como vimos em algumas análises de especiaria anteriormente neste capítulo, a tensão de saída de um transformador varia alguns com resistências de carga variáveis, mesmo com uma entrada de tensão constante.
o grau de variância é afetado pelas indutâncias do enrolamento primário e secundário, entre outros fatores, entre os quais o menor inclui a resistência ao 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 ter a tensão secundária variar o mínimo possível para grandes variações na corrente de carga.
fórmula de regulação da tensão
a medida de como um transformador mantém uma tensão secundária constante ao longo de uma gama de correntes de carga é chamada de regulação da tensão do transformador. Pode ser calculado a partir da seguinte fórmula::
o que é”plena carga”?
“plena carga” designa o ponto em que o transformador está a funcionar com corrente secundária máxima admissível. Este ponto de funcionamento será determinado principalmente pela dimensão do fio de enrolamento (ampacidade) e pelo método de arrefecimento do transformador.
tomando a nossa primeira simulação de transformador de especiaria como exemplo, vamos comparar a tensão de saída com uma carga de 1 kΩ versus uma carga de 200 Ω (assumindo que a carga de 200 Ω será a nossa condição de “plena carga”). Lembra-te, se quiseres, que a nossa tensão primária constante era de 10 volts C. A.:
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1k ohm load freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200 ohm load
Notice how the output voltage decreases as the load gets heavier (more current). Agora vamos fazer o mesmo circuito do transformador e coloque uma resistência de carga extremamente alta magnitude entre o enrolamento secundário para simular um “sem carga” condição de: (Vide “transformador” spice lista”)
transformer 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 Output with (almost) no load
Então, vemos que nossa saída (secundário) tensão abrange uma gama de 9.990 volts em (praticamente) sem carga e 9.348 volts no ponto em que decidimos chamar “carga completa.”Calculando a regulação da tensão com estes números, obtemos:
incidentalmente, isso seria considerado bastante pobre (ou” solto”) regulação para um transformador de potência. Alimentando uma carga resistiva simples como esta, um bom transformador de potência deve apresentar uma percentagem de regulação inferior a 3%.
cargas indutivas tendem a criar uma condição de pior regulação da tensão, então esta análise com cargas puramente resistivas foi uma condição “melhor caso”.
aplicações que requerem uma regulação “pobre”
existem algumas aplicações, no entanto, onde a regulação deficiente é realmente desejada. Um desses casos é na iluminação de descarga, onde um transformador step-up é necessário para inicialmente gerar uma alta tensão (necessária para” acender ” as lâmpadas), em seguida, a tensão é esperado para cair quando a lâmpada começa a desenhar corrente.
isto deve-se ao facto de os requisitos de tensão das lâmpadas de descarga tenderem a ser muito mais baixos após uma corrente ter sido estabelecida através da trajectória do arco. Neste caso, um transformador step-up com má regulação da tensão é suficiente para a tarefa de condicionamento de energia para a lâmpada.
outra aplicação está em controle de corrente para soldadores de arco de corrente alternada, que não são mais do que transformadores de baixa tensão que fornecem energia de alta corrente para o processo de soldagem.
uma alta tensão é desejada para ajudar a” golpear ” o arco (começando-o), mas como a lâmpada de descarga, um arco não requer tanta tensão para se sustentar uma vez que o ar foi aquecido até o ponto de ionização. Assim, uma diminuição da tensão secundária sob corrente de alta 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, cranked dentro ou fora do conjunto de enrolamento pelo operador.
deslocar a lesma de ferro para longe dos enrolamentos reduz a resistência do acoplamento magnético entre os enrolamentos, o que diminui a tensão secundária sem carga e torna a regulação da tensão mais fraca.
transformador Ferro-ressonante
nenhuma exposição sobre regulação do transformador poderia ser chamada completa sem a menção de um dispositivo incomum chamado transformador ferro-ressonante.
“Ferroresonance” é um fenômeno associado com o comportamento de núcleos de ferro durante a operação próximo a um ponto de saturação magnética (onde o núcleo é tão fortemente magnetizado, que aumenta ainda mais na corrente de enrolamento resultados em pouco ou nenhum aumento no fluxo magnético).
embora seja um pouco difícil de descrever sem entrar profundamente na teoria eletromagnética, o transformador ferro-ressonante é um transformador de energia projetado para operar em uma condição de saturação persistente do núcleo.
isto é, o seu núcleo de ferro é “recheado cheio” de linhas magnéticas do fluxo para uma grande parcela da AC ciclo, de modo que variações na tensão de alimentação (enrolamento primário atual) têm pouco efeito sobre o núcleo da densidade de fluxo magnético, o que significa que o enrolamento secundário saídas de um quase constante de tensão, apesar de significativas variações na oferta (enrolamento primário) de tensão.Circuitos de ressonância em transformadores Ferro-ressonantes
Normalmente, a saturação do núcleo em um transformador resulta em distorção da forma de onda sina, e o transformador ferro-ressonante não é exceção. Para combater este efeito colateral, os transformadores ferro-ressonantes têm um enrolamento secundário auxiliar paralelo com um ou mais capacitores, formando um circuito ressonante sintonizado com a frequência de alimentação.
este “circuito tanque” serve como um filtro para rejeitar harmônicas criadas pela saturação do núcleo, e fornece o benefício adicional de armazenar energia na forma de oscilações de corrente alternada, que está disponível para sustentar a tensão de enrolamento de saída por breves períodos de perda de tensão de entrada (milisegundos de tempo, mas certamente melhor do que nada).
transformador Ferro-ressonante fornece regulação da tensão de saída.
além de bloquear harmônicos criado pelo núcleo saturado, este circuito ressonante também “filtra” freqüências harmônicas geradas pelo não-linear (comutação) carrega no enrolamento secundário do circuito e qualquer harmônicos presentes na tensão de fonte, fornecendo “limpa” de energia para a carga.
os transformadores Ferro-Resonantes oferecem várias características úteis no condicionamento de energia de CORRENTE ALTERNADA .: tensão de saída constante dada variações substanciais na tensão de entrada, filtragem harmônica entre a fonte de energia e a carga, e a capacidade de “cavalgar” breves perdas de energia, mantendo uma reserva de energia em seu circuito ressonante tanque.
estes transformadores são também altamente tolerantes a cargas excessivas e surtos transitórios (momentâneos) de tensão. Eles são tão tolerantes, de fato, que alguns podem ser brevemente paralelos com fontes de energia CA não sincronizadas, permitindo que uma carga seja trocada de uma fonte de energia para outra de uma forma “make-before-break”, sem interrupção de energia no lado secundário!
desvantagens conhecidas dos transformadores Ferro-resistentes
infelizmente, estes dispositivos têm desvantagens igualmente notáveis: eles desperdiçam muita energia (devido a perdas de histerese no núcleo saturado), gerando calor significativo no processo, e são intolerantes às variações de frequência, o que significa que eles não funcionam muito bem quando alimentados por pequenos geradores movidos por motores com má regulação de velocidade.
as tensões produzidas no circuito de bobinagem/condensador ressonante tendem a ser muito elevadas, necessitando de condensadores caros e apresentando ao técnico de serviço tensões de trabalho muito perigosas. Algumas aplicações, porém, podem priorizar as vantagens do transformador ferro-ressonante sobre suas desvantagens.Circuitos semicondutores existem para a” condição ” de potência AC como uma alternativa aos dispositivos ferro-ressonantes, mas nenhum pode competir com este transformador em termos de pura simplicidade.Revisão:
- regulação da tensão é a medida de como um transformador de potência pode manter uma tensão secundária constante, dada uma tensão primária constante e ampla variância na corrente de carga. Quanto menor for a percentagem (mais próxima de zero), mais estável será a tensão secundária e melhor será a regulação que proporcionará.
- um transformador ferro-ressonante é um transformador especial concebido para regular a tensão a um nível estável, apesar da grande variação da tensão de entrada.
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