Transformadores de Baixa Tensão

Os transformadores trifásicos são empregados, normalmente, em altas potências (cabines primárias, nos postes de distribuição, etc.).


Os transformadores trifásicos são empregados, normalmente, em altas potências (cabines primárias, nos postes de distribuição, etc.). Entretanto, algumas máquinas utilizam esses “trafos” nas suas respectivas entradas de energia. O motivo dessa técnica, chamada de isolação galvânica, será analisado ainda neste artigo, portanto, vamos fazer um breve estudo desse dispositivo e suas configurações principais.

 

O transformador trifásico é construído com três carretéis, e cada um deles abriga dois enrolamentos (circuito primário e secundário).

 

figura 9 ilustra um exemplo desse componente que, por ser trifásico, tem um total de seis bobinas. O modo como interligamos essas bobinas (enrolamentos) é o que chamamos de configuração ou “fechamento” do transformador. Para a entrada de máquinas, temos cinco configurações mais comuns:

• Delta-Delta (DD);

• Delta-Estrela (DY);

• Estrela-Estrela (YY);

• Estrela-Delta (YD) e;

• Estrela-Delta com tap (YD).

 


 

Delta-Delta

figura 10 apresenta o esquema Delta-Delta, que pode ser representado por DD. Esse sistema ainda pode ser encontrado em algumas máquinas e instalações, porém, não é o ideal, visto que não possui neutro.

 


 

Nesse caso, a tensão de linha (entre fase e neutro) é igual a tensão de fase (entre fase e fase), e uma das suas desvantagens é o desequilíbrio das tensões segundo a variação da carga em cada fase.

 

Delta-Estrela

Essa é a configuração mais comum no ambiente industrial. Esse “fechamento” apresenta um melhor equilíbrio das tensões de saída, visto que o neutro serve como referência no enrolamento secundário. No DY, a tensão de linha é (colocar símbolo de raiz) 3 vezes a tensão de fase (figura 11).

 


 

Estrela-Estrela

O fechamento YY, embora incomum, também apresenta boa estabilidade de tensão, pois o secundário tem o ponto central aterrado (figura 12). Normalmente, utilizamos esse tipo de configuração onde a tensão de entrada é mais baixa (perdas causadas por consumidores intermediários).

 


 

Estrela-Delta

Ao contrário do anterior, o secundário não tem referência e, geralmente, o fechamento YD é utilizado onde a tensão de entrada da concessionária está acima do normal da máquina, devendo ser abaixada (consumidor localizado no início da linha de distribuição). Vide figura 13.

 


 

Estrela – Delta com tap

A configuração YD (figura 14) utiliza um artifício para criar uma referência. Essa referência provém do tap (derivação) central de um enrolamento do secundário em D. Essa técnica possibilita tensões menores do que as fases, contudo, não garante boa estabilidade.

 


 

Voltando um pouco à figura 9 podemos notar que o transformador trifásico utilizado como exemplo é do tipo “núcleo envolvido”. Nesse tipo de “trafo” o núcleo é constituído por colunas interligadas por “jugos”, as quais atravessam os carretéis das bobinas dos enrolamentos. Existe, porém, o transformador de núcleo envolvente, cuja aparência assemelha-se ao trafo monofásico, onde o núcleo é externo ao carretel.

 

Aplicações

 

As duas aplicações mais comuns de transformadores na indústria são: compatibilizador de tensão e isolador.

 

Compatibilizador de tensão

O transformador, conforme já vimos neste artigo, pode ser “elevador” ou “abaixador” de tensão. Isso só depende da relação entre espiras n1/n2. Caso n1/n2 seja maior do que 1, ele é abaixador, e sendo menor que 1 é elevador.

 

Algumas redes trifásicas podem apresentar tensões de 380 VCA, 440 VCA, ou até 630 VCA, porém, na mesma planta, podemos ter a necessidade de ligar uma máquina, por exemplo, que funcione com 220 VCA. É aí que utilizamos o “trafo” como compatibilizador de tensão. No exemplo, abaixando 380 VCA para 220 VCA (naquela máquina).

 

Isolador

O transformador isolador possui a relação n1/n2 igual a 1. Isso significa que o valor da tensão que entra é igual ao que sai.

 

Mas para que utilizá-lo nessa configuração?

 

Duas são as finalidades para utilizarmos o transformador isolador: como filtro ou limitador de potência.

 

Como já abordamos anteriormente, o transformador convencional para baixas frequências (núcleo de aço laminado e fios de cobre) não pode transportar energia entre seus enrolamentos em altas frequências. Se isso é um fator limitante por um lado, por outro é conveniente.

 

Sabemos que as frequências harmônicas da senoide fundamental (60 Hz) constituem uma das principais fontes de ruídos elétricos prejudiciais no ambiente industrial, e que eles podem ocupar o espectro de frequências que atinge vários kHz.

 

Ora, uma vez que o trafo isolador não pode induzir sinais nessa faixa de frequências, todo ruído gerado no seu primário não é levado à carga. A recíproca é verdadeira, ou seja, todo ruído gerado pela carga não é “jogado” para a rede.

 

O transformador isolador, portanto, funciona como um filtro. Outra razão para se utilizar o transformador isolador é a segurança. Quando isolamos uma carga da rede via “trafo”, qualquer problema com essa carga (um curto-circuito, por exemplo) terá sua magnitude limitada na potência do transformador.

 

Vamos a um exemplo prático:

 

Imaginem que tenhamos uma máquina qualquer isolada da rede, de acordo com a figura 15. Notem que o transformador tem a potência real de 2200 W. Dessa forma, um curto-circuito no lado da carga poderá atingir um valor máximo de 10 A.

 


 

Caso a mesma carga estivesse ligada diretamente a rede, esse valor atingiria vários kA, e os danos causados seriam bem maiores. Segundo a mesma filosofia, o transformador isolador aumenta a segurança para o usuário da máquina. Chamamos essa isolação de “isolação galvânica”.

 

Dimensionando o Transformador

 

Para dimensionar um transformador necessitamos, basicamente, definir cinco parâmetros: potência nominal, fator de potência, tensões, regulação, e rendimento.

 

Potência nominal

A potência nominal, em geral, refere-se à potência aparente do dispositivo, e é expressa em VA (volt x ampère). Esse parâmetro é diretamente proporcional ao tamanho de núcleo e bitola dos cabos dos enrolamentos.

 

Embora a potência de um transformador seja expressa em VA (aparente), não devemos esquecer que a potência útil para a carga é a “potência real”, dada em watts. Para convertermos uma na outra, basta aplicarmos o conceito de triângulo das potências:

 

Notem pela figura 16, que a potência aparente é a maior de todas, porém, nem toda ela pode ser convertida em energia para carga.

 


 

Por trigonometria, temos que a potência real é igual ao produto da potência aparente pelo cosseno do ângulo formado entre elas (Ø).

 

Potência real [W] = Potência aparente [VA] x cosØ.

 

O cosØ é o que chamamos de fator de potência. Quanto maior ele for, menor será a diferença entre a potência real e a aparente.

 

Esse fenômeno é fácil de ser entendido, pois com a diminuição de Ø temos uma redução da potência reativa e, consequentemente, um maior valor do seu cosseno.

 

A potência reativa, expressa em Var (volt x ampère reativo) não realiza trabalho, portanto, não é útil à carga.

 

Fator de potência

O fator de potência, ou cosØ, conforme já foi dito, é um valor que expressa o valor da diferença entre a potência real (útil) e a aparente.

 

Quando um fabricante mostra, por exemplo, um transformador de 1000 VA (ou 1 kVA) e não informa seu cosØ, não podemos saber sua potência real.

 

Imaginem, por exemplo, que tenhamos dois fabricantes “A” e “B”. O fabricante “A” produz um transformador de 1 kVA com cosØ = 0,7. O fabricante “B” produz um transformador com 0,8 kVA (ou 800 VA) com cosØ = 0,9.

 

Vamos aos cálculos:

Trafo A

Potência Real = 1000 VA . 0,7 = 700 W

Trafo B

Potência Real = 800 VA . 0,9 = 720 W

 

O transformador do fabricante B, embora com potência aparente menor, possui maior potência útil.

 

Tensões

Quanto às tensões não há segredo, basta definir as amplitudes segundo entrada da rede, e saída para a carga.

 

Regulação

A regulação é a diferença aritmética entre a tensão em vazio em um enrolamento, e a tensão com carga no mesmo enrolamento. Normalmente, esse parâmetro refere-se ao secundário, e é expresso em uma porcentagem da tensão em vazio e com carga.

 

Rendimento

O rendimento é o fator que mostra as perdas do dispositivo. A potência ativa fornecida pelo componente é sempre menor que a recebida por ele (perdas por calor, barulho, magnetização do enrolamento primário, etc.).Esse fator também é expresso em porcentagem e, na prática, sempre ultrapassa 85%.

 

Conclusão

 

A “sinergia” entre eletrotécnica e eletrônica tem aumentado muito nos últimos tempos. Fatores e técnicas, antes restritos a uma ou outra área, hoje, “misturam-se”, exigindo do técnico ou engenheiro (seja ele de desenvolvimento ou aplicação) um conhecimento cada vez maior de ambos os campos.

FONTE: mecatronicaatual.com.br 

04 de Maio de 2016

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