Мера стабилизации трансформатора
Ранее, в нескольких SPICE анализах мы видели, как выходное напряжение трансформатора варьируется в зависимости от изменения нагрузочных сопротивлений, даже при постоянном входном напряжении. На степень изменения выходного напряжения влияют индуктивность первичной и вторичной обмоток, сопротивление обмоток и значение взаимной индукции (магнитная связь) между первичной и вторичной обмотками. В устройствах, в которых трансформатор воспринимается нагрузкой как источник постоянного напряжения (в идеале), лучше всего применять такие трансформаторы, вторичное напряжение которых имеет как можно меньшее значение (для обеспечения широкого диапазона изменений тока нагрузки).
Мера того, насколько хорошо силовой трансформатор поддерживает постоянное вторичное напряжение в заданном диапазоне нагрузочных токов, называется мерой стабилизации трансформатора. Рассчитать ее можно по следующей формуле:
«Полная нагрузка» означает точку, в которой трансформатор будет работать при максимально допустимом вторичном токе. Эта рабочая точка будет определяться главным образом сечением провода обмотки (допустимым током) и методом охлаждения трансформатора. В качестве примера давайте рассмотрим наш первый SPICE анализ трансформатора, в котором сравним выходные напряжения при нагрузке 1 кОм и при нагрузке 200 Ом (при условии, что нагрузка 200 Ом будет «полной нагрузкой»). Как помните, в качестве первичного напряжения у нас использовалось переменное напряжение величиной 10 вольт:
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1k ohm load freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200 ohm load
Обратите внимание на то, как уменьшается выходное напряжение по мере "утяжеления" нагрузки (увеличения тока). Теперь давайте возьмем эту же схему трансформатора и разместим во вторичной обмотке нагрузку с очень высокой величиной сопротивления (для имитации условия «без нагрузки»):
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
Таким образом, мы видим, что наше выходное (вторичное) напряжение составляет 9.990 вольт без нагрузки и 9.348 вольт в точке, которую мы решили назвать «полной нагрузкой». Теперь можно рассчитать меру стабилизации рассмотренного нами трансформатора:
Такое значение стабилизации, кстати, считается довольно плохим для силового трансформатора. При использовании простой резистивной нагрузки хороший силовой трансформатор должен иметь процент стабилизации менее 3%. Индуктивные нагрузки, как правило, создают условие для ухудшения меры стабилизации, поэтому данный анализ с чисто резистивными нагрузками является «наилучшим» для рассмотренного трансформатора.
Однако существуют устройства, для которых плохая стабилизация является нормой. К таким устройствам относятся разрядные лампы, в которых повышающий трансформатор необходим для создания начального высокого напряжения (чтобы "зажечь" лампу), после чего это напряжение начинает снижаться (по мере роста потребления тока лампой). Выбор трансформатора с плохой стабилизацией для этих ламп обусловлен требованием к их напряжению, которое имеет тенденцию к значительному снижению после того, как потребляемый ток начинает расти по дуговой траектории.
Еще одним применением трансформаторов с плохой стабилизацией является контроль тока в сварочных аппаратах, которые являются ничем иным, как понижающими трансформаторами, обеспечивающими низкое напряжение и высокий ток сварочного процесса. Высокое напряжение необходимо только для создания дуги, а дальше, для поддержания дуги высокого напряжения не требуется. Таким образом, снижение вторичного напряжения при высоком токе нагрузки - это то что нужно сварочному аппарату.
Никакие разговоры о стабилизации трансформаторов не будут полными без упоминания необычного устройства, называемого феррорезонансным трансформатором. «Феррорезонанс» - явление, связанное с поведением железных сердечников при работе вблизи точки магнитного насыщения (где сердечник настолько сильно намагничивается, что дальнейшее увеличение тока обмотки приводит к незначительному или вообще не увеличивающемуся магнитному потоку).
Если говорить простым языком, не углубляясь в электромагнитную теорию, то можно сказать, что феррорезонансный трансформатор представляет собой силовой трансформатор, спроектированный для работы в состоянии непрерывного насыщения сердечника. То есть, железный сердечник такого трансформатора "практически полностью заполнен" линиями магнитного потока для большей части цикла переменного напряжения, в результате чего изменение напряжения питания (тока первичной обмотки) мало влияет на плотность магнитного потока сердечника. А это означает, что несмотря на значительные изменения напряжения питания (первичной обмотки), вторичная обмотка выдает практически постоянное напряжение. Обычно насыщение сердечника в трансформаторе приводит к искажению синусоидальной формы сигнала, и феррорезонансный трансформатор здесь не является исключением. Для борьбы с этим побочным эффектом, феррорезонансные трансформаторы имеют вспомогательную вторичную обмотку с параллельно включенным конденсатором (или несколькими конденсаторами), которые образуют резонансную схему, настроенную на частоту источника питания. Этот "колебательный контур" служит фильтром для подавления гармоник, создаваемых насыщением сердечника, а также обеспечивает сохранение энергии в виде колебаний переменного тока, способных поддерживать выходное напряжение при кратковременной потере входного напряжения (хоть это и миллисекунды, но, конечно, лучше, чем ничего).
Феррорезонансный трансформатор обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе.
Помимо гармоник, создаваемых насыщением сердечника, этот резонансный контур также «отфильтровывает» гармонические частоты, генерируемые нелинейными нагрузками во вторичной обмотке, а также любые гармоники, присутствующие в источнике напряжения, обеспечивая таким образом «чистое» напряжение на нагрузке.
Таким образом, феррорезонансные трансформаторы обладают несколькими полезными функциями: они обеспечивают постоянное выходное напряжение при существенных изменениях входного напряжения, они отфильтровывают гармоники между источником питания и нагрузкой, они способны "не замечать" кратковременные потери входного напряжения за счет сохраненного в колебательном контуре запаса энергии. Эти трансформаторы также обладают высокой толерантностью к чрезмерным нагрузкам и кратковременным скачкам напряжения.
К сожалению, этим устройствам присущи и некоторые недостатки: они теряют много энергии (из-за гистерезисных потерь в насыщенном сердечнике), выделяя при этом значительное количество тепла, они не переносят изменения частоты, из-за чего не очень хорошо работают с электрогенераторами, двигатели которых имеют плохую стабилизацию скорости вращения. Напряжения, создаваемые в резонансной схеме (обмотка / конденсатор), очень высоки, что требует дорогостоящих конденсаторов и специалиста по обслуживанию таких трансформаторов, имеющего необходимый допуск. Несмотря на все это, в некоторых устройствах отдают приоритет преимуществам феррорезонансного трансформатора, не принимая во внимание его недостатки. Существуют полупроводниковые схемы, альтернативные феррорезонансным трансформаторам, но ни одна из них не может конкурировать с ними с точки зрения простоты.