Streuinduktivität verstehen

1. Was ist Streuinduktivität?

Streuinduktivität ist eine induktive Komponente in einem Transformator, die aus der unvollständigen magnetischen Verbindung einer Wicklung mit einer anderen resultiert.

Jeder magnetische Fluss, der die Primärwicklung nicht mit der Sekundärwicklung verbindet, wirkt als induktive Impedanz in Reihe mit der Primärwicklung. Daher wird diese „Streuinduktivität“ in einem Schaltplan als zusätzliche Induktivität vor der Primärwicklung eines idealen Transformators dargestellt.

Bei bestimmten Anwendungen, wie z. B. Schaltnetzteilen und Vorschaltgeräten, kann die Streuinduktivität des Transformators eine entscheidende Rolle bei der Produktkonstruktion spielen. Aus diesem Grund ist die genaue Messung der Streuinduktivität für Transformatorhersteller oft eine wichtige Testfunktion.

Um Verwechslungen mit anderen Transformatoreigenschaften zu vermeiden, wird in diesem technischen Hinweis nicht auf andere Verlustkomponenten wie Wicklungswiderstand oder Wicklungskapazität Bezug genommen.

Idealer Transformator

Bei einem theoretischen, idealen Transformator gibt es keine Verluste. Spannungen werden im direkten Verhältnis der Windungszahl transformiert, Ströme im umgekehrten Verhältnis der Windungszahl (Bild 1).

Echter Transformator

Bei einem echten Transformator kann es vorkommen, dass ein Teil des Flusses in der Primärwicklung nicht mit der Sekundärwicklung verbunden ist.

Dieser „Streufluss“ nimmt nicht an der Transformatorwirkung teil und kann als zusätzliche induktive Impedanz dargestellt werden, die in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet ist (Abbildung 2).

Echter Transformator plus Luftspalt

Bei bestimmten Transformatorkonstruktionen muss die Streuinduktivität einen größeren Anteil der Gesamtinduktivität ausmachen und wird innerhalb einer engen Toleranz angegeben.

Der erhöhte Anteil der Streuinduktivität wird üblicherweise durch die Einführung eines Luftspalts in der Kernkonstruktion erreicht, wodurch die Permeabilität des Kerns und somit der Wert der Primärinduktivität reduziert wird.

Das Verhältnis des Flusses, der die Primärwicklung nicht mit der Sekundärwicklung verbindet, wird daher im Verhältnis zu dem Fluss, der beide Wicklungen verbindet, zunehmen (Abbildung 3).

2. Warum ist die Messung der Streuinduktivität wichtig?

Streuinduktivität (LL) kann in einem gewickelten Bauteil unerwünscht sein. In diesem Fall ist es wichtig, den Wert zu messen, um nachzuweisen, dass er niedrig ist. In manchen Anwendungen, wie etwa in elektronischen Vorschaltgeräten und Resonanzstromrichtern, wird Streuinduktivität absichtlich eingeführt und ihr Wert ist ein integraler Bestandteil des Schaltungsdesigns.

Bei diesen Anwendungen dient die Streuinduktivität als Energiespeichermedium, das für den ordnungsgemäßen Betrieb des fertigen Produkts von entscheidender Bedeutung ist.

Daher ist es wichtig, dass der Wert der Streuinduktivität des Transformators bekanntermaßen innerhalb der angegebenen Grenzen liegt.

3. Wie wird die Streuinduktivität gemessen?

Wenn ein LCR-Meter an die Primärwicklung eines Transformators mit offenen Sekundäranschlüssen angeschlossen ist (Abbildung 4), setzt sich der Induktivitätswert (L) aus der Primärinduktivität (LP) plus der Streuinduktivität (LL) zusammen.

Da LL eine Funktion innerhalb des Transformators ist, ist es offensichtlich nicht möglich, ihren Wert direkt zu messen.
Daher muss eine Methode verwendet werden, um den LP-Wert von der gesamten gemessenen Induktivität abzuziehen.
Dies wird durch Anlegen eines Kurzschlusses über die Sekundäranschlüsse erreicht (Abbildung 5).

Bei einem perfekten Kurzschluss liegt an den Ausgangsklemmen null Volt an (Abbildung 6) und durch die Wirkung des Transformators liegen auch an der Primärinduktivität null Volt an.

Der gemessene Induktivitätswert an den Primäranschlüssen ist daher die tatsächliche Streuinduktivität (LL).

Leider ist das Erreichen eines perfekten Kurzschlusses auf der Sekundärseite eines Transformators im Labor schwierig und in einer Produktionsumgebung völlig unpraktisch.

In der Produktion ist es üblich, den Kurzschluss manuell oder über ein schaltbares Relais zu erzeugen.
Unter diesen Bedingungen kann kein perfekter Kurzschluss erreicht werden und die Sekundärspannung wird folglich nicht wirklich Null sein.

Die auf den unvollständigen Kurzschluss zurückzuführende Spannung erscheint dann an der Primärinduktivität als Kurzschlussfehler multipliziert mit dem Windungszahlverhältnis (Abbildung 7).

Ls/c wird in der Primärseite als N ² Ls/c wiedergegeben, weil L in jeder Wicklung proportional zum Quadrat der Anzahl der Windungen ist (L α N ² ).

Somit wird Ls/c als Funktion von: dargestellt.

(Np / Ns) ^ 2 = (Lp / Ls)

Der gemessene Wert der Primärinduktivität kann vektoriell als Summe der Streuimpedanz plus der reflektierten Impedanz des Kurzschlussfehlers betrachtet werden. Dies ist in Abbildung 8 dargestellt.

4. Die traditionelle Lösung

Um den tatsächlichen Wert der Streuinduktivität zu ermitteln, legen die Ingenieure vorsichtig einen gelöteten Kurzschluss an die Sekundärseite des zu prüfenden Transformators und messen den Induktivitätswert auf der Primärseite.
Dieser Induktivitätswert wird als „tatsächliche“ Streuinduktivität aufgezeichnet (z. B. 150 μH).

Die Induktivität wird dann am gleichen Transformator gemessen, nachdem der gelötete Kurzschluss entweder durch eine Kurzschlussklemme oder eine Vorrichtung mit relaisgesteuertem Kurzschluss ersetzt wurde, je nachdem, welche Technik für die Herstellung gewählt wird.
Die gemessene Induktivität wird wiederum notiert (z.B. 180µH).

Dieser Wert ist natürlich größer als der ursprüngliche, da er die tatsächliche Streuinduktivität und die Kurzschlussfehlerinduktivität beinhaltet.

Die Differenz zwischen diesen beiden Werten (in unserem Beispiel 30 μH) wird dann bei Produktionstests als fester Offset verwendet, der in ein Produktions-LCR-Messgerät programmiert wird, um bei einem unvollständigen Kurzschluss eine Annäherung an den richtigen Wert zu erhalten.

In der Praxis ist es unmöglich, einen relaisbasierten oder manuellen Kurzschluss zu erreichen, der jedes Mal genau den gleichen Kurzschlussfehler erzeugt.

Diese Nichtwiederholbarkeit des Kurzschlussfehlers führt dazu, dass der feste Offset einer Produktionsabteilung keine genauen und wiederholbaren Ergebnisse liefern kann.

Dies wird in der folgenden Tabelle veranschaulicht:

5. Die Voltech-Lösung

Voltech hat seine Tester der AT-Serie mit einer Architektur und Verarbeitungsleistung entwickelt, die den Kurzschlussfehler aus der Messung der Primärinduktivität bei jedem einzelnen Test eliminiert.

Unten wird eine vereinfachte Version dieses Vorgangs dargestellt.

Zunächst wird im Rahmen des LL-Tests eine stille Messung des Windungszahlverhältnisses des zu prüfenden Teils durchgeführt.
Dies wird mit ungefähr 1 Volt und der gleichen Frequenz wie der programmierte LL-Test durchgeführt.

Die Spannung auf der Sekundärseite wird auch gemessen, wenn der Sekundärkreis offen ist.
Dies ergibt Vopen in der obigen Grafik

Zweitens werden bei angelegtem (nicht idealem) Kurzschluss an der Sekundärseite auch Spannung und Strom gemessen.
Dadurch erhalten wir den Punkt V1/I1 in der Grafik.

Diese beiden Punkte werden dann (auf der angenommenen linearen V/I-Linie) extrapoliert und zurück zu V=0 berechnet, um Ishort zu erhalten.
Dies ist der erwartete Stromfluss im Sekundärkreis unter idealen Kurzschlussbedingungen, d. h. wenn der Kurzschluss perfekt ist und kein Spannungsabfall am Sekundärkreis auftritt.

Dieser Ishort- Wert kann in Kombination mit dem früheren stillen TR-Ergebnis verwendet werden, um den entsprechenden Stromeffekt auf der Primärseite zu berechnen, und wird daher aus dem auf der Primärseite gemessenen LL-Ergebnis entfernt.

Dies ist eine vereinfachte Darstellung der Technik.
In Wirklichkeit sind die Messungen eine Kombination aus realen und imaginären Messungen, daher wird die Technik unten vektoriell dargestellt

Aus dem primären Vektordiagramm ist ersichtlich, dass sich jede Messung aus der Summe der Spannung aufgrund der Streuinduktivität und der Fehlerspannung aufgrund des sekundären Kurzschlusses ergibt.

Vor dem Anlegen eines Kurzschlusses messen die Tester der Voltech AT-Serie das Verhältnis von Primär- zu Sekundärwindungen.
Anschließend legen die Tester mithilfe einer internen Relaismatrix automatisch einen Kurzschluss an und messen die Kurzschlussspannung an den Sekundärstiften des Transformators.
Der Vektor dieser Kurzschlussspannung wird automatisch mit dem Windungszahlverhältnis multipliziert, wodurch ein „Fehlervektor“ entsteht, der der in der Primärmessung reflektierten Kurzschlussfehlerspannung entspricht.
Die Streuinduktivität wird dann aus dem Gesamtwert der Primärinduktivität abzüglich des berechneten Primärfehlervektors berechnet.

Durch dieses Verfahren sind die Tester der Voltech AT-Reihe in der Lage, den wahren Wert der Streuinduktivität unabhängig von der Variabilität des Kurzschlusses zu ermitteln.

6. Streuinduktivität Fazit

Die Streuinduktivität ist eine entscheidende Transformatoreigenschaft, die sowohl für Entwicklungs- als auch Produktionstestingenieure eine besondere Messherausforderung darstellt.

Durch die Betrachtung der Faktoren, die die Messintegrität beeinträchtigen, und die Entwicklung innovativer Messtechniken zur Überwindung dieser Faktoren bietet Voltech eine einzigartige Lösung für das Problem der Messvariabilität, mit dem fast alle Transformatorhersteller konfrontiert sind.

Sollten Sie Fragen zu den weiteren Prüffunktionen der Trafotester der Voltech AT-Serie haben, können Sie sich gerne an uns wenden.

7, Siehe auch