Entendendo Estabilizadores de Tensão: Finalidade, Funcionamento, Tipos e Aplicações

O que é Estabilizador de Tensão e Por Que Precisamos? Operação, Tipos e Aplicações

A incorporação de tecnologia de chip microprocessador e dispositivos de eletrônica de potência no projeto de estabilizadores de tensão CA inteligentes (ou reguladores automáticos de tensão (AVR)) permitiu produzir energia elétrica estável e de alta qualidade em caso de desvio significativo e contínuo da tensão da rede.

Como avanço aos estabilizadores de tensão tipo relé convencionais, estabilizadores inovadores modernos usam circuitos de controle digital de alto desempenho e circuitos de controle de estado sólido que eliminam ajustes de potenciômetro e permitem ao usuário definir requisitos de tensão através de teclado, com facilidade de partida e parada da saída.

Isso também permitiu tornar o tempo de disparo ou capacidade de resposta dos estabilizadores muito baixo, tipicamente menos de alguns milissegundos, além de ser ajustável com configuração variável. Atualmente, estabilizadores tornaram-se uma solução de energia otimizada para muitos aparelhos eletrônicos sensíveis a flutuações de tensão, encontrando aplicação em máquinas CNC, condicionadores de ar, televisores, equipamentos médicos, computadores, equipamentos de telecomunicações, entre outros.

O que é um Estabilizador de Tensão?

É um aparelho elétrico projetado para fornecer tensão constante a uma carga em seus terminais de saída, independentemente das mudanças na tensão de entrada ou alimentação. Protege o equipamento ou máquina contra sobretensão, subtensão e outros picos de tensão.

Também é chamado de regulador automático de tensão (AVR). Estabilizadores de tensão são preferidos para equipamentos elétricos caros e valiosos para protegê-los de flutuações prejudiciais de baixa/alta tensão. Alguns desses equipamentos são condicionadores de ar, máquinas de impressão offset, equipamentos de laboratório, máquinas industriais e aparelhos médicos.

Estabilizadores de tensão regulam a tensão de entrada flutuante antes que seja alimentada à carga (ou equipamento sensível a variações de tensão). A tensão de saída do estabilizador permanecerá na faixa de 220V ou 230V no caso de alimentação monofásica e 380V ou 400V no caso de trifásica, dentro da faixa de flutuação da tensão de entrada. Essa regulação é realizada por operações de buck e boost realizadas pela circuitaria interna.

Existem grandes variedades de reguladores automáticos de tensão no mercado. Podem ser unidades monofásicas ou trifásicas conforme exigido pelo tipo de aplicação e capacidade (kVA) necessária. Estabilizadores trifásicos vêm em duas versões: modelos de carga balanceada e desbalanceada.

Estão disponíveis como unidades dedicadas para aparelhos ou como grande unidade estabilizadora para todos os aparelhos em um local, por exemplo, casa inteira. Além disso, podem ser unidades de estabilizador analógicas ou digitais.

Os tipos comuns de estabilizadores de tensão incluem estabilizadores manual ou comutáveis, estabilizadores automáticos tipo relé, estabilizadores de estado sólido ou estáticos, e estabilizadores controlados por servo. Além da função de estabilização, a maioria dos estabilizadores vem com recursos adicionais como corte de baixa tensão de entrada/saída, corte de alta tensão de entrada/saída, corte por sobrecarga, facilidade de partida e parada da saída, partida manual/automática, display de corte de tensão, comutação de tensão zero, etc.

Por Que Estabilizadores de Tensão São Necessários?

Geralmente, cada equipamento ou dispositivo elétrico é projetado para uma ampla faixa de tensão de entrada. Dependendo da sensibilidade, a faixa de trabalho dos equipamentos é limitada a valores específicos; por exemplo, alguns equipamentos toleram ±10% da tensão nominal, enquanto outros ±5% ou menos.

Flutuações de tensão (aumento ou queda da magnitude da tensão nominal) são comuns em muitas áreas, especialmente em linhas terminais. As razões mais comuns para flutuações de tensão são iluminação, falhas elétricas, fiação defeituosa e desligamento periódico do dispositivo. Essas flutuações causam danos aos equipamentos ou aparelhos elétricos.

Sobretensão prolongada resultará em:

• Dano permanente ao equipamento
• Dano ao isolamento dos enrolamentos
• Interrupção indesejada na carga
• Aumento de perdas em cabos e equipamentos associados
• Redução da vida útil do aparelho

Subtensão prolongada resultará em:

• Mau funcionamento do equipamento
• Períodos de trabalho mais longos (como no caso de aquecedores resistivos)
• Redução do desempenho do equipamento
• Consumo de grandes correntes, levando a superaquecimento
• Erros computacionais
• Redução da velocidade de motores

Portanto, a estabilidade e precisão da tensão decidem a operação correta do equipamento. Estabilizadores de tensão garantem que flutuações de tensão na alimentação de entrada não afetem a carga ou aparelho elétrico.

Como Funciona o Estabilizador de Tensão?

Princípio Básico do Estabilizador de Tensão para Realizar Operações Buck e Boost

Em um estabilizador de tensão, a correção de tensão de condições de sobre e subtensão é realizada através de duas operações essenciais: boost e buck. Essas operações podem ser realizadas manualmente por chaves ou automaticamente através de circuitos eletrônicos. Durante condição de subtensão, a operação boost aumenta a tensão para o nível nominal, enquanto a operação buck reduz o nível de tensão durante condição de sobretensão.

O conceito de estabilização envolve adicionar ou subtrair tensão à alimentação da rede. Para realizar tal tarefa, o estabilizador usa um transformador conectado em diferentes configurações com relés de comutação. Alguns estabilizadores usam transformador com derivações no enrolamento para fornecer diferentes correções de tensão, enquanto estabilizadores servo usam um autotransformador para ter ampla faixa de correção.

Para entender este conceito, considere um transformador abaixador simples de 230/12V e sua conexão com essas operações abaixo.

A figura acima ilustra a configuração de boost na qual a polaridade do enrolamento secundário é orientada de forma que sua tensão é adicionada diretamente à tensão primária. Portanto, em caso de condição de subtensão, o transformador (seja de derivações comutadas ou autotransformador) é comutado pelos relés ou chaves de estado sólido de forma que volts adicionais são anexados à tensão de entrada.

Na figura acima, o transformador é conectado em configuração buck, onde a polaridade da bobina secundária é orientada de forma que sua tensão subtrai da tensão primária. O circuito de comutação muda a conexão para a carga para esta configuração durante condição de sobretensão.

A figura acima mostra estabilizador de tensão de dois estágios que usa dois relés para fornecer alimentação CA constante à carga durante condições de sobretensão e subtensão. Comutando os relés, operações buck e boost para duas flutuações de tensão específicas (uma subtensão, por exemplo, 195V, e outra sobretensão, por exemplo, 245V) podem ser realizadas.

No caso de estabilizadores tipo transformador com derivações, diferentes derivações são comutadas baseadas na quantidade necessária de tensão boost ou buck. Mas no caso de estabilizadores tipo autotransformador, motores (servomotor) são usados junto com contato deslizante para obter tensões boost ou buck do autotransformador, pois este contém apenas um enrolamento.

Tipos de Estabilizadores de Tensão

Estabilizadores de tensão tornaram-se parte integrante de muitos aparelhos elétricos de residências, indústrias e sistemas comerciais. Anteriormente, estabilizadores de tensão manual ou comutáveis eram usados para boost ou buck da tensão de entrada a fim de dar tensão de saída dentro de faixa desejada. Tais estabilizadores são construídos com relés eletromecânicos como dispositivos de comutação.

Posteriormente, circuitos eletrônicos adicionais automatizaram o processo de estabilização, dando origem a reguladores automáticos de tensão de derivações comutadas. Outro tipo popular é o estabilizador servo, no qual a correção de tensão é realizada continuamente sem comutação. Vamos discutir três principais tipos de estabilizadores de tensão.

Estabilizadores de Tensão Tipo Relé

Neste tipo, a regulação de tensão é realizada comutando os relés para conectar uma das derivações do transformador à carga (como discutido acima), seja para operação boost ou buck. A figura abaixo ilustra a circuitaria interna do estabilizador tipo relé.

Possui circuito eletrônico e conjunto de relés além do transformador (que pode ser toroidal ou de núcleo de ferro com derivações no secundário). O circuito eletrônico compreende circuito retificador, amplificador operacional, unidade microcontroladora e outros componentes minúsculos.

O circuito eletrônico compara a tensão de saída com um valor de referência fornecido por fonte de tensão de referência embutida. Sempre que a tensão sobe ou cai além do valor de referência, o circuito de controle comuta o relé correspondente para conectar a derivação desejada à saída.

Esses estabilizadores geralmente alteram a tensão para variações de tensão de entrada de ±15% a ±6% com precisão de tensão de saída de ±5% a ±10%. Este tipo é mais popularmente usado para aparelhos de baixa potência em aplicações residenciais, comerciais e industriais, pois são de baixo peso e baixo custo. No entanto, sofrem várias limitações como velocidade lenta de correção de tensão, menor durabilidade, menor confiabilidade, interrupção no caminho de potência durante regulação, e incapacidade de suportar altos picos de tensão.

Estabilizadores de Tensão Controlados por Servo

São simplesmente chamados de estabilizadores servo (funcionam em servomecanismo, também conhecido como realimentação negativa) e o nome sugere que usam um servomotor para permitir a correção de tensão. São usados principalmente para alta precisão de tensão de saída, tipicamente ±1% com mudanças de tensão de entrada até ±50%. A figura abaixo mostra o circuito interno de um estabilizador servo que incorpora servomotor, autotransformador, transformador buck boost, driver de motor e circuitaria de controle como componentes essenciais.

Neste estabilizador, uma extremidade do primário do transformador buck boost é conectada à derivação fixa do autotransformador, enquanto a outra extremidade é conectada ao braço móvel controlado pelo servomotor. O secundário do transformador buck boost é conectado em série com a alimentação de entrada, que é a saída do estabilizador.

O circuito de controle eletrônico detecta queda e subida de tensão comparando a entrada com fonte de tensão de referência embutida. Quando o circuito encontra o erro, aciona o motor que por sua vez move o braço no autotransformador. Isso pode alimentar o primário do transformador buck boost de forma que a tensão no secundário seja a tensão de saída desejada. A maioria dos estabilizadores servo usa microcontrolador ou processador embutido para a circuitaria de controle a fim de alcançar controle inteligente.

Esses estabilizadores podem ser monofásicos, trifásicos balanceados ou unidades trifásicas desbalanceadas. No tipo monofásico, um servomotor acoplado ao transformador variável atinge a correção de tensão. No caso de tipo trifásico balanceado, um servomotor é acoplado a três autotransformadores de forma que saída estabilizada é fornecida durante flutuações ajustando a saída dos transformadores. Em tipo desbalanceado de estabilizadores servo, três servomotores independentes acoplados a três autotransformadores e têm três circuitos de controle separados.

Existem várias vantagens de usar estabilizadores servo comparados aos tipo relé: maior velocidade de correção, alta precisão de saída estabilizada, capacidade de suportar correntes de partida, e alta confiabilidade. No entanto, requerem manutenção periódica devido à presença de motores.

Estabilizadores de Tensão Estáticos

Como o nome sugere, estabilizador de tensão estático não tem partes móveis como mecanismo de servomotor no caso de estabilizadores servo. Usa circuito conversor de potência eletrônica para alcançar regulação de tensão, em vez de variac no caso de estabilizadores convencionais. É possível produzir maior precisão e excelente regulação de tensão por esses estabilizadores comparados aos servo, tipicamente regulação de ±1%.

Essencialmente consiste em transformador buck boost, conversor de potência IGBT (ou conversor CA-CA), e controlador baseado em microcontrolador, microprocessador ou DSP. Conversor IGBT controlado por microprocessador gera a quantidade apropriada de tensão por técnica de modulação de largura de pulso (PWM), e esta tensão é fornecida ao primário do transformador buck boost. O conversor IGBT produz a tensão de forma que pode estar em fase ou 180 graus fora de fase com a tensão de linha de entrada, a fim de realizar adição e subtração de tensões durante flutuações.

Sempre que o microprocessador detecta queda de tensão, envia pulsos PWM ao conversor IGBT de forma que gere tensão igual à quantidade desviada do valor nominal. Esta saída está em fase com a alimentação de entrada e é fornecida ao primário do transformador buck boost. Como o secundário está conectado à linha de entrada, a tensão induzida será adicionada à alimentação de entrada e esta tensão corrigida é fornecida à carga.

Da mesma forma, a subida de tensão faz o circuito do microprocessador enviar pulsos PWM de forma que o conversor produza tensão desviada, que está 180 graus fora de fase com a tensão de entrada. Esta tensão no secundário do transformador buck boost é subtraída da tensão de entrada, realizando operação buck.

Esses estabilizadores são muito populares comparados aos de derivações comutadas e servo controlados devido à ampla variedade de vantagens: tamanho compacto, velocidade de correção muito rápida, excelente regulação de tensão, sem manutenção devido à ausência de partes móveis, alta eficiência e alta confiabilidade.

Diferença entre Estabilizador de Tensão e Regulador de Tensão

Uma questão importante mas confusa surge aqui: qual é exatamente a diferença(s) entre Estabilizador e Regulador? Bem... Ambos realizam a mesma ação que é estabilizar a tensão, mas a principal diferença entre estabilizador de tensão e regulador de tensão é:

Estabilizador de Tensão: É um dispositivo ou circuito projetado para fornecer tensão constante à saída sem mudanças na tensão de entrada.

Regulador de Tensão: É um dispositivo ou circuito projetado para fornecer tensão constante à saída sem mudanças na corrente de carga.

Como Escolher um Estabilizador de Tensão de Tamanho Correto?

É fundamental considerar vários fatores antes de comprar um estabilizador de tensão para um aparelho. Esses fatores incluem potência requerida pelo aparelho, nível de flutuações de tensão experimentadas na área de instalação, tipo de aparelho, tipo de estabilizador, faixa de trabalho do estabilizador (para qual tensão o estabilizador vai corrigir), corte de sobre/subtensão, tipo de circuito de controle, tipo de montagem, entre outros. Aqui estão passos básicos a considerar antes de comprar um estabilizador para sua aplicação.

• Verifique a potência nominal do aparelho que será usado com estabilizador, observando detalhes da placa de identificação (exemplos: Placa de Transformador, Placa de MCB, Placa de Capacitor) ou manual do produto.
• Como estabilizadores são classificados em kVA (assim como transformadores em kVA em vez de kW), também é possível calcular a potência multiplicando simplesmente a tensão do aparelho pela corrente nominal máxima.
• Recomenda-se adicionar margem de segurança à classificação do estabilizador, tipicamente 20-25%. Isso pode ser útil para planos futuros de adicionar mais dispositivos à saída do estabilizador.
• Se o aparelho é classificado em watts, considere fator de potência ao calcular classificação kVA do estabilizador. Por outro lado, se estabilizadores são classificados em kW em vez de kVA, multiplique o fator de potência pelo produto de tensão e corrente.

Abaixo está exemplo resolvido de como selecionar estabilizador de tensão de tamanho adequado para seu(s) aparelho(s) elétrico(s).

Suponha que o aparelho (condicionador de ar ou geladeira) seja classificado como 1 kVA. Portanto, margem segura de 20% é 200 watts. Somando esses watts à classificação real, obtemos 1200 VA. Portanto, estabilizador de 1,2 kVA ou 1200 VA é preferível para o aparelho. Para necessidades residenciais, estabilizadores de 200 VA a 10 kVA são preferidos. Para aplicações comerciais e industriais, estabilizadores monofásicos e trifásicos de grande classificação são usados.

Esperamos que as informações fornecidas sejam informativas e úteis. Queremos que os leitores expressem suas opiniões sobre este tópico e respondam a esta pergunta simples – qual é o propósito da característica de comunicação RS232/RS485 em estabilizadores de tensão modernos, na seção de comentários abaixo.