В некоторых SPICE-анализах этой главы мы ранее видели, что выходное напряжение трансформатора изменяется в зависимости от сопротивления нагрузки, даже при постоянном входном напряжении.
На степень отклонения влияют индуктивности первичной и вторичной обмоток, помимо прочих факторов, не последнее место среди которых занимают сопротивление обмотки и степень взаимной индуктивности (магнитной связи) между первичной и вторичной обмотками.
Для силовых трансформаторов, где в идеале трансформатор воспринимается нагрузкой в качестве постоянного источника напряжения, желательно, чтобы вторичное напряжение изменялось как можно меньше, что позволяет в широком диапазоне регулировать силу тока на нагрузке.
Формула регулировки напряжения
Регулировка напряжения трансформатора – это мера того, насколько хорошо силовой трансформатор поддерживает постоянное вторичное напряжение в диапазоне токов нагрузки. Его можно рассчитать по следующей формуле:
Рис. 1. Формула регулировки напряжения.
Что такое «полная нагрузка»?
«Полная нагрузка» – это точка, в которой трансформатор работает при максимально допустимом вторичном токе. Эта рабочая точка определяется в первую очередь размером провода обмотки (допустимой нагрузкой) и методом охлаждения трансформатора.
Взяв в качестве примера нашу самую первую симуляцию трансформатора SPICE (в первом разделе данной главы), давайте сравним выходное напряжение при нагрузке 1 кОм с нагрузкой 200 Ом (предполагая, что нагрузка 200 Ом будет нашим условием «полной нагрузки»). Можно ещё припомнить, что постоянное первичное напряжение было 10,00 вольт переменного тока:
freq
v(3,5)
i(vi1)
6.000E+01
9.962E+00
9.962E-03
Результаты для нагрузочных 1 кОм
freq
v(3,5)
i(vi1)
6.000E+01
9.348E+00
4.674E-02
Результаты для нагрузочных 200 Ом
Обратите внимание, как выходное напряжение уменьшается по мере увеличения нагрузки (увеличения тока). Теперь возьмём ту же схему трансформатора и поместим сопротивление нагрузки чрезвычайно высокой величины поперёк вторичной обмотки, чтобы смоделировать состояние «холостого хода»:
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
Результат при (почти) отсутствующей нагрузке
Итак, мы видим, что наше выходное (вторичное) напряжение находится в диапазоне 9,990 В при (практически) холостом ходу и 9,348 В в точке, которую мы решили назвать «полной нагрузкой». Рассчитывая регулировку напряжения по этим цифрам, получаем:
Рис. 2. Пример использования формулы полной нагрузки.
Кстати, получившийся результат можно считать довольно плохой (или «слабой») регулировкой для силового трансформатора. При питании такой простой резистивной нагрузки хороший силовой трансформатор должен иметь процент регулировки менее 3%.
Индуктивные нагрузки, как правило, создают условия для худшей регулировки напряжения, поэтому тот же анализ с сугубо резистивными нагрузками будет «наилучшим случаем».
Когда нужная «плохая» регулировка
Однако бывают ситуации, где действительно желательно слабая регулировка. 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 упадёт, как только лампа начнёт потреблять ток.
Это связано с тем, что требования к напряжению газоразрядных ламп обычно намного ниже после того, как на пути дуги возникнет ток. В этом случае повышающего трансформатора с плохой стабилизацией напряжения вполне достаточно для обеспечения питания лампы.
Другое применение - регулировка тока для аппаратов дуговой сварки на переменном токе, которые не что иное, как понижающие трансформаторы, подающие низковольтную и сильноточную энергию для сварки.
Высокое напряжение желательно для того, чтобы помочь «зажечь» дугу (запустить её), но, как и в случае разрядной лампы, дуга не требует такого большого напряжения для самоподдержки, когда воздух нагрелся до точки ионизации. Таким образом, уменьшение вторичного напряжения при высоком токе нагрузки было бы желательно.
Некоторые конструкции аппаратов для дуговой сварки обеспечивают регулировку тока дуги с помощью подвижного железного стержня в трансформаторе, который вводится или выводится оператором из сердечника.
Изъятие железного стержня из сердечника обмоток снижает силу магнитной связи между обмотками, что в свою очередь снижает вторичное напряжение холостого хода и ухудшает регулировку напряжения.
Феррорезонансный трансформатор
Если говорим о регулировке трансформаторов, то нельзя не упомянуть такое экстравагантное устройство как феррорезонансный трансформатор.
«Феррорезонанс» – это явление, связанное с поведением железных сердечников при работе вблизи точки магнитного насыщения (где сердечник настолько сильно намагничен, что дальнейшее увеличение тока в обмотке приводит к небольшому увеличению магнитного потока или вообще ничего не увеличивает).
Феррорезонансный трансформатор, который довольно сложно описать, не углубляясь в электромагнитную теорию, 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 изменения напряжения питания (изменения силы тока первичной обмотки) мало влияют на плотность магнитного потока сердечника, что означает, что на вторичную обмотку выводится почти постоянное напряжение, несмотря на значительные колебания напряжения питания (первичной обмотки).
Резонансные схемы в феррорезонансных трансформаторах
Обычно насыщение сердечника трансформатора приводит к искажению синусоиды, и феррорезонансный трансформатор не исключение. Для борьбы с этим побочным эффектом феррорезонансные трансформаторы имеют вспомогательную вторичную обмотку, соединенную параллельно с одним или несколькими конденсаторами, образующими резонансный контур, настроенный на частоту источника питания.
Эта «колебательная цепь» служит фильтром для подавления гармоник, создаваемых насыщением сердечника, и обеспечивает дополнительное преимущество, сохраняя энергию в виде пульсаций переменного тока, которые доступны для поддержания выходного напряжения обмотки в течение коротких периодов потери входного напряжения (хотя речь идёт о миллисекундах, но это лучше, чем ничего).
Рис. 3. Феррорезонансный трансформатор обеспечивает регулировку выходного напряжения.
Помимо блокировки гармоник, создаваемых насыщенным сердечником, этот резонансный контур также «отфильтровывает» гармонические частоты, генерируемые нелинейными (переключаемыми) нагрузками во вторичной обмотке, и любые гармоники, присутствующие в напряжении источника. Это обеспечивает «чистую» мощность для нагрузки.
Феррорезонансные трансформаторы предлагают несколько функций, полезных при согласовании мощности переменного тока: постоянное выходное напряжение при значительных колебаниях входного напряжения, фильтрация гармоник между источником питания и нагрузкой, а также способность «преодолевать» кратковременные потери мощности за счёт сохранения запаса энергии в резонансном резервуарном контуре.
Эти трансформаторы также очень устойчивы к чрезмерным нагрузкам и кратковременным скачкам напряжения. Фактически, у них такой запас прочности, что некоторые из них можно кратковременно подключать 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 вторичную секцию!
Основные недостатки феррорезонансных трансформаторов
К сожалению, эти устройства имеют значительные недостатки: они тратят много энергии (из-за гистерезисных потерь в насыщенном сердечнике), выделяя значительное количество тепла в процессе, и не переносят изменения частоты, что означает, что они не очень хорошо работают, когда приводятся в действие небольшими генераторами с приводом от двигателя, имеющими слабую регулировку скорости.
Напряжения, возникающие в резонансной цепи «обмотка/конденсатор», зачастую очень высоки, что требует дорогих конденсаторов, а обслуживающий техник столкнётся с очень опасными рабочими напряжениями. Но в каких-то случаях преимущества феррорезонансного трансформатора перекрывают его недостатки.
Полупроводниковые схемы «кондиционируют» мощность переменного тока, что делает их альтернативой феррорезонансным устройствам. Но когда речь о простоте, трансформаторы вне конкуренции.
Итог
Стабилизация 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 (чем ближе оно к нулю), тем стабильнее вторичное напряжение и тем лучшая регулировка обеспечивается.
Феррорезонансный трансформатор – это специальный трансформатор, предназначенный для регулировки напряжения на стабильном уровне, несмотря на широкий разброс входного напряжения.
