distribuição e aplicações de uso final de energia. Embora ambos sirvam como estruturas fundamentais de fornecimento de energia, os sistemas trifásicos oferecem vantagens distintas em relação aos seus contrapartes monofásicos.

Notavelmente, sistemas polifásicos (como 6-fase, 12-fase, etc.) encontram aplicações específicas em eletrônica de potência, especialmente em circuitos retificadores e inversores de frequência variável (VFDs), onde reduzem efetivamente o ripple na saída de corrente contínua pulsante. A obtenção de configurações polifásicas (por exemplo, 6, 9 ou 12 fases) historicamente envolveu técnicas complexas de deslocamento de fase ou conjuntos motor-gerador, mas essas abordagens permanecem economicamente inviáveis para transmissão e distribuição de energia em larga escala e longas distâncias.

Por que um Sistema Trifásico em vez de Monofásico?

A principal vantagem do sistema trifásico sobre o sistema monofásico ou bifásico é a capacidade de transmitir mais (constante e uniforme) potência.

Potência no Sistema Monofásico

• P =  V . I  . CosФ

Potência no Sistema Trifásico

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Ou

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Onde:

• P = Potência em Watts

• V_L = Tensão de linha

• I_L = Corrente de linha

• V_PH = Tensão de fase

• I_PH = Corrente de fase

• CosФ = Fator de potência

É evidente que a capacidade de potência de um sistema trifásico é 1,732 (√3) vezes maior do que a de um sistema monofásico. Em comparação, um sistema bifásico transmite 1,141 vezes mais potência do que uma configuração monofásica.

Uma vantagem chave dos sistemas trifásicos é o campo magnético rotativo (CMR), que permite o arranque automático em motores trifásicos, garantindo potência e torque instantâneos constantes. Por outro lado, os sistemas monofásicos não possuem CMR e exibem potência pulsante, limitando seu desempenho em aplicações de motores.

Os sistemas trifásicos também oferecem eficiência superior na transmissão, com perdas de potência e queda de tensão reduzidas. Por exemplo, em um circuito resistivo típico:

Sistema Monofásico

• Perda de potência na linha de transmissão = 18I²r … (P = I²R)

• Queda de tensão na linha de transmissão = I.6r … (V = IR)

Sistema Trifásico

• Perda de potência na linha de transmissão = 9I²r … (P = I²R)

• Queda de tensão na linha de transmissão = I.3r … (V = IR)

Mostra-se que a queda de tensão e a perda de potência em um sistema trifásico são 50% menores do que as de um sistema monofásico.

Suprimentos bifásicos, semelhantes aos trifásicos, podem fornecer potência constante, gerar CMR (campo magnético rotativo) e oferecer torque constante. No entanto, os sistemas trifásicos transportam mais potência do que os sistemas bifásicos devido à fase adicional. Isso levanta a questão: por que não usar mais fases, como 6, 9, 12, 24, 48, etc.? Discutiremos isso em detalhes e explicaremos como um sistema trifásico pode transmitir mais potência do que um sistema bifásico com o mesmo número de fios.

Por que não Bifásico?

Ambos, os sistemas bifásicos e trifásicos, podem gerar campos magnéticos rotativos (CMR) e fornecer potência e torque constantes, mas os sistemas trifásicos oferecem uma vantagem chave: maior capacidade de potência. A fase adicional nos setups trifásicos permite 1,732 vezes mais transmissão de potência do que os sistemas bifásicos com o mesmo tamanho de condutor.

Sistemas bifásicos geralmente requerem quatro fios (dois condutores de fase e dois neutros) para completar circuitos. Usar um neutro comum para formar um sistema de três fios reduz a fiação, mas o neutro deve carregar as correntes de retorno combinadas de ambas as fases, necessitando condutores mais grossos (por exemplo, cobre) para evitar superaquecimento. Em contraste, os sistemas trifásicos usam três fios para cargas balanceadas (configuração delta) ou quatro fios para cargas desbalanceadas (configuração estrela), otimizando a entrega de potência e a eficiência do condutor.

Por que não 6-Fase, 9-Fase ou 12-Fase?

Embora os sistemas de fases mais altas possam reduzir as perdas de transmissão, eles não são amplamente adotados devido a limitações práticas:

• Eficiência do Condutor: Os sistemas trifásicos usam o menor número de condutores (3) para transmitir potência balanceada, enquanto um sistema de 12 fases precisaria de 12 condutores, quadruplicando os custos de material e instalação.

• Supressão de Harmônicos: O ângulo de fase de 120º nos sistemas trifásicos cancela naturalmente as correntes harmônicas de terceira ordem, eliminando a necessidade de filtros complexos exigidos em configurações de fases mais altas.

• Complexidade do Sistema: Sistemas de fases mais altas exigem componentes reengenhados (transformadores, disjuntores, quadros de distribuição) e subestações maiores, aumentando a complexidade de design e a sobrecarga de manutenção.

• Restrições Práticas: Motores e geradores com mais de três fases são mais volumosos e difíceis de resfriar, enquanto torres de transmissão precisariam de altura maior para acomodar mais condutores.

A Vantagem Trifásica

Os sistemas trifásicos alcançam um equilíbrio ótimo:

• Eles transmitem 50% mais potência do que os sistemas monofásicos com os mesmos condutores, minimizando perdas.

• A configuração de fase de 120º equilibra as cargas e suprime harmônicos sem adicionar complexidade.

• Eles se adaptam tanto a configurações delta (cargas balanceadas) quanto a configurações estrela (cargas desbalanceadas), atendendo a diversas necessidades de potência.

Sistemas de fases mais altas oferecem retornos decrescentes - cada fase adicional eleva os custos exponencialmente, proporcionando benefícios marginais. Por essa razão, a tecnologia trifásica permanece o padrão global para transmissão de energia, equilibrando eficiência, simplicidade e viabilidade econômica.