jak widzieliśmy w kilku analizach SPICE wcześniej w tym rozdziale, napięcie wyjściowe transformatora zmienia się przy różnych rezystancjach obciążenia, nawet przy stałym napięciu wejściowym.
na stopień wariancji mają wpływ indukcyjność uzwojenia pierwotnego i wtórnego, wśród innych czynników, z których nie najmniej obejmuje opór uzwojenia i stopień wzajemnej indukcyjności (sprzężenie magnetyczne) między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym.
w przypadku transformatorów mocy, gdzie transformator jest postrzegany przez obciążenie (idealnie) jako stałe źródło napięcia, dobrze jest, aby Napięcie wtórne zmieniało się jak najmniej dla szerokich wahań prądu obciążenia.
wzór Regulacji Napięcia
miara tego, jak dobrze transformator mocy utrzymuje stałe napięcie wtórne w zakresie prądów obciążenia, nazywa się regulacją napięcia transformatora. Można go obliczyć z następującego wzoru:
co to jest „pełne obciążenie”?
„pełne obciążenie” oznacza punkt, w którym transformator pracuje przy maksymalnym dopuszczalnym prądzie wtórnym. Ten punkt roboczy będzie określany przede wszystkim przez rozmiar drutu nawojowego (ampacity) i sposób chłodzenia transformatora.
biorąc za przykład naszą pierwszą symulację transformatora SPICE, porównajmy napięcie wyjściowe z obciążeniem 1 kΩ w porównaniu z obciążeniem 200 Ω (zakładając, że obciążenie 200 Ω będzie naszym warunkiem „pełnego obciążenia”). Przypomnijmy, że nasze stałe Napięcie pierwotne wynosiło 10,00 V 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
zauważ, jak napięcie wyjściowe zmniejsza się, gdy obciążenie staje się cięższe (więcej prądu). Teraz weźmy ten sam obwód transformatora i umieśćmy rezystancję obciążenia ekstremalnie dużej wielkości na uzwojeniu wtórnym, aby symulować stan „bez obciążenia”: (patrz lista przypraw „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
widzimy więc, że nasze napięcie wyjściowe (wtórne) obejmuje zakres 9.990 woltów przy (praktycznie) braku obciążenia i 9.348 woltów w punkcie, który zdecydowaliśmy się nazwać „pełnym obciążeniem.”Obliczając regulację napięcia za pomocą tych liczb, otrzymujemy:
nawiasem mówiąc, byłoby to uważane za raczej słabą (lub „luźną”) regulację dla transformatora mocy. Zasilając takie proste obciążenie rezystancyjne, dobry transformator mocy powinien wykazywać procent regulacji mniejszy niż 3%.
obciążenia indukcyjne mają tendencję do tworzenia warunków gorszej regulacji napięcia, więc ta analiza z obciążeniami czysto rezystancyjnymi była warunkiem „najlepszym”.
aplikacje wymagające „złej” regulacji
istnieją jednak aplikacje, w których właściwie pożądana jest zła Regulacja. Jednym z takich przypadków jest oświetlenie wyładowcze, gdzie transformator typu step-up musi początkowo generować wysokie napięcie (konieczne do „zapalenia” lamp), a następnie oczekuje się, że napięcie spadnie, gdy lampa zacznie pobierać prąd.
wynika to z faktu, że wymagania dotyczące napięcia lamp wyładowczych są zwykle znacznie niższe po ustaleniu prądu przez ścieżkę łuku. W tym przypadku do zadania kondycjonowania zasilania lampy wystarczy transformator step-up ze słabą regulacją napięcia.
kolejną aplikacją jest kontrola prądu dla spawarek łukowych AC, które są niczym więcej niż transformatorami stopniowymi dostarczającymi niskonapięciową, wysokoprądową moc do procesu spawania.
pożądane jest wysokie napięcie, aby pomóc w „uderzeniu” łuku (uruchomieniu), ale podobnie jak lampa wyładowcza, łuk nie wymaga tyle napięcia, aby utrzymać się po ogrzaniu powietrza do punktu jonizacji. Tak więc spadek napięcia wtórnego pod wysokim prądem obciążenia byłby dobrą rzeczą.
niektóre konstrukcje spawarek łukowych zapewniają regulację prądu łuku za pomocą ruchomego żelaznego rdzenia w transformatorze, zakręconego lub wyjętego z zespołu uzwojenia przez operatora.
odsunięcie ślimaka żelaznego od uzwojeń zmniejsza siłę sprzężenia magnetycznego między uzwojeniami, co zmniejsza napięcie wtórne bez obciążenia i powoduje gorszą regulację napięcia.
transformator Ferrorezonansowy
Żadna ekspozycja na regulację transformatora nie może być nazwana kompletną bez wzmianki o niezwykłym urządzeniu zwanym transformatorem ferrorezonansowym.
„Ferrorezonans” to zjawisko związane z zachowaniem rdzeni żelaznych podczas pracy w pobliżu punktu nasycenia magnetycznego (gdzie rdzeń jest tak silnie namagnesowany, że dalszy wzrost prądu uzwojenia powoduje niewielki lub żaden wzrost strumienia magnetycznego).
chociaż jest nieco trudny do opisania bez zagłębiania się w teorię elektromagnetyczną, transformator ferrorezonansowy jest transformatorem mocy zaprojektowanym do pracy w Warunkach trwałego nasycenia rdzenia.
oznacza to, że jego żelazny rdzeń jest „wypełniony” liniami magnetycznymi strumienia dla dużej części cyklu prądu przemiennego, tak że zmiany napięcia zasilania (Prąd uzwojenia pierwotnego) mają niewielki wpływ na gęstość strumienia magnetycznego rdzenia, co oznacza, że uzwojenie wtórne wytwarza prawie stałe napięcie pomimo znacznych zmian napięcia zasilania (uzwojenie pierwotne).
obwody rezonansowe w transformatorach Ferrorezonansowych
normalnie nasycenie rdzenia w transformatorze powoduje zniekształcenie kształtu fali sinusoidalnej, a transformator ferrorezonansowy nie jest wyjątkiem. Aby zwalczyć ten efekt uboczny, transformatory ferrorezonansowe mają pomocnicze uzwojenie wtórne równoległe z jednym lub kilkoma kondensatorami, tworząc obwód rezonansowy dostrojony do częstotliwości zasilania.
ten „obwód zbiornika” służy jako filtr do odrzucania harmonicznych utworzonych przez nasycenie rdzenia i zapewnia dodatkową zaletę przechowywania energii w postaci oscylacji prądu przemiennego, która jest dostępna do podtrzymywania napięcia uzwojenia wyjściowego przez krótkie okresy utraty napięcia wejściowego (czas milisekund, ale na pewno lepszy niż nic).
transformator Ferrorezonansowy zapewnia regulację napięcia wyjściowego.
oprócz blokowania harmonicznych utworzonych przez nasycony rdzeń, ten obwód rezonansowy ” filtruje „również częstotliwości harmoniczne generowane przez nieliniowe (przełączające) obciążenia w obwodzie uzwojenia wtórnego i wszelkie harmoniczne obecne w napięciu źródłowym, zapewniając” czystą ” moc do obciążenia.
transformatory Ferrorezonansowe oferują kilka funkcji przydatnych w kondycjonowaniu prądu przemiennego: stałe napięcie wyjściowe ze względu na znaczne zmiany napięcia wejściowego, filtrowanie harmoniczne między źródłem zasilania a obciążeniem oraz zdolność do „przejazdu” krótkich strat mocy poprzez utrzymywanie rezerwy energii w obwodzie rezonansowym zbiornika.
transformatory te są również bardzo odporne na nadmierne obciążenie i przejściowe (chwilowe) przepięcia napięcia. Są one tak tolerancyjne, w rzeczywistości, że niektóre mogą być krótko równoległe z niezsynchronizowanymi źródłami prądu przemiennego, umożliwiając przełączanie obciążenia z jednego źródła zasilania do drugiego w sposób „make-before-break” bez przerwania zasilania po stronie wtórnej!
znane wady transformatorów Ferrorezonansowych
niestety urządzenia te mają równie godne uwagi wady: marnują dużo energii (z powodu strat histerezy w nasyconym rdzeniu), generując znaczne ciepło w procesie i nie tolerują zmian częstotliwości, co oznacza, że nie działają zbyt dobrze, gdy są zasilane przez małe generatory napędzane silnikiem o słabej regulacji prędkości.
napięcia wytwarzane w obwodzie uzwojenia rezonansowego/kondensatora są zwykle bardzo wysokie, co wymaga drogich kondensatorów i przedstawia technikowi serwisowemu bardzo niebezpieczne napięcia robocze. Niektóre zastosowania mogą jednak priorytetowo traktować zalety transformatora ferrorezonansowego nad jego wadami.
obwody półprzewodnikowe istnieją, aby „kondycjonować” zasilanie prądem przemiennym jako alternatywę dla urządzeń ferrorezonansowych, ale żaden nie może konkurować z tym transformatorem pod względem prostoty.
recenzja:
- Regulacja napięcia jest miarą tego, jak dobrze transformator mocy może utrzymać stałe napięcie wtórne ze względu na stałe Napięcie pierwotne i szeroką zmienność prądu obciążenia. Im niższy procent (bliżej zera), tym bardziej stabilne napięcie wtórne i lepsza Regulacja zapewni.
- transformator ferrorezonansowy jest specjalnym transformatorem zaprojektowanym do regulacji napięcia na stabilnym poziomie pomimo dużych wahań napięcia wejściowego.
POWIĄZANE ARKUSZE: