Transformadores de distribuição e de rede na frequência da rede: o primeiro filtro é a frequência

Este artigo é escrito para engenheiros de fontes de alimentação, componentes magnéticos e compras que trabalham com transformadores de distribuição, de rede, de potência na frequência da rede e isoladores na frequência da rede. Talvez você esteja procurando fio para enrolamento de um determinado transformador e queira saber se vale sequer considerar o fio com isolamento triplo (TIW). A conclusão primeiro: antes de gastar tempo comparando classes térmicas, sistemas de certificação e diâmetros de fio, aplique um filtro rápido, o da "frequência". Transformadores de distribuição e de rede na frequência da rede (50/60 Hz) basicamente não são terreno do TIW, e o primeiro filtro já os exclui. O artigo explica por que a frequência é o critério mais rápido e de mais alto nível, e admite com honestidade que não existe um limiar numérico único. Todos os valores dos produtos DAH JIN seguem, sem exceção, "conforme o documento de aprovação".

1. O primeiro filtro: pergunte primeiro em que mundo de frequência vive o seu transformador

Para decidir se o TIW se aplica, separe primeiro dois mundos de frequência:

• O mundo da frequência da rede: transformadores de distribuição, de rede, de potência na frequência da rede e isoladores na frequência da rede, operando na frequência da rede de 50/60 Hz. Eles seguem o projeto e o sistema de certificação dos transformadores de potência (por exemplo, a série IEC 60076 de transformadores de potência, conforme o projeto).
• O mundo da alta frequência: transformadores isoladores de alta frequência dentro de fontes chaveadas (SMPS), operando de dezenas a centenas de kHz. O sistema de documento de aprovação do TIW (UL 2353, IEC 62368-1 Annex J para o isolamento de segurança em equipamentos de tecnologia da informação e áudio/vídeo; a área médica conforme o documento de aprovação) foi avaliado exatamente para esse mundo.

Por que a "frequência" vem em primeiro lugar? Porque, assim que a frequência cai na frequência da rede, a forma do condutor do enrolamento, o método de isolamento e a exigência de volume mudam em bloco para outro conjunto, e a proposta de valor do TIW simplesmente não se sustenta. Nesse ponto, não é preciso continuar comparando classe térmica, sistema de certificação ou diâmetro de fio: o primeiro filtro já deu a resposta. Colocando na frente o critério de alto nível que decide de um só corte, as comparações de detalhe que vêm depois não serão trabalho perdido.

2. Na frequência da rede, o enrolamento depende de distância mais óleo/papel, não do isolamento reforçado de um único fio

Os enrolamentos dos transformadores de distribuição e de rede na frequência da rede são condutores de grande seção: fio esmaltado (enamel-coated magnet wire) redondo ou retangular, lâmina e fita de cobre (sheet/strip winding) e, nas unidades grandes, frequentemente CTC (continuously transposed conductor, condutor continuamente transposto, formado por muitos subcondutores de cobre esmaltados retangulares transpostos entre si). O lado de baixa tensão conduz corrente alta e costuma usar lâmina ou fita de cobre de grande área; o lado de alta tensão usa fio esmaltado mais fino.

Seu isolamento primário/secundário depende de distância mais dielétrico, não do isolamento reforçado de um único fio: papel impregnado em óleo, papelão isolante prensado (pressboard), distâncias entre espiras e entre camadas, e as propriedades dielétricas do próprio óleo. O meio óleo permite encurtar muito a linha de fuga e a distância de isolamento necessárias em relação ao ar, e é exatamente por isso que os transformadores de potência imersos em óleo conseguem realizar o isolamento de alta tensão em um volume razoável.

Compare com a proposta de valor do TIW: concluir com um único fio o isolamento reforçado (Reinforced) entre primário e secundário, dispensar a fita de isolamento e a linha de fuga, e reduzir ainda mais os transformadores pequenos de alta frequência. Em um enrolamento de grande seção na frequência da rede, essa necessidade simplesmente não existe. Os transformadores na frequência da rede têm, claro, isolamento primário/secundário, mas o obtêm por distância mais óleo/papel, e não pela via do TIW de "isolamento reforçado com um único fio". Para a diferença de posicionamento entre o TIW e o fio esmaltado usado nos enrolamentos na frequência da rede, veja Como distinguir TIW, FIW e fio esmaltado.

3. O terreno do TIW fica do outro lado: alta frequência, tamanho pequeno, isolamento reforçado com um único fio

O TIW é, em essência, um único fio esmaltado relativamente fino com três camadas de isolamento adicionadas. Sua finalidade é, nos transformadores isoladores pequenos de alta frequência das fontes chaveadas, criar com um único fio o isolamento reforçado entre primário e secundário, dispensando a fita de isolamento e a linha de fuga para que o transformador possa ser menor e mais fino.

Esse valor se apoia na premissa da "alta frequência". Uma fonte chaveada primeiro converte a rede de 50/60 Hz em corrente alternada de alta frequência, de dezenas a centenas de kHz, e depois a acopla pelo transformador; com a elevação da frequência, o volume do transformador pode cair bastante, e o TIW ainda comprime a estrutura de isolamento para que o volume caia mais. As normas que o avaliam (UL 2353, IEC 62368-1 Annex J), os objetos avaliados (transformadores isoladores pequenos de alta frequência) e o valor que ele traz (miniaturização mais isolamento reforçado com um único fio) são três aspectos que não batem em nenhum ponto com os transformadores de potência na frequência da rede. Em outras palavras, o terreno próprio do TIW é o transformador isolador chaveado de alta frequência, não o transformador de distribuição ou de rede na frequência da rede.

4. Tabela comparativa: distribuição/rede na frequência da rede vs chaveamento em alta frequência (terreno do TIW)

• Frequência — Transformador de distribuição/de rede na frequência da rede：Frequência da rede 50/60 Hz (baixa frequência)；Transformador isolador de uma fonte chaveada de alta frequência (terreno do TIW)：De dezenas a centenas de kHz
• Condutor do enrolamento — Transformador de distribuição/de rede na frequência da rede：Grande seção: fio esmaltado retangular/redondo, lâmina/fita de cobre, CTC；Transformador isolador de uma fonte chaveada de alta frequência (terreno do TIW)：Um único fio esmaltado relativamente fino (TIW, diâmetro conforme o documento de aprovação)
• Método de isolamento primário/secundário — Transformador de distribuição/de rede na frequência da rede：Papel impregnado em óleo, papelão isolante prensado, distância mais meio óleo；Transformador isolador de uma fonte chaveada de alta frequência (terreno do TIW)：Isolamento reforçado de três camadas em um fio, sem fita de isolamento, sem linha de fuga
• Exigência de volume — Transformador de distribuição/de rede na frequência da rede：Grande e pesado por natureza, sem miniaturização por fio fino；Transformador isolador de uma fonte chaveada de alta frequência (terreno do TIW)：Alta frequência mais TIW reduzem ainda mais o transformador pequeno
• Sistema de certificação — Transformador de distribuição/de rede na frequência da rede：Sistema dos transformadores de potência (série IEC 60076, conforme o projeto)；Transformador isolador de uma fonte chaveada de alta frequência (terreno do TIW)：UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (área médica conforme o documento de aprovação)
• Resultado do primeiro filtro — Transformador de distribuição/de rede na frequência da rede：Frequência da rede significa exclusão, sem necessidade de comparar classe térmica/diâmetro；Transformador isolador de uma fonte chaveada de alta frequência (terreno do TIW)：Entra no terreno do TIW, os detalhes continuam conforme o documento de aprovação

5. Como usar o primeiro filtro (critérios para vendas e engenharia)

Transforme esse filtro em dois passos:

• Passo 1: pergunte a frequência: o seu transformador é um transformador de distribuição, de rede, de potência na frequência da rede ou isolador na frequência da rede (50/60 Hz)? Se sim, o TIW não se aplica, o primeiro filtro termina aqui e não é preciso continuar comparando classe térmica ou diâmetro de fio.
• Passo 2: se for alta frequência: só se for um transformador isolador pequeno de alta frequência (de dezenas de kHz para cima) dentro de uma fonte chaveada é que ele entra no terreno do TIW, e então se passa à seleção e à definição conforme o documento de aprovação (classe térmica, faixa de diâmetros etc.; veja o guia de seleção). Para a árvore de decisão geral "meu produto realmente precisa de TIW?", veja Seu produto precisa de TIW?.

Ressalva honesta: não existe um número único, mundialmente unificado, do tipo "abaixo de X kHz, sempre excluído" que possa ser citado como fonte primária. A fronteira confiável é qualitativa: transformadores de potência na frequência da rede/baixa frequência versus transformadores isoladores chaveados de alta frequência (de dezenas a centenas de kHz), com o terreno do TIW nestes últimos. Um indício indireto é que as normas de segurança dedicam um documento específico de coordenação de isolamento à solicitação de tensão em alta frequência (IEC 60664-4, aplicável a frequências fundamentais acima de 30 kHz), enquanto abaixo dessa faixa só conta o valor eficaz da tensão e o problema é comparativamente simples, o que também mostra que "quando a frequência muda, todo o problema de isolamento muda de conjunto". A DAH JIN é fabricante (fábrica própria em Guiren, Tainan, Taiwan); o documento de aprovação define o modelo e a faixa de diâmetros, e externamente vale, sem exceção, o documento de aprovação.