Quando um fabricante de têxteis em Bangladesh adotou máquinas de ponta do Japão, essas máquinas foram projetadas para operar em 200 volts nominais, três fases. No entanto, o fornecimento local da fábrica era de 400 volts, três fases, como é padrão no Sul da Ásia. Um transformador típico de redução teria modificado o fornecimento da fábrica de 400 volts para 200 volts, uma vez que o fornecimento da fábrica era irregular, e a queda de tensão para um máximo de 370 volts em períodos de pico criava problemas para as máquinas de 200 volts. Ficou claro que um simples transformador de redução não funcionaria aqui. O que era necessário, em vez disso, era um transformador elevador com um enrolamento secundário com derivação. Tal transformador fornece um meio de adicionar ou subtrair uma porcentagem da tensão primária e, assim, alterar parâmetros para compensar a queda de tensão. O transformador elevador foi configurado para fornecer 10 por cento adicionais da tensão de entrada, fornecendo uma tensão constante de 200-220 volts para as máquinas de tecelagem, independentemente de quaisquer flutuações no fornecimento. O problema com a sub-tensão e questões de superaquecimento cessou, e a fábrica voltou ao desempenho normal.
Resumo: Um transformador elevador é utilizado para modificar o fornecimento de tensão dentro de uma faixa aceitável de +5% a -20%, enquanto processa apenas a parte modificada da energia; portanto, é muito menor e mais barato em comparação com um transformador padrão de carga kVA igual. As soluções mais adequadas para o mercado internacional são unidades de transformadores buck-boost padrão pré-configuradas usadas para correção de tensão, transformadores personalizados para aplicações industriais e não padrão, e equipamentos integrados de regulação de tensão com comutadores automáticos para casos de instabilidade no fornecimento.
O que um Transformador Elevador Faz — e Como Ele Difere de um Transformador de Redução ou Elevação Padrão
Independentemente do fato de elevarem ou abaixarem a tensão, praticamente todo transformador é composto por um enrolamento primário, um enrolamento secundário e um núcleo magnético. A diferença entre os enrolamentos primário e secundário é que eles não estão conectados eletricamente, enquanto a tensão do enrolamento secundário é uma certa proporção fixa da primária, que é definida por uma relação de espiras. Se a tensão primária mudar, a secundária também muda automaticamente. Não faz sentido esperar que o transformador regule a tensão de entrada: ele não faz nada além de passar as flutuações da tensão de entrada para a saída. O princípio de operação dos transformadores elevadores, no entanto, é diferente. Esses transformadores são conectados de forma que sua tensão secundária será adicionada ou subtraída da tensão primária, alcançando assim uma tensão de saída que difere da tensão de entrada por um valor específico. Além disso, os transformadores elevadores não são destinados a converter toda a eletricidade da carga de uma tensão para outra: sua aplicação é limitada a ajustar uma leve incompatibilidade entre tensões. Por exemplo, um transformador elevador pode mudar uma tensão de entrada de 208 volts para uma tensão de saída de 240 volts, ou converter 480 volts em 416 volts, ou manter uma tensão de saída de 400 volts quando recebe uma entrada de apenas 370 volts, etc. O principal benefício econômico de um transformador elevador é que você não precisa comprar um transformador capaz de lidar com toda a carga. O transformador elevador, em vez disso, precisa apenas ser capaz de lidar com a diferença entre a tensão requerida e a tensão de fornecimento real.
A conexão padrão para um transformador elevador é o autotransformador, no qual uma única bobina serve tanto como entrada quanto como saída. A bobina possui um ponto de derivação do qual a tensão de saída é retirada entre a extremidade da bobina e o ponto de derivação. O autotransformador é muito eficiente em construção, pois requer menos cobre, menos aço para o núcleo e menos isolamento, em comparação com outros transformadores isolantes. No entanto, ele não fornece isolamento galvânico entre a entrada e a saída; elas estão conectadas através de um condutor comum e qualquer falha que ocorra na entrada será observada na saída. No entanto, isso pode não ser um problema para muitas aplicações em indústrias, pois o equipamento já possui disjuntores e o isolamento não é uma preocupação de segurança ou funcional. O comprador deve estar ciente dessa limitação e concordar com ela. Quando o isolamento galvânico é exigido pela aplicação (por exemplo, em um hospital, em um laboratório ou em circuitos que exigem que a saída esteja flutuando em relação ao solo), o comprador deve solicitar um transformador elevador projetado separadamente que tenha enrolamento isolante.
Além do autotransformador, pode-se usar um transformador de duas bobinas. Esta variante oferece as mesmas vantagens mencionadas acima, mas possui uma bobina totalmente isolada. O transformador booster isolado tem a mesma capacidade de corrigir a tensão (adicionando ou subtraindo uma porcentagem da tensão de entrada), mas ao mesmo tempo garante isolamento galvânico. Projetos isolados são destinados ao uso em equipamentos de diagnóstico médico, instrumentos de laboratório sensíveis a ruídos de terra, circuitos onde há necessidade de condição flutuante da saída. Mas o transformador booster isolado tem suas desvantagens — tamanho, peso e custo. Portanto, é aproximadamente 50-80% maior e mais pesado que o autotransformador da mesma classificação em kVA, o que significa que o comprador paga mais por isso. Compradores que precisam de isolamento galvânico devem perceber essa compensação ao adquirir um transformador isolado; compradores que não precisam de separação devem procurar outra solução.
Para uma introdução à gama completa de tipos de transformadores e suas aplicações específicas, consulte o catálogo de produtos em Subian Elétrico, que inclui transformadores booster, transformadores de isolamento, transformadores de distribuição e transformadores de potência especiais para o mercado global.
Onde os Transformadores Booster São Usados: As Aplicações Globais Mais Comuns
A tabela abaixo resume as aplicações mais comuns para transformadores booster em diferentes indústrias e regiões, a incompatibilidade de tensão que o transformador corrige e a configuração típica que é especificada.
| Aplicação | Incompatibilidade de Tensão | Configuração Típica do Booster |
|---|---|---|
| Conversão de 208 V para 240 V na América do Norte | Um edifício comercial ou uma instalação industrial leve é alimentado com 208 V trifásico da concessionária, mas o equipamento HVAC, os compressores ou as ferramentas de máquina requerem 240 V. A diferença de 32 volts não pode ser corrigida por um transformador padrão; é uma aplicação clássica de booster. | Trifásico, 208 V para 240 V, conectado a autotransformador. Transformadores buck-boost pré-configurados padrão estão disponíveis de todos os principais fabricantes elétricos da América do Norte para esta combinação específica de tensão, em classificações de 0,5 kVA a 15 kVA. |
| Correção de tensão na extremidade da linha em longas alimentações de distribuição rural | Um cliente no final de uma longa alimentação de distribuição recebe uma tensão que está abaixo do valor nominal, particularmente durante períodos de pico de carga. A concessionária instala um transformador booster no poste ou em uma base para elevar a tensão ao nível nominal. | Monofásico, montado em poste ou montado em base, preenchido com óleo, com um trocador de tomadas automático. O transformador aumenta a tensão por uma porcentagem fixa, e o trocador de tomadas ajusta a relação à medida que a tensão de entrada varia. |
| Equipamento industrial projetado para uma tensão estrangeira | Uma fábrica em um país de 400 volts (a maior parte da Europa, Ásia, África) importa uma máquina que foi projetada para 480 volts (América do Norte), ou uma fábrica em um país de 480 volts importa uma máquina que foi projetada para 400 volts. A incompatibilidade de tensão é tipicamente de 10–20%, que está dentro da faixa de um transformador booster. | Trifásico, 400 V a 480 V (ou 480 V a 400 V), conectado em autotransformador, dimensionado para a corrente de carga total da máquina e a porcentagem de aumento de tensão. O transformador é tipicamente instalado no painel de controle da máquina ou em um gabinete separado adjacente à máquina. |
| Estabilizando um fornecimento flutuante para equipamentos sensíveis | Um centro de dados, um laboratório ou uma instalação médica possui equipamentos que não podem tolerar uma variação de tensão superior a ±5%, mas o fornecimento local varia em ±10% ou mais. Um transformador de reforço com um trocador de tomadas automático, ou um pacote de regulação de tensão integrado, corrige a variação. | Trifásico, com um trocador de tomadas automático, um relé de detecção de tensão e um sistema de controle. O transformador monitora a tensão de entrada e ajusta a razão de aumento para manter a tensão de saída dentro da tolerância exigida. Esta é a solução de reforço premium, e é mais cara do que uma unidade de razão fixa, mas fornece a estabilidade de tensão que o equipamento requer. |
Como Dimensionar Corretamente um Transformador de Reforço
Determinar o tamanho de um transformador de reforço difere de determinar o tamanho de um transformador de isolamento comum pelo fato de que o primeiro só funciona com a igualdade da parte sendo reforçada e não a carga total. O processo de dimensionamento do transformador é o seguinte. Comece estimando a corrente de carga, ou seja, a quantidade máxima de corrente sendo consumida pela carga em questão. Dado que, em prontidão, o equipamento só consumiria uma certa quantidade, essa informação pode ser adquirida do equipamento ou obtida através de cálculos simples, tendo o kVA ou a potência do equipamento à sua frente. Em seguida, você precisa entender qual é a quantidade de reforço – quanto mais de tensão é necessário para alcançar o valor de saída que você atribuiu. Por exemplo, se você obtiver 208 V na entrada e esperar ter a tensão de 240 V na saída, você terá 32 V de valor de reforço. Se a entrada mudar, então o cálculo deve ser feito considerando o menor valor possível.
Após determinar essas variáveis, você poderá calcular o kVA do transformador de reforço usando a seguinte fórmula: kVA do Reforço = (Corrente em amps × Tensão de Reforço em volts × √3 para trifásico)/1.000. No caso de uma carga trifásica de 50 amps e valor de reforço de 32 V, o kVA final do transformador será igual a kVA = (50 × 32 × 1.732)/1.000 = 2.77 kVA.
Em seguida, você deve verificar a próxima classificação de kVA disponível, que pode ser geralmente maior do que a sua. Nessa situação, o menor transformador que você pode encontrar terá a taxa de kVA de 3. Assim, o cliente que comete o erro de selecionar 20.8 kVA em vez de 2.77 pagaria muito mais do que o necessário apenas por nada. Para ajuda com o cálculo específico para qualquer combinação de tensão e carga, os guias de aplicação publicados por fabricantes como Eaton e Schneider Electric fornecem tabelas de dimensionamento detalhadas e exemplos, e a equipe de suporte técnico em Subian Elétrico pode ajudar na seleção do transformador de reforço correto para qualquer aplicação.
Selecionando o Melhor Transformador de Reforço para Suas Necessidades Específicas
Ao determinar qual transformador de reforço é o mais adequado para um projeto específico, além do cálculo de dimensionamento necessário, muitos outros fatores entram em jogo. O tipo de invólucro, bem como a classificação ambiental, devem corresponder à localização: o invólucro NEMA 1 é adequado para uma sala elétrica interna seca; o invólucro NEMA 3R deve ser usado para operação externa; o invólucro NEMA 4X em aço inoxidável é necessário para áreas de lavagem em fábricas de alimentos, laticínios ou farmacêuticas; NEMA 7 ou NEMA 9 são as especificações para quaisquer locais perigosos (classificados) nos quais gases, vapores e poeiras inflamáveis possam estar presentes. O material dos enrolamentos — seja cobre ou alumínio — determina o tamanho do transformador, sua eficiência e seu preço. Os enrolamentos de cobre são melhores em termos de condutividade e, portanto, levam a um transformador menor e mais eficiente em termos de energia, enquanto o cobre custa mais do que o alumínio. O transformador com enrolamentos de alumínio é mais barato e leve do que o com cobre, no entanto, seu tamanho e perdas de energia são maiores. Quando o dispositivo está normalmente carregado, as economias de energia que o cobre proporciona superam seu preço; no entanto, para um transformador usado periodicamente, faz sentido usar alumínio. A frequência deve ser especificada corretamente: o transformador criado para 60 Hz irá superaquecer se usado para 50 Hz na mesma tensão, porque um núcleo maior é necessário para evitar saturação. O transformador de 50 Hz pode ser usado na frequência de 60 Hz sem superaquecer, no entanto, as perdas aumentarão ligeiramente. Finalmente, a norma relevante (IEC 60076, IEEE C57.12.01, CSA C9 ou uma norma nacional local) deve ser determinada, uma vez que prevê os procedimentos de controle e a documentação que o fabricante deve fornecer. Portanto, um transformador não certificado será rejeitado independentemente de suas especificações de desempenho.
Para um comprador global que lida com fornecedores de todo o mundo, adquirir equipamentos certificados e testados é muito mais importante do que obter suas especificações elétricas. O fabricante respeitado é obrigado a fornecer o documento do relatório de teste de rotina para cada transformador. No caso de compra de transformador projetado sob medida ou grandes quantidades de produtos, a certificação de teste de tipo de laboratório independente, relatórios de garantia para os materiais do núcleo e dos enrolamentos, bem como o relatório de inspeção de fabricação são necessários. Um comprador que adquiriu um transformador sem todos eles se envolve em um risco.
Perguntas Frequentes
Qual é a diferença entre um transformador de reforço e um transformador elevador?
Um transformador elevador aumenta a tensão em uma relação ou nível específico, por exemplo, a tensão pode ser elevada de 240 V para 480 V corrigindo-a para o nível adequado de tensão de saída. Um transformador de reforço pode aumentar ou diminuir o nível de tensão em uma baixa porcentagem entre 5% a 20%. Ele é construído para lidar apenas com essa parte aumentada da energia de carga, mas não com a carga total. Transformadores do tipo reforço geralmente são menores em tamanho, peso e preços do que os transformadores elevadores.
Um transformador de reforço pode ser usado ao contrário para reduzir a tensão?
Sim. Um transformador de reforço pode ser usado para diminuir ou reduzir a tensão em vez de aumentá-la. Um transformador com as mesmas conexões também pode ser aplicado de uma maneira diferente para aplicar a tensão secundária para aumentar ou reduzir a partir do primário. Diferentes conexões são mostradas nos diagramas de fiação onde o instalador pode escolher qual conexão será usada na aplicação.
Um transformador de reforço fornece isolamento elétrico?
Um transformador de reforço que é configurado como um autotransformador — com uma única bobina servindo como primário e secundário — não fornece isolamento elétrico entre a entrada e a saída. Se a aplicação exigir isolamento, um transformador de reforço com um design isolante (de duas bobinas) deve ser especificado, e a conexão do autotransformador não deve ser usada. O comprador deve confirmar a exigência de isolamento antes de solicitar o transformador.
Qual é o prazo típico para um transformador de reforço personalizado?
Um transformador projetado sob medida (definido como um transformador que é construído de acordo com requisitos específicos em relação aos valores de tensão de entrada e saída, classificações de kVA ou especificações ambientais) geralmente é fabricado com um prazo de 8 a 14 semanas após a aprovação dos desenhos de fabricação. Por outro lado, um transformador padrão que está disponível em estoque ou com um prazo de 1 a 3 semanas de grandes empresas elétricas, é um transformador projetado para limites de tensão comuns, como 208 V ou 240 V.
Referências
- Eaton — Guia de Aplicação de Transformadores Buck-Boost. Fabricante de transformadores de reforço padrão e personalizados, com tabelas de dimensionamento detalhadas, diagramas de fiação e orientações de aplicação para as combinações de tensão mais comuns.
- Schneider Electric — Transformadores de Correção de Tensão. Fabricante de transformadores de reforço e buck-boost para o mercado global, com documentação técnica cobrindo a conexão do autotransformador, a metodologia de dimensionamento e os requisitos de instalação.
- IEEE C57.12.01 — Padrão para Requisitos Gerais para Transformadores de Distribuição e Potência do Tipo Seco. O padrão IEEE que define os requisitos de design, teste e desempenho para transformadores do tipo seco, incluindo unidades de reforço e buck-boost.
- IEC 60076 — Transformadores de Potência. A série de normas internacionais que define os requisitos de design, teste e desempenho para transformadores de potência e distribuição, adotada na Europa, Ásia, África e Oriente Médio.
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