UMA VISÃO ESSENCIAL SOBRE TRANSFORMADORES DE INDUÇÃO

Sabidamente, existe uma ampla gama de tipos transformadores, para as mais diversas aplicações, que vão muito além daquelas dos transformadores de potência e de distribuição. Por exemplo, os transformadores utilizados para o aquecimento por indução. Empregados há muito tempo, em nível industrial, para o derretimento de metais, transformadores para essa aplicação têm se tornado cada vez mais conhecidos graças à difusão do uso do fogão de indução doméstico.

Em geral, aplicação requer a operação do transformador em alta frequência, desde cerca de 1000 Hz até algumas dezenas de kHz, que faz com que esse transformador tenha características muito específicas, absolutamente próprias, mas que são fundamentais para que se possam reduzir as perdas durante a sua operação.

Essencialmente, as perdas no núcleo ferromagnético e nos enrolamentos, que sofrem bastante alguns efeitos que não se manifestam à frequência industrial. Principalmente, o chamado efeito pelicular (skin effect), que atua junto com a chamada efeito de proximidade, alterando o valor de resistência elétrica do condutor dos enrolamentos.

No núcleo, o aumento das perdas se dá pelo agravamento de um velho conhecido efeito, que é o efeito Foucault. Adicionalmente, por conta da alimentação com tensão com forma de onda quadrada, devido ao chaveamento de tiristores, os enrolamentos terão despertado um significativo efeito capacitivo. Este efeito predominará sobre a natureza implicitamente indutiva do enrolamento e causará uma elevada concentração de campo elétrico nas espiras iniciais e finais, exigindo que esses enrolamentos tenham um projeto muito especial, bem diferente daqueles de transformadores de potência.

Fundamentos

A questão chave, relacionada com o transformador utilizado em aquecimento por indução, é o princípio de funcionamento do forno (ou fogão), em si.

Trata-se de aplicar um campo magnético variável, com frequência da ordem de alguns kHz, a uma peça metálica, através de uma bobina. Essa peça metálica pode ser tanto um lingote de alumínio a ser derretido, num forno de proporções industriais, por exemplo, como uma panela com fundo de material ferromagnético, para ser somente bem aquecida, num fogão doméstico. Para que isso ocorra, quanto mais se aumentar a frequência de alimentação dessa bobina, mais facilmente se induzirão correntes parasitas de maior intensidade nas peças metálicas, que provocarão o aquecimento desejado nelas.

Por sua vez, a frequência da rede, 60 Hz, é relativamente baixa para esse fim. Portanto, é necessário retificar a tensão de entrada e re-alterná-la a uma frequência mais elevada, ajustável, que é conseguida através do chaveamento de tiristores.

Finalmente, essa energia elétrica em alta frequência precisa ser convertida desde a alta-tensão, gerada pelo chaveamento dos tiristores (fly-back), para alta-corrente, o que é feito por um transformador, de características especiais, que vai então alimentar um circuito LC em paralelo, chamado de circuito-tanque, cuja bobina é justamente a parte ativa do forno em questão. Esse transformador pode se chamado de acoplador, de saída ou de carga.

Assim, uma vez que esse transformador opera em alta frequência, com pulsos retangulares de tensão aplicados em sua entrada, um projeto especial vai ser exigido. Então, partindo do conhecimento de projetos de um transformador de potência convencional, vamos analisar alguns dos principais itens a se preocupar, no caso do projeto desse transformador para aquecimento por indução:

Aumento das perdas no núcleo

As perdas Foucault, junto com as perdas por histerese, são a perdas predominantes no núcleo de um transformador. Numa aproximação grosseira, podemos dizer que, à frequência industrial, metade do valor das perdas no núcleo se deve a cada um desses efeitos. Por sua vez, a dependência das perdas Foucault com a frequência é quadrática, de forma que se um transformador operar com o dobro da frequência prevista, essas perdas quadriplicarão. Isso, por si só, já exige que, por exemplo, transformadores utilizados em aviões, cuja rede elétrica opera em 400 Hz, se exijam cuidados especiais no projeto.

Já as perdas por histerese não são tão sensíveis ao aumento da frequência, havendo até uma teórica redução, por conta da inércia dos domínios magnéticos, que não respondem tão prontamente ao alinhamento imposto pelo campo em alta frequência, por conta da inércia mecânica. Portanto, para operar em kHz, o núcleo do transformador terá que ser composto por materiais de baixas perdas, como ferrites e aços especiais. No caso de fornos de indução industriais, até o emprego de circuitos de refrigeração à água são comumente encontrados.

Aumento das perdas nos enrolamentos

O efeito Joule é o principal responsável pelas perdas nos enrolamentos, em transformadores de potência. O segundo fator, com bem menor predominância, estando pela faixa de 5 %, é o que chamamos de perdas adicionais, que decorrem tanto da proximidade entre espiras, que faz com que cada uma induza correntes parasitas na massa das espiras adjacentes, quanto do chamado efeito pelicular, que faz com que  corrente elétrica, que circula no interior de um condutor, tenda a se concentrar no seu perímetro externo.

O aumento da frequência da corrente vai provocar justamente o aumento dessas duas componentes de perdas adicionais, tornando–as bastante significativas, por exemplo, já quando um transformador alimenta cargas com conteúdo harmônico elevado. É justamente nesses casos e por isso que se usam transformadores dimensionados com o famoso fator K.

O valor desse fator, por sua vez, significa o quanto as perdas adicionais são maiores do que em 60 Hz. Ou seja, um transformador com fator K igual a 9 significa que ele tem em seu projeto enrolamentos que comportam uma perda adicional até 9 vezes superior à perda adicional que um transformador comum, de mesma potência, apresentaria em regime senoidal puro, em 60 Hz.

Entretanto, para frequências de alguns kHz, essas perdas disparam o pronto do artifício do fator K não ser mais viável. Por isso, o emprego de formas de enrolamentos bem mais sofisticadas do que a do tipo continuo e em camadas são adotadas.

Por exemplo, desde a adoção de enrolamentos com grupos de espiras entrelaçados até a adoção do fio de Lizt que, apesar de ser pouco conhecido por projetistas de transformadores de potência, pode-se arriscar dizer que guarda alguma similaridade com os princípios do cabo transposto contínuo, o CTC. Em todo o caso, por conta do maior valor de condutividade, o uso do cobre é essencial.

Isolação

Quanto a este item, a importância das capacitâncias parasitas, existentes tanto entre espiras quanto entre espiras e núcleo, se sobressai. Num transformador de potência, o efeito dessas mesmas capacitâncias é responsável pela distribuição da tensão impulsiva nos enrolamentos. Consequentemente, o projetista deve reforçar as espiras iniciais e finais de cada camada de enrolamento contínuo, uma vez que a distribuição das capacitâncias favorece a concentração de campo elétrico nelas.

Alternativamente, o projetista pode adotar outros tipos de enrolamento. Por exemplo, em disco que, conjuntamente à redução das perdas adicionais, permite uma, melhor conformação da onda impulsiva de impulso atmosférico.

No caso do transformador para aquecimento por indução, a incidência de impulsos similares é proposital, constante e muito intensa. Então, para comportar os efeitos nocivos sobre o isolamento, neste regime, o isolamento elétrico deverá ter um projeto muito específico, tanto em termos de geometria quanto de materiais empregados.

Para encerrar esse post…

Essas são em linhas gerais, as nuances de projeto de transformadores de sistemas de aquecimento por indução. Alguns itens adicionais, ainda que de menor importância, não devem ser relegados. Por exemplo, a combinação dos fatores aqui analisados permite afirmar que a configuração toroidal do núcleo se torna bem favorável.

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