A energia de corrente alternada (CA) trifásica é normalmente utilizada para fornecer eletricidade a centros de dados, bem como a edifícios comerciais e industriais que alojam máquinas com fome de energia. Há uma boa razão para isso, porque a alimentação trifásica pode fornecer mais energia com maior eficiência, em oposição à alimentação CA monofásica. A CA monofásica é o tipo normalmente utilizado para a maioria das aplicações comerciais domésticas e ligeiras, tais como iluminação e pequenos aparelhos. Nesta página, explicaremos por que motivo é esse o caso e as principais diferenças entre sistemas de alimentação monofásicos e trifásicos.
Porque precisamos de energia trifásica
A capacidade de fornecer quantidades cada vez maiores de energia é especialmente importante à medida que os centros de dados e as salas de servidores continuam a ver densidades mais elevadas. Os sistemas informáticos mais potentes estão a ser embalados nos mesmos espaços que antigamente alojavam servidores que consomem apenas uma fração da energia elétrica que os computadores e redes atuais exigem.
Já não era há muito que um único bastidor de TI de 10 servidores consome um total de cinco quilowatts (kW) de energia. Atualmente, esse mesmo bastidor pode conter dezenas de servidores que consomem coletivamente 20 ou 30 kW. Nesses níveis, naturalmente pretende colocar um prémio na eficiência, uma vez que mesmo uma pequena percentagem de melhoria no consumo de energia significará poupanças significativas em dólares ao longo do tempo.
A cablagem é outro problema. Considere um bastidor de 15 kW. Utilizando uma alimentação monofásica de 120 volts CA (VAC), são necessários 125 amperes para alimentar o bastidor, o que exigiria um fio com um diâmetro de quase um quarto de polegada (AWG 4) — demasiado espesso para funcionar facilmente, para não falar em dispendioso. Uma vez que a trifásica é mais eficiente, pode fornecer a mesma potência (e mais) utilizando cablagem mais pequena. Para suportar o mesmo bastidor de 15 kW utilizando alimentação trifásica, são necessários três fios capazes de fornecer 42 amperes (AWG 10), que são uma fração do tamanho — cada um com menos de um décimo de polegada de diâmetro.
Explicação da alimentação CA monofásica
Então, o que é a potência trifásica, exatamente? E onde devemos utilizá-lo?
Antes de mergulhar nessa discussão, é útil começar por compreender a alimentação CA monofásica.
A alimentação CA monofásica utiliza um sistema de colocação de três fios constituído por um fio "quente", um fio neutro e uma ligação à terra. Com a alimentação CA, a corrente ou tensão de alimentação reverte periodicamente, fluindo de uma forma para o fio quente que fornece energia à carga e de outra para o fio neutro. Um ciclo de alimentação completo ocorre durante uma mudança de fase de 360 graus e a tensão inverte-se 50 ou 60 vezes por segundo, dependendo do sistema em utilização em diferentes partes do mundo. Na América do Norte, são 60 vezes ou 60 hertz (Hz).
É importante notar que as duas pernas de transporte de corrente estão sempre a 180 graus de distância. Para o visualizar, pense na potência como andar numa onda, tecnicamente uma onda sinusoidal com uma frequência e amplitude definidas. Em cada ciclo, as ondas em cada fio passam através de amplitude zero duas vezes ao mesmo tempo (consulte a Figura 1). Durante estes casos, não é fornecida energia à carga.
Figura 1
Estas interrupções sempre breves não fazem diferença para aplicações de edifícios residenciais e comerciais, como ambientes de escritório, mas têm implicações significativas para os motores que alimentam grandes máquinas, bem como computadores e outros equipamentos de TI.
Mergulhar na alimentação trifásica
Como o seu nome indica, os sistemas de alimentação trifásica fornecem três correntes separadas, cada uma separada por um terço do tempo que demora a concluir um ciclo completo. Mas, em oposição ao monofásico, em que as duas pernas quentes estão sempre a 180 graus de distância, com trifásica, as correntes são separadas por 120 graus.
Na Figura 2 abaixo, verá que quando qualquer linha estiver na sua corrente de pico, as outras duas não. Por exemplo, quando a fase 1 está no seu pico positivo, as fases 2 e 3 estão ambas a -0,5. Isto significa que, ao contrário da corrente monofásica, não existe nenhum ponto em que não esteja a ser fornecida energia à carga. De facto, em seis posições diferentes em cada fase, uma das linhas está na posição de pico positivo ou negativo.
Para fins práticos, isto significa que a quantidade coletiva de energia fornecida pelas três correntes permanece constante; não tem picos e vales cíclicos como com monofásicos.
Os computadores e muitos motores utilizados em maquinaria pesada foram concebidos com isto em mente. Podem consumir um fluxo constante de potência constante, em vez de terem de ter em conta a variação inerente à alimentação CA monofásica. Como resultado, consomem menos energia.
Como analogia, pense num motor de um único cilindro versus um de três cilindros. Ambos funcionam num modelo de quatro tempos (entrada, compressão, potência, escape). Com um motor de cilindro único, obtém apenas um ciclo de “alimentação” para cada quatro impulsos do cilindro, o que proporciona uma distribuição de potência bastante irregular. Por outro lado, um motor de três tempos fornece potência em três fases alternadas (novamente separadas por 120 graus), para uma potência mais suave, constante e eficiente.
Figura 2
Vantagens da alimentação trifásica
Entre os benefícios que a alimentação trifásica traz está a capacidade de fornecer quase o dobro da potência de sistemas monofásicos sem exigir o dobro do número de fios. Não são três vezes mais potência, como seria de esperar, porque na prática, normalmente pega numa linha quente e liga-a a outra linha quente.
Para compreender como a trifásica fornece mais energia, é necessário fazer a matemática. A fórmula para alimentação monofásica é Potência = Tensão (V) x Corrente (I) x Fator de Potência (PF). Se assumirmos que a carga no circuito é apenas resistiva, o fator de potência é uma unidade (ou um) que reduz a fórmula para P = V x I. Se considerarmos um circuito de 120 volts que suporta 20 amperes, a potência é igual a 2400 watts.
A fórmula para a potência de um circuito trifásico é Potência = Tensão (V) x Corrente (I) x Fator de potência (PF) x raiz quadrada de três. Se assumirmos que a carga no circuito é apenas resistiva, o fator de potência é uma unidade (ou um) que reduz a fórmula para P = V x I x raiz quadrada de três. Se considerarmos um circuito trifásico de 120 volts e cada fase suportar 20 A, a fórmula funciona até 120 Volts x 20 Amps x 1,732 = 4157 watts. É assim que a trifásica pode fornecer quase o dobro da potência dos sistemas monofásicos. Este é um exemplo simplificado, mas pode ser utilizado para investigar a potência adicional disponível de circuitos que suportam tensões mais elevadas (por exemplo, 208 ou 480 volts) ou correntes (por exemplo, 30 amperes ou mais).
Este tipo de capacidade é útil quando se trata de alimentar bastidores de equipamento de TI. Considerando que, uma vez que era norma utilizar a alimentação monofásica para um bastidor, à medida que as densidades nos bastidores de TI aumentam, torna-se menos viável e prático. Toda a cablagem, condutores e tomadas tornam-se maiores, mais dispendiosos e cada vez mais difíceis de trabalhar.
Fornecer energia trifásica diretamente ao bastidor do servidor permite-lhe utilizar cablagem e outros componentes mais baratos, tudo enquanto fornece mais energia. No entanto, requer atenção à carga em cada circuito, para garantir que estão equilibrados e não excedem a capacidade do circuito.
Para saber mais sobre como a energia trifásica funciona e os benefícios que traz, visite: https://www.vertiv.com/en-us/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups.
