Regulación de voltaje

Como vimos en algunos análisis de SPICE anteriormente en este capítulo, el voltaje de salida de un transformador varía con diferentes resistencias de carga, incluso con una entrada de voltaje constante.

El grado de variación se ve afectado por las inductancias del devanado primario y secundario, entre otros factores, entre los que se incluye la resistencia del devanado y el grado de inductancia mutua (acoplamiento magnético) entre los devanados primario y secundario.

Para aplicaciones de transformadores de potencia, donde el transformador es visto por la carga (idealmente) como una fuente constante de voltaje, es bueno que el voltaje secundario varíe lo menos posible para variaciones amplias en la corriente de carga.

Fórmula de regulación de voltaje

La medida de qué tan bien un transformador de potencia mantiene un voltaje secundario constante en un rango de corrientes de carga se denomina regulación de voltaje del transformador. . Se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:

¿Qué es "carga completa"?

“Carga completa” significa el punto en el que el transformador está operando a la corriente secundaria máxima permitida. Este punto de funcionamiento estará determinado principalmente por el tamaño del cable del devanado (ampacidad) y el método de enfriamiento del transformador.

Tomando nuestra primera simulación de transformador SPICE como ejemplo, comparemos el voltaje de salida con una carga de 1 kΩ versus una carga de 200 Ω (asumiendo que la carga de 200 Ω será nuestra condición de "carga completa"). Recuerde, si quiere, que nuestro voltaje primario constante era de 10,00 voltios CA:

 frecuencia v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.962E + 00 9.962E-03 Salida con carga de 1k ohmios frecuencia v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.348E + 00 4.674E-02 Salida con carga de 200 ohmios 

Observe cómo el voltaje de salida disminuye a medida que la carga se vuelve más pesada (más corriente). Ahora tomemos el mismo circuito de transformador y coloquemos una resistencia de carga de magnitud extremadamente alta a través del devanado secundario para simular una condición de "sin carga":(Ver lista de especias del "transformador")

 transformador v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0100 l2 3 5100 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) .imprimir ac v (3,5) i (vi1) .fin 

 frecuencia v (2) i (v1) 6.000E + 01 1.000E + 01 2.653E-04 frecuencia v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.990E + 00 1.110E-12 Salida con (casi) sin carga 

Entonces, vemos que nuestro voltaje de salida (secundario) abarca un rango de 9,990 voltios (virtualmente) sin carga y 9,348 voltios en el punto que decidimos llamar "carga completa". Calculando la regulación de voltaje con estas cifras, obtenemos:

Por cierto, esto se consideraría una regulación bastante deficiente (o "flexible") para un transformador de potencia. Al alimentar una carga resistiva simple como esta, un buen transformador de potencia debe exhibir un porcentaje de regulación de menos del 3%.

Las cargas inductivas tienden a crear una condición de peor regulación de voltaje, por lo que este análisis con cargas puramente resistivas fue una condición en el "mejor de los casos".

Aplicaciones que requieren una regulación "deficiente"

Sin embargo, existen algunas aplicaciones en las que realmente se desea una regulación deficiente. Uno de esos casos es la iluminación de descarga, donde se requiere un transformador elevador para generar inicialmente un alto voltaje (necesario para "encender" las lámparas), luego se espera que el voltaje disminuya una vez que la lámpara comience a consumir corriente.

Esto se debe a que los requisitos de voltaje de las lámparas de descarga tienden a ser mucho más bajos después de que se ha establecido una corriente a través de la trayectoria del arco. En este caso, un transformador elevador con mala regulación de voltaje es suficiente para la tarea de acondicionar la energía a la lámpara.

Otra aplicación es el control de corriente para soldadores de arco de CA, que no son más que transformadores reductores que suministran energía de baja tensión y alta corriente para el proceso de soldadura.

Se desea un alto voltaje para ayudar a "iniciar" el arco (hacer que se inicie), pero al igual que la lámpara de descarga, un arco no requiere tanto voltaje para sostenerse una vez que el aire se ha calentado hasta el punto de ionización. Por lo tanto, una disminución del voltaje secundario bajo una corriente de carga alta sería algo bueno.

Algunos diseños de soldadoras de arco proporcionan ajuste de la corriente de arco por medio de un núcleo de hierro móvil en el transformador, que el operador acciona hacia adentro o hacia afuera del conjunto de bobinado.

Alejar la barra de hierro de los devanados reduce la fuerza del acoplamiento magnético entre los devanados, lo que disminuye el voltaje secundario sin carga y hace que la regulación de voltaje sea más pobre.

Transformador ferroresonante

Ninguna exposición sobre la regulación del transformador podría considerarse completa sin mencionar un dispositivo inusual llamado transformador ferroresonante .

La "ferrorresonancia" es un fenómeno asociado con el comportamiento de los núcleos de hierro mientras operan cerca de un punto de saturación magnética (donde el núcleo está tan fuertemente magnetizado que los aumentos adicionales en la corriente del devanado dan como resultado un aumento mínimo o nulo del flujo magnético).

Si bien es algo difícil de describir sin profundizar en la teoría electromagnética, el transformador ferroresonante es un transformador de potencia diseñado para operar en una condición de saturación persistente del núcleo.

Es decir, su núcleo de hierro está "lleno" de líneas magnéticas de flujo durante una gran parte del ciclo de CA, de modo que las variaciones en el voltaje de suministro (corriente del devanado primario) tienen poco efecto en la densidad de flujo magnético del núcleo, lo que significa que el devanado secundario emite un voltaje casi constante a pesar de las variaciones significativas en el voltaje de suministro (devanado primario).

Circuitos de resonancia en transformadores ferroresonantes

Normalmente, la saturación del núcleo en un transformador da como resultado la distorsión de la forma de onda sinusoidal, y el transformador ferroresonante no es una excepción. Para combatir este efecto secundario, los transformadores ferroresonantes tienen un devanado secundario auxiliar en paralelo con uno o más capacitores, formando un circuito resonante sintonizado con la frecuencia de la fuente de alimentación.

Este "circuito de tanque" sirve como filtro para rechazar los armónicos creados por la saturación del núcleo y proporciona el beneficio adicional de almacenar energía en forma de oscilaciones de CA, que está disponible para mantener el voltaje del devanado de salida durante breves períodos de pérdida de voltaje de entrada (milisegundos 'vale la pena, pero ciertamente mejor que nada).

El transformador ferroresonante proporciona regulación de voltaje de la salida.

Además de bloquear los armónicos creados por el núcleo saturado, este circuito resonante también "filtra" las frecuencias armónicas generadas por cargas no lineales (de conmutación) en el circuito del devanado secundario y cualquier armónico presente en la fuente de voltaje, proporcionando energía "limpia" a la carga. .

Los transformadores ferroresonantes ofrecen varias características útiles en el acondicionamiento de energía de CA:voltaje de salida constante dadas variaciones sustanciales en el voltaje de entrada, filtrado de armónicos entre la fuente de energía y la carga, y la capacidad de "soportar" breves pérdidas de energía manteniendo una reserva de energía en su circuito de tanque resonante.

Estos transformadores también son altamente tolerantes a cargas excesivas y sobretensiones transitorias (momentáneas). Son tan tolerantes, de hecho, que algunos pueden conectarse brevemente en paralelo con fuentes de alimentación de CA no sincronizadas, lo que permite que una carga se cambie de una fuente de alimentación a otra en una forma de "hacer antes de romper" sin interrupción de la alimentación en el lado secundario!

Desventajas conocidas de los transformadores ferroresonantes

Desafortunadamente, estos dispositivos tienen desventajas igualmente notables:desperdician mucha energía (debido a las pérdidas por histéresis en el núcleo saturado), generando significativas calor en el proceso y son intolerantes a las variaciones de frecuencia, lo que significa que no funcionan muy bien cuando se alimentan con pequeños generadores impulsados ​​por motores que tienen una mala regulación de la velocidad.

Los voltajes producidos en el circuito de condensador / devanado resonante tienden a ser muy altos, lo que requiere condensadores costosos y presenta al técnico de servicio voltajes de trabajo muy peligrosos. Sin embargo, algunas aplicaciones pueden priorizar las ventajas del transformador ferroresonante sobre sus desventajas.

Los circuitos semiconductores existen para "acondicionar" la energía de CA como una alternativa a los dispositivos ferroresonantes, pero ninguno puede competir con este transformador en términos de pura simplicidad.

REVISAR:

• Regulación de voltaje es la medida de qué tan bien un transformador de potencia puede mantener un voltaje secundario constante dado un voltaje primario constante y una amplia variación en la corriente de carga. Cuanto menor sea el porcentaje (más cercano a cero), más estable será la tensión secundaria y mejor será la regulación que proporcionará.
• Un ferroresonante El transformador es un transformador especial diseñado para regular el voltaje a un nivel estable a pesar de una amplia variación en el voltaje de entrada.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de fuentes de energía reguladas
• Hoja de trabajo básica de fuentes de alimentación CA-CC