Transformador Retificador: Princípio de Funcionamento & Aplicações
1.Transformador Retificador: Princípio e Visão Geral
Um transformador retificador é um transformador especializado projetado para fornecer sistemas de retificação. Seu princípio de funcionamento é o mesmo de um transformador convencional — opera com base na indução eletromagnética e é usado para transformar tensão alternada. Um transformador típico possui duas bobinas elétricamente isoladas — primária e secundária — enroladas em torno de um núcleo de ferro comum.
Quando a bobina primária é conectada a uma fonte de energia CA, a corrente alternada flui através dela, gerando uma força magneto-motriz (FMM), que produz um fluxo magnético alternante no núcleo de ferro fechado. Este fluxo variável corta tanto as bobinas primária quanto secundária, induzindo uma tensão alternada da mesma frequência na bobina secundária.
A razão entre o número de espiras das bobinas primária e secundária é igual à razão de tensão. Por exemplo, se um transformador tem 440 espiras na primária e 220 espiras na secundária, com uma tensão de entrada de 220V na primária, a tensão de saída na secundária será 110V. Alguns transformadores podem ter múltiplas bobinas secundárias ou derivações, permitindo obter várias tensões de saída diferentes.
2.Características dos Transformadores Retificadores
Os transformadores retificadores trabalham juntamente com os retificadores para formar equipamentos de retificação, possibilitando a conversão de energia CA em energia CC. Tais sistemas de retificação são as fontes de energia CC mais comumente usadas nas empresas industriais modernas, amplamente aplicados em transmissão de corrente contínua de alta tensão (HVDC), tração elétrica, laminadores, eletrodeposição, eletrolise e outros campos.
A primária (também chamada de lado da rede) do transformador retificador se conecta à rede de energia CA, enquanto a secundária (também chamada de lado do válvula) se conecta ao retificador. Embora sua estrutura básica e princípio de funcionamento sejam semelhantes aos de um transformador convencional, a carga — um retificador — difere significativamente de cargas normais, levando a características de design e operação únicas:
2.2 Formas de Onda de Corrente Não-Sinusoidais
Em um circuito retificador, cada braço conduz apenas durante uma parte do ciclo, resultando em formas de onda de corrente não-sinusoidais — tipicamente próximas a pulsos retangulares descontínuos. Consequentemente, tanto as correntes da bobina primária quanto da secundária são não-sinusoidais.
Por exemplo, em um retificador de ponte trifásico com conexão Y/Y, a forma de onda da corrente mostra padrões de pulso distintos. Quando tiristores são usados para retificação, quanto maior o ângulo de disparo, mais acentuada é a subida/queda da corrente, aumentando o conteúdo harmônico. Isso leva a maiores perdas por correntes de fúria. Como a bobina secundária conduz corrente apenas parte do tempo, a taxa de utilização do transformador retificador é menor do que a de um transformador convencional. Portanto, para a mesma potência nominal, os transformadores retificadores tendem a ser maiores e mais pesados.
2.3 Potência Aparente Equivalente (Média)
Em um transformador convencional, a potência de entrada e de saída são iguais (ignorando as perdas), então a capacidade nominal é simplesmente a potência aparente de qualquer uma das bobinas. No entanto, em um transformador retificador, as correntes primária e secundária podem diferir em forma de onda (por exemplo, em retificação de meia-onda), tornando suas potências aparentes desiguais.
Portanto, a capacidade do transformador é definida como a média das potências aparentes primária e secundária, conhecida como capacidade equivalente:
onde S1 é a potência aparente primária e S2 é a potência aparente secundária.
2.4 Alta Capacidade de Resistência a Curto-Circuito
Os transformadores retificadores devem ter alta resistência mecânica para suportar forças eletromagnéticas de curto-circuito devido a falhas frequentes ou mudanças súbitas de carga (por exemplo, partida de motores). Garantir a estabilidade dinâmica sob condições de curto-circuito é uma consideração crítica no projeto e fabricação.
3.Principais Aplicações dos Transformadores Retificadores
Os transformadores retificadores servem como fonte de energia para equipamentos de retificação. Sua principal característica é converter a entrada CA no lado primário em saída CC via elementos de retificação no lado secundário. "Conversão de energia" inclui retificação, inversão e conversão de frequência, sendo a retificação a mais amplamente utilizada. Transformadores usados para fornecer dispositivos de retificação são chamados de transformadores retificadores. A maioria das fontes de alimentação DC industriais é obtida pela combinação de redes CA com transformadores retificadores e circuitos de retificação.
3.1 Indústria Eletroquímica
Esta é a área de aplicação mais ampla para transformadores retificadores:
Eletrolise de compostos metálicos para produzir alumínio, magnésio, cobre e outros metais não ferrosos
Produção de cloro-álcali por eletrolise de água salgada
Geração de hidrogênio e oxigênio por eletrolise de água
Esses processos requerem energia DC de alta corrente e baixa tensão, similar em alguns aspectos a transformadores de fornos elétricos. Portanto, os transformadores retificadores compartilham características estruturais com transformadores de forno.
A característica mais distinta dos transformadores retificadores é que a corrente secundária já não é CA senoidal. Devido à condução unidirecional dos elementos de retificação, as correntes de fase tornam-se pulsantes e unidirecionais. Após a filtragem, essa corrente pulsante se torna DC lisa.
A tensão e corrente secundárias dependem não apenas da capacidade do transformador e do grupo de conexão, mas também da configuração do circuito de retificação (por exemplo, ponte trifásica, dupla antiparalela com reator de equilíbrio). Mesmo para a mesma saída DC, diferentes circuitos de retificação requerem tensões e correntes secundárias diferentes. Assim, o cálculo de parâmetros para transformadores retificadores começa pelo lado secundário e é baseado na topologia específica do retificador.
Como as correntes das bobinas de retificação contêm ricos harmônicos de ordem superior, elas poluem a rede CA e reduzem o fator de potência. Para mitigar os harmônicos e melhorar o fator de potência, o número de pulsos do sistema de retificação deve ser aumentado, geralmente alcançado através de técnicas de deslocamento de fase. O objetivo do deslocamento de fase é introduzir um deslocamento de fase entre as tensões de linha em terminais homólogos das bobinas secundárias.
3.2 Fornecimento de Energia DC para Tração
Usado em locomotivas elétricas de mineração ou urbanas com linhas aéreas de DC.
Falhas de curto-circuito frequentes devido à exposição da linha aérea
Grandes flutuações na carga DC
Partidas frequentes de motores causam sobrecargas de curto prazo
Para lidar com essas condições:
Limites de elevação de temperatura mais baixos
Densidade de corrente reduzida
Impedância cerca de 30% maior do que a de transformadores de potência padrão
3.3 Fornecimento de Energia DC para Acionamentos Industriais
Principalmente usado para fornecer motores DC em sistemas de acionamento elétrico, como:
Excitação de armadura e campo para motores de laminador
3.4 Transmissão de Corrente Contínua de Alta Tensão (HVDC)
Tensões de operação tipicamente acima de 110 kV
Capacidades que variam de dezenas de milhares a centenas de milhares de kVA
Atenção especial necessária para o estresse combinado de isolamento AC e DC para terra
Outras Aplicações:
Energia DC para eletrodeposição ou eletro-usinagem
Fontes de alimentação de excitação para geradores
Sistemas de carregamento de baterias
Fontes de alimentação para precipitadores eletrostáticos (ESP)
