Регулирование напряжения в силовой трансформаторах

В ранних SPICE-моделированиях мы наблюдали, что выходное напряжение трансформатора может меняться при изменении нагрузочного сопротивления, даже когда входное напряжение постоянно.

На это влияют несколько факторов: индуктивности первичной и вторичной обмоток, сопротивление обмоток и степень магнитной связи между ними.

Для силовой трансформаторов цель — выдавать нагрузке практически постоянное напряжение. Поэтому вторичное напряжение должно колебаться как можно меньше в широком диапазоне нагрузочных токов.

Формула регулирования напряжения

Регулирование напряжения измеряет, насколько эффективно трансформатор поддерживает постоянное вторичное напряжение при изменяющемся нагрузочном токе. Она рассчитывается по формуле:

Что такое «полная нагрузка»?

«Полная нагрузка» — это режим, при котором трансформатор работает на максимально допустимом вторичном токе. Эта рабочая точка во многом определяется сечением провода обмоток (допустимый ток) и способом охлаждения.

Используя наше первое SPICE-моделирование трансформатора в качестве примера, сравним выходное напряжение при нагрузке 1 кОм и 200 Ом (200 Ом соответствует полной нагрузке). Напомним, что первичное напряжение постоянно 10,00 В переменного тока:

freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1kΩ load
freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200Ω load

Заметьте, что выходное напряжение падает при утяжелении нагрузки (т.е. при росте тока). Чтобы проиллюстрировать режим, близкий к холостому ходу, можно заменить вторичную нагрузку на экстремально высокое сопротивление:

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

Вторичное напряжение варьируется примерно от 9,990 В в холостом ходу до 9,348 В при полной нагрузке. Подставляя эти значения в формулу регулирования, получаем:

В этом примере регулирование превышает 3%, что считается плохим для силового трансформатора. Хороший силовой трансформатор должен иметь процент регулирования менее 3% при резистивной нагрузке. Индуктивные нагрузки обычно ухудшают регулирование, поэтому этот анализ представляет лучший сценарий.

Приложения, выигрывающие от плохого регулирования

Некоторые устройства намеренно используют трансформаторы с плохим регулированием. Например, газоразрядные лампы требуют высокого начального напряжения для зажигания дуги, после чего лампа потребляет меньшее напряжение. Повышающий трансформатор, который естественным образом снижает напряжение под нагрузкой, идеален здесь.

Сварочные аппараты переменного тока также используют понижающие трансформаторы, которые выдают высокое напряжение для зажигания дуги, но опираются на более низкое напряжение после её устойчивого горения. Конструкторы часто регулируют сварочный ток, перемещая железное сердечко в или из трансформатора, что уменьшает магнитную связь, снижает холостое напряжение и ухудшает регулирование — именно тот эффект, который нужен.

Феррорезонансные трансформаторы

Феррорезонансные трансформаторы — особый класс силовой трансформаторов, работающих с сердечником в состоянии постоянного магнитного насыщения. В этом режиме вариации первичного напряжения вызывают минимальные изменения индукции в сердечнике, в результате чего вторичное напряжение остаётся практически постоянным несмотря на колебания питания.

Резонансные цепи в феррорезонансных трансформаторах

Насыщение сердечника может искажать форму выходного напряжения, но феррорезонансные трансформаторы смягчают это, включив вспомогательную вторичную обмотку, соединённую с одним или несколькими конденсаторами в резонансный контур, настроенный на частоту сети. Этот контур фильтрует гармоники, порождаемые насыщением сердечника и нелинейными нагрузками, а также накапливает энергию для поддержания выходного напряжения при кратковременных сбоях входного питания.

Феррорезонансный трансформатор обеспечивает стабилизацию выходного напряжения.

Ключевые преимущества: устойчивое выходное напряжение при колебаниях входного, фильтрация гармоник, способность выдерживать короткие перебои питания. Некоторые конструкции даже допускают параллельную работу с несинхронизированными источниками переменного тока, обеспечивая бесшовное переключение источников питания.

Известные недостатки феррорезонансных трансформаторов

Эти трансформаторы потребляют значительную мощность из-за гистерезисных потерь в насыщенном сердечнике, выделяя много тепла. Они также чувствительны к вариациям частоты, ограничивая их применение с генераторами без стабилизации частоты. Кроме того, резонансная цепь может создавать высокие напряжения, требуя дорогих конденсаторов и создавая опасность для обслуживающего персонала.

Хотя существуют полупроводниковые решения для условления питания, они не могут сравниться с простотой и стоимостью феррорезонансных трансформаторов во многих приложениях.

Резюме

• Регулирование напряжения количественно оценивает способность трансформатора удерживать вторичное напряжение стабильным под переменной нагрузкой. Меньшие проценты означают лучшую характеристику.
• Феррорезонансный трансформатор спроектирован для поддержания стабильного выходного напряжения даже при больших вариациях входного.

Связанные рабочие листы

• Regulated Power Sources Worksheet
• Basic AC‑DC Power Supplies Worksheet