Spanningsregeling

Zoals we eerder in dit hoofdstuk in een paar SPICE-analyses hebben gezien, varieert de uitgangsspanning van een transformator enigszins met variërende belastingsweerstanden, zelfs met een constante spanningsingang.

De mate van variantie wordt onder andere beïnvloed door de inductanties van de primaire en secundaire wikkelingen, waaronder niet in de laatste plaats de wikkelingsweerstand en de mate van wederzijdse inductantie (magnetische koppeling) tussen de primaire en secundaire wikkelingen.

Voor toepassingen met vermogenstransformatoren, waarbij de transformator door de belasting (idealiter) wordt gezien als een constante spanningsbron, is het goed om de secundaire spanning zo min mogelijk te laten variëren voor grote verschillen in belastingsstroom.

Voltage Regeling Formule

De maatstaf van hoe goed een vermogenstransformator een constante secundaire spanning over een reeks belastingstromen handhaaft, wordt de spanningsregeling van de transformator genoemd. . Het kan worden berekend met de volgende formule:

Wat is "Volledige lading"?

"Vollast" betekent het punt waarop de transformator werkt op de maximaal toelaatbare secundaire stroom. Dit werkpunt wordt voornamelijk bepaald door de grootte van de wikkeldraad (ampacity) en de methode van transformatorkoeling.

Laten we onze eerste SPICE-transformatorsimulatie als voorbeeld nemen, laten we de uitgangsspanning vergelijken met een belasting van 1 kΩ versus een belasting van 200 (ervan uitgaande dat de belasting van 200 Ω onze "volledige belasting" -toestand zal zijn). Bedenk als je wilt dat onze constante primaire spanning 10,00 volt AC was:

freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Uitgang met 1k ohm belasting freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Uitgang met 200 ohm belasting 

Merk op hoe de uitgangsspanning afneemt naarmate de belasting zwaarder wordt (meer stroom). Laten we nu hetzelfde transformatorcircuit nemen en een belastingsweerstand van extreem hoge grootte over de secundaire wikkeling plaatsen om een ​​"onbelaste" toestand te simuleren:(Zie "transformator" kruidenlijst")

transformator 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) .einde 

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 Uitgang met (bijna) onbelast 

We zien dus dat onze uitgangsspanning (secundaire spanning) een bereik heeft van 9,990 volt bij (vrijwel) geen belasting en 9,348 volt op het punt dat we besloten om "volledige belasting" te noemen. Als we de spanningsregeling met deze cijfers berekenen, krijgen we:

Overigens zou dit als nogal slechte (of "losse") regeling voor een transformator worden beschouwd. Om een ​​eenvoudige ohmse belasting als deze aan te drijven, zou een goede transformator een regelpercentage van minder dan 3% moeten hebben.

Inductieve belastingen hebben de neiging om een ​​toestand van slechtere spanningsregeling te creëren, dus deze analyse met puur resistieve belastingen was een "best-case" toestand.

Toepassingen die "slechte" regelgeving vereisen

Er zijn echter enkele toepassingen waar een slechte regulering juist gewenst is. Een voorbeeld van zo'n geval is bij ontladingsverlichting, waar een step-up transformator nodig is om in eerste instantie een hoge spanning te genereren (nodig om de lampen te "ontsteken"), waarna de spanning naar verwachting zal afnemen zodra de lamp stroom begint te trekken.

Dit komt omdat de spanningsvereisten van ontladingslampen vaak veel lager zijn nadat er een stroom door het boogpad tot stand is gebracht. In dit geval is een step-up transformator met een slechte spanningsregeling ruim voldoende voor het conditioneren van het vermogen naar de lamp.

Een andere toepassing is stroomregeling voor AC-booglassers, die niets meer zijn dan step-down transformatoren die laagspannings-, hoogstroomvermogen leveren voor het lasproces.

Een hoge spanning is gewenst om te helpen bij het "slaan" van de boog (om te beginnen), maar net als de ontladingslamp heeft een boog niet zoveel spanning nodig om zichzelf in stand te houden als de lucht eenmaal is verwarmd tot het punt van ionisatie. Een verlaging van de secundaire spanning onder hoge belastingsstroom zou dus een goede zaak zijn.

Sommige ontwerpen van booglasmachines bieden aanpassing van de boogstroom door middel van een beweegbare ijzeren kern in de transformator, die door de operator in of uit de wikkeling wordt gedraaid.

Door de ijzeren slak weg te bewegen van de wikkelingen wordt de sterkte van de magnetische koppeling tussen de wikkelingen verminderd, waardoor de secundaire spanning bij nullast en afneemt zorgt voor een slechtere spanningsregeling.

Ferroresonante transformator

Geen enkele uiteenzetting over transformatorregeling kan compleet worden genoemd zonder melding te maken van een ongebruikelijk apparaat dat een ferroresonante transformator wordt genoemd .

"Ferroresonantie" is een fenomeen dat wordt geassocieerd met het gedrag van ijzeren kernen terwijl ze werken in de buurt van een punt van magnetische verzadiging (waar de kern zo sterk gemagnetiseerd is dat een verdere toename van de wikkelstroom resulteert in weinig of geen toename van de magnetische flux).

Hoewel het enigszins moeilijk te beschrijven is zonder diep in te gaan op de elektromagnetische theorie, is de ferroresonante transformator een vermogenstransformator die is ontworpen om te werken in een toestand van aanhoudende kernverzadiging.

Dat wil zeggen, de ijzeren kern is "vol" met magnetische fluxlijnen voor een groot deel van de AC-cyclus, zodat variaties in de voedingsspanning (primaire wikkelstroom) weinig effect hebben op de magnetische fluxdichtheid van de kern, wat betekent dat de secundaire wikkeling levert een bijna constante spanning ondanks aanzienlijke variaties in de voedingsspanning (primaire wikkeling).

Resonantiecircuits in ferroresonante transformatoren

Normaal gesproken resulteert kernverzadiging in een transformator in vervorming van de sinusgolfvorm, en de ferroresonante transformator is geen uitzondering. Om deze bijwerking tegen te gaan, hebben ferroresonante transformatoren een secundaire secundaire wikkeling die parallel is geschakeld met een of meer condensatoren, waardoor een resonantiekring wordt gevormd die is afgestemd op de voedingsfrequentie.

Dit "tankcircuit" dient als een filter om harmonischen te verwerpen die door de kernverzadiging worden gecreëerd, en biedt het extra voordeel van het opslaan van energie in de vorm van AC-oscillaties, die beschikbaar is voor het in stand houden van de uitgangswikkelspanning gedurende korte perioden van verlies van ingangsspanning (milliseconden). ' tijd waard, maar zeker beter dan niets).

Ferroresonante transformator zorgt voor spanningsregeling van de output.

Naast het blokkeren van harmonischen gecreëerd door de verzadigde kern, "filtert" dit resonantiecircuit ook harmonische frequenties die worden gegenereerd door niet-lineaire (schakelende) belastingen in het secundaire wikkelingscircuit en eventuele harmonischen die aanwezig zijn in de bronspanning, waardoor "schone" stroom aan de belasting wordt geleverd .

Ferroresonante transformatoren bieden verschillende functies die nuttig zijn bij het conditioneren van wisselstroom:constante uitgangsspanning gezien aanzienlijke variaties in ingangsspanning, harmonische filtering tussen de stroombron en de belasting, en de mogelijkheid om korte vermogensverliezen "te doorstaan" door een reserve aan energie aan te houden in zijn resonantietankcircuit.

Deze transformatoren zijn ook zeer tolerant voor overmatige belasting en tijdelijke (kortstondige) spanningspieken. Ze zijn zelfs zo tolerant dat sommige kortstondig parallel kunnen worden geschakeld met niet-gesynchroniseerde AC-stroombronnen, waardoor een belasting op een "make-before-break"-manier van de ene naar de andere bron kan worden geschakeld zonder stroomonderbreking op de secundaire kant!

Bekende nadelen van ferroresonante transformatoren

Helaas hebben deze apparaten even opmerkelijke nadelen:ze verspillen veel energie (vanwege hystereseverliezen in de verzadigde kern), en genereren aanzienlijke warmte in het proces en zijn intolerant voor frequentievariaties, wat betekent dat ze niet erg goed werken wanneer ze worden aangedreven door kleine motoraangedreven generatoren met een slechte snelheidsregeling.

De spanningen die in het circuit van de resonantiewikkeling/condensator worden geproduceerd, zijn meestal erg hoog, waardoor dure condensatoren nodig zijn en de onderhoudstechnicus zeer gevaarlijke werkspanningen krijgt. Sommige toepassingen kunnen echter de voordelen van de ferroresonante transformator voorrang geven boven de nadelen.

Halfgeleidercircuits bestaan ​​om wisselstroom te "conditioneren" als alternatief voor ferroresonante apparaten, maar geen enkele kan concurreren met deze transformator in termen van pure eenvoud.

BEOORDELING:

• Spanningsregeling is de maatstaf voor hoe goed een vermogenstransformator een constante secundaire spanning kan handhaven bij een constante primaire spanning en een grote variatie in belastingsstroom. Hoe lager het percentage (dichter bij nul), hoe stabieler de secundaire spanning en hoe beter de regeling die deze zal bieden.
• Een ferroresonant transformator is een speciale transformator die is ontworpen om de spanning op een stabiel niveau te regelen, ondanks de grote variatie in ingangsspanning.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad gereguleerde stroombronnen
• Werkblad Basis AC-DC-voedingen