Com base em como isso é aplicado, as informações do transformador/motor podem ser consideradas desnecessárias. Isso ocorre porque o transformador, que está conectado ao motor através de uma conexão direta, não possui uma classificação de aplicação de transformador listada que corresponda à placa de identificação do motor em termos de corrente, portanto, não fornece uma classificação precisa do transformador também. A classificação de aplicação do transformador é, na verdade, baseada na quantidade de potência aparente consumida pelo motor como um inversor, e não há indicação de nenhum desses parâmetros na placa de identificação do motor. Dois parâmetros são necessários para criar uma configuração de inversor bem-sucedida.
Em conclusão, a classificação selecionada para o transformador de alimentação do motor deve ser baseada no kVA do transformador em vez de sua classificação em kW. Para dimensionar corretamente o transformador, três simulações devem ser concluídas; a classificação em kVA do transformador será duas vezes maior que o motor com a maior classificação em kVA, e 1,25 vezes maior que o total de kVA classificado para todas as cargas conectadas ao transformador. Portanto, a corrente total de carga do motor não deve exceder 65% da corrente total de carga do(s) transformador(es). Ao iniciar o motor, não deve haver uma queda de tensão superior a 80 a 85 por cento do kVA do rotor bloqueado do motor dividido pelo kVA de curto-circuito do transformador utilizado para iniciar o motor. Ao usar cargas de drive de frequência variável (VFD), um transformador classificado em K deve ser utilizado, pois transformadores padrão não conseguem lidar com as correntes harmônicas geradas por sistemas de retificação de seis pulsos.
Por que os transformadores são classificados em kVA e não em kW
A classificação é medida em potência aparente, pois o transformador deve lidar com toda a corrente, independentemente de qual carga esteja conectada. As perdas são principalmente incorridas devido à corrente (perda de cobre conforme o cálculo I²R) e à tensão (perda no núcleo), o que não importa se a carga é resistiva ou reativa. No caso de um transformador de 100 kVA alimentando uma carga com fator de potência de 0,8, ele fornece 80 kW, enquanto o mesmo transformador fornecendo uma carga com fator de potência de 0,95 fornece 95 kW de potência. A corrente é a mesma, mas o resultado é diferente.
É por isso que a carga do motor deve ser convertida em kW antes de ser comparada à capacidade do transformador. Em um motor trifásico:
kVA =√3×VL-L×I/1000
Para fase única, elimine o √3. De qualquer forma, o cálculo é a única coisa que deve estar correta antes que qualquer uma das regras práticas se aplique, e o método completo, incluindo a suposição do fator de potência, é trabalhado neste guia para calcular kVA para potência trifásica.
A razão pela qual o termo “dimensionado para a necessidade de kVA” é mais preciso do que parece é que a definição inclui um valor em operação, um valor em condição de partida e um componente harmônico, e o transformador deve suportar todos os três valores simultaneamente.
Os Quatro Números que um Motor Fornece
Tudo a jusante vem de quatro pontos de dados, e três deles estão na placa de identificação. O que cada um significa em termos de classificação é importante aqui, porque os quatro números de um motor não são os mesmos quatro que um transformador é especificado — a diferença é explicada nesta visão geral de o que a classificação de kVA em um transformador realmente representa.
| Número | De onde vem | Para que é usado |
|---|---|---|
| Potência nominal (kW ou HP) | Placa de identificação | Contexto de dimensionamento apenas — não a carga do transformador |
| Corrente de plena carga (FLA) | Placa de identificação, ou Tabelas NEC 430.248 / 430.250 | kVA em funcionamento, e o dimensionamento do condutor 125% |
| Fator de serviço e eficiência | Placa de identificação | Demanda realista em funcionamento |
| Letra do código NEMA | Placa de identificação | kVA de rotor bloqueado por cavalo-vapor — a carga de partida |
A letra do código NEMA é a que as pessoas ignoram, e é a que decide o tamanho. Ela expressa o kVA de rotor bloqueado por cavalo-vapor, e varia por um fator de sete ao longo do alfabeto.
| Letra do código | kVA de rotor bloqueado por HP | Letra do código | kVA de rotor bloqueado por HP |
|---|---|---|---|
| A | 3.15 | J | 7.2–8.0 |
| B | 3.16–3.55 | K | 8.1–9.0 |
| E | 4.6–5.0 | L | 9.1–10.0 |
| F | 5.1–5.6 | M | 10.1–11.2 |
| G | 5.7–6.3 | N | 11.3–12.5 |
| H | 6.4–7.1 | P e acima | 12.6–22.4 |
O código NEMA G refere-se a motores que cumprem os padrões de fabricante NEMA design B, uma vez que a maioria dos motores industriais é projetada sob esses padrões também. O código NEMA A especifica um motor que tem uma corrente de partida baixa, enquanto os códigos N e superiores categorizam motores que colocarão muita pressão sobre transformadores projetados com base nas cargas em funcionamento.
A equação kVA de rotor bloqueado = HP × kVA/HP com base no código dará um kVA neste caso de 30 kVA para um motor classificado em 5 HP do código G, enquanto a carga em funcionamento exige 6,4 kVA, um fator de 5, tornando assim quaisquer cálculos baseados apenas na carga em funcionamento errados por esse fator.
O Método de Partida Muda a Resposta Mais do que o Tamanho do Motor
O mesmo motor executado de quatro maneiras diferentes apresenta quatro casos de carga diferentes para o transformador, e é aqui que a especificação pode ser melhorada sem investir dinheiro no transformador.
| Método de partida | Múltiplo de corrente de FLA | kVA de partida aproximado | Compensação |
|---|---|---|---|
| Direto na linha (DOL) | 6–8× | 5–7× kVA em funcionamento | Torque de arranque total; pior para o transformador |
| Estrela-delta | 2–3× | 2–3× kVA em funcionamento | Reduz o torque de partida para cerca de um terço |
| Partida suave | 1.5–4× | 2–3× kVA em funcionamento | Rampas ajustáveis, menor estresse mecânico |
| VFD | 1–1.5× | 1–1.5× kVA em funcionamento | Harmônicos forçam um transformador classificado K |
Em termos simples, instalar um VFD em um motor de linha direta pode reduzir significativamente a necessidade de transformadores e resultar em custos que, na maioria das vezes, são inferiores ao próximo maior transformador disponível. Esta é a razão pela qual a técnica de partida deve ser considerada ao dimensionar, não apenas ao escolher o painel de controle.
O problema vem de pensar na tecnologia VFD como uma forma de reduzir o tamanho do transformador. Embora a tecnologia elimine o problema de inrush, ela cria o problema de harmônicos. Um transformador padrão de 15 kVA estará superaquecendo devido aos harmônicos de 5ª e 7ª ordem muito antes de o transformador atingir sua capacidade nominal. Nesse caso, um transformador classificado K deve ser usado em vez de um maior.
As Três Regras de Dimensionamento e de Onde Cada Uma Vem
Três diretrizes são empregadas no campo e lidam com preocupações únicas, enquanto um bom design respeita todas as três.
- A diretriz de 2×. Ela afirma que o kVA do transformador deve ser pelo menos 2 vezes maior que o kVA em funcionamento do maior motor. Esta é a regra factual básica em campo que considera o surto de rotor bloqueado em uma partida direta, eixos ou auxiliares simultâneos iniciando, e a impedância do transformador causando queda de tensão antes que o motor comece a girar.
- A diretriz de 1.25×. Ela afirma que o kVA do transformador deve ser pelo menos 125% do kVA total de carga conectada. Isso previne sobrecarga do transformador se tudo estiver ligado.
- A diretriz de 65%. Ela afirma que a corrente de carga total do motor não deve exceder cerca de 65% da corrente de carga total do transformador.
Portanto, pegue o valor maior das duas acima e aplique a regra número 3. A regra 2 se aplica em casos de um motor principal, enquanto a regra 1 se aplica se houver muitos motores pequenos.
| Motor | kVA em funcionamento (aprox.) | Regra de 2× | Tamanho prático em estoque |
|---|---|---|---|
| 7 kW / 5 HP | ~5 kVA | 10 kVA | 10 ou 15 kVA |
| 5 kW / 7.5 HP | ~7 kVA | 14 kVA | 15 kVA |
| 5 kW / 10 HP | ~10 kVA | 20 kVA | 20 ou 25 kVA |
| 11 kW / 15 HP | ~14 kVA | 28 kVA | 30 kVA |
| 15 kW / 20 HP | ~19 kVA | 38 kVA | 45 kVA |
| 22 kW / 30 HP | ~28 kVA | 56 kVA | 63 ou 75 kVA |
Sempre escolha o próximo tamanho padrão acima disso. A diferença de preço entre um tamanho de kVA e o próximo é pequena em comparação com o custo de transientes de troca de ferramentas, sistemas regenerativos de aceleração/desaceleração e futuras atualizações de motores.
Exemplo Prático: 5 HP, Monofásico, Carga de Alta Inércia
Um motor monofásico de cinco cavalos de potência (5 HP), 230 volts (V) alimentando um compressor alternativo. Devido à inércia dos compressores, o motor permanece no estado de rotor bloqueado por vários segundos antes de se tornar operacional.
- Corrente de funcionamento. O Código Elétrico Nacional (NEC) Tabela 430.248 especifica uma corrente de operação de vinte e oito amperes (28 A) para o motor monofásico de 5 HP, 230 V.
- kVA de funcionamento. A fórmula é 230 volts multiplicados por vinte e oito (28 A) dividido por 1000 resulta em kVA igual a seis ponto quarenta e quatro (6.44 kVA).
- Verificação da placa de identificação. O Código da Associação Nacional de Fabricantes Elétricos (NEMA) é G, o que significa que requer de cinco ponto sete a seis ponto três kVA para cada cavalo de potência. Seis (6) kVA deve ser escolhido como a média.
- kVA do rotor bloqueado. kVA igual a cinco HP multiplicado por seis kVA, que é igual a trinta kVA.
- Teste em um transformador de sete ponto cinco (7.5) kVA. A impedância é de quatro ponto cinco por cento (4.5%), portanto, o kVA de curto-circuito seria sete ponto cinco dividido por zero ponto zero quatro cinco igual a cento e sessenta e sete kVA. A queda de tensão é igual a trinta dividido por cento e sessenta e sete igual a dezoito (18%).
- Teste em um transformador de quinze (15) kVA. O kVA de curto-circuito é quinze dividido por zero ponto zero quatro cinco, o que equivale a trezentos e trinta e três (333 kVA). A queda de tensão é igual a trinta dividido por trezentos e trinta e três, o que equivale a nove (9%).
- A questão da regra 65% é uma importante. A corrente de carga total do transformador em caso de transformador de quinze (15 kVA) é sessenta e cinco amperes (65 A). A corrente de carga total do motor é vinte e oito amperes (28 A), o que significa que é quarenta e três por cento (43%) da outra.
O resultado da carga em funcionamento mostrava que o transformador de sete ponto cinco (7.5 kVA) funciona muito bem, mas a carga de partida requer o transformador de quinze (15 kVA). A diferença entre os dois é o ponto básico dos argumentos.
Um aviso sobre os cálculos: a queda de tensão pode ser calculada usando a fórmula Vd = (o kVA de inrush dividido pelo kVA de curto-circuito do transformador multiplicado por 100). Um transformador com a impedância por unidade de quatro ponto cinco (4.5) tem a capacidade de curto-circuito cerca de vinte e duas vezes maior que sua capacidade, o que permite que o kVA de inrush de trinta (30 kVA) opere perfeitamente bem, usando o transformador de quinze kVA. Dois transformadores da mesma capacidade em kVA podem causar diferentes quedas de tensão devido às diferentes taxas de impedância.
Exemplo Prático: 10 HP, Trifásico, em um VFD
Um motor trifásico classificado em 10 HP, 460 V e 14 A de corrente de carga total é operado com um VFD.
- A fórmula para calcular o kVA em funcionamento é kVA em funcionamento = 1.732 × 460 × 14 ÷ 1.000 = 11.16 kVA.
- Quando o motor é iniciado usando o VFD, ele limita a corrente de partida para 1-1.5 vezes a corrente de carga total, assim dando um kVA de partida na faixa de 11–17 kVA.
- A regra de um fator de segurança de 2× para os transientes ainda é seguida, por isso 2× 11.16 = 22 kVA é usado neste caso. Portanto, o kVA real do transformador utilizado será 25 kVA.
- O problema harmônico tomará seu lugar. O retificador de 6 pulsos está produzindo uma corrente distorcida que possui fortes harmônicos de 5ª e 7ª ordens. Assim, o transformador correspondente deve ser classificado como K.
- É preciso ter certeza sobre o fio neutro. Os harmônicos triplos se acumulam no neutro e não se cancelam, portanto, a classificação K correspondente de um transformador deve ser 200%.
Queda de Tensão: A Restrição Que Realmente Decide
É possível que um transformador seja termicamente suficiente, mas ainda assim não funcione corretamente na aplicação, pois os critérios limitantes se resumem a saber se o motor pode ou não fazer seu trabalho. Um motor NEMA Design B pode puxar de 5 a 7 vezes a corrente de carga total quando em rotor bloqueado, mas diminui uma vez que começa a girar. Se a impedância combinada do alimentador e do transformador mantiver a tensão do motor abaixo de 80% do valor nominal, o torque de ruptura falhará e fará com que o motor pare.
Usar opções mais suaves pode ajudar a resolver o problema, dado que localizar o transformador perto do motor reduzirá o comprimento do alimentador e diminuirá a impedância total. Ao aumentar o tamanho do transformador, é importante perceber as economias de custo que resultam disso. Além disso, o método de partida também está entre as soluções baratas quando o método de partida aplicado é um partida suave (2 a 4 vezes FLA) e VFD (1 a 1,5 vezes FLA) usados em vez disso.
O número de queda aceitável é baseado no equipamento a jusante. Motores podem experimentar uma queda de cerca de 15 a 20 por cento, que eles podem suportar. Em relação a um VFD, ele encontrará a situação muito mais desafiadora onde a queda de tensão é de cerca de 10 a 15 por cento. Portanto, caso o VFD e o motor usem o mesmo transformador, é melhor estar em conformidade com o requisito mais rigoroso.
Verificando um Transformador que Você Já Tem
Na maioria das vezes, projetos de retrofit não começam do zero. A tarefa geralmente é se o transformador disponível é capaz de suportar mais um motor ou não.
- Primeiro verifique o kVA e a impedância da placa de identificação (não seus valores presumidos).
- Em seguida, acumule o kVA em funcionamento de toda a carga no lado secundário, incluindo o novo motor.
- Então calcule o kVA de rotor bloqueado do maior motor de acordo com sua letra de código de partida.
- Prossiga para calcular a queda de tensão de acordo com o kVA de curto-circuito do transformador.
- Então verifique se a regra de corrente 65% é obedecida para a carga total conduzida.
- Por último, verifique a margem térmica no ciclo de trabalho antecipado, não em um único ponto.
Quando e se a resposta estiver na borda, você pode decidir tomar um dos três passos possíveis — mudar o método de partida, instalar um transformador separado para o novo motor ou concordar em trabalhar sob carga reduzida. O que você não pode fazer é assumir que o transformador atual tem capacidade sobrante apenas porque ainda não falhou — os tipos de degradação do isolamento são imperceptíveis, mas o resultado geralmente se segue durante a próxima temporada quente. A versão formal dessa avaliação é apresentada neste método para determinar se um transformador atende aos requisitos de capacidade.
Margem Térmica e a Regra de 80%
Transformadores são tipicamente operados em torno de 80% de sua capacidade nominal para operação contínua, o que permite variações nas condições ambientais, perdas harmônicas e sobrecargas ocasionais. Esta é a essência da “regra de 80%” do projeto de transformadores.
Esta regra é mais relevante ao lidar com motores do que com cargas contínuas, como no caso de motores. A operação de cargas de motor consiste em ciclos. Por exemplo, uma máquina-ferramenta trabalha com carga média de 60%, enquanto há picos de 150% durante um corte pesado; um compressor opera a 100% até que o reservatório esteja cheio e, em seguida, funciona ocioso. Assim, todos os cenários acima não podem ser descritos com um único parâmetro matemático. É por essa razão que o modo de ciclo geralmente determina uma melhor engenharia térmica em vez da classificação em kVA — é acompanhado por um aumento de temperatura mais baixo, melhor resfriamento e o design do enrolamento do motor adaptado para operação cíclica. De onde vem essa margem e como ela é construída é abordado nesta nota sobre melhorar a capacidade de sobrecarga e estabilidade do transformador.
A margem de compra ao diminuir a impedância também tem suas limitações. Reduzir a impedância diminui a queda de tensão, mas, por outro lado, aumenta a corrente de falta no secundário, aumentando assim a classificação de cada dispositivo nos circuitos subsequentes. O equilíbrio é alcançado, geralmente em torno de 4–6% no caso de transformadores de distribuição do tipo seco.
O que Colocar na Especificação
Um transformador de alimentação de motor que pode lidar com ocorrências da vida real deve consistir nos seguintes:
- Classificação em kVA calculada usando as três regras e arredondada para a classificação de tensão disponível mais próxima.
- Tensão primária e secundária e faixa de derivação necessárias.
- Impedância explicitamente declarada — 4% ou 6% muda consideravelmente o cálculo da queda de tensão.
- Grupo vetorial e aterramento correspondendo ao acionamento e ao arranjo de aterramento.
- Fator K no caso de qualquer VFD utilizado — K-4 como mínimo e K-13 para cargas dominantes de acionamento.
- A especificação da classe de isolamento e aumento de temperatura feita com isolamento Classe H e aumento grau F ou B no caso de duty cíclico de motor envolvido.
- A classificação neutra deve ser definida em 200% para unidades classificadas em K.
- Declaração de duty e sobrecarga feita para qualquer outra coisa além da placa de identificação.
Dois itens aqui são frequentemente omitidos. O primeiro item é a impedância que é deixada para o fornecedor, de modo que uma mudança importante na operação de partida ocorra. O segundo item é o fator K que foi perdido devido ao fato de que o acionamento foi especificado por outra pessoa separadamente do transformador seis meses depois.
Para um acionamento de motor de média tensão em fornecimento de 6-10kV, geralmente é um transformador seco de resina fundida, pois está localizado em uma sala de máquinas e não transporta óleo para o edifício. As classificações, construção do enrolamento e opções de invólucro para essa classe de unidade estão descritas neste gama de transformadores de distribuição secos de resina fundida para serviço de 6–10 kV.
Perguntas Frequentes
Quais são os tamanhos padrão de kVA para transformadores?
Estão em uso duas formas de escada. O método IEC segue um método R10 de aproximadamente 25% para cada incremento, que são valores aceitáveis de 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1.000, 1.250, 1.600, 2.000 e 2.500 kVA. O método norte-americano segue 15, 30, 45, 75, 112,5, 150, 225, 300, 500, 750, 1.000, 1.500, 2.000 e 2.500 kVA. Existem dispositivos de baixa potência em ambas as escadas de 10 a 50 kVA, tornando impossível controlar a faixa possível em diferentes mercados com o mesmo requisito: por exemplo, o nível de 45 kVA pode ser indicado em uma região, enquanto em outra – em 50 kVA.
Por que os transformadores são dimensionados em kVA?
Porque a corrente não conhece o transdutor de carga é imediatamente afetada devido à corrente instantânea com o tempo e a tensão; significando isso também. Na principal preocupação de todas as classificações, todo kVA é a potência aparente estatutária da classificação do equipamento sem uma condição de superaquecimento. Ao comparar qualquer motor e classificações de transdutores, essa é também a razão ideal pela qual a classificação em kW do motor deve ser convertida em kVA.
Qual classificação de kVA é necessária para um transformador?
Qual é a regra 80% para transformadores?
A prática padrão é que, ao operar um transformador continuamente, ele não deve ser carregado acima de 80% de sua classificação em kVA; menos de 80% do kVA nominal permitiria margem suficiente para temperatura ambiente extrema (considerando que a temperatura padrão é de 30 °C), perdas harmônicas causadas por cargas não lineares e sobrecarga de curto prazo. Nesse caso, refere-se a um conselho em vez de um código, pois o verdadeiro limite é a temperatura do enrolamento do transformador, significando que a classe de isolamento e o aumento de temperatura são tão importantes quanto o valor de kVA.
Referências
- NFPA — NFPA 70 Código Elétrico Nacional, Artigo 430 circuitos de motores e Tabelas 430.248 / 430.250
- NEMA — letras do código de placa do motor e classificações de kVA de rotor bloqueado por potência
- Eaton — dimensionamento de transformadores, seleção de fator K e orientação sobre aplicação de perdas harmônicas
- Schneider Electric — dados de especificação de transformadores secos e orientação sobre dimensionamento de carga de motor
- Electrical Engineering Portal — dimensionamento de transformadores e cálculo de queda de tensão para partida de grandes motores
- UL Solutions — transformadores secos UL 1561 e classificações de K-fator reconhecidas
- Comissão Eletrotécnica Internacional — série IEC 60076 para transformadores de potência e IEC 60034 para máquinas rotativas
- Departamento de Energia dos EUA — orientações sobre sistemas de motores e eficiência de transformadores
Conclusão
Os transformadores são selecionados com base em sua capacidade de kVA, e cuidados são tomados na seleção do transformador adequado que considere não apenas o tamanho de kVA do motor elétrico, mas também seu tipo de aplicação (como será iniciado) e características de operação. A nova classificação de kVA transformada deve refletir o valor total de kVA do motor, incluindo todas as fontes de energia elétrica (por exemplo, correção do fator de potência/potência reativa) e kVA de rotor bloqueado (ou a condição de operação ‘pior caso’). Ao comparar isso com motores de indução padrão, que normalmente utilizam o método de substituição de dois pontos (para classificação de kVA e rotores bloqueados), há também outro tipo de kVA, a corrente harmônica baseada no ‘K-fator’ de um VFD. Ao calcular a capacidade de kVA, também devemos considerar uma queda de tensão, pois isso pode ocorrer (apesar de o transformador ser termicamente capaz) e pode resultar em tensão terminal insuficiente para iniciar o motor. Isso se aplica a motores elétricos variando de 5HP a 500HP ou maiores.