Entendendo Regulação de Tensão em Transformadores de Potência

Em simulações SPICE anteriores, observamos que a tensão de saída de um transformador pode variar com mudanças na resistência de carga, mesmo quando a tensão de entrada permanece constante.

Vários fatores influenciam esta variação, incluindo as indutâncias dos enrolamentos primário e secundário, resistência dos enrolamentos e o grau de acoplamento magnético entre os enrolamentos.

Para transformadores de potência, o objetivo é apresentar à carga uma tensão virtualmente constante. Portanto, a tensão secundária deve flutuar o mínimo possível através de uma ampla gama de correntes de carga.

Fórmula de Regulação de Tensão

Regulação de tensão mede quão efetivamente um transformador mantém uma tensão secundária estável sob correntes de carga variáveis. É calculada com a seguinte fórmula:

O Que É "Carga Nominal"?

"Carga nominal" refere-se ao ponto em que o transformador opera em sua corrente secundária máxima permitida. Este ponto operacional é amplamente ditado pela bitola do fio dos enrolamentos (ampacidade) e pelo método de resfriamento empregado.

Usando nossa primeira simulação SPICE de transformador como exemplo, vamos comparar a tensão de saída com carga de 1 kΩ versus 200 Ω (com a carga de 200 Ω representando carga nominal). Lembre-se que a tensão primária é constante em 10,00 V AC:

freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Saída com carga 1kΩ
freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Saída com carga 200Ω

Observe que a tensão de saída cai conforme a carga fica mais pesada (ou seja, conforme a corrente aumenta). Para ilustrar uma condição de quase sem carga, podemos substituir a carga secundária por uma resistência extremamente alta:

transformador
v1 1 0 ac 10 sin
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0 100
l2 3 5 100
k l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 9e12
.ac lin 1 60 60
.print ac v(2,0) i(v1)
.print ac v(3,5) i(vi1)
.end

freq v(2) i(v1)
6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04
freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 Saída com (quase) nenhuma carga

A tensão secundária varia de aproximadamente 9,990 V sem carga para 9,348 V a carga nominal. Aplicando estes valores à fórmula de regulação obtemos:

Neste exemplo, a regulação excede 3%, o que é considerado ruim para um transformador de potência. Um bom transformador de potência deve exibir porcentagem de regulação menor que 3% ao acionar carga puramente resistiva. Cargas indutivas tipicamente pioram a regulação, então esta análise representa um cenário de melhor caso.

Aplicações Que Beneficiam-se de Regulação Ruim

Alguns dispositivos intencionalmente usam transformadores com regulação ruim. Por exemplo, lâmpadas de descarga requerem alta tensão inicial para iniciar o arco, após o que a lâmpada consome menos tensão. Um transformador elevador que naturalmente derruba tensão sob carga é ideal aqui.

Soldadores a arco AC similarmente usam transformadores abaixadores que fornecem alta tensão para iniciar o arco mas dependem de tensão menor uma vez que o arco é estabelecido. Projetistas frequentemente ajustam corrente do arco movendo um núcleo de ferro para dentro ou fora do transformador, o que reduz acoplamento magnético, abaixa tensão sem carga e degrada regulação — exatamente o efeito desejado.

Transformadores Ferrorressonantes

Transformadores ferrorressonantes são uma classe especial de transformadores de potência que operam com o núcleo em estado de saturação magnética persistente. Neste regime, variações na tensão primária produzem mudanças mínimas na densidade de fluxo do núcleo, resultando em tensão secundária quase constante apesar de flutuações no suprimento.

Circuitos Ressonantes em Transformadores Ferrorressonantes

A saturação do núcleo pode distorcer a forma de onda de saída, mas transformadores ferrorressonantes mitigam isso incorporando um enrolamento secundário auxiliar emparelhado com um ou mais capacitores para formar um tanque ressonante sintonizado na frequência do suprimento. Este tanque filtra harmônicos gerados pela saturação do núcleo e por cargas não-lineares, enquanto também armazena energia para manter tensão de saída durante breves perturbações de entrada.

Transformador ferrorressonante fornece regulação de tensão da saída.

Benefícios chave incluem tensão de saída robusta em meio a variações de entrada, filtragem harmônica e capacidade de atravessar breves interrupções de energia. Alguns designs até toleram operação paralela com fontes AC não sincronizadas, permitindo troca contínua de fonte de energia.

Desvantagens Conhecidas de Transformadores Ferrorressonantes

Estes transformadores consomem potência considerável devido a perdas por histerese no núcleo saturado, gerando calor significativo. Eles também são sensíveis a variações de frequência, limitando seu uso com geradores que carecem de regulação de velocidade estável. Adicionalmente, o circuito ressonante pode produzir altas tensões, requerendo capacitores caros e representando riscos de segurança para pessoal de serviço.

Embora soluções de condicionamento de potência baseadas em semicondutores existam, elas não podem igualar a simplicidade e custo-efetividade de transformadores ferrorressonantes para muitas aplicações.

Revisão

• Regulação de tensão quantifica a capacidade de um transformador manter tensão secundária estável sob carga variável. Porcentagens menores indicam melhor desempenho.
• Transformador ferrorressonante é projetado para manter tensão de saída estável mesmo com grandes variações de entrada.

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