Na grande família de transformadores,transformadores-monofásicosé um dos membros mais básicos e mais antigos. Sua estrutura e princípio podem parecer simples - com apenas um pilar central de ferro e dois enrolamentos (primário e secundário), mas suporta uma ampla gama de necessidades, desde iluminação residencial até tração ferroviária, desde instrumentos de precisão até nova geração de energia. No entanto, na impressão da maioria das pessoas,transformadores-trifásicossão a escolha principal para a indústria e redes de energia. Então, em quais cenários específicos os transformadores-monofásicos ainda desempenham um papel insubstituível? Quais são suas vantagens e desvantagens exclusivas em comparação aos transformadores-trifásicos? Quando um projeto requer fonte de alimentação-monofásica, quais detalhes técnicos e requisitos de certificação devem ser considerados no processo de seleção?
Em princípio básico, umtransformador-monofásicoé um dispositivo elétrico estático que opera usando o princípio da indução eletromagnética. Quando um enrolamento é conectado a uma fonte de energia CA, um fluxo magnético alternado é gerado no núcleo de ferro, que passa simultaneamente pelo enrolamento secundário e induz uma força eletromotriz, com relação de tensão igual à relação de espiras. Estruturalmente, os transformadores-monofásicos normalmente têm um núcleo de ferro em forma de boca (tipo núcleo) ou tipo casca, com enrolamentos de alta e baixa tensão concêntricos em torno da coluna do núcleo de ferro. Dependendo do número de fases, os transformadores-monofásicos podem ser usados separadamente ou em um sistema-trifásico composto por três transformadores-monofásicos. Este esquema de "três componentes-monofásicos formando um tri-fásico" tem vantagens exclusivas em determinadas situações de alta-tensão e alta{11}}capacidade.
A vantagem mais significativa dos transformadores-monofásicos está em sua flexibilidade e economia. Em situações em que a demanda de capacidade não é alta, como uma fonte de alimentação doméstica de um metro em áreas residenciais, iluminação pública, pequenas ferramentas elétricas e adaptadores de energia em eletrodomésticos, os transformadores-monofásicos podem extrair energia diretamente de redes elétricas-monofásicas de 220 V ou 110 V sem a necessidade de cálculos complexos de balanceamento-trifásico. Possuem estrutura simples e baixo custo. No nível operacional, quando um transformador-monofásico falha, apenas o equipamento precisa ser substituído sem afetar as outras duas fases em todo o grupo-trifásico. Isto é altamente valioso no fornecimento de energia de tração ferroviária e na distribuição de energia em áreas remotas. Além disso, os transformadores-monofásicos possuem menor volume e peso em comparação aos transformadores-trifásicos de mesma capacidade, tornando-os mais fáceis de transportar e instalar, especialmente adequados para instalação de colunas em linhas aéreas.
No entanto, os transformadores-monofásicos também têm limitações naturais. Sob a mesma capacidade, a taxa de utilização de material dos transformadores-monofásicos é geralmente menor do que a dos transformadores-trifásicos, porque o núcleo de ferro e o enrolamento dos transformadores-trifásicos podem compartilhar o circuito magnético, economizando assim materiais do núcleo de ferro e reduzindo perdas. Portanto, em redes industriais de distribuição de alta-energia e de backbone de rede elétrica, os transformadores-trifásicos são absolutamente dominantes. Além disso, se um grande número de cargas-monofásicas estiver concentrado em uma determinada fase, isso poderá causar desequilíbrio na rede elétrica-trifásica, levando a problemas como deslocamento do ponto neutro e aumento da corrente de sequência zero. Portanto, uma distribuição de carga razoável é necessária na distribuição monofásica-em larga escala.
Então, quais são os cenários típicos de aplicação de transformadores-monofásicos? A fonte de alimentação eletrificada para tração ferroviária é uma das áreas de aplicação mais importantes dos transformadores-monofásicos. O sistema de contato aéreo ferroviário adota fonte de alimentação CA monofásica-(25kV ou 2 × 25kV) e o transformador de tração converte a eletricidade trifásica-de alta-tensão da rede elétrica em eletricidade monofásica-adequada para a operação do trem. Há duas soluções comuns: uma é usar um transformador-monofásico para fornecer diretamente uma fase da rede elétrica-trifásica, mas essa abordagem pode causar sérios desequilíbrios-trifásicos; Uma solução mais comum é usar transformadores de conexão Scott ou Vv para converter eletricidade trifásica-em duas fontes de eletricidade-monofásicas com uma diferença de fase de 90 graus, que fornecem energia para as redes aéreas e de contato aéreo, respectivamente, alcançando assim o balanceamento de carga. Tomando como exemplo a ferrovia de alta-velocidade da China, um grande número de transformadores-de tração monofásicos são usados em conjunto com a fonte de alimentação AT para atender às necessidades de alta-potência e alta confiabilidade de trens de alta-velocidade. Na iluminação residencial e comercial, a distribuição de energia monofásica-é onipresente - desde microtransformadores em caixas de medidores domésticos até transformadores monofásicos montados em postes em salas de distribuição residenciais, eles reduzem a alta tensão de 10kV para baixa tensão de 220V (ou 110V), fornecendo eletricidade diariamente para milhares de residências. No campo das novas energias, alguns inversores fotovoltaicos domésticos e sistemas de armazenamento de energia também incorporaram transformadores-monofásicos-para obter isolamento seguro e correspondência de tensão com a rede elétrica doméstica. Além disso, transformadores de isolamento-monofásicos são usados em controle industrial, instrumentação, fontes de alimentação de comunicação e equipamentos médicos para fornecer isolamento seguro e funções anti{34}}interferência.
Em comparação com transformadores-trifásicos, a seleção de transformadores-monofásicos tem características próprias. Em termos de expressão de capacidade, a capacidade nominal de um transformador-monofásico refere-se à capacidade de uma única unidade (em kVA), enquanto a capacidade nominal de um transformador-trifásico refere-se à soma das três fases. Quando três transformadores-monofásicos são usados para formar um grupo-trifásico em um sistema-trifásico, a capacidade de cada transformador-monofásico deve ser um-terço da capacidade trifásica-total (considerando pequenas diferenças nos métodos de fiação). Essa solução "três monofásica-em vez de uma trifásica-é mais vantajosa em determinadas situações: por exemplo, em subestações de ultra-alta tensão e grande capacidade, devido às limitações de tamanho e peso do transporte, um transformador-trifásico pode não ser transportado para o local por rodovia ou ferrovia, enquanto dividi-lo em três transformadores-monofásicos pode ser transportado e montado separadamente no local. Ao mesmo tempo, o uso de três transformadores-monofásicos também fornece redundância N-1 - se um falhar, o método de fiação "V-V" pode ser usado temporariamente para continuar fornecendo energia em dois-terços da capacidade, garantindo que cargas importantes não sejam interrompidas. É claro que o custo e a área ocupada por três soluções-monofásicas geralmente são maiores do que um transformador-trifásico, portanto, a menos que haja requisitos especiais para transporte ou redundância, os transformadores trifásicos são geralmente preferidos.
Em termos de certificação de exportação, os transformadores-monofásicos também seguem a série IEC 60076 ou os padrões nacionais correspondentes. Para o mercado norte-americano, os transformadores de distribuição-monofásicos precisam atender aos padrões UL 1561 (transformadores universais-do tipo seco) ou UL 506 (transformadores especiais) e ser certificados pelo laboratório NRTL. Para o mercado da UE, os transformadores-monofásicos devem estar em conformidade com a Diretiva de Baixa Tensão (LVD) e a Diretiva de Compatibilidade Eletromagnética (EMC), com padrões baseados na série EN 61558 (transformadores de isolamento de segurança) ou EN 60076 (transformadores de potência). Além disso, os requisitos de eficiência energética não podem ser ignorados: o Departamento de Energia dos EUA (DOE) tem limites obrigatórios sem{12}}carga e perda de carga para transformadores de distribuição-monofásicos (com capacidades entre 10-833kVA), e a diretiva ErP da UE também define níveis de eficiência energética para transformadores-pequenos e médios. Para transformadores monofásicos exportados para o Oriente Médio, África, Sudeste Asiático, etc., geralmente é necessário fornecer relatórios de testes CB ou obter certificados de conformidade de agências de inspeção locais (como SABRE, SONCAP, PVoC, etc.). O pessoal de comércio exterior deve compreender antecipadamente os mais recentes padrões de eficiência energética e processos de certificação do país alvo ao fazer a cotação e incluir taxas e tempo de certificação no plano do projeto.
Na seleção prática, os clientes muitas vezes enfrentam um dilema: em cenários de fonte de alimentação-monofásica, eles devem escolher um transformador-monofásico ou usar uma fase de um transformador-trifásico? A resposta depende do tamanho da carga e da configuração do sistema. Se a capacidade de carga-monofásica for grande (como exceder 100kVA), retirar uma fase do transformador-trifásico poderá causar sérios desequilíbrios entre as três fases. Neste caso, um transformador-monofásico deve ser configurado separadamente ou três transformadores-monofásicos devem ser usados para formar um sistema de alimentação balanceado. Se a capacidade de carga-monofásica for pequena e dispersa, e o próprio transformador-trifásico tiver margem de capacidade suficiente, será economicamente viável fornecer energia-monofásica diretamente de uma fase do transformador-trifásico. Além disso, a questão da proteção de aterramento deve ser considerada - se o lado secundário de um transformador-monofásico precisa ser aterrado e qual método de aterramento usar deve ser determinado de acordo com os regulamentos elétricos locais.
Em resumo, embora os transformadores-monofásicos tenham dado lugar aos transformadores-trifásicos no campo de grande capacidade e transmissão de longa-distância, eles ainda desempenham um papel indispensável em ferrovias eletrificadas, distribuição de energia residencial, fornecimento de energia local para empresas industriais e de mineração e vários equipamentos especializados. Sua simplicidade, flexibilidade e características de baixo-custo ainda o tornam a melhor escolha em cenários com baixos níveis de tensão e baixos requisitos de capacidade. Quando seus clientes procuram uma solução de fonte de alimentação para um projeto pequeno ou carga dedicada, pode ser útil orientá-los a pensar: O equipamento é uma carga-monofásica? A distância da fonte de alimentação e a queda de tensão estão dentro de uma faixa aceitável? Você tem condições de balancear cargas-trifásicas? No processo de resposta a essas perguntas, o valor dos transformadores-monofásicos surgirá naturalmente.
