zoals we in een paar SPICE analyses eerder in dit hoofdstuk zagen, varieert de uitgangsspanning van een transformator soms met wisselende belastingsweerstanden, zelfs bij een constante spanningsingang.
de variantiegraad wordt beïnvloed door onder andere de primaire en secundaire wikkelinducties, waarvan niet de minste de wikkelweerstand en de mate van wederzijdse inductie (magnetische koppeling) tussen de primaire en secundaire wikkelingen omvat.
voor vermogenstransformatortoepassingen, waarbij de transformator door de belasting (idealiter) wordt gezien als een constante spanningsbron, is het goed om de secundaire spanning zo weinig mogelijk te laten variëren voor grote variaties in belastingsstroom.
Spanningsregulatieformule
de meting van de mate waarin een transformator een constante secundaire spanning handhaaft over een reeks belastingsstromen wordt de spanningsregulatie van de transformator genoemd. Het kan worden berekend aan de hand van de volgende formule:
Wat is “volledige belasting”?
“volledige belasting”: het punt waarop de transformator werkt bij de maximaal toelaatbare secundaire stroom. Dit werkpunt wordt voornamelijk bepaald door de grootte van de wikkeldraad (ampactiteit) en de methode van transformatorkoeling.
laten we onze eerste SPICE transformator simulatie als voorbeeld nemen, laten we de uitgangsspanning vergelijken met een 1 kΩ belasting versus een 200 Ω belasting (aangenomen dat de 200 Ω belasting onze “volle belasting” voorwaarde zal zijn). Herinneren als u wilt dat onze constante primaire spanning was 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
merk op hoe de uitgangsspanning afneemt naarmate de belasting zwaarder wordt (meer stroom). Laten we nu dat zelfde transformatorcircuit nemen en een belastingsweerstand van extreem hoge magnitude over de secundaire wikkeling plaatsen om een “onbelaste” toestand te simuleren: (zie “transformer” spice list”)
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
dus, we zien dat onze output (secundaire) spanning overspant een bereik van 9.990 volt bij (vrijwel) geen belasting en 9.348 volt op het punt dat we besloten om te bellen “volledige belasting.”Het berekenen van spanningsregeling met deze cijfers, krijgen we:
dit zou overigens als vrij slechte (of “losse”) regeling voor een transformator worden beschouwd. Een goede vermogenstransformator moet een regulatiepercentage van minder dan 3% hebben bij het voeden van een eenvoudige weerstand als deze.
inductieve belastingen hebben de neiging om een toestand van slechtere spanningsregeling te creëren, dus deze analyse met zuiver resistieve belastingen was een “best-case” voorwaarde.
toepassingen waarvoor “slechte” regelgeving vereist is
er zijn echter enkele toepassingen waarvoor slechte regelgeving eigenlijk gewenst is. Een dergelijk geval is in ontlading verlichting, waarbij een step-up transformator is vereist om in eerste instantie een hoogspanning te genereren (noodzakelijk om de lampen te “ontsteken”), dan is de spanning naar verwachting af te vallen zodra de lamp begint om stroom te trekken.
dit komt omdat de spanningsvereisten van ontladingslampen doorgaans veel lager zijn nadat een stroom door de boogbaan is vastgesteld. In dit geval volstaat een step-up transformator met een slechte spanningsregeling mooi voor de taak van het conditioneren van vermogen aan de lamp.
een andere toepassing is de Stroomregeling voor AC-lassers, die niets meer zijn dan step-down transformatoren die laagspanning en hoogstroom leveren voor het lasproces.
een hoge spanning is gewenst om te helpen bij het “raken” van de boog (het starten), maar net als de ontladingslamp heeft een boog niet zoveel spanning nodig om zichzelf in stand te houden zodra de lucht is verwarmd tot het punt van ionisatie. Zo zou een afname van de secundaire spanning onder hoge belastingstroom een goede zaak zijn.
sommige ontwerpen van booglasers voorzien in de aanpassing van de boogstroom door middel van een beweegbare ijzeren kern in de transformator, die door de operator in of uit de wikkelconstructie wordt aangezwengeld.
door de ijzerslak van de windingen af te halen, wordt de sterkte van de magnetische koppeling tussen de windingen verminderd, waardoor de secundaire spanning in onbelaste toestand afneemt en de spanningsregeling slechter wordt.
Ferroresonante transformator
geen enkele beschrijving van de regeling van de transformator kon compleet worden genoemd zonder vermelding van een ongewoon apparaat dat een ferroresonante transformator wordt genoemd.
“Ferroresonantie” is een verschijnsel dat geassocieerd wordt met het gedrag van ijzerkernen in de buurt van een punt van magnetische verzadiging (waarbij de kern zo sterk gemagnetiseerd is dat verdere toename van de wikkelstroom weinig of geen toename van de magnetische flux tot gevolg heeft).
hoewel het moeilijk te beschrijven is zonder diep in de elektromagnetische theorie te gaan, is de ferroresonanttransformator een vermogenstransformator die ontworpen is om te werken in een toestand van aanhoudende kernverzadiging.
dat wil zeggen dat de ijzeren kern gedurende een groot deel van de WISSELSTROOMCYCLUS “gevuld” is met magnetische fluxlijnen, zodat variaties in voedingsspanning (primaire wikkelstroom) weinig effect hebben op de magnetische fluxdichtheid van de kern, wat betekent dat de secundaire wikkeling een bijna constante spanning produceert ondanks significante variaties in voedingsspanning (primaire wikkelstroom).
Resonantiecircuits in Ferroresonante transformatoren
normaal leidt kernverzadiging in een transformator tot vervorming van de sinusgolfvorm, en de ferroresonante transformator is geen uitzondering. Om dit neveneffect te bestrijden, hebben ferroresonante transformatoren een secundaire hulpapparatuur die parallel loopt met een of meer condensatoren, waardoor een resonantiekring wordt gevormd die is afgestemd op de voedingsfrequentie.
dit “tankcircuit” dient als een filter voor het afstoten van harmonischen die ontstaan door de verzadiging van de kern, en biedt het extra voordeel van het opslaan van energie in de vorm van WISSELSTROOMSCHOMMELINGEN, die beschikbaar zijn voor het handhaven van de uitgangsspanning gedurende korte perioden van ingangsspanning verlies (milliseconden waarde van tijd, maar zeker beter dan niets).
Ferroresonante transformator zorgt voor spanningsregeling van de uitgang.
naast het blokkeren van harmonischen die door de verzadigde kern worden gecreëerd, ” filtert dit resonantiekring ook harmonische frequenties die worden gegenereerd door niet-lineaire (schakelende) belastingen in het secundaire wikkelcircuit en alle harmonischen die aanwezig zijn in de bronspanning, waardoor de belasting “schoon” wordt gevoed.
Ferroresonante transformatoren bieden verschillende functies die nuttig zijn bij het conditioneren van wisselstroom: constante uitgangsspanning gegeven aanzienlijke variaties in ingangsspanning, harmonische filtering tussen de krachtbron en de belasting, en de mogelijkheid om “door” korte verliezen aan vermogen te “rijden” door het houden van een energiereserve in zijn resonante tankcircuit.
deze transformatoren zijn ook zeer goed bestand tegen overmatige belasting en tijdelijke (kortstondige) spanningspieken. Ze zijn zo tolerant, in feite, dat sommige kunnen kort worden parallel met ongesynchroniseerde WISSELSTROOMBRONNEN, waardoor een belasting van de ene energiebron naar de andere in een “make-before-break” manier worden overgeschakeld zonder onderbreking van de macht aan de secundaire kant!
bekende nadelen van Ferroresonante transformatoren
helaas hebben deze apparaten even opmerkelijke nadelen: ze verspillen veel energie (als gevolg van hysterese verliezen in de verzadigde kern), het genereren van aanzienlijke warmte in het proces, en zijn intolerant voor frequentievariaties, wat betekent dat ze niet goed werken wanneer aangedreven door kleine motor aangedreven generatoren met een slechte toerentalregeling.
spanningen die in het resonante wikkel – /condensatorcircuit worden geproduceerd, zijn meestal zeer hoog, waardoor dure condensatoren nodig zijn en de onderhoudstechnicus zeer gevaarlijke werkspanningen krijgt. Sommige toepassingen kunnen echter voorrang geven aan de voordelen van de ferroresonant transformator boven de nadelen.Er bestaan Halfgeleidercircuits om wisselstroom te “conditioneren” als alternatief voor ferroresonante elementen, maar geen enkele kan concurreren met deze transformator in termen van eenvoud.
overzicht:
- spanningsregeling is de maat voor hoe goed een vermogenstransformator een constante secundaire spanning kan handhaven gegeven een constante primaire spanning en een brede variantie in belastingsstroom. Hoe lager het percentage (dichter bij nul), hoe stabieler de secundaire spanning en hoe beter de regeling die het zal bieden.
- een ferroresonante transformator is een speciale transformator die ontworpen is om de spanning op een stabiel niveau te regelen ondanks grote variatie in de ingangsspanning.
GERELATEERDE WERKBLADEN: