電力トランスの電圧調整率の理解

以前のSPICEシミュレーションで観察したように、入力電圧が一定でも、トランスの出力電圧は負荷抵抗の変化に応じて変動することがあります。

この変動に影響する要因には、一次・二次巻線のインダクタンス、巻線抵抗、巻線間の磁気結合度などがあります。

電力トランスでは、負荷にほぼ一定の電圧を提示することが目標です。したがって、二次電圧は幅広い負荷電流範囲でできるだけ変動しないことが望まれます。

電圧調整率の式

電圧調整率は、トランスが変動する負荷電流に対していかに安定して二次電圧を維持できるかを測定します。以下の式で計算されます：

「全負荷」とは

「全負荷」とは、トランスが最大許容二次電流で動作する点を指します。この動作点は主に巻線の線径（許容電流）と冷却方式によって決まります。

最初のSPICEトランスシミュレーションを例に、1 kΩ負荷と200 Ω負荷（全負荷を表す）での出力電圧を比較してみましょう。一次電圧は一定の10.00 V ACです：

freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 1kΩ負荷時の出力
freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 200Ω負荷時の出力

負荷が重くなる（電流増加）につれて出力電圧が低下することがわかります。殆ど無負荷状態を示すため、二次負荷を極めて高い抵抗に置き換えてみます：

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 （ほぼ）無負荷時の出力

二次電圧は、無負荷時の約9.990 Vから全負荷時の9.348 Vまで変化します。これらの値を調整率式に適用すると：

この例では調整率が3%を超え、電力トランスとしては不良とされます。優良な電力トランスは、純抵抗負荷駆動時に3%未満の調整率を示すべきです。誘導性負荷では通常調整率が悪化するため、この解析はベストケースシナリオを表しています。

不良な調整率を利用する用途

一部のデバイスは意図的に調整率の悪いトランスを使用します。例えば、放電ランプはアーク点火に高い初期電圧を必要とし、点灯後はより低い電圧で動作します。負荷時に自然に電圧が低下する昇圧トランスがここで理想的です。

ACアーク溶接機も同様に、アーク打ちに高電圧を供給し、確立後は低電圧で動作する降圧トランスを使用します。設計者はしばしば鉄心をトランス内外に移動させて磁気結合を減らし、無負荷電圧を下げ、調整率を悪化させます。これはまさに望まれる効果です。

フェロレゾナントトランス

フェロレゾナントトランスは、コアを持続的な磁気飽和状態で動作させる特殊な電力トランスです。この領域では、一次電圧の変動がコア磁束密度の変化を最小限に抑えるため、電源変動にもかかわらずほぼ一定の二次電圧が得られます。

フェロレゾナントトランスの共振回路

コア飽和は出力波形を歪める可能性がありますが、フェロレゾナントトランスは補助二次巻線と1つ以上のコンデンサを組み合わせて、電源周波数に調整された共振タンクを形成することでこれを緩和します。このタンクは、コア飽和と非線形負荷によって生成される高調波をフィルタリングし、短時間の入力障害時にもエネルギーを蓄えて出力電圧を維持します。

フェロレゾナントトランスが出力電圧を調整

主な利点には、入力変動に対する堅牢な出力電圧、高調波フィルタリング、短時間電源断を乗り越える能力があります。一部の設計では、非同期AC電源との並列運転も許容し、シームレスな電源切替を可能にします。

フェロレゾナントトランスの既知の欠点

これらのトランスは、飽和コアのヒステリシス損失により相当な電力を消費し、大量の熱を発生します。また、周波数変動に敏感で、安定した速度調整のないジェネレータとの併用を制限します。さらに、共振回路が高電圧を生成する可能性があり、高価なコンデンサを必要とし、保守要員に安全上の危険をもたらします。

半導体ベースの電力調整ソリューションも存在しますが、多くの用途ではフェロレゾナントトランスのシンプルさとコスト効率に匹敵できません。

まとめ

• 電圧調整率は、トランスが変動負荷下で二次電圧を安定させる能力を定量化する。低いパーセントほど良好な性能を示す
• フェロレゾナントトランスは、大きな入力変動でも安定した出力電圧を維持するよう設計されている

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