O que é um transformador com boa regulação de tensão?

Transformadores devem possuir idealmente regulação nula, porém, devido às características físicas do dispositivo real, na prática isso é impossível em um equipamento sem ajuste na relação de transformação

Os transformadores podem ser utilizados para diversos fins, porém o termo regulação de tensão é empregado comumente quando se refere a análise de desempenho dos transformadores de potência, também chamados de transformadores de força. Estes são construídos para transferir grande potência tipicamente aumentado a tensão (trafos elevadores em subestações de geração), reduzir a tensão (trafos abaixadores em subestações de distribuição) ou transformadores reguladores. Estes podem ser abaixadores, aumentadores ou de relação de transformação unitária na condição nominal, porém permitem que a quantidade de espiras seja variada com o propósito de garantir que a tensão nos terminais do secundário estejam sempre dentro das especificações desejadas.

Em um transformador ideal, cujos condutores e núcleo possuem respectivamente resistência elétrica e reatância magnética[1] nulas, não há queda de tensão devido à lei de Ohm (V=RI), dado que nenhuma oposição à passagem de corrente é criada pelos condutores dos enrolamentos primário e secundário, bem como não há queda de tensão devido à dispersão de fluxo magnético, já que toda e qualquer linha de força do campo magnético fica confinada no núcleo magnético do transformador. Obviamente essa não é a condição de operação dos dispositivos físicos reais.

Os transformadores reais possuem, entre outras não idealidades não tratadas no presente texto para não fugir do tópico principal, condutores que são feitos de materiais com resistividade e núcleos com permissividade magnética finita[2], o que faz com que haja resistência nos condutores e dispersão de fluxo magnético, já que a relutância do núcleo, ainda que baixa em comparação com a do ar no entorno do trafo, não é capaz de confinar todas as linhas de força do campo magnético.

O modelo do transformador considerando as referidas quedas de tensões é mostrado na ilustração abaixo. Este modelo é utilizado para estudo de regulação de tensão, que nada mais é do que a investigação do quanto a tensão do secundário de um transformador se afasta do valor nominal quando há variação da carga, sendo a condição mais importante a análise com carga com potência nominal aparente e fator de potência variando em todas as possibilidades: capacitivo, unitário e indutivo.

O próprio modelo do transformador permite a avaliação da tensão no secundário, que é dada por:

V2 = (1/a) x [(Req+jXeq) x I2]

Sendo Req as resistência dos enrolamentos primário e secundário somadas (ambas referidas ao secundário), I2 o fasor corrente do secundário (mesma da carga) e a V2 o fasor tensão nos terminais do secundário. Em um transformador ideal Req+Xeq=0 e a relação de tensão é fixa, independentemente da corrente de carga. Em um transformador real, há uma queda de tensão que precisa ser avaliada: a próxima figura contém três ilustrações considerando a relação de transformação unitária, pois para este trafo na condição ideal V1=V2.

As ilustrações acima, com uma tensão fixa aplicada no primário, mostram claramente que quando a carga possui FP fortemente indutivo (I2 atrasada em relação à V2) a tensão no secundário decai, quando o fator de potência é unitário (I2 em fase em relação à V2) ela decai, mas pouco, enquanto que quando o fator de potência é fortemente capacitivo (I2 adiantada em relação à V2) a tensão no secundário é elevada. Quanto intenso forem os FP (indutivo ou capacitivo) e quanto maior for a impedância equivalente série, também conhecida como impedância de curto-circuito, mais a tensão do secundário se afastará do seu valor nominal.

Um transformador de boa regulação deve ter a menor impedância série equivalente possível para garantir boa regulação, pois o FP da carga é um fator externo que nada tem a ver com a construção física do transformador. Uma outra forma utilizada para contornar o problema é construir um transformador com TAP, ou seja, um dispositivo que altere a quantidade de espiras de um dos lados e, portanto, altere também a relação de espiras e de transformação. Geralmente, são as espiras do lado de alta tensão que são alteradas, pois a corrente neste enrolamento é menor e a derivada dela, portanto, menor tensão induzida (e=Ldi/dt) surge durante a mudança da quantidade de espiras.

Referências

[1] Videoaula 05 (Relutância Magnética) do curso de Circuitos Magnéticos do canal Elétrica em vídeos. Acessar aula aqui.

[2] Videoaula 15 (Tipos de Materiais Magnéticos) do curso de Circuitos Magnéticos do canal Elétrica em vídeos. Acessar aula aqui.

Para ver a modelagem matemática da regulação de tensão, veja a videoaula a seguir:

Um exercício resolvido sobre regulação de tensão com uma carga variando o FP (capacitivo, unitário e indutivo) é apresentado na videoaula a seguir: