A energia de corrente alternada (CA) trifásica costuma ser utilizada para fornecer eletricidade a data centers, bem como a edifícios comerciais e industriais que empregam máquinas de alto consumo energético. Há um bom motivo para isso, já que a energia trifásica pode fornecer mais energia com maior eficiência, ao contrário da energia CA monofásica. A CA monofásica é a alimentação mais utilizada para a maioria das aplicações domésticas e comerciais leves, como iluminação e eletrodomésticos pequenos. Nesta página, vamos explicar por que é assim e as principais diferenças entre sistemas de energia monofásicos e trifásicos.
Por que precisamos de energia trifásica
A capacidade de fornecer quantidades cada vez maiores de energia é especialmente importante diante do contínuo crescimento da densidade de data centers e salas de servidores. Sistemas de computação mais poderosos estão sendo acondicionados nos mesmos espaços que antes abrigavam servidores que extraíam apenas uma fração da energia elétrica exigida por computadores e redes atuais.
Não faz muito tempo que um único rack de TI de 10 servidores consumiria um total de 5 quilowatts (kW) de energia. Hoje, esse mesmo rack pode conter dezenas de servidores que consomem conjuntamente 20 ou 30 kW. Nesses níveis, é natural que se queira colocar um prêmio na eficiência, já que mesmo um pequeno percentual de melhoria no consumo de energia vai significar uma economia considerável de dinheiro ao longo do tempo.
A fiação é outro problema. Considere um rack de 15 kW. Utilizando a energia monofásica a 120 volts CA (VAC), são necessários 125 amperes para alimentar o rack, o que exigiria um fio com quase um quarto de polegada de diâmetro (AWG 4), uma espessura muito elevada para funcionar sem problemas, sem mencionar seu alto custo. Como é mais eficiente, a energia trifásica pode entregar a mesma potência — e até mais — com uma fiação menor. Para alimentar o mesmo rack de 15 kW com energia trifásica, são necessários três fios capazes de fornecer 42 A (AWG 10), uma fração do tamanho, já que cada um deles possui menos de um décimo de polegada de diâmetro.
A energia CA monofásica explicada
Mas o que é exatamente energia trifásica? E onde devemos utilizá-la?
Antes de abordar essas questões, é preciso entender melhor a energia CA monofásica.
A energia CA monofásica utiliza um sistema de fornecimento de três fios: um fio “quente”, um neutro e um terra. Com a energia CA, a corrente ou tensão de alimentação é revertida periodicamente, fluindo em uma direção pelo fio quente que fornece energia à carga e na direção oposta pelo fio neutro. Um ciclo de energia completo ocorre durante uma mudança de fase de 360 graus, e a tensão se reverte 50 ou 60 vezes por segundo, dependendo do sistema em uso em diferentes partes do mundo. Na América do Norte, por exemplo, o ciclo é de 60 vezes ou 60 hertz (Hz).
É importante ressaltar que as duas pernas que transportam corrente estão sempre a 180 graus de distância. Para ter uma visão melhor, pense na energia como se surfasse em uma onda, tecnicamente uma onda senoidal com frequência e amplitude definidas. Em cada ciclo, as ondas em cada fio passam pela amplitude zero duas vezes ao mesmo tempo (consulte a Figura 1). Nesses momentos, a carga não recebe nenhuma energia.
Figura 1
Essas interrupções tão breves não fazem diferença para aplicações em edificações residenciais e comerciais, como ambientes de escritório, mas têm implicações significativas para os motores que alimentam máquinas de grande porte, computadores e outros equipamentos de TI.
Um aprofundamento sobre a energia trifásica
Como o próprio nome já indica, os sistemas de alimentação de energia trifásicos fornecem três correntes separadas, cada uma delas separada por um terço do tempo necessário para concluir um ciclo completo. Mas diferentemente da energia monofásica, em que as duas pernas quentes estão sempre a 180 graus de distância, as correntes da energia trifásica são separadas por 120 graus.
Na Figura 2 a seguir, notamos que quando qualquer linha está em sua corrente de pico, o mesmo não ocorre com as outras duas. Por exemplo, quando a fase 1 está em seu pico positivo, as fases 2 e 3 estão ambas em -0,5. Isso significa que, ao contrário da corrente monofásica, a energia nunca deixa de ser fornecida à carga. Na verdade, nas seis posições diferentes em cada fase, uma das linhas está na posição de pico positivo ou negativo.
Para fins práticos, isso significa que a quantidade coletiva de energia fornecida por todas as três correntes permanece constante; não há picos e vales cíclicos como ocorre com a monofásica.
Computadores e muitos motores utilizados em máquinas pesadas são projetados com essa consideração. Eles podem consumir um fluxo estável de energia constante, em lugar de precisarem considerar a variação inerente à energia CA monofásica. Isso faz com que utilizem menos energia.
Como analogia, pense em um motor de um cilindro em comparação com um motor de três cilindros. Ambos operam em um modelo de quatro tempos (admissão, compressão, combustão e escape). Com um motor de um cilindro, obtém-se apenas um ciclo de “combustão” para cada quatro tempos do cilindro, o que torna a potência bastante irregular. Já um motor de três tempos fornece potência em três fases alternadas (novamente separadas por 120 graus), proporcionando uma potência mais suave, constante e eficiente.
Figura 2
Benefícios da energia trifásica
Entre os benefícios oferecidos pela energia trifásica está a capacidade de fornecer quase o dobro da potência dos sistemas monofásicos sem exigir o dobro de fios. Isso não significa três vezes mais energia do que se pode esperar, pois, na prática, uma linha quente se conecta a outra linha quente.
Para entender como a energia trifásica fornece mais potência, é preciso fazer a conta. A fórmula para a potência monofásica é Potência (P) = Tensão (V) x Corrente (I) x Fator de Potência (FP). Se considerarmos que a carga no circuito é apenas resistiva, o fator de potência é unitário (ou um), o que reduz a fórmula para P = V x I. Se considerarmos um circuito de 120 volts dando suporte para 20 A, a potência é igual a 2.400 watts.
A fórmula para a potência de um circuito trifásico é Potência (P) = Tensão (V) x Corrente (I) x Fator de Potência (FP) x raiz quadrada de três. Se considerarmos que a carga no circuito é apenas resistiva, o fator de potência é unitário (ou um), o 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 como 120 volts x 20 A x 1,732 = 4.157 watts. É assim que a energia trifásica pode fornecer quase o dobro da potência dos sistemas monofásicos. Esse é um exemplo simplificado, mas pode ser utilizado para investigar a potência adicional disponível de circuitos que suportam tensões mais altas (por exemplo, 208 ou 480 volts) ou correntes mais altas (por exemplo, 30 A ou mais).
Esse tipo de capacidade é útil quando é preciso alimentar racks de equipamentos de TI. Se antes utilizar energia monofásica em um rack era a norma, com o aumento das densidades nos racks de TI, esse tipo de energia se torna menos viável e prático. Todos os cabos, condutores e soquetes ficam maiores, mais caros e cada vez mais difíceis de trabalhar.
Entregar energia trifásica diretamente ao rack do servidor permite utilizar cabeamento e outros componentes mais baratos, e entregar mais energia. No entanto, ela requer atenção à carga em cada circuito para assegurar que estejam equilibradas e não excedam a capacidade do circuito.
Saiba mais como funciona a energia trifásica e seus benefícios em https://www.vertiv.com/en-us/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups.
