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7/23/2019 Transformadores e Fator de Potncia - Saber Eletrnica Online

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14/08/2015 Transformadores e Fator de Potncia - Saber Eletrnica Onli ne

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Transformadores e Fator de Potncia

Transformadores s o encontrados em uma infinidade de aplicaes. Al imentados por tenses a lternadas esses

dispositivos apresentam caractersticas que levam necessi dade de entender o que o Fator de Potncia. Nesse

artigo abordamos os dois as suntos de forma bastante didtica.

Os trans formadores so disipositivos formados por duas bobina s enroladas em um ncleo comum. Para operao

em baixas freqncias da rede de energia o n cleo de ferro lamina do (ferro doce) enquanto que para operao em

freqncias mais al tas o n cleo de ferrrite. Nafigura 1temos o smbolo utilizado para representar um

transformador monofsico a ssim como seu aspecto para tipos de baixa potncia utilizados na alimentao de

circuitos eletrnicos.

Quando aplicamos uma tenso alternada na bobina de entrada, denominada primrio, uma tenso cujo valor

depende da relao entre o nmero de espiras das duas bobinas induzida na bobina de sada (denominada

secundrio) . Assim, s e a bobina de sada tiver o dobro do nmero de espiras da entrada, a tenso de sa da ser

dobrada, conforme mostra afigura 2.

Da mesma forma, s e tiver metade do nmero de espiras, a tenso ser reduzida metade. Veja entretanto que o

transformador, como qualquer dispositivo eletrnico, no pode criar energia. Assim, se obtermos um ganho de

tenso, a corrente disponvel passa r a ser metade. Por exemplo, se um tansformador eleva uma tenso de 110 V

para 220 V, quando exigimos uma corrente de 1 ampre do secundrio, a corrente no primrio ser 2 ampres. O

produto tenso 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 pas sagem da energia de um enrolamento para outro. Essas

perdas normalmente traduzem- se em calor, e para um transformador comum varia entre 2% e 5% da potncia

transferida.

Os transformadores podem ter mais de um enrolamento secundrio, ou enrolamentos com derivaes, conforme

ilustra a figura 3.
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No primeiro caso (a) temos um enrolamento com uma bobina dotada de derivao central. Se tomarmos a derivao

central ou CT (Center Tape) como referncia, a s fases das tenses das duas extremidades das bobinas esto em

oposio. Temos ento um transformador bifsico. No segundo cas o (b) temos um transformador trifsico, muito

utilizado nas aplicaes industriais que tanto a entrada como a sada so trifsicas, porm com tenses diferentes.

Os trans formadores admitem a ligao de seus enrolamentos em tringulo, estrela e em zigue-zague. Veja na

figura 4essas trs formas de ligar um transformador trifsico. Tanto a ligao em tringulo como a ligao zigue-zague so mais utilizadas quando precisa-se alimentar cargas desequilibradas.

Isolamento

Uma caracterstica de extrema importncia para os trans formadores comuns o is olamento que proporciona entre

a entrada e sada de um circuito. Como o enrolamento de entrada e de sada so isolados, pois a transferncia de

energia se fa z por campo magntico, podemos isola r completamente um circuito da rede de energia, tornando-o

assim seguro para a operao, mesmo para o caso de toque acidental em suas partes, observe a figura 5.

O uso de transformadores para isolar circuitos portanto uma prtica comum na eletrnica. Veja entretanto que

existem transformadores em que existe uma parte do enrolamento que comum entrada e sada, conforme mostra

a figura 6.
http://www.sabereletronica.com.br/files/image/fig_3_transformadores.jpghttp://www.sabereletronica.com.br/files/image/fig_4_transformadores.jpg


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Esses s o denominados auto-transformadores e a lteram apenas as tenses sem proporcionar isolamento entre os

circuitos de entrada e sada. A vantag em do uso do auto-transformador est no fa to de economizar na pa rte do

enrolamento que comum entrada e sa da de tenso.

Fator de Potncia

Quando uma tenso senoidal aplicada em uma carga resistiva, ilustrada na figura 7, a corrente circulante pela

carga acompanha instantaneamente as variaes da tenso. Tenso e corrente esto em fase neste circuito.

No entanto, a maioria dos circuitos alimentados pela corrente alternada disponvel em uma rede no se comporta

como uma resistncia pura. Tais circuitos possuem caractersticas indutivas ou capacitivas. o que ocorre, por

exemplo, com motores e transformadores que operam baseados em ca mpos magnticos criados por bobinas.

Nesses dispositivos ou circuitos, a corrente no acompanha as variaes da tenso de forma instantnea, mas

apresenta um retardo ou adiantamento. Veja a figura 8.

O resultado dessa defasa gem uma diferena entre a potncia ativa, aquela que realmente transformada em

trabalho, e a potncia aparente, que a medida. A diferena entre as duas a potncia reativa. Se representarmos a

potncia reativa, a potncia real e a potncia aparente, teremos um ngulo () que utilizado para in dicar o fator de

potncia. O fa tor de potncia (FP), que varia entre 0 e 1, dado por:

Esse fator positivo se o circuito alimentado possuir caractersticas indutivas e negativo se for capacitivo.

O melhor aproveitamento em um circuito de corrente alternada ocorre quando o ngulo de defasagem 0 e portanto

seu cosseno 1. Nesse caso, 100% da energia aplicada convertida em trabalho. Na prtica, entretanto,

dificilmente isso ocorre com os equipamentos de ins talao industrial. As sim, a portaria 1569/BNAEE estabelece


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que as indstrias devem possuir o fator de potncia de s uas ins talaes controlado, ficando dentro dos limites de

0,92 para cargas indutivas e capacitivas.

importante observar que um dos problemas que o profissional da manuteno, principalmente industrial, vai

defrontar a correo dos fatores de potncia da s diversas mquinas de uma pla nta de modo que fiquem dentro dos

limites estabelecidos pela lei. Para cargas indutivas comum fazer a compensao desse fator com bancos de

capacitores, conforme os grficos de correo da figura 9.

Veja que o efeito na defasagem da corrente, em relao tenso, introduzido por um capacitor oposto daquele

inserido pela presena de um indutor, da a possibilidade de fazer a correo utilizando esse componente.

Qualidade da Energia

A forma de onda da tenso a lternada fornecida pela rede de energia eltrica, em teoria, deve ser senoidal com uma

freqncia de 60 Hz, conforme ilustra a figura 10.

Entretanto, por diversos motivos como, por exemplo, a utiliza o de dispositivos que empregam fontes chaveadas ou

ainda dispositivos de comutao de potncia muito rpidos como os que fazem uso de TRIACs e SCRs, as formas de

onda das correntes e tenses encontradas em uma instala o eltrica podem sofrer alteraes deixando de ser

limpas ou puras.

Essas alteraes podem afetar sens ivelmente o funcionamento de equipamentos sens veis liga dos, a limentados pela

mesma rede de energia, e at dos prprios causadores dos problemas. Nas indstrias, onde a quantidade de

equipamentos ali mentados, que podem causar deformaes grande, a preocupao em medir e controlar a

qualidade da energia importante, exig indo uma constante monitorao ou anl ise quando constatado qualquer

tipo de anormalidade no funcionamento de um equipamento, cuja causa poss a estar na energia usada.

Normalmente, a verificao da tenso que est presente em uma rede de alimentao de mquinas feita com a

ajuda de um multmetro. Mede-se a tenso de modo que possa ser comparada com o valor esperado. No entanto, o

multmetro comum no atende s necessidades do tcnico ou engenh eiro que precisa medir a energia de uma rede

que tenha problemas de deformaes das correntes e tenses, trans ientes ou surtos. Conforme descrevemos a seguir,

os multmetros utilizados na an lise da qualidade da energia devem possuir caractersticas especiais.

Harmnicas

Conforme explicamos, uma tenso alternada considerada pura ou limpa aquela que tem uma forma de onda

perfeitamente senoidal, sendo gerada por um alternador ideal. Na prtica, entretanto, a s prprias caractersticas do

alternador e do circuito por onde deve passa r a energia gerada faz ocorrer deformaes como as ilustradas na

figura 11.


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O matemtico ingls Fourier demonstrou que um sinal (de qualquer forma de onda), na realidade, pode ser

decomposto em componentes formados por sina is s enoidais de a mplitudes e freqncias diferentes.

Temos ento uma componente fundamental e componentes harmnicas que possuem valores mltiplos do sina l

fundamental. Essas componentes de valores mltiplos so denominadas componentes ha rmnicas ou

simplesmente harmnicos.

Obs: Veja que na literatura tcnica quando utilizamos o termo harmnicas estamos nos referindo s componentes

harmnicas e quando usamos o termo harmnico, igualmente correto, estamos nos referindo aos s inais

harmnicos.

Assim, o s inal que tem o dobro da freqncia fundamental denominado segunda harmnica, o que tem o triplo

chamado terceira harmnica, e ass im por diante. Demonstra-se tambm que o inverso vlido: podemos sintetizar

um sinal de qualquer forma de onda a partir da combinao de um sinal senoidal fundamental e de sina is senoidais

de freqncias mltiplas com amplitudes diferentes.

Dessa forma, uma tenso alternada que tem uma deformao, como a indicada na figura 12pode ser analisada,

como formada por uma tenso na frequncia fundamental de maior amplitude (60 Hz) e diversas outras tenses de

menor amplitude com freqncias mltiplas denominadas harmnicas.

Observe ento que uma deformao de uma tenso s enoidal indica a presena de tenses harmnicas , ou seja, de

freqncias que no s o a origin al da rede de energia. Esse fato que se torna perigoso para a integridade de

algumas mquinas e circuitos na indstria. A deformao de um sinal medida pela Taxa de Distoro Harmnica,

ou abreviadamente THD, normalmente expressa na forma de uma porcentagem (%). A taxa de distoro harmnica

total de um sinal ou forma de onda calculada pela seguinte expresso:

Dependendo da forma de onda, as h armnicas podem estender-se a valores muito alto de freqncias causando

interferncias em equipamentos de comunicaes.

Na tabela a seguir temos as harmnicas e suas intensidades relativas para um sinal que obtido na sa da de um reti

cador de onda completa. Esse sinal consiste numa onda cuja forma mostrada na figura 13.


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O processo de clculo dessas intensidades envolve a Transformada de Fourier, atravs da qual possvel determinar

o coeficiente ou intensidade relativa de cada harmnica, partindo-se da funo que descreve a forma de onda

analisada.

Um controle de potncia que empregue SCR ou TRIAC um exemplo disso. A comutao rpida desses dispositivos,

gerando na carga uma tenso com forma de onda como a indicada na figura 14, tambm responsvel pela

produo de harmnicas que se estendem at a faixa de VHF de TV.

Um controle de potncia desse tipo causa interferncias em televisores. Essa interferncia s e manifesta na forma de

pequenos riscos na imagem. O mesmo ocorre com liquidificadores, barbeadores e equipamentos industriais que

controlem cargas de potncia, principalmente indutivas como motores.

Problemas causados pela energia Suja

No s o somente interferncias que causam uma tenso alternada com deformaes ou distores, e que a tornam

rica em harmnicas.

Se um equipamento for alimentado por uma tenso no pura que tenha uma taxa de distoro harmnica elevada,

podero ocorrer perdas de energia. Os trans formadores, em especial, so componentes sens veis a este problema

podendo apresentar at mais de 50% de perda se forem alimentados com uma tenso muito distorcida. As cargas

alimentadas por tenso distorcida podem ter ainda um fator de potncia muito pobre sobrecarregando o sis tema.

Os controles de potncia com TRIACs s o exemplos desses dispositivos que podem ter seu desempenho melhorado

com o uso de choques, os quais suavizam a forma de onda da energia cons umida, diminuindo as sim a THD .

Outro problema a ser considerado que as harmnicas de corrente podem tambm distorcer a forma de onda da

tenso, e com iss o isso ca usar harmnicas. Distores da tenso podem afetar motores eltricos e bancos de

capacitores. Nos motores eltricos, por exemplo, a seqncia negativa de harmnicas (5., 11. , 17. , etc.) assim

chamada porque sua seqncia (ABC ou ACB) oposta seqncia fundamental, conforme ilustra a figura 15,

produz campos magn ticos rotativos. Estes campos rodam na direo oposta ao campo magntico fundamental e

podem causar no somente um sobreaquecimento do motor como at oscilaes mecnicas no sis tema motor-carga.


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No caso dos bancos de capacitores, o que acontece que a reatncia de um banco de capacitores diminui com o

aumento da freqncia, fa zendo que ele drene energia a travs das ha rmnicas de maior freqncia. Esse aumento

de energia drenada pelos capacitores pode causar perdas e s obrecargas no dieltrico, capazes a t de levar os

capacitores a uma falha. Quanto aos de equipamentos que operam com apenas uma fas e, tais como computadores

pessoais, reatores e outros, os problemas tambm existem. Para esses equipamentos so especialmente danosas as

harmnicas mpares como o 3., 5., 7., etc. Temos tambm a ao danosa dos harmnicas denominadas triplas

que so a 3., 9. e 15.. Essas harmnicas esto em fase, o que quer dizer que a primeira fase (A) triplica as

harmnicas, a (B) triplica novamente e a (C) faz uma multiplicao fin al, de modo que todas a s trs retornam em

fase pelo condutor de neutro num sistema de 3 fas es com 4 condutores. O resultado disso uma sobrecarga do

condutor de neutro, o que pode sign ificar problemas se ele no estiver devidamente dimensionado para suportar esta

corrente adicional.

O mesmo problema pode surgir em transformadores com enrolamento em delta onde as harmnicas so refletidas

para o primrio causando sobreaquecimento semelhan te ao que acontece quando temos uma corrente trifsica n o

balanceada. Uma maneira importante de verificar se existem correntes harmnicas numa ins talao medindo-a

no condutor neutro da instala o trifsica, num sistema de 4 fios. No entanto, uma elevada distoro ha rmnica da

forma de onda da tenso disponvel na rede de energia s trar problemas se o s istema no tiver sido projetado para

manuse-la.

Em geral, THDs de at 8% no representam problemas para os equipamentos, mesmos os mais sens veis. Um

condutor de neutro, assi m como qualquer outro, a presenta uma impedncia que, no valor fundamental da tenso darede no significativa, mas essa impedncia poder assumir valores relevantes, significando produo de calor e

perda de energia em freqncias mais altas como as de harmnicas mais elevadas. preciso ficar a tento ao

fornecimento de energia li mpa para os equipamentos de instalao, principal mente onde existem equipamentos

sensveis sendo alimentados.

* Originalmente publicado na revista Eletrnica Total n 134 jan/fev /2009.
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