Autotransformador - Autotransformer
Um autotransformador é um transformador elétrico com apenas um enrolamento . O prefixo " auto " (grego para "self") refere-se à bobina única agindo sozinha, não a qualquer tipo de mecanismo automático . Em um autotransformador, porções do mesmo enrolamento atuam como o enrolamento primário e os lados do enrolamento secundário do transformador. Em contraste, um transformador comum tem enrolamentos primários e secundários separados, que não possuem caminho condutor metálico entre eles.
O enrolamento do autotransformador tem pelo menos três derivações onde são feitas as conexões elétricas. Uma vez que parte do enrolamento tem uma "função dupla", os autotransformadores têm a vantagem de muitas vezes ser menores, mais leves e mais baratos do que os transformadores de enrolamento duplo típicos, mas a desvantagem de não fornecer isolamento elétrico entre os circuitos primário e secundário. Outras vantagens dos autotransformadores incluem reatância de fuga mais baixa, perdas mais baixas, corrente de excitação mais baixa e classificação VA aumentada para um determinado tamanho e massa.
Um exemplo de aplicação de um autotransformador é um tipo de conversor de voltagem do viajante, que permite que dispositivos de 230 volts sejam usados em circuitos de alimentação de 120 volts ou o inverso. Um autotransformador com múltiplas derivações pode ser aplicado para ajustar a voltagem no final de um circuito de distribuição longo para corrigir a queda de voltagem excessiva; quando controlado automaticamente, este é um exemplo de um regulador de tensão .
Operação
Um autotransformador tem um único enrolamento com dois terminais finais e um ou mais terminais em pontos intermediários de derivação. É um transformador no qual as bobinas primária e secundária têm parte de suas espiras em comum. A parte do enrolamento compartilhada pelo primário e pelo secundário pode ser, e é freqüentemente, referida como a "Seção Comum". A parte do enrolamento não compartilhada pelo primário e pelo secundário pode ser, e é freqüentemente, referida como a "Seção em Série". A tensão primária é aplicada em dois dos terminais. A tensão secundária é obtida de dois terminais, um dos quais geralmente é em comum com um terminal de tensão primário.
Como os volts por volta são os mesmos em ambos os enrolamentos, cada um desenvolve uma tensão proporcional ao seu número de voltas. Em um autotransformador, parte da corrente de saída flui diretamente da entrada para a saída (através da seção em série), e apenas parte é transferida indutivamente (através da seção comum), permitindo que um núcleo menor, mais leve e mais barato seja usado também como requerendo apenas um único enrolamento. No entanto, a relação de tensão e corrente dos autotransformadores pode ser formulada da mesma forma que outros transformadores de dois enrolamentos:
- (0 < V 2 < V 1 )
Os amperes-voltas fornecidos pela seção em série do enrolamento:
Os amperes-voltas fornecidos pela seção comum do enrolamento:
Para equilíbrio de ampere-volta, F S = F C :
Portanto:
Uma extremidade do enrolamento é geralmente conectada em comum à fonte de tensão e à carga elétrica . A outra extremidade da fonte e da carga são conectadas a torneiras ao longo do enrolamento. Diferentes taps no enrolamento correspondem a diferentes tensões, medidas a partir da extremidade comum. Em um transformador abaixador, a fonte é geralmente conectada em todo o enrolamento, enquanto a carga é conectada por uma derivação em apenas uma parte do enrolamento. Em um transformador elevador, ao contrário, a carga é conectada em todo o enrolamento, enquanto a fonte é conectada a uma derivação em uma parte do enrolamento. Para um transformador elevador, os índices nas equações acima são invertidos onde, nesta situação, N2 e V2 são maiores que N1 e V1, respectivamente.
Como em um transformador de dois enrolamentos, a proporção das tensões secundárias para as primárias é igual à proporção do número de voltas do enrolamento ao qual elas se conectam. Por exemplo, conectar a carga entre o meio do enrolamento e a extremidade terminal comum do enrolamento do autotransformador resultará na tensão de carga de saída sendo 50% da tensão primária. Dependendo da aplicação, aquela porção do enrolamento usada somente na porção de alta tensão (corrente mais baixa) pode ser enrolada com fio de menor calibre, embora todo o enrolamento esteja diretamente conectado.
Se uma das derivações centrais for usada para o aterramento, o autotransformador pode ser usado como um balun para converter uma linha balanceada (conectada às duas derivações finais) em uma linha desequilibrada (o lado com o solo).
Limitações
Um autotransformador não fornece isolamento elétrico entre seus enrolamentos como um transformador comum; se o lado neutro da entrada não estiver na tensão de aterramento, o lado neutro da saída também não estará. Uma falha no isolamento dos enrolamentos de um autotransformador pode resultar em tensão de entrada total aplicada à saída. Além disso, uma quebra na parte do enrolamento que é usada como primária e secundária resultará no transformador atuando como um indutor em série com a carga (o que sob condições de carga leve pode resultar em quase plena tensão de entrada sendo aplicada à saída ) Essas são considerações de segurança importantes ao decidir usar um autotransformador em uma determinada aplicação.
Como requer menos enrolamentos e um núcleo menor, um autotransformador para aplicações de energia é normalmente mais leve e menos caro do que um transformador de dois enrolamentos, até uma relação de voltagem de cerca de 3: 1; além dessa faixa, um transformador de dois enrolamentos geralmente é mais econômico.
Em aplicações de transmissão de energia trifásica , os autotransformadores têm as limitações de não suprimir as correntes harmônicas e agir como outra fonte de correntes de falta à terra. Um grande autotransformador trifásico pode ter um enrolamento delta "enterrado", não conectado à parte externa do tanque, para absorver algumas correntes harmônicas.
Na prática, as perdas significam que tanto os transformadores padrão quanto os autotransformadores não são perfeitamente reversíveis; um projetado para diminuir a tensão fornecerá um pouco menos tensão do que a necessária se for usado para aumentar. A diferença é geralmente pequena o suficiente para permitir a reversão onde o nível de tensão real não é crítico.
Como os transformadores de enrolamento múltiplo, os autotransformadores usam campos magnéticos variáveis no tempo para transferir energia. Eles requerem correntes alternadas para operar corretamente e não funcionarão em corrente contínua . Como os enrolamentos primário e secundário são eletricamente conectados, um autotransformador permitirá que a corrente flua entre os enrolamentos e, portanto, não fornece isolamento CA ou CC.
Formulários
Transmissão e distribuição de energia
Autotransformadores são freqüentemente usados em aplicações de energia para interconectar sistemas operando em diferentes classes de tensão, por exemplo, 132 kV a 66 kV para transmissão. Outra aplicação na indústria é adaptar o maquinário construído (por exemplo) para fontes de 480 V para operar em uma fonte de 600 V. Eles também são freqüentemente usados para fornecer conversões entre as duas bandas de tensão da rede elétrica doméstica comuns no mundo (100 V – 130 V e 200 V – 250 V). Os links entre as redes ' Super Grid ' de 400 kV e 275 kV do Reino Unido são normalmente autotransformadores trifásicos com derivações na extremidade neutra comum.
Em longas linhas de distribuição de energia rural, autotransformadores especiais com equipamento de comutação automática são inseridos como reguladores de tensão , para que os clientes na extremidade da linha recebam a mesma tensão média que os mais próximos da fonte. A razão variável do autotransformador compensa a queda de tensão ao longo da linha.
Uma forma especial de autotransformador chamada zig zag é usada para fornecer aterramento em sistemas trifásicos que, de outra forma, não têm conexão com o aterramento. Um transformador em zigue-zague fornece um caminho para a corrente que é comum a todas as três fases (a chamada corrente de seqüência zero ).
Sistema de áudio
Em aplicações de áudio, autotransformadores com tap são usados para adaptar alto-falantes a sistemas de distribuição de áudio de tensão constante e para correspondência de impedância , como entre um microfone de baixa impedância e uma entrada de amplificador de alta impedância.
Ferrovias
Em aplicações ferroviárias, é comum alimentar os trens a 25 kV CA. Para aumentar a distância entre os pontos de alimentação da rede elétrica, eles podem ser dispostos para fornecer uma alimentação de fase dividida de 25-0-25 kV com o terceiro fio (fase oposta) fora do alcance do pantógrafo coletor suspenso do trem. O ponto 0 V da alimentação é conectado ao trilho, enquanto um ponto de 25 kV é conectado ao fio de contato suspenso. Em intervalos frequentes (cerca de 10 km), um autotransformador liga o fio de contato ao trilho e ao segundo condutor de alimentação (antifásico). Este sistema aumenta a distância de transmissão utilizável, reduz a interferência induzida em equipamentos externos e reduz os custos. Ocasionalmente, é vista uma variante em que o condutor de alimentação está em uma tensão diferente do fio de contato com a relação do autotransformador modificada para se adequar.
Autotransformador de partida
Autotransformadores podem ser usados como um método de motores de indução de partida suave . Um dos designs mais conhecidos de tais partidas é a partida Korndörfer .
Autotransformadores variáveis
Ao expor parte das bobinas do enrolamento e fazer a conexão secundária através de uma escova deslizante , uma relação de espiras continuamente variável pode ser obtida, permitindo um controle muito suave da tensão de saída. A tensão de saída não está limitada às tensões discretas representadas pelo número real de voltas. A tensão pode variar suavemente entre as voltas, pois a escova tem uma resistência relativamente alta (em comparação com um contato de metal) e a tensão de saída real é uma função da área relativa da escova em contato com os enrolamentos adjacentes. A resistência relativamente alta da escova também impede que ela atue como uma volta em curto-circuito ao entrar em contato com duas voltas adjacentes. Normalmente, a conexão primária se conecta a apenas uma parte do enrolamento, permitindo que a tensão de saída varie suavemente de zero a acima da tensão de entrada e, assim, permitindo que o dispositivo seja usado para testar equipamentos elétricos nos limites de sua faixa de tensão especificada.
O ajuste da tensão de saída pode ser manual ou automático. O tipo manual é aplicável apenas para tensão relativamente baixa e é conhecido como um transformador CA variável (freqüentemente referido pelo nome de marca comercial Variac). Eles são freqüentemente usados em oficinas de reparo para testar dispositivos em tensões diferentes ou para simular tensões de linha anormais.
O tipo com ajuste automático de tensão pode ser usado como regulador automático de tensão , para manter uma tensão constante ao serviço do cliente durante uma ampla gama de condições de linha e carga. Outra aplicação é um dimmer de iluminação que não produz o EMI típico da maioria dos dimmers de tiristor .
Marca Registrada Variac
De 1934 a 2002, Variac foi uma marca comercial da General Radio nos Estados Unidos para um autotransformador variável destinado a variar convenientemente a tensão de saída para uma tensão de entrada CA constante. Em 2004, a Instrument Service Equipment solicitou e obteve a marca Variac para o mesmo tipo de produto.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Croft, Terrell; Summers, Wilford, eds. (1987). American Electricians 'Handbook (décima primeira ed.). Nova York: McGraw Hill. ISBN 0-07-013932-6.