som vi såg i några SPICE analyser tidigare i detta kapitel, utgångsspänningen hos en transformator varierar vissa med varierande belastningsmotstånd, även med en konstant spänningsingång.
variansgraden påverkas av primär-och sekundärlindningsinduktanserna, bland andra faktorer, varav inte minst inkluderar lindningsmotstånd och graden av ömsesidig induktans (magnetisk koppling) mellan primär-och sekundärlindningarna.
för krafttransformatortillämpningar, där transformatorn ses av lasten (helst) som en konstant spänningskälla, är det bra att sekundärspänningen varierar så lite som möjligt för stora variationer i belastningsström.
Spänningsregleringsformel
måttet på hur väl en krafttransformator upprätthåller konstant sekundärspänning över ett antal belastningsströmmar kallas transformatorns spänningsreglering. Det kan beräknas från följande formel:
Vad är ”Full belastning”?
”Full belastning” betyder den punkt där transformatorn arbetar med högsta tillåtna sekundärström. Denna arbetspunkt kommer att bestämmas primärt av lind trådstorleken (ampacity) och metoden för transformatorkylning.
med vår första SPICE transformer-simulering som ett exempel, låt oss jämföra utspänningen med en 1 k-belastning på 200-belastning (förutsatt att 200-belastningen blir vårt ”full belastning” – tillstånd). Minns om du vill att vår konstanta primära spänning var 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
Lägg märke till hur utspänningen minskar när belastningen blir tyngre (mer ström). Låt oss nu ta samma transformatorkrets och placera ett Lastmotstånd av extremt hög storlek över sekundärlindningen för att simulera ett” obelastat ”tillstånd: (se” transformator ”kryddlista”)
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
så vi ser att vår Utgångsspänning (sekundär) spänner över ett intervall på 9.990 volt vid (praktiskt taget) ingen belastning och 9.348 volt vid den punkt som vi bestämde oss för att kalla ”full belastning.”Beräkning av spänningsreglering med dessa siffror får vi:
för övrigt skulle detta anses vara ganska dålig (eller ”lös”) reglering för en krafttransformator. Genom att driva en enkel resistiv belastning så här bör en bra krafttransformator uppvisa en regleringsprocent på mindre än 3%.
induktiva belastningar tenderar att skapa ett tillstånd av sämre spänningsreglering, så denna analys med rent resistiva belastningar var ett ”bästa fall”-tillstånd.
applikationer som kräver ”dålig” reglering
det finns dock vissa applikationer där dålig reglering faktiskt önskas. Ett sådant fall är i urladdningsbelysning, där en uppstegstransformator krävs för att initialt generera en högspänning (nödvändig för att ”tända” lamporna), då förväntas spänningen släppa av när lampan börjar dra ström.
detta beror på att urladdningslampans spänningskrav tenderar att vara mycket lägre efter att en ström har upprättats genom bågbanan. I det här fallet räcker en uppstegstransformator med dålig spänningsreglering snyggt för uppgiften att konditionera strömmen till lampan.
en annan applikation är i strömstyrning för AC-bågsvetsare, som inte är något annat än nedstegstransformatorer som levererar lågspänning, högströmseffekt för svetsprocessen.
en högspänning är önskvärd för att hjälpa till att ”slå” bågen (komma igång), men som urladdningslampan kräver en båge inte så mycket spänning för att upprätthålla sig när luften har värmts till joniseringspunkten. Således skulle en minskning av sekundärspänning under hög belastningsström vara en bra sak.
vissa bågsvetsarkonstruktioner ger bågströmsjustering med hjälp av en rörlig järnkärna i transformatorn, vevad in eller ut ur lindningsenheten av operatören.
att flytta järnsnigeln bort från lindningarna minskar styrkan hos magnetisk koppling mellan lindningarna, vilket minskar sekundärspänningen utan belastning och ger sämre spänningsreglering.
Ferroresonant transformator
ingen exposition på transformatorreglering kan kallas komplett utan omnämnande av en ovanlig anordning som kallas en ferroresonant transformator.
”Ferroresonans” är ett fenomen som är förknippat med beteendet hos järnkärnor medan de arbetar nära en punkt med magnetisk mättnad (där kärnan är så starkt magnetiserad att ytterligare ökningar i Lindström resulterar i liten eller ingen ökning av magnetflödet).
medan det är något svårt att beskriva utan att gå djupt in i elektromagnetisk teori, är ferroresonant transformatorn en krafttransformator konstruerad för att fungera i ett tillstånd av ihållande kärnmättnad.
det vill säga dess järnkärna är ”fylld full” av magnetiska flödeslinjer för en stor del av VÄXELSTRÖMSCYKELN så att variationer i Matningsspänning (primärlindningsström) har liten effekt på kärnans magnetiska flödestäthet, vilket innebär att sekundärlindningen matar ut en nästan konstant spänning trots betydande variationer i matningsspänningen (primärlindning).
Resonanskretsar i Ferroresonantransformatorer
normalt resulterar kärnmättnad i en transformator i förvrängning av sinusvågformen, och ferroresonantransformatorn är inget undantag. För att bekämpa denna bieffekt har ferroresonant transformatorer en extra sekundärlindning parallellt med en eller flera kondensatorer, som bildar en resonanskrets inställd på strömförsörjningsfrekvensen.
denna ”tankkrets” fungerar som ett filter för att avvisa övertoner skapade av kärnmättnaden och ger den extra fördelen att lagra energi i form av AC-svängningar, som är tillgänglig för att upprätthålla utgångslindningsspänningen under korta perioder av inspänningsförlust (millisekunder värt tid, men säkert bättre än ingenting).
Ferroresonant transformator ger spänningsreglering av utgången.
förutom att blockera övertoner skapade av den mättade kärnan, ”filtrerar denna resonanskrets också” harmoniska frekvenser som genereras av icke-linjära (växlande) belastningar i sekundärlindningskretsen och eventuella övertoner som finns i källspänningen, vilket ger ”ren” kraft till lasten.
Ferroresonant transformatorer erbjuder flera funktioner som är användbara i AC power conditioning: konstant utspänning ges betydande variationer i ingångsspänning, harmonisk filtrering mellan strömkällan och lasten, och förmågan att ”rida igenom” korta förluster i kraft genom att hålla en reserv av energi i sin resonanstank krets.
dessa transformatorer är också mycket toleranta mot överdriven belastning och övergående (momentana) spänningsöverskott. De är så toleranta, faktiskt, att vissa kan vara kort parallellt med osynkroniserade VÄXELSTRÖMSKÄLLOR, vilket gör att en last kan bytas från en kraftkälla till en annan på ett ”make-before-break” – sätt utan strömavbrott på sekundärsidan!
kända nackdelar med Ferroresonant transformatorer
tyvärr har dessa enheter lika anmärkningsvärda nackdelar: de slösar mycket energi (på grund av hysteresförluster i den mättade kärnan), genererar betydande värme i processen och är intoleranta mot frekvensvariationer, vilket innebär att de inte fungerar särskilt bra när de drivs av små motordrivna generatorer med dålig hastighetsreglering.
spänningar som produceras i resonanslindnings – /kondensatorkretsen tenderar att vara mycket höga, vilket kräver dyra kondensatorer och presenterar servicetekniker med mycket farliga arbetsspänningar. Vissa applikationer kan dock prioritera ferroresonant-transformatorns fördelar jämfört med dess nackdelar.
halvledarkretsar existerar för att” konditionera ” växelström som ett alternativ till ferroresonanta enheter, men ingen kan konkurrera med denna transformator när det gäller ren enkelhet.
recension:
- spänningsreglering är måttet på hur väl en krafttransformator kan upprätthålla konstant sekundärspänning med en konstant primärspänning och bred varians i belastningsström. Ju lägre procentandel (närmare noll) desto stabilare är sekundärspänningen och desto bättre reglering kommer den att ge.
- en ferroresonant transformator är en speciell transformator utformad för att reglera spänningen på en stabil nivå trots stor variation i ingångsspänningen.
RELATERADE KALKYLBLAD: