Como Funcionam os Transformadores e fator de potência (EL104)

Transformadores são encontrados numa infinidade de aplicações. Alimentados por tensões alternadas esses dispositivos apresentam características que levam à necessidade de se entender o que é o fator de potência. Nesse artigo abordamos os dois assuntos de forma bastante didática.

Os transformadores são dispositivos formados por duas bobinas enroladas num núcleo comum. Para a operação nas baixas freqüências da rede de energia o núcleo é de ferro laminado (ferro doce) enquanto que para operação em freqüências mais altas o núcleo é de ferrite. Na figura 1 temos o símbolo utilizado para representar um transformador monofásico assim como seu aspecto, para tipos de baixa potência usados na alimentação de circuitos eletrônicos.

 

Símbolo  do transformador comum.
Símbolo do transformador comum.

 

Quando aplicamos uma tensão alternada na bobina de entrada, denominada "primário", é induzida na bobina de saída (denominada "secundário" uma tensão cujo valor depende da relação entre o número de espiras das duas bobinas. Assim, se a bobina de saída tiver o dobro do número de espiras da bobina de entrada, a tensão de saída será dobrada, conforme mostra a figura 2.

 

Relação das espiras dos enrolamentos determina a alteração da tensão
Relação das espiras dos enrolamentos determina a alteração da tensão

 

Da mesma forma, se tiver metade do número de espiras, a tensão será reduzida à metade. Veja entretanto que o transformador, como qualquer dispositivo eletrônico, não pode criar energia. Assim, se obtemos um ganho de tensão, a corrente disponível passará a ser metade. Por exemplo, se um transformador eleva uma tensão de 110 V para 220 V, quando exigimos uma corrente de 1 ampère do secundário, a corrente no primário será 2 ampères. O produto tensão corrente nos dois enrolamentos deve ser mantido constante (*).

 

P = V x I = 110 x 2 = 220 x 1

 

(*) Desprezamos neste caso as perdas que ocorrem na passagem da energia de um enrolamento para outro, Essas perdas normalmente se traduzem em calor e para um transformador comum varia entre 2% e 5% da potência transferida.

 

Os transformadores podem ter mais de um enrolamento secundário, ou enrolamentos com derivações, conforme mostra a figura 3.

 

Tipos de transformadores com primários e secundários diferentes.
Tipos de transformadores com primários e secundários diferentes.

 

No primeiro caso (a) temos um enrolamento com uma bobina dotada de derivação central. Se tomarmos a derivação central ou CT (Center Tape) como referência, as fases das tensões das duas extremidades das bobinas estão em oposição. Temos então um transformador bifásico. No segundo caso (b) temos um transformador trifásico, muito utilizado nas aplicações industriais em que tanto a entrada como a saída são trifásicas, porém com tensões diferentes. Os transformadores admitem a ligação de seus enrolamentos em triângulo, estrela e em zigue-zague. Na figura 4 mostramos essas três formas de se ligar um transformador trifásico.

 

Formas de ligação de transformadores trifásicos.
Formas de ligação de transformadores trifásicos.

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Tanto a ligação em triângulo como a ligação zigue-zague são mais usadas quando se têm que alimentar cargas desequilibradas.

 

1.1.1 - Isolamento

Uma característica de extrema importância para os transformadores comuns é o isolamento que proporcionam entre a entrada e saída de um circuito. Como o enrolamento de entrada e o de saída são isolados, pois a transferência de energia se faz por campo magnético, podemos isolar completamente um circuito da rede de energia, tornando-o assim seguro para a operação e mesmo para o caso do toque acidental em suas partes, conforme mostra a figura 5.

 

Um transformador de isolamento isola o aparelho alimentado da rede de energia.
Um transformador de isolamento isola o aparelho alimentado da rede de energia.

 

O uso de transformadores para isolar circuitos é portanto uma prática comum na eletrônica. Veja entretanto que existem transformadores em que existe uma parte do enrolamento que é comum à entrada e saída, conforme mostra a figura 6.

 

Um alto-transformador possui um enrolamento único comum que funciona como primário e secundário.
Um alto-transformador possui um enrolamento único comum que funciona como primário e secundário.

 

 

Esses são denominados auto-transformadores e eles apenas alteram as tensões sem, entretanto, proporcionar isolamento entre os circuitos de entrada e saída. A vantagem do uso do auto-transformador está no fato de que se economiza na parte do enrolamento que é comum à entrada e saída de tensão.

 

Fator de Potência

Quando uma tensão senoidal é aplicada numa carga resistiva, conforme mostra a figura 7, a corrente circulante pela carga acompanha instantaneamente as variações da tensão. Tensão e corrente estão em fase neste circuito.

 

Normalmente, corrente e tensão estão em fase num dispositivo alimentado por corrente alternada.
Normalmente, corrente e tensão estão em fase num dispositivo alimentado por corrente alternada.

 

No entanto, a maioria dos circuitos alimentados pela corrente alternada disponível numa rede não se comporta como uma resistência pura. Tais circuitos possuem características indutivas ou capacitivas. É o que ocorre, por exemplo, com motores e transformadores e muitos outros dispositivos que operam baseados em campos magnéticos criados por bobinas. Nesses dispositivos ou circuitos, a corrente não acompanha as variações da tensão instantaneamente, mas tem um retardo ou um adiantamento, conforme mostra a figura 8.

 

Na prática, em muitos dispositivos corrente e tensão não estão em fase.
Na prática, em muitos dispositivos corrente e tensão não estão em fase.

 

O resultado dessa defasagem é uma diferença entre a potência ativa, que é aquela que realmente é transformada em trabalho, e a potência aparente, que é a medida. A diferença entre as duas é a potência reativa. Se representarmos a potencia reativa, a potência real e a potência aparente, teremos um ângulo (?) que é usado para indicar o fator de potência. O fator de potência (FP), que varia entre 0 e 1, é dado por:

 

FP = cos ?

 

Onde: ? é o ângulo definido pela potência ativa e a potência aparente.

 

Esse fator é positivo se o circuito alimentado tiver características indutivas e negativo se for capacitivo.

 

O melhor aproveitamento num circuito de corrente alternada ocorre quando o ângulo de defasagem é 0 e portanto seu cosseno é 1. Nesse caso, 100% da energia aplicada é convertida em trabalho. Na prática, entretanto, é muito difícil que isso ocorra com os equipamentos de uma instalação industrial. Assim, a portaria 1569/BNAEE estabelece que as industrias devem ter o fator de potência de suas instalações controlado, ficando dentro dos limites de 0,92 para cargas indutivas e capacitivas.

 

É importante observar que um dos problemas com que o profissional da manutenção, principalmente industrial, vai se defrontar é a correção dos fatores de potência das diversas máquinas de uma planta de modo que eles fiquem dentro dos limites estabelecidos pela lei. Para cargas indutivas é comum fazer a compensação desse fator com bancos de capacitores, conforme mostram os gráficos de correção da figura 9.

 

Compensação do fator de potência com a ajuda de um banco de capacitores.
Compensação do fator de potência com a ajuda de um banco de capacitores.

 

Veja que o efeito na defasagem da corrente em relação à tensão introduzido por um capacitor é o oposto daquele introduzido pela presença de um indutor, daí a possibilidade de se fazer a correção usando esse componente.

 

Qualidade da Energia

A forma de onda da tensão alternada fornecida pela rede de energia elétrica, em teoria, deve ser senoidal com uma frequência de 60 Hz, conforme mostra a figura 10.

 

Forma de onda senoidal de uma tensão alternada, como a encontrada na rede de energia..
Forma de onda senoidal de uma tensão alternada, como a encontrada na rede de energia..

 

Entretanto, por diversos motivos como, por exemplo, a utilização de dispositivos que empregam fontes chaveadas ou ainda dispositivos de comutação de potência muito rápidos como os que fazem uso de TRIACs e SCRs, as formas de onda das correntes e tensões encontradas numa instalação elétrica podem sofrer alterações deixando de ser "limpas" ou "puras".

Essas alterações podem afetar sensivelmente o funcionamento de equipamentos sensíveis ligados, alimentados pela mesma rede de energia, e até dos próprios causadores dos problemas.

Nas indústrias, por exemplo, onde a quantidade de equipamentos alimentados, que podem causar deformações é grande, e igualmente grande a quantidade de equipamentos sensíveis que podem ser afetados por uma energia "não limpa", a preocupação em se "medir" e controlar a qualidade da energia é importante, exigindo uma constante monitoração ou análise quando for constatado qualquer tipo de anormalidade no funcionamento de um equipamento cuja causa possa estar na energia que ele usa.

Normalmente, a verificação da tensão que está presente numa rede de alimentação de máquinas é feita com a ajuda de um multímetro. Mede-se a tensão de modo que ela possa ser comparada com o valor esperado. No entanto, o multímetro comum não atende às necessidades do técnico ou engenheiro que precisa medir a energia de uma rede que tenha problemas de deformações das correntes e tensões, transientes ou surtos.

Conforme veremos a seguir, os multímetros usados na análise da qualidade da energia devem ter características especiais.

 

HARMÔNICAS

Conforme explicamos, uma tensão alternada considerada "pura" ou "limpa" é aquela que tem uma forma de onda perfeitamente senoidal, sendo gerada por um alternador ideal. Na prática, entretanto, as próprias características do alternador e do circuito por onde deve passar a energia gerada faz com que ocorram deformações como as ilustradas na figura 11.

 

Deformações que podem ocorrer numa forma de onda senoidal.
Deformações que podem ocorrer numa forma de onda senoidal.

 

O matemático inglês Fourier demonstrou que um sinal de qualquer forma de onda, na realidade, pode ser decomposto em componentes formadas por sinais senoidais de amplitudes e freqüências diferentes.

Temos então uma componente fundamental e componentes harmônicas que possuem valores múltiplos do sinal fundamental. Essas componentes de valores múltiplos são denominadas componentes harmônicas ou simplesmente harmônicos.

 

Obs.: Veja que na literatura técnica quando usamos o termo "harmônicas" estamos nos referindo às componentes harmônicas e quando usamos o termo "harmônico", igualmente correto, estamos nos referindo aos sinais harmônicos.

 

Assim, o sinal que tem o dobro da frequência fundamental é denominado segunda harmônica, o que tem o triplo é chamado terceira harmônica, e assim por diante. Demonstra-se também que o inverso é válido: podemos sintetizar um sinal de qualquer forma de onda a partir da combinação de um sinal senoidal fundamental e de sinais senoidais de freqüências múltiplas com amplitudes diferentes.

 

Dessa forma, uma tensão alternada que tem uma deformação como a indicada na figura 12, pode ser analisada como formada por uma tensão na freqüência fundamental de maior amplitude (60 Hz) e diversas outras tensões de menor amplitude com freqüências múltiplas denominadas harmônicas.

 

 Sinal fundamental e suas harmônicas
Sinal fundamental e suas harmônicas

 

Observe então que uma deformação de uma tensão senoidal indica a presença de tensões harmônicas, ou seja, de freqüências que não são a original da rede de energia. Esse fato é que se torna perigoso para a integridade de algumas máquinas e circuitos na indústria. A deformação de um sinal é medida pela Taxa de Distorção Harmônica, ou abreviadamente THD, normalmente expressa na forma de uma porcentagem (%). A taxa de distorção harmônica total de um sinal ou forma de onda é calculada pela seguinte expressão:

 

 

THD(%) = formula
formula

 

Onde: THD(%) = distorção harmônica total

V2, V3, V4,....Vn = amplitudes da segunda, terceira, etc, harmônicas

Vf = amplitude do sinal fundamental

Dependendo da forma de onda, as harmônicas podem se estender a valores muito altos de frequências causando, por exemplo, interferências em equipamentos de comunicações. Na tabela a seguir temos as harmônicas e suas intensidades relativas para um sinal que é obtido na saída de um retificador de onda completa. Esse sinal consiste numa "onda" cuja forma é mostrada na figura 13.

 

Forma de onda de um sinal senoidal deformado.
Forma de onda de um sinal senoidal deformado.

 

O processo de cálculo dessas intensidades envolve a Transformada de Fourier, através da qual é possível determinar o "coeficiente" ou intensidade relativa de cada harmônica, partindo-se da função que descreve a forma de onda analisada.

 

Harmônica Intensidade Relativa Intensidade Porcentual (%)
Fundamental 63,6
2o 42,3
3o 0 0
4o 8,5
5o 0 0
6o 3,6
7o 0 0

 

Um controle de potência que empregue SCR ou TRIAC é um exemplo disso. A comutação rápida desses dispositivos, gerando na carga uma tensão com forma de onda como a indicada na figura 14, também é responsável pela produção de harmônicas que se estendem até a faixa de VHF de TV.

 

Espectro de um sinais gerados por um dispositivo comutador rápido.
Espectro de um sinais gerados por um dispositivo comutador rápido.

 

Um controle de potência desse tipo causa interferências em televisores. Essas interferência se manifesta na forma de pequenos riscos na imagem. O mesmo ocorre com liquidificadores, barbeadores e equipamentos industriais que controlem cargas de potência, principalmente indutivas como motores.

 

PROBLEMAS CAUSADOS PELA ENERGIA "SUJA"

Não são somente interferências que causam uma tensão alternada com deformações ou distorções, e que a torna rica em harmônicas.

Se um equipamento for alimentado por uma tensão não pura que tenha uma taxa de distorção harmônica elevada, poderão ocorrer perdas de energia. Os transformadores, em especial são componentes sensíveis a este problema podendo apresentar até mais de 50% de perdas se forem alimentados com uma tensão muito distorcida. As cargas alimentadas por tensão distorcida podem ter ainda um fator de potência muito pobre sobrecarregando o sistema.

Os controles de potência com TRIACs são exemplos desses dispositivos que podem ter seu desempenho melhorado com o uso de choques, os quais "suavizam" a forma de onda da energia consumida diminuindo assim a THD. Outro problema a ser considerado é que as harmônicas de corrente podem também distorcer a forma de onda da tensão, e com isso causar harmônicas.

Distorções da tensão podem afetar motores elétricos e bancos de capacitores. Nos motores elétricos, por exemplo, a seqüência negativa de harmônicas (5.ª, 11.ª , 17.ª , etc.) assim chamada porque sua seqüência (ABC ou ACB) é oposta à seqüência fundamental, conforme ilustra a figura 15, produz campos magnéticos rotativos.

Estes campos "rodam" na direção oposta ao campo magnético fundamental e podem causar não somente um sobreaquecimento do motor como até oscilações mecânicas no sistema motor-carga.

 

Alimentação trifásica de uma carga indutiva.
Alimentação trifásica de uma carga indutiva.

 

No caso dos bancos de capacitores, o que acontece é que a reatância de um banco de capacitores diminui com o aumento da frequência, fazendo com que ele drene energia através justamente das harmônicas de maior frequência.

Esse aumento de energia drenada pelos capacitores pode causar perdas e sobrecargas no dielétrico, capazes até de levar os capacitores a uma falha. Quanto aos de equipamentos que operam com apenas uma fase, tais como computadores pessoais, reatores e outros, os problemas também existem.

Para esses equipamentos são especialmente danosas as harmônicas ímpares como o 3.ª, 5.ª, 7.ª, etc. Temos também a ação danosa dos harmônicas denominadas triplas que são a 3.ª, 9.ª e 15.ª. Essas harmônicas estão em fase, o que quer dizer que a primeira fase (A) triplica as harmônicas, a (B) triplica novamente e a (C) faz uma multiplicação final, de modo que todas as três retornam em fase pelo condutor de neutro num sistema de 3 fases com 4 condutores.

O resultado disso é uma sobrecarga do condutor de neutro, o que pode significar problemas se ele não estiver devidamente dimensionado para suportar esta corrente adicional.

O mesmo problema pode surgir em transformadores com enrolamento em delta onde as harmônicas são refletidas para o primário causando sobreaquecimento semelhante ao que acontece quando temos uma corrente trifásica não balanceada.

Uma maneira importante de verificar se existem correntes harmônicas numa instalação é medindo-a no condutor neutro da instalação trifásica, num sistema de 4 fios. No entanto, uma elevada distorção harmônica da forma de onda da tensão disponível na rede de energia só trará problemas se o sistema não tiver sido projetado para manuseá-la.

Em geral, THDs de até 8% não representam problemas para os equipamentos, mesmos os mais sensíveis. Um condutor de neutro, assim como qualquer outro apresenta uma impedância que, no valor fundamental da tensão da rede não é significativa, mas essa impedância poderá assumir valores relevantes, significando produção de calor e perda de energia em frequências mais altas como as de harmônicas mais elevadas.

É preciso ficar atento ao fornecimento de energia limpa para os equipamentos de uma instalação, principalmente onde existem os que sejam sensíveis sendo alimentados.


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