Spanningsregeling in Voedingstransformators Begrijpen

In eerdere SPICE-simulaties observeerden we dat de uitgangsspanning van een transformator kan variëren met veranderingen in lastweerstand, zelfs wanneer de invoerspanning constant blijft.

Verschillende factoren beïnvloeden deze variatie, inclusief de inducties van de primaire en secundaire wikkelingen, wikkelweerstand, en de graad van magnetische koppeling tussen de wikkelingen.

Voor voedingstransformators is het doel om de last een virtueel constante spanning te presenteren. Daarom moet de secundaire spanning zo min mogelijk fluctueren over een breed bereik van laststromen.

Spanningsregelingsformule

Spanningsregeling meet hoe effectief een transformator een constante secundaire spanning handhaaft over variërende laststromen. Het wordt berekend met de volgende formule:

Wat Is "Volle Last"?

"Volle last" verwijst naar het punt waarop de transformator op zijn maximum toelaatbare secundaire stroom werkt. Dit werkpunt wordt grotendeels gedicteerd door de draaddikte van de wikkelingen (stroombelastbaarheid) en de toegepaste koelmethode.

Gebruikmakend van onze eerste SPICE-transformatorsimulatie als voorbeeld, laten we de uitgangsspanning vergelijken met een 1 kΩ last versus een 200 Ω last (waarbij de 200 Ω last volle last vertegenwoordigt). Herinner dat de primaire spanning een constante 10,00 V AC is:

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

Merk op dat de uitgangsspanning daalt naarmate de last zwaarder wordt (d.w.z. naarmate de stroom toeneemt). Om een bijna-geen-last conditie te illustreren, kunnen we de secundaire last vervangen door een extreem hoge weerstand:

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)
.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 Uitgang met (bijna) geen last

De secundaire spanning varieert van ongeveer 9,990 V bij geen last tot 9,348 V bij volle last. Deze waarden toegepast op de regelingsformule geven:

In dit voorbeeld overschrijdt de regeling 3%, wat slecht wordt beschouwd voor een voedingstransformator. Een goede voedingstransformator zou een regelingpercentage van minder dan 3% moeten vertonen bij het aansturen van een puur resistieve last. Inductieve lasten verergeren doorgaans de regeling, dus deze analyse vertegenwoordigt een best-case scenario.

Toepassingen Die Profiteren van Slechte Regeling

Sommige apparaten gebruiken intentioneel transformatoren met slechte regeling. Bijvoorbeeld, ontladingslampen vereisen een hoge initiële spanning om de boog te ontbranden, waarna de lamp minder spanning trekt. Een opwaartstransformator die van nature spanning verlaagt onder last is hier ideaal.

AC-booglasapparaten gebruiken benzerwijs neerwaartstransformatoren die hoge spanning leveren om de boog te slaan, maar vertrouwen op lagere spanning zodra de boog tot stand is. Ontwerpers passen de boogstroom vaak aan door een ijzerkern in of uit de transformator te bewegen, wat de magnetische koppeling vermindert, de noload-spanning verlaagt, en de regeling verslechtert—precies het gewenste effect.

Ferro-resonante Transformatoren

Ferro-resonante transformatoren zijn een speciale klasse voedingstransformatoren die werken met de kern in een toestand van persistente magnetische verzadiging. In dit regime produceren variaties in primaire spanning minimale veranderingen in kernfluxdichtheid, wat resulteert in een bijna constante secundaire spanning ondanks voorzieningsfluctuaties.

Resonante Circuits in Ferro-resonante Transformatoren

Kernverzadiging kan de uitgangsgolfvorm vervormen, maar ferro-resonante transformatoren mitigeren dit door een hulpe secundaire wikkeling te incorporeren gekoppeld met een of meer condensators om een resonantietank te vormen afgestemd op de netfrequentie. Deze tank filtert harmonischen gegenereerd door kernverzadiging en niet-lineaire lasten, terwijl het ook energie opslaat om de uitgangsspanning tijdens korte invoeronderbrekingen te handhaven.

Ferro-resonante transformator biedt spanningsregeling van de uitgang.

Belangrijke voordelen omvatten robuuste uitgangsspanning ondanks invoervariaties, harmonische filtering, en de capaciteit om door korte stroomonderbrekingen te rijden. Sommige ontwerpen tolereren zelfs parallelle bediening met niet-gesynchroniseerde AC-bronnen, wat naadloze stroombronomschakeling mogelijk maakt.

Bekende Nadelen van Ferro-resonante Transformatoren

Deze transformatoren consumeren aanzienlijk vermogen door hystereseverliezen in de verzadigde kern, wat aanzienlijke warmte genereert. Ze zijn ook gevoelig voor frequentievariaties, wat hun gebruik beperkt met generatoren die geen stabiele snelheidsregeling hebben. Bovendien kan het resonantiecircuit hoge spanningen produceren, wat dure condensators vereist en veiligheidsrisico's vormt voor servicepersoneel.

Hoewel halfgeleider-gebaseerde vermogensconditioneringsoplossingen bestaan, kunnen ze de eenvoud en kosteneffectiviteit van ferro-resonante transformatoren voor veel toepassingen niet evenaren.

Samenvatting

• Spanningsregeling kwantificeert de capaciteit van een transformator om de secundaire spanning stabiel te houden onder variërende last. Lagere percentages duiden op betere prestaties.
• Ferro-resonante transformator is ontworpen om stabiele uitgangsspanning te handhaven zelfs bij grote invoervariaties.

Gerelateerde Werkbladen

• Gereguleerde Voedingsbronnen Werkblad
• Basis AC-DC Voedingen Werkblad