Регулировка напряжения

Как мы видели в нескольких анализах SPICE ранее в этой главе, выходное напряжение трансформатора несколько меняется в зависимости от сопротивления нагрузки, даже при постоянном входном напряжении.

На степень отклонения влияют индуктивности первичной и вторичной обмоток, среди других факторов, не в последнюю очередь из которых входят сопротивление обмотки и степень взаимной индуктивности (магнитной связи) между первичной и вторичной обмотками.

Для силовых трансформаторов, где трансформатор воспринимается нагрузкой (в идеале) как постоянный источник напряжения, рекомендуется, чтобы вторичное напряжение изменялось как можно меньше для больших колебаний тока нагрузки.

Формула регулирования напряжения

Показатель того, насколько хорошо силовой трансформатор поддерживает постоянное вторичное напряжение в диапазоне токов нагрузки, называется регулировкой напряжения трансформатора. . Его можно рассчитать по следующей формуле:

Что такое «Полная загрузка»?

«Полная нагрузка» означает точку, в которой трансформатор работает при максимально допустимом вторичном токе. Эта рабочая точка будет определяться в первую очередь размером обмоточного провода (допустимой нагрузкой) и методом охлаждения трансформатора.

Взяв в качестве примера нашу первую симуляцию трансформатора SPICE, давайте сравним выходное напряжение при нагрузке 1 кОм с нагрузкой 200 Ом (предполагая, что нагрузка 200 Ом будет нашим условием «полной нагрузки»). Если хотите, вспомните, что постоянное первичное напряжение было 10,00 вольт переменного тока:

 частота v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.962E + 00 9.962E-03 Выход при нагрузке 1 кОм частота v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.348E + 00 4.674E-02 Выход при нагрузке 200 Ом 

Обратите внимание, как выходное напряжение уменьшается по мере увеличения нагрузки (увеличения тока). Теперь давайте возьмем ту же схему трансформатора и поместим сопротивление нагрузки чрезвычайно высокой величины поперек вторичной обмотки, чтобы смоделировать состояние «холостого хода»:(см. Список примечаний «трансформатор»)

 трансформатор v1 1 0 ac 10 грех rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0100 l2 3 5 100 к 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) .конец 

 частота v (2) i (v1) 6.000E + 01 1.000E + 01 2.653E-04 частота v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.990E + 00 1.110E-12 Выход на (почти) холостом ходу 

Итак, мы видим, что наше выходное (вторичное) напряжение составляет 9,990 вольт при (практически) холостом ходу и 9,348 вольт в точке, которую мы решили назвать «полной нагрузкой». Рассчитывая стабилизацию напряжения по этим цифрам, получаем:

Кстати, это можно было бы посчитать довольно плохим (или «слабым») регулированием для силового трансформатора. При питании такой простой резистивной нагрузки хороший силовой трансформатор должен иметь процент регулирования менее 3%.

Индуктивные нагрузки, как правило, создают условия для худшего регулирования напряжения, поэтому этот анализ с чисто резистивными нагрузками был «наилучшим случаем».

Приложения, требующие «плохого» регулирования

Однако есть некоторые приложения, где действительно желательно плохое регулирование. Одним из таких случаев является разрядное освещение, когда требуется повышающий трансформатор для первоначальной генерации высокого напряжения (необходимого для «зажигания» ламп), а затем ожидается, что напряжение упадет, как только лампа начнет потреблять ток.

Это связано с тем, что требования к напряжению газоразрядных ламп имеют тенденцию быть намного ниже после того, как на пути дуги появился ток. В этом случае повышающий трансформатор с плохой стабилизацией напряжения вполне может обеспечить питание лампы.

Другое применение - регулирование тока для аппаратов дуговой сварки на переменном токе, которые представляют собой не что иное, как понижающие трансформаторы, подающие низковольтную и сильноточную энергию для сварочного процесса.

Высокое напряжение желательно для того, чтобы помочь «зажечь» дугу (запустить ее), но, как и в случае с газоразрядной лампой, дуга не требует такого большого напряжения для поддержания себя после того, как воздух нагреется до точки ионизации. Таким образом, уменьшение вторичного напряжения при высоком токе нагрузки было бы хорошо.

Некоторые конструкции аппаратов для дуговой сварки предусматривают регулировку тока дуги с помощью подвижного стального сердечника в трансформаторе, который оператор запускает или выключает из обмотки.

Удаление железной заготовки от обмоток снижает силу магнитной связи между обмотками, что снижает вторичное напряжение холостого хода и ухудшает регулирование напряжения.

Феррорезонансный трансформатор

Ни одно изложение регулирования трансформатора нельзя назвать полным без упоминания необычного устройства под названием феррорезонансный трансформатор . .

«Феррорезонанс» - это явление, связанное с поведением железных сердечников при работе вблизи точки магнитного насыщения (где сердечник настолько намагничен, что дальнейшее увеличение тока обмотки приводит к небольшому увеличению магнитного потока или его отсутствию).

Феррорезонансный трансформатор, который довольно сложно описать, не углубляясь в теорию электромагнитного поля, представляет собой силовой трансформатор, спроектированный для работы в условиях постоянного насыщения сердечника.

То есть его железный сердечник «заполнен» магнитными линиями потока на протяжении большей части цикла переменного тока, так что колебания напряжения питания (тока первичной обмотки) мало влияют на плотность магнитного потока сердечника, что означает вторичную обмотку. выводит почти постоянное напряжение, несмотря на значительные колебания напряжения питания (первичной обмотки).

Резонансные схемы в феррорезонансных трансформаторах

Обычно насыщение сердечника трансформатора приводит к искажению формы синусоидальной волны, и феррорезонансный трансформатор не является исключением. Для борьбы с этим побочным эффектом феррорезонансные трансформаторы имеют вспомогательную вторичную обмотку, параллельную одному или нескольким конденсаторам, которые образуют резонансный контур, настроенный на частоту источника питания.

Этот «резервуарный контур» служит фильтром для подавления гармоник, создаваемых насыщением сердечника, и обеспечивает дополнительное преимущество сохранения энергии в виде колебаний переменного тока, которые доступны для поддержания выходного напряжения обмотки в течение коротких периодов потери входного напряжения (миллисекунды). 'стоит времени, но определенно лучше, чем ничего).

Феррорезонансный трансформатор обеспечивает регулировку выходного напряжения.

Помимо блокировки гармоник, создаваемых насыщенным сердечником, этот резонансный контур также «отфильтровывает» гармонические частоты, генерируемые нелинейными (переключающими) нагрузками во вторичной обмотке, и любые гармоники, присутствующие в напряжении источника, обеспечивая «чистую» мощность для нагрузки. .

Феррорезонансные трансформаторы предлагают несколько функций, полезных при согласовании мощности переменного тока:постоянное выходное напряжение при существенных колебаниях входного напряжения, фильтрация гармоник между источником питания и нагрузкой, а также способность «преодолевать» кратковременные потери мощности за счет сохранения запаса энергии в резонансный контур резервуара.

Эти трансформаторы также очень устойчивы к чрезмерным нагрузкам и кратковременным скачкам напряжения. Фактически, они настолько терпимы, что некоторые из них могут быть на короткое время подключены параллельно к несинхронизированным источникам питания переменного тока, что позволяет переключать нагрузку с одного источника питания на другой в режиме «перед отключением» без прерывания подачи питания на источник питания. вторичная сторона!

Известные недостатки феррорезонансных трансформаторов

К сожалению, эти устройства имеют не менее примечательные недостатки:они тратят много энергии (из-за гистерезисных потерь в насыщенном сердечнике), генерируя значительные нагревается в процессе и не переносит изменения частоты, что означает, что они не очень хорошо работают при питании от небольших генераторов с приводом от двигателя, которые плохо регулируют скорость.

Напряжения, возникающие в резонансной цепи обмотки / конденсатора, имеют тенденцию быть очень высокими, что требует дорогих конденсаторов и предъявляет сервисному технику очень опасные рабочие напряжения. Однако в некоторых приложениях преимущества феррорезонансного трансформатора могут быть приоритетными перед его недостатками.

Существуют полупроводниковые схемы для «кондиционирования» питания переменного тока в качестве альтернативы феррорезонансным устройствам, но ни один из них не может конкурировать с этим трансформатором с точки зрения абсолютной простоты.

ОБЗОР:

• Регулировка напряжения - это мера того, насколько хорошо силовой трансформатор может поддерживать постоянное вторичное напряжение при постоянном первичном напряжении и большом разбросе тока нагрузки. Чем ниже процентное значение (ближе к нулю), тем стабильнее вторичное напряжение и тем лучше регулирование, которое оно обеспечивает.
• феррорезонанс трансформатор - это специальный трансформатор, предназначенный для стабилизации напряжения на стабильном уровне, несмотря на большие колебания входного напряжения.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица регулируемых источников энергии
• Базовая таблица источников питания переменного и постоянного тока