Come abbiamo visto in alcune analisi SPICE in precedenza in questo capitolo, la tensione di uscita di un trasformatore varia alcuni con resistenze di carico variabili, anche con un ingresso a tensione costante.
Il grado di varianza è influenzato dalle induttanze degli avvolgimenti primari e secondari, tra gli altri fattori, non ultimo dei quali include la resistenza degli avvolgimenti e il grado di induttanza reciproca (accoppiamento magnetico) tra gli avvolgimenti primari e secondari.
Per applicazioni di trasformatori di potenza, dove il trasformatore è visto dal carico (idealmente) come una fonte costante di tensione, è bene che la tensione secondaria vari il meno possibile per ampie variazioni nella corrente di carico.
Formula di regolazione della tensione
La misura di quanto bene un trasformatore di potenza mantiene costante la tensione secondaria su una gamma di correnti di carico è chiamata regolazione della tensione del trasformatore. Può essere calcolato dalla seguente formula:
Che cosa è “a pieno carico”?
“Pieno carico” indica il punto in cui il trasformatore funziona alla massima corrente secondaria ammissibile. Questo punto operativo sarà determinato principalmente dalla dimensione del filo di avvolgimento (ampacity) e dal metodo di raffreddamento del trasformatore.
Prendendo come esempio la nostra prima simulazione del trasformatore SPICE, confrontiamo la tensione di uscita con un carico di 1 kΩ rispetto a un carico di 200 Ω (supponendo che il carico di 200 Ω sarà la nostra condizione di “pieno carico”). Ricordiamo se si vuole che la nostra tensione primaria costante era 10.00 volt AC:
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
Si noti come la tensione di uscita diminuisce come il carico diventa più pesante (più corrente). Ora prendiamo quello stesso circuito trasformatore e un carico di resistenza estremamente elevata magnitudo attraverso l’avvolgimento secondario per simulare una “no-load” condizione: (Vedere “trasformatore” spice elenco”)
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
Così, vediamo che la nostra uscita (secondario) tensione abbraccia una gamma di 9.990 volt a (praticamente) senza carico e 9.348 volt al punto che abbiamo deciso di chiamare “a pieno carico.”Calcolando la regolazione della tensione con queste cifre, otteniamo:
Per inciso, questa sarebbe considerata una regolazione piuttosto scarsa (o “sciolta”) per un trasformatore di potenza. Alimentando un semplice carico resistivo come questo, un buon trasformatore di potenza dovrebbe presentare una percentuale di regolazione inferiore al 3%.
I carichi induttivi tendono a creare una condizione di regolazione della tensione peggiore, quindi questa analisi con carichi puramente resistivi è stata una condizione “best-case”.
Applicazioni che richiedono una regolamentazione “scadente”
Ci sono alcune applicazioni, tuttavia, in cui una regolamentazione scadente è effettivamente desiderata. Uno di questi casi è nell’illuminazione a scarica, dove è necessario un trasformatore step-up per generare inizialmente un’alta tensione (necessaria per “accendere” le lampade), quindi la tensione dovrebbe scendere una volta che la lampada inizia ad assorbire corrente.
Questo perché i requisiti di tensione delle lampade a scarica tendono ad essere molto più bassi dopo che una corrente è stata stabilita attraverso il percorso dell’arco. In questo caso, un trasformatore step-up con scarsa regolazione della tensione è sufficiente per il compito di condizionare l’alimentazione alla lampada.
Un’altra applicazione è nel controllo di corrente per saldatori ad arco AC, che non sono altro che trasformatori step-down che forniscono potenza a bassa tensione e alta corrente per il processo di saldatura.
Si desidera un’alta tensione per aiutare a “colpire” l’arco (avviarlo), ma come la lampada a scarica, un arco non richiede tanta tensione per sostenersi una volta che l’aria è stata riscaldata fino al punto di ionizzazione. Pertanto, una diminuzione della tensione secondaria sotto corrente di carico elevata sarebbe una buona cosa.
Alcuni modelli di saldatori ad arco forniscono la regolazione della corrente dell’arco mediante un nucleo di ferro mobile nel trasformatore, azionato dall’operatore all’interno o all’esterno del gruppo di avvolgimento.
Spostare la lumaca di ferro lontano dagli avvolgimenti riduce la forza dell’accoppiamento magnetico tra gli avvolgimenti, che diminuisce la tensione secondaria a vuoto e rende più scarsa la regolazione della tensione.
Trasformatore ferroresonante
Nessuna esposizione sulla regolazione del trasformatore può essere definita completa senza menzionare un dispositivo insolito chiamato trasformatore ferroresonante.
La”Ferroresonanza” è un fenomeno associato al comportamento dei nuclei di ferro mentre operano vicino a un punto di saturazione magnetica (dove il nucleo è così fortemente magnetizzato che ulteriori aumenti della corrente di avvolgimento comportano un aumento minimo o nullo del flusso magnetico).
Pur essendo un po ‘ difficile da descrivere senza andare in profondità nella teoria elettromagnetica, il trasformatore ferroresonante è un trasformatore di potenza progettato per funzionare in una condizione di saturazione persistente del nucleo.
Cioè, il suo nucleo di ferro è “pieno” di linee magnetiche di flusso per una grande porzione del ciclo CA in modo che le variazioni della tensione di alimentazione (corrente di avvolgimento primario) abbiano scarso effetto sulla densità di flusso magnetico del nucleo, il che significa che l’avvolgimento secondario emette una tensione quasi costante nonostante le variazioni significative
Circuiti di risonanza nei trasformatori ferroresonanti
Normalmente, la saturazione del nucleo in un trasformatore provoca una distorsione della forma dell’onda sinusoidale e il trasformatore ferroresonante non fa eccezione. Per combattere questo effetto collaterale, i trasformatori ferroresonanti hanno un avvolgimento secondario ausiliario parallelo a uno o più condensatori, formando un circuito risonante sintonizzato sulla frequenza di alimentazione.
Questo “circuito serbatoio” serve come un filtro per rifiutare armoniche create dalla saturazione del nucleo, e fornisce il vantaggio di immagazzinare energia sotto forma di oscillazioni AC, che è disponibile per sostenere tensione di avvolgimento di uscita per brevi periodi di perdita di tensione in ingresso (millisecondi’ vale la pena di tempo, ma certamente meglio di niente).
Il trasformatore Ferroresonant fornisce la regolazione della tensione dell’uscita.
Oltre a bloccare le armoniche create dal nucleo saturo, questo circuito risonante “filtra” anche le frequenze armoniche generate da carichi non lineari (switching) nel circuito di avvolgimento secondario e tutte le armoniche presenti nella tensione sorgente, fornendo potenza “pulita” al carico.
I trasformatori Ferroresonant offrono diverse caratteristiche utili nel condizionamento dell’alimentazione CA: tensione di uscita costante date variazioni sostanziali nella tensione di ingresso, filtraggio armonico tra la fonte di alimentazione e il carico, e la capacità di “cavalcare” brevi perdite di potenza mantenendo una riserva di energia nel suo circuito serbatoio risonante.
Questi trasformatori sono anche altamente tolleranti di carico eccessivo e sovratensioni transitorie (momentanee). Sono così tolleranti, infatti, che alcuni possono essere brevemente in parallelo con fonti di alimentazione CA non sincronizzate, consentendo a un carico di essere commutato da una fonte di energia a un’altra in modo “make-before-break” senza interruzione di potenza sul lato secondario!
Svantaggi noti dei trasformatori Ferroresonanti
Sfortunatamente, questi dispositivi presentano svantaggi altrettanto degni di nota: sprecano molta energia (a causa delle perdite di isteresi nel nucleo saturo), generando calore significativo nel processo e sono intolleranti alle variazioni di frequenza, il che significa che non funzionano molto bene se alimentati da piccoli generatori motorizzati con scarsa regolazione della velocità.
Le tensioni prodotte nel circuito di avvolgimento/condensatore risonante tendono ad essere molto elevate, rendendo necessari condensatori costosi e presentando al tecnico di servizio tensioni di lavoro molto pericolose. Alcune applicazioni, tuttavia, possono dare la priorità ai vantaggi del trasformatore ferroresonant rispetto ai suoi svantaggi.
Esistono circuiti semiconduttori per “condizionare” l’alimentazione CA come alternativa ai dispositivi ferroresonanti, ma nessuno può competere con questo trasformatore in termini di pura semplicità.
RECENSIONE:
- La regolazione della tensione è la misura di quanto bene un trasformatore di potenza può mantenere una tensione secondaria costante data una tensione primaria costante e un’ampia varianza nella corrente di carico. Più bassa è la percentuale (più vicina allo zero), più stabile è la tensione secondaria e migliore sarà la regolazione che fornirà.
- Un trasformatore ferroresonante è un trasformatore speciale progettato per regolare la tensione a un livello stabile nonostante l’ampia variazione della tensione di ingresso.
FOGLI DI LAVORO CORRELATI: