Comprensione dell'induttanza di dispersione

1. Che cosa è l'induttanza di dispersione?

L'induttanza di dispersione è una componente induttiva presente in un trasformatore che deriva dal collegamento magnetico imperfetto di un avvolgimento all'altro.

Qualsiasi flusso magnetico che non collega l'avvolgimento primario all'avvolgimento secondario agisce come impedenza induttiva in serie con il primario, pertanto questa "induttanza di dispersione" è mostrata in uno schema elettrico come un'induttanza aggiuntiva prima del primario di un trasformatore ideale.

In alcune applicazioni, come gli alimentatori switching e gli alimentatori di illuminazione, l'induttanza di dispersione del trasformatore può svolgere una funzione critica nella progettazione del prodotto. Per questo motivo, la misurazione accurata dell'induttanza di dispersione è spesso un'importante funzione di test per i produttori di trasformatori.

Per evitare confusione con altre caratteristiche del trasformatore, questa nota tecnica non farà riferimento ad altri componenti di perdita quali la resistenza dell'avvolgimento o la capacità tra gli avvolgimenti.

Trasformatore ideale

Per un trasformatore teorico ideale, non ci sono perdite. Le tensioni vengono trasformate nel rapporto diretto delle spire; le correnti nel rapporto inverso delle spire (figura 1).

Trasformatore reale

In un trasformatore reale, parte del flusso nel primario potrebbe non collegare l'avvolgimento secondario.

Questo flusso di "dispersione" non prende parte all'azione del trasformatore e può essere rappresentato come un'impedenza induttiva aggiuntiva che è in serie con l'avvolgimento primario (figura 2).

Trasformatore reale più un traferro

In alcuni tipi di trasformatori, l'induttanza di dispersione deve essere una percentuale maggiore dell'induttanza totale ed è specificata entro una tolleranza ristretta.

L'aumento della percentuale di induttanza di dispersione si ottiene solitamente introducendo un'intercapedine d'aria nella progettazione del nucleo, riducendo così la permeabilità del nucleo e quindi il valore dell'induttanza primaria.

Il rapporto del flusso che non collega l'avvolgimento primario a quello secondario aumenterà quindi rispetto al flusso che collega entrambi gli avvolgimenti (figura 3).

2. Perché è importante la misurazione dell'induttanza di dispersione?

L'induttanza di dispersione (LL) può essere indesiderata in un componente avvolto, nel qual caso è importante misurarne il valore per dimostrare che è basso oppure, in alcune applicazioni, come gli alimentatori elettronici per illuminazione e i convertitori di potenza risonanti, l'induttanza di dispersione viene introdotta deliberatamente e il suo valore è parte integrante della progettazione del circuito.

In queste applicazioni, l'induttanza di dispersione fornisce un mezzo di accumulo di energia essenziale per ottenere il corretto funzionamento del prodotto finito.

È quindi importante che il valore dell'induttanza di dispersione del trasformatore sia noto e rientri nei limiti specificati.

3. Come si misura l'induttanza di dispersione?

Quando un misuratore LCR è collegato all'avvolgimento primario di un trasformatore con terminali secondari a circuito aperto (figura 4), il valore dell'induttanza (L) comprende l'induttanza primaria (LP) più l'induttanza di dispersione (LL).

Poiché LL è una funzione interna al trasformatore, è chiaro che non è possibile misurarne direttamente il valore.
È quindi necessario utilizzare un metodo per sottrarre il valore di LP dall'induttanza totale misurata.
Ciò si ottiene applicando un cortocircuito ai terminali secondari (figura 5).

Un cortocircuito perfetto darà luogo a zero volt sui terminali di uscita (figura 6) e, tramite l'azione del trasformatore, zero volt si verificheranno anche sull'induttanza primaria.

Il valore misurato dell'induttanza ai terminali primari sarà quindi la vera induttanza di dispersione (LL).

Purtroppo, ottenere un cortocircuito perfetto sul secondario di un trasformatore è difficile in laboratorio e del tutto impraticabile in un ambiente di produzione.

In produzione, è comune che il cortocircuito venga applicato manualmente o tramite un relè commutabile.
In queste condizioni non è possibile ottenere un cortocircuito perfetto e ne consegue che la tensione secondaria non sarà realmente zero.

La tensione attribuibile al cortocircuito imperfetto apparirà quindi attraverso l'induttanza primaria come un errore di cortocircuito moltiplicato per il rapporto spire (figura 7).

Ls/c si riflette nel primario come N ² Ls/c perché, in qualsiasi avvolgimento, L è proporzionale al numero di spire al quadrato (L α N ² ).

Pertanto, Ls/c si riflette come una funzione di:

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

Il valore misurato dell'induttanza primaria può essere considerato vettorialmente come la somma dell'impedenza di dispersione più l'impedenza riflessa dell'errore di cortocircuito. Ciò è mostrato nella figura 8.

4. La soluzione tradizionale

Per ottenere il valore reale dell'induttanza di dispersione, gli ingegneri applicheranno con attenzione un cortocircuito saldato al secondario del trasformatore da testare e misureranno il valore dell'induttanza sul primario.
Questo valore di induttanza verrà registrato come la vera induttanza di dispersione (ad esempio 150μH).

L'induttanza verrà quindi misurata sullo stesso trasformatore dopo che il cortocircuito saldato è stato sostituito da una clip di cortocircuito o da un dispositivo con cortocircuito azionato da relè, a seconda della tecnica che verrà scelta per la produzione.
L'induttanza misurata viene nuovamente registrata (ad esempio 180μH).

Questo valore sarà ovviamente maggiore dell'originale perché include l'induttanza di dispersione effettiva più l'induttanza di errore di cortocircuito.

La differenza tra questi due valori (nel nostro esempio 30μH) viene quindi utilizzata nei test di produzione come offset fisso programmato in un misuratore LCR di produzione per ottenere un'approssimazione del valore corretto in presenza di un cortocircuito imperfetto.

In pratica, è impossibile ottenere un cortocircuito basato su relè o manuale che produca esattamente lo stesso errore di cortocircuito ogni volta.

Questa non ripetibilità dell'errore di cortocircuito è tale che l'offset fisso non può fornire al reparto di produzione risultati accurati e ripetibili.

Ciò è illustrato nella seguente tabella:

5, La soluzione Voltech

Voltech ha sviluppato i tester della serie AT con un'architettura e una capacità di elaborazione tali da eliminare l'errore di cortocircuito dalla misurazione dell'induttanza primaria durante ogni singolo test.

Di seguito è illustrata una versione semplificata di questo processo.

Innanzitutto, come parte del test LL, viene effettuata una misurazione silenziosa del rapporto di spire della parte sottoposta a prova.
Questa operazione viene eseguita a circa 1 Volt e alla stessa frequenza del test LL programmato.

La tensione sul secondario viene misurata anche quando il secondario è a circuito aperto.
Questo ci dà Vopen sul grafico sopra

In secondo luogo, applicando il cortocircuito (non ideale) al secondario, vengono misurati anche la tensione e la corrente.
Questo ci dà il punto V1/I1 sul grafico.

Questi due punti vengono quindi estrapolati (sulla presunta linea lineare V/I) e calcolati fino al punto in cui V=0 per ottenere Ishort.
Questo è il flusso di corrente previsto nel secondario in condizioni di cortocircuito ideale, vale a dire quando il cortocircuito è perfetto e non c'è caduta di tensione sul secondario.

Questo valore Ishort combinato con il precedente risultato TR silenzioso può essere utilizzato per calcolare l'effetto di corrente corrispondente sul lato primario e quindi rimosso dal risultato LL misurato sul primario.

Questa è una versione semplificata della tecnica.
In realtà le misure sono una combinazione di misure reali e immaginarie, quindi la tecnica è mostrata vettorialmente di seguito

Dal diagramma vettoriale primario si può vedere che ogni misurazione è la somma della tensione attribuibile all'induttanza di dispersione più la tensione di errore dal cortocircuito secondario.

Prima di applicare un cortocircuito, i tester Voltech serie AT misurano il rapporto tra spire primarie e secondarie.
I tester applicano quindi automaticamente un cortocircuito, utilizzando una matrice di relè interna, e misurano la tensione di cortocircuito sui pin secondari del trasformatore.
Il vettore di questa tensione di cortocircuito viene moltiplicato automaticamente per il rapporto di spire, producendo un "vettore di errore" che è uguale alla tensione di errore di cortocircuito riflessa nella misurazione primaria.
L'induttanza di dispersione viene quindi calcolata dal valore totale dell'induttanza primaria meno il vettore di errore primario che è stato calcolato.

Questo processo consente ai tester Voltech serie AT di fornire il vero valore dell'induttanza di dispersione, indipendentemente dalla variabilità del cortocircuito.

6, Conclusione sull'induttanza di dispersione

L'induttanza di dispersione è una caratteristica critica del trasformatore che rappresenta una sfida di misurazione particolare sia per gli ingegneri addetti alla progettazione che per quelli addetti ai test di produzione.

Esaminando i fattori che influenzano l'integrità della misurazione e sviluppando tecniche di misurazione innovative per superarli, Voltech fornisce una soluzione unica al problema della variabilità della misurazione che si presenta a quasi tutti i produttori di trasformatori.

Per qualsiasi domanda sulle altre funzioni di test disponibili per i tester per trasformatori Voltech serie AT, non esitate a contattarci.

7, Vedi anche