Regulação da Tensão

Como vimos em algumas análises do SPICE anteriormente neste capítulo, a tensão de saída de um transformador varia com resistências de carga variáveis, mesmo com uma entrada de tensão constante.

O grau de variação é afetado pelas indutâncias do enrolamento primário e secundário, entre outros fatores, não menos importante dos quais inclui a resistência do enrolamento e o grau de indutância mútua (acoplamento magnético) entre os enrolamentos primário e secundário.

Para aplicações de transformadores de potência, onde o transformador é visto pela carga (idealmente) como uma fonte constante de tensão, é bom que a tensão secundária varie o mínimo possível para grandes variações na corrente de carga.

Fórmula de regulação de tensão

A medida de quão bem um transformador de potência mantém a tensão secundária constante ao longo de uma faixa de correntes de carga é chamada de regulação de tensão do transformador . Pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:

O que é “Carga Total”?

“Carga total” significa o ponto no qual o transformador está operando na corrente secundária máxima permitida. Este ponto operacional será determinado principalmente pelo tamanho do fio do enrolamento (ampacidade) e o método de resfriamento do transformador.

Tomando nossa primeira simulação de transformador SPICE como exemplo, vamos comparar a tensão de saída com uma carga de 1 kΩ contra uma carga de 200 Ω (assumindo que a carga de 200 Ω será nossa condição de "carga total"). Lembre-se, se quiser, de que nossa tensão primária constante era de 10,00 volts CA:

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

Observe como a tensão de saída diminui à medida que a carga fica mais pesada (mais corrente). Agora vamos pegar o mesmo circuito do transformador e colocar uma resistência de carga de magnitude extremamente alta em todo o enrolamento secundário para simular uma condição de "sem carga":(Veja a lista de especiarias do "transformador")


transformador

 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 11 2 0 100 12 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) .fim 

 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 

Portanto, vemos que nossa tensão de saída (secundária) se estende por uma faixa de 9,990 volts (virtualmente) sem carga e 9,348 volts no ponto que decidimos chamar de "carga total". Calculando a regulação de tensão com estes números, obtemos:







A propósito, isso seria considerado uma regulação bastante pobre (ou “frouxa”) para um transformador de potência. Alimentando uma carga resistiva simples como esta, um bom transformador de potência deve exibir uma porcentagem de regulação inferior a 3%.

Cargas indutivas tendem a criar uma condição de pior regulação de tensão, portanto, esta análise com cargas puramente resistivas foi uma condição de “melhor caso”.

Aplicativos que exigem regulamentação “ruim”

No entanto, existem algumas aplicações em que se deseja uma regulamentação deficiente. Um desses casos é na iluminação de descarga, onde um transformador elevador é necessário para gerar inicialmente uma alta tensão (necessária para “acender” as lâmpadas), então a tensão deve cair assim que a lâmpada começar a consumir corrente.

Isso ocorre porque os requisitos de tensão das lâmpadas de descarga tendem a ser muito mais baixos depois que uma corrente foi estabelecida através do caminho do arco. Nesse caso, um transformador elevador com baixa regulação de tensão é suficiente para a tarefa de condicionar a energia para a lâmpada.

Outra aplicação é no controle de corrente para soldadores de arco CA, que nada mais são do que transformadores abaixadores que fornecem energia de baixa tensão e alta corrente para o processo de soldagem.

Uma alta tensão é desejada para ajudar a "acertar" o arco (iniciando-o), mas como a lâmpada de descarga, um arco não requer tanta tensão para se sustentar uma vez que o ar tenha sido aquecido até o ponto de ionização. Portanto, uma diminuição da tensão secundária sob alta corrente de carga seria uma coisa boa.

Alguns projetos de soldadores de arco fornecem ajuste de corrente de arco por meio de um núcleo de ferro móvel no transformador, acionado para dentro ou para fora do conjunto de enrolamento pelo operador.

Mover a barra de ferro para longe dos enrolamentos reduz a força do acoplamento magnético entre os enrolamentos, o que diminui a tensão secundária sem carga e torna a regulação de tensão mais pobre.

Transformador Ferrorressonante

Nenhuma exposição sobre a regulação do transformador pode ser considerada completa sem a menção de um dispositivo incomum denominado transformador ferrorressonante .

“Ferrorressonância” é um fenômeno associado ao comportamento dos núcleos de ferro enquanto operam perto de um ponto de saturação magnética (onde o núcleo é tão fortemente magnetizado que aumentos adicionais na corrente do enrolamento resultam em pouco ou nenhum aumento no fluxo magnético).

Embora seja um pouco difícil de descrever sem aprofundar na teoria eletromagnética, o transformador ferrorressonante é um transformador de potência projetado para operar em uma condição de saturação de núcleo persistente.

Ou seja, seu núcleo de ferro é "cheio" de linhas magnéticas de fluxo para uma grande parte do ciclo CA, de modo que as variações na tensão de alimentação (corrente do enrolamento primário) têm pouco efeito na densidade do fluxo magnético do núcleo, o que significa que o enrolamento secundário emite uma tensão quase constante, apesar das variações significativas na tensão de alimentação (enrolamento primário).

Circuitos de ressonância em transformadores ferrorressonantes

Normalmente, a saturação do núcleo em um transformador resulta em distorção da forma da onda senoidal, e o transformador ferrorressonante não é exceção. Para combater esse efeito colateral, os transformadores ferrorressonantes possuem um enrolamento secundário auxiliar em paralelo com um ou mais capacitores, formando um circuito ressonante sintonizado na frequência da fonte de alimentação.

Este "circuito tanque" serve como um filtro para rejeitar harmônicos criados pela saturação do núcleo e fornece o benefício adicional de armazenar energia na forma de oscilações CA, que está disponível para sustentar a tensão do enrolamento de saída por breves períodos de perda de tensão de entrada (milissegundos 'vale a pena, mas certamente melhor do que nada).

O transformador ferrorressonante fornece regulação da tensão de saída.

Além de bloquear os harmônicos criados pelo núcleo saturado, este circuito ressonante também "filtra" frequências harmônicas geradas por cargas não lineares (comutação) no circuito do enrolamento secundário e quaisquer harmônicos presentes na tensão da fonte, fornecendo energia "limpa" para a carga .

Os transformadores ferrorressonantes oferecem vários recursos úteis no condicionamento de energia CA:tensão de saída constante, dadas variações substanciais na tensão de entrada, filtragem harmônica entre a fonte de energia e a carga, e a capacidade de "passar por cima" de breves perdas de energia, mantendo uma reserva de energia em seu circuito tanque ressonante.

Esses transformadores também são altamente tolerantes a cargas excessivas e picos de tensão transitórios (momentâneos). Eles são tão tolerantes, na verdade, que alguns podem ser brevemente colocados em paralelo com fontes de energia CA não sincronizadas, permitindo que uma carga seja comutada de uma fonte de energia para outra em um modo "make-before-break" sem interrupção de energia no lado secundário!

Desvantagens conhecidas dos transformadores ferrorressonantes

Infelizmente, esses dispositivos têm desvantagens igualmente notáveis:eles desperdiçam muita energia (devido às perdas de histerese no núcleo saturado), gerando significativo aquecem no processo e são intolerantes a variações de frequência, o que significa que não funcionam muito bem quando alimentados por pequenos geradores movidos a motor com baixa regulação de velocidade.

As tensões produzidas no circuito do enrolamento ressonante / capacitor tendem a ser muito altas, necessitando de capacitores caros e apresentando ao técnico de serviço tensões de trabalho muito perigosas. Algumas aplicações, no entanto, podem priorizar as vantagens do transformador ferrorressonante sobre suas desvantagens.

Existem circuitos semicondutores para “condicionar” a energia CA como uma alternativa aos dispositivos ferrorressonantes, mas nenhum pode competir com este transformador em termos de simplicidade absoluta.



REVER:

• Regulação de tensão é a medida de quão bem um transformador de potência pode manter a tensão secundária constante dada uma tensão primária constante e ampla variação na corrente de carga. Quanto mais baixa for a porcentagem (mais próxima de zero), mais estável será a tensão secundária e melhor será a regulação que ela fornecerá.
• Um ferrorressonante transformador é um transformador especial projetado para regular a tensão em um nível estável, apesar da ampla variação na tensão de entrada.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de fontes de energia regulamentadas
• Planilha de fontes de alimentação AC-DC básicas