Spannungsregelung in Leistungstransformatoren verstehen

In früheren SPICE-Simulationen beobachteten wir, dass die Ausgangsspannung eines Transformators sich mit Änderungen des Lastwiderstands ändern kann, selbst wenn die Eingangsspannung konstant bleibt.

Mehrere Faktoren beeinflussen diese Varianz, einschließlich der Induktivitäten der Primär- und Sekundärwicklungen, des Wicklungswiderstands und des Grades der magnetischen Kopplung zwischen den Wicklungen.

Für Leistungstransformatoren ist das Ziel, der Last eine praktisch konstante Spannung zu präsentieren. Daher sollte die Sekundärspannung über einen weiten Laststrombereich so wenig wie möglich schwanken.

Spannungsregelungsformel

Die Spannungsregelung misst, wie effektiv ein Transformator eine stabile Sekundärspannung bei variierendem Laststrom aufrechterhält. Sie wird mit folgender Formel berechnet:

Was ist „Vollast“?

„Vollast“ bezeichnet den Betriebspunkt, an dem der Transformator seinen maximal zulässigen Sekundärstrom liefert. Dieser Betriebspunkt wird weitgehend durch den Drahtquerschnitt der Wicklungen (Stromtragfähigkeit) und die eingesetzte Kühlmethode bestimmt.

Als Beispiel verwenden wir unsere erste SPICE-Transformatorsimulation und vergleichen die Ausgangsspannung mit 1-kΩ-Last versus 200-Ω-Last (wobei 200 Ω die Vollast darstellt). Erinnern Sie sich, dass die Primärspannung konstant 10,00 V AC beträgt:

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

Man beachte, wie die Ausgangsspannung abfällt, je schwerer die Last wird (d. h., je mehr der Strom steigt). Um einen fast lastfreien Zustand zu illustrieren, können wir den Sekundärlastwiderstand durch einen extrem hohen Widerstand ersetzen:

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 Ausgang bei (fast) keiner Last

Die Sekundärspannung reicht von ca. 9,990 V bei Leerlauf bis 9,348 V bei Vollast. Die Anwendung dieser Werte auf die Regelungsformel ergibt:

In diesem Beispiel übersteigt die Regelung 3 %, was für einen Leistungstransformator als schlecht gilt. Ein guter Leistungstransformator sollte bei rein ohmscher Last einen Regelungsprozentsatz von weniger als 3 % aufweisen. Induktive Lasten verschlechtern die Regelung typischerweise, sodass diese Analyse ein Best-Case-Szenario darstellt.

Anwendungen, die von schlechter Regelung profitieren

Einige Geräte nutzen absichtlich Transformatoren mit schlechter Regelung. Beispielsweise benötigen Gasentladungslampen eine hohe Anfangsspannung zum Zünden des Lichtbogens, woraufhin die Lampe weniger Spannung zieht. Ein Hochspannungstransformator, der unter Last natürlich Spannung abfällt, ist hier ideal.

AC-Lichtbogenschweißgeräte verwenden ähnlich Niederspannungstransformatoren, die hohe Spannung zum Zünden des Bogens liefern, sich aber auf niedrigere Spannung verlassen, sobald der Bogen etabliert ist. Entwickler stellen den Schweißstrom oft durch Bewegen eines Eisenkerns in oder aus dem Transformator ein, was die magnetische Kopplung verringert, die Leerlaufspannung senkt und die Regelung verschlechtert – genau der gewünschte Effekt.

Ferroresonanztransformatoren

Ferroresonanztransformatoren sind eine spezielle Klasse von Leistungstransformatoren, die mit dem Kern in einem Zustand permanenter magnetischer Sättigung arbeiten. In diesem Regime erzeugen Variationen der Primärspannung minimale Änderungen der Kerndurchflutung, was zu einer nahezu konstanten Sekundärspannung trotz Netzschwankungen führt.

Resonanzschaltungen in Ferroresonanztransformatoren

Kernsättigung kann das Ausgangssignal verzerren, aber Ferroresonanztransformatoren mildern dies durch Einbau einer zusätzlichen Sekundärwicklung, gekoppelt mit einem oder mehreren Kondensatoren zu einem Resonanzschwingkreis, der auf die Netzfrequenz abgestimmt ist. Dieser Tank filtert Oberschwingungen, die durch Kernsättigung und nichtlineare Lasten erzeugt werden, und speichert gleichzeitig Energie, um die Ausgangsspannung bei kurzen Eingangsschwankungen aufrechtzuerhalten.

Ferroresonanztransformator sorgt für Spannungsregelung am Ausgang.

Zu den Hauptvorteilen gehören robuste Ausgangsspannung bei Eingangsschwankungen, Oberschwingungsfilterung und die Fähigkeit, kurze Stromausfälle zu überbrücken. Einige Designs tolerieren sogar Parallelbetrieb mit unsynchronisierten AC-Quellen, was nahtloses Umschalten der Stromquelle ermöglicht.

Bekannte Nachteile von Ferroresonanztransformatoren

Diese Transformatoren verbrauchen erhebliche Leistung durch Hystereserverluste im gesättigten Kern und erzeugen signifikante Wärme. Sie sind auch empfindlich gegenüber Frequenzschwankungen, was ihren Einsatz mit Generatoren ohne stabile Drehzahlregelung begrenzt. Zudem kann der Resonanzkreis hohe Spannungen erzeugen, was teure Kondensatoren erfordert und Sicherheitsrisiken für Servicepersonal birgt.

Obwohl halbleiterbasierte Leistungsaufbereitungslösungen existieren, können sie die Einfachheit und Kosteneffizienz von Ferroresonanztransformatoren für viele Anwendungen nicht erreichen.

Zusammenfassung

• Spannungsregelung quantifiziert die Fähigkeit eines Transformators, die Sekundärspannung unter variierender Last stabil zu halten. Niedrigere Prozentsätze bedeuten bessere Leistung.
• Ferroresonanztransformator ist darauf ausgelegt, stabile Ausgangsspannung auch bei großen Eingangsschwankungen aufrechtzuerhalten.

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