Por que a transmissão de energia trifásica e não monofásica?

Por que a transmissão de energia usa três linhas com três fases diferentes? Por que não três linhas, todas na mesma fase? Tem a ver com os alternadores usados ​​para gerar a energia ou há menos perdas quando as fases das três linhas são todas diferentes?

^{Minha pergunta é um pouco o inverso de " Por que a energia trifásica? Por que não um número maior de fases? " (Cf. " Por que a trifásica é compensada em 120 graus? ").}

Por que não três linhas, todas na mesma fase?

1. Porque então não há caminho de retorno.
2. Porque a fase monofásica não tem "rotação". A fase trifásica facilita muito a fabricação de um motor rotativo com a sequência de fases determinando a direção da rotação. Troque duas fases e a direção é invertida.

Há menos perdas quando as fases das três linhas são todas diferentes?

1. A distribuição de energia trifásica requer menos cobre ou alumínio para transferir a mesma quantidade de energia em comparação com a energia monofásica.
2. O tamanho de um motor trifásico é menor que o de um motor monofásico da mesma classificação.
3. Os motores trifásicos são de partida automática, pois podem produzir um campo magnético rotativo. O motor monofásico requer um enrolamento de partida especial, pois produz apenas um campo magnético pulsante.
4. Nos motores monofásicos, a potência transferida nos motores é uma função da potência instantânea que varia constantemente. Na fase trifásica, a potência instantânea é constante.
5. Motores monofásicos são mais propensos a vibrações. Nos motores trifásicos, no entanto, a potência transferida é uniforme durante todo o ciclo e, portanto, as vibrações são bastante reduzidas.
6. Motores trifásicos têm melhor regulação do fator de potência.
7. Trifásico permite uma retificação eficiente de CC com baixa ondulação.

Figura 1. DC resultante do retificador trifásico.

8. Os geradores também se beneficiam ao apresentar uma carga mecânica constante durante toda a revolução, maximizando a potência e minimizando a vibração.

Boa resposta da @Transistor. Para adicionar um pouco mais: -

A fase trifásica é inerentemente atual e a tensão balanceada do ponto de vista de gerar interferência. Em qualquer ponto do tempo (e uma carga razoavelmente equilibrada), a emissão magnética é baixa porque todos os campos magnéticos se cancelam devido ao equilíbrio das correntes.

Existe um equilíbrio de tensão líquida em um campo distante próximo - importante para reduzir EMI. Isso não se aplica a um fio monofásico e de retorno, porque o campo de tensão CA líquido visto no campo distante próximo é metade do campo CA no terminal ativo. Isso pode gerar EMI.

Claramente, você pode argumentar dizendo que, em condições desequilibradas, haverá um campo magnético líquido, mas, para combater isso, em uma grande linha de transmissão de alta potência, o desequilíbrio normalmente será de apenas alguns por cento no máximo:

Portanto, para uma carga equilibrada de 30 A (por fase), devido ao equilíbrio de 120 graus, a soma líquida dos três fasores de corrente individuais é zero.

Outro benefício é que, ao converter para CC, trifásica produz uma tensão de ondulação muito menor devido ao fato de sempre haver dois diodos condutores: -

Vou focar minha resposta apenas na transmissão, sem explicar por que a fase 3 é útil em geral, porque outras respostas fizeram isso.

A transmissão de energia é um compromisso. Um compromisso entre eficiência de transmissão e facilidade de conversão. A maneira mais eficiente de transmitir energia elétrica é a CC. É por isso que a maioria das linhas superlongas são HVDC (corrente direta de alta tensão). No entanto, o DC é o pior para convertê-lo em HV quando você deseja enviá-lo da estação de energia e voltar para LV quando você deseja alimentá-lo para os consumidores.

AC, por outro lado, é muito conveniente para converter - basta colocar um transformador. No entanto, a transmissão é péssima. Por exemplo. A CA irradia parte da energia, mas essa não é a principal preocupação. Se você olhar para o gráfico sinusoidal, perceberá que o fio CA não funciona 100% do tempo. Enquanto o cabo CC carrega corrente útil o tempo todo (pode-se pensar em CC como 100% de ciclo de serviço PWM), o cabo CA carrega corrente apenas parte do tempo. Isso significa que, para o mesmo pico de tensão (que determina o custo de isolamento da linha) e para o mesmo pico de corrente (que determina o tamanho e o custo dos condutores), a CA pode transmitir apenas parte da energia.

Aí vem a idéia de multifásica. Claro que a multi-fase sozinha não significa nada, você pode ter 3 fases em 6 condutores (3 pares completamente independentes um do outro). A chave aqui é compartilhar os fios entre as fases. É como um beliche quente em um navio de guerra - 2 marinheiros compartilham um beliche, quando um cara acorda e inicia seu turno, o outro termina seu turno e vai dormir. A questão é não ter um beliche vazio apenas desperdiçando espaço, e a CA trifásica funciona com o mesmo conceito: no momento em que uma fase "descansa", outra fase está reutilizando um de seus fios para transmitir a própria corrente. Não é claro à primeira vista, porque é muito fluido, um cai em direção a 0 enquanto os outros sobem, e nunca há um tempo em que uma fase como um fio seja só para si. Mas o objetivo é reutilizar o tempo ocioso dos fios.

Por que 3? Como 2 é muito pequeno, você não pode ter 2 fases em 2 fios. 3 é o número mínimo de fases que podem compartilhar todos os fios. Por que compensar? Porque uma fase nos condutores X é a mesma coisa que 1 condutor X vezes mais espesso.

Quando você compara o sistema trifásico a um sistema monofásico, pode ver claramente que, ao adicionar apenas 50% mais fios, você obtém 3 vezes mais corrente.

A transmissão trifásica usa os fios DUAS VEZES tão eficazmente quanto a monofásica. Então você pode usar metade do cobre ao construir a linha.