Wie wir in einigen SPICE-Analysen früher in diesem Kapitel gesehen haben, variiert die Ausgangsspannung eines Transformators einige mit unterschiedlichen Lastwiderständen, sogar mit einem konstanten Spannungseingang.
Der Varianzgrad wird unter anderem durch die Primär- und Sekundärwicklungsinduktivitäten beeinflusst, von denen nicht zuletzt der Wicklungswiderstand und der Grad der gegenseitigen Induktivität (magnetische Kopplung) zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen gehören.
Für Leistungstransformatoranwendungen, bei denen der Transformator von der Last (idealerweise) als konstante Spannungsquelle angesehen wird, ist es gut, die Sekundärspannung für große Abweichungen des Laststroms so wenig wie möglich variieren zu lassen.
Spannungsregelungsformel
Das Maß dafür, wie gut ein Leistungstransformator eine konstante Sekundärspannung über einen Bereich von Lastströmen aufrechterhält, wird als Spannungsregelung des Transformators bezeichnet. Es kann aus der folgenden Formel berechnet werden:
Was ist „Volllast“?
„Volllast“ bezeichnet den Punkt, an dem der Transformator mit dem maximal zulässigen Sekundärstrom betrieben wird. Dieser Betriebspunkt wird hauptsächlich durch die Wicklungsdrahtgröße (ampacity) und die Methode der Transformatorkühlung bestimmt.
Nehmen wir unsere erste SPICE-Transformatorsimulation als Beispiel und vergleichen die Ausgangsspannung mit einer 1-kΩ-Last mit einer 200-Ω-Last (unter der Annahme, dass die 200-Ω-Last unsere „Volllast“ -Bedingung ist). Erinnern Sie sich, wenn Sie so wollen, dass unsere konstante Primärspannung 10,00 Volt Wechselstrom betrug:
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1k ohm load freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200 ohm load
Beachten Sie, wie die Ausgangsspannung abnimmt, wenn die Last schwerer wird (mehr Strom). Nehmen wir nun dieselbe Transformatorschaltung und legen Sie einen Lastwiderstand von extrem hoher Größe über die Sekundärwicklung, um einen „Leerlauf“ -Zustand zu simulieren: (Siehe Spice-Liste „Transformator“)
transformer v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 100 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 9e12 .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .end
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04 freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 Output with (almost) no load
Wir sehen also, dass unsere (sekundäre) Ausgangsspannung einen Bereich von 9.990 Volt bei (praktisch) keiner Last und 9.348 Volt an dem Punkt umfasst, an dem wir uns entschieden haben, „Volllast“ zu nennen.“ Berechnung der Spannungsregelung mit diesen Zahlen erhalten wir:
Dies wäre übrigens eine eher schlechte (oder „lose“) Regelung für einen Leistungstransformator. Für eine einfache ohmsche Last wie diese sollte ein guter Leistungstransformator einen Regelungsprozentsatz von weniger als 3% aufweisen.
Induktive Lasten neigen dazu, einen Zustand schlechterer Spannungsregelung zu erzeugen, so dass diese Analyse mit rein ohmschen Lasten eine „Best-Case“ -Bedingung war.
Anwendungen, die eine „schlechte“ Regulierung erfordern
Es gibt jedoch einige Anwendungen, bei denen eine schlechte Regulierung tatsächlich erwünscht ist. Ein solcher Fall ist in der Entladungsbeleuchtung, wo ein Aufwärtstransformator erforderlich ist, um zunächst eine hohe Spannung zu erzeugen (notwendig, um die Lampen zu „zünden“), dann wird erwartet, dass die Spannung abfällt, sobald die Lampe beginnt, Strom zu ziehen.
Dies liegt daran, dass die Spannungsanforderungen der Entladungslampen tendenziell viel niedriger sind, nachdem ein Strom durch die Lichtbogenstrecke eingestellt wurde. In diesem Fall reicht ein Aufwärtstransformator mit schlechter Spannungsregelung aus, um die Lampe mit Strom zu versorgen.
Eine weitere Anwendung ist die Stromregelung für AC-Lichtbogenschweißgeräte, die nichts anderes als Abwärtstransformatoren sind, die Niederspannungs- und Hochstromleistung für den Schweißprozess liefern.
Eine hohe Spannung ist erwünscht, um den Lichtbogen zu „schlagen“ (zu starten), aber wie die Entladungslampe benötigt ein Lichtbogen nicht so viel Spannung, um sich selbst zu erhalten, sobald die Luft bis zum Ionisationspunkt erhitzt wurde. Somit wäre eine Abnahme der Sekundärspannung unter hohem Laststrom eine gute Sache.
Einige Konstruktionen von Lichtbogenschweißgeräten bieten eine Anpassung des Lichtbogenstroms mittels eines beweglichen Eisenkerns im Transformator, der vom Bediener in die Wicklungsanordnung ein- oder ausgefahren wird.
Das Wegbewegen der Eisenschnecke von den Wicklungen verringert die Stärke der magnetischen Kopplung zwischen den Wicklungen, was die Sekundärspannung im Leerlauf verringert und eine schlechtere Spannungsregelung bewirkt.
Ferroresonantentransformator
Keine Ausstellung zur Transformatorregelung könnte als vollständig bezeichnet werden, ohne ein ungewöhnliches Gerät zu erwähnen, das als Ferroresonantentransformator bezeichnet wird.
„Ferroresonanz“ ist ein Phänomen, das mit dem Verhalten von Eisenkernen während des Betriebs in der Nähe eines Punktes magnetischer Sättigung verbunden ist (wo der Kern so stark magnetisiert ist, dass ein weiterer Anstieg des Wicklungsstroms zu einem geringen oder keinem Anstieg des magnetischen Flusses führt).
Der Ferroresonantentransformator ist zwar etwas schwierig zu beschreiben, ohne tief in die elektromagnetische Theorie einzusteigen, aber ein Leistungstransformator, der so konstruiert ist, dass er in einem Zustand anhaltender Kernsättigung arbeitet.
Das heißt, sein Eisenkern ist für einen großen Teil des Wechselstromzyklus mit magnetischen Flusslinien „vollgestopft“, so dass Variationen der Versorgungsspannung (Primärwicklungsstrom) wenig Einfluss auf die magnetische Flussdichte des Kerns haben, was bedeutet, dass die Sekundärwicklung trotz signifikanter Variationen der Versorgungsspannung (Primärwicklung) eine nahezu konstante Spannung ausgibt.
Resonanzkreise in Ferroresonantentransformatoren
Normalerweise führt die Kernsättigung in einem Transformator zu einer Verzerrung der Sinusform, und der Ferroresonantentransformator ist keine Ausnahme. Um diesem Nebeneffekt entgegenzuwirken, weisen Ferroresonanztransformatoren eine Hilfssekundärwicklung auf, die parallel zu einem oder mehreren Kondensatoren verläuft und einen auf die Netzfrequenz abgestimmten Schwingkreis bildet.
Diese „Tankschaltung“ dient als Filter zur Zurückweisung von Oberwellen, die durch die Kernsättigung erzeugt werden, und bietet den zusätzlichen Vorteil, Energie in Form von Wechselstromoszillationen zu speichern, die zur Aufrechterhaltung der Ausgangswicklungsspannung für kurze Zeiträume des Eingangsspannungsverlusts (Millisekunden, aber sicherlich besser als nichts) zur Verfügung steht.
Ferroresonantentransformator sorgt für Spannungsregelung des Ausgangs.
Zusätzlich zum Blockieren von Oberschwingungen, die durch den gesättigten Kern erzeugt werden, „filtert“ dieser Schwingkreis auch Oberschwingungsfrequenzen heraus, die durch nichtlineare (Schalt-) Lasten im Sekundärwicklungskreis und in der Quellspannung vorhandene Oberschwingungen erzeugt werden, und liefert der Last „saubere“ Leistung.
Ferroresonantentransformatoren bieten mehrere Funktionen, die bei der Wechselstromkonditionierung nützlich sind: konstante Ausgangsspannung bei erheblichen Schwankungen der Eingangsspannung, Oberwellenfilterung zwischen der Stromquelle und der Last und die Fähigkeit, kurze Leistungsverluste zu „durchfahren“, indem eine Energiereserve in ihrem Resonanzbehälterkreis gehalten wird.
Diese Transformatoren sind auch sehr tolerant gegenüber übermäßiger Belastung und transienten (momentanen) Spannungsstößen. Sie sind in der Tat so tolerant, dass einige kurzzeitig mit unsynchronisierten Wechselstromquellen parallel geschaltet werden können, so dass eine Last „Make-before-Break“ von einer Stromquelle auf eine andere geschaltet werden kann, ohne dass die Stromversorgung auf der Sekundärseite unterbrochen wird!
Bekannte Nachteile von Ferroresonantentransformatoren
Leider haben diese Geräte ebenso bemerkenswerte Nachteile: sie verschwenden viel Energie (aufgrund von Hystereseverlusten im gesättigten Kern), erzeugen dabei erhebliche Wärme und sind intolerant gegenüber Frequenzschwankungen, was bedeutet, dass sie nicht sehr gut funktionieren, wenn sie von kleinen motorgetriebenen Generatoren mit schlechter Drehzahlregelung angetrieben werden.
Die im Resonanzwicklungs-/Kondensatorkreis erzeugten Spannungen sind tendenziell sehr hoch, erfordern teure Kondensatoren und stellen den Servicetechniker vor sehr gefährliche Arbeitsspannungen. Einige Anwendungen können jedoch die Vorteile des Ferroresonantentransformators gegenüber seinen Nachteilen priorisieren.
Es gibt Halbleiterschaltungen, um Wechselstrom als Alternative zu ferroresonanten Bauelementen zu „konditionieren“, aber keine kann mit diesem Transformator in Bezug auf die Einfachheit konkurrieren.
REZENSION:
- Die Spannungsregelung ist das Maß dafür, wie gut ein Leistungstransformator bei konstanter Primärspannung und großer Varianz des Laststroms eine konstante Sekundärspannung aufrechterhalten kann. Je niedriger der Prozentsatz (näher an Null) ist, desto stabiler ist die Sekundärspannung und desto besser ist die Regelung.
- Ein Ferroresonantentransformator ist ein spezieller Transformator, der entwickelt wurde, um die Spannung trotz großer Schwankungen der Eingangsspannung auf einem stabilen Niveau zu regeln.
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