Zrozumienie indukcyjności upływu

1. Co to jest indukcyjność upływu?

Indukcyjność upływu to składowa indukcyjna występująca w transformatorze, która powstaje w wyniku niedoskonałego połączenia magnetycznego jednego uzwojenia z drugim.

Każdy strumień magnetyczny, który nie łączy uzwojenia pierwotnego z uzwojeniem wtórnym, działa jako impedancja indukcyjna szeregowo z uzwojeniem pierwotnym, dlatego ta „indukcyjność upływu” jest przedstawiona na schemacie jako dodatkowa indukcyjność przed uzwojeniem pierwotnym idealnego transformatora.

W niektórych zastosowaniach, takich jak zasilacze impulsowe i stateczniki oświetleniowe, indukcyjność upływu transformatora może odgrywać kluczową rolę w projektowaniu produktu. Z tego powodu dokładny pomiar indukcyjności upływu jest często ważną funkcją testową dla producentów transformatorów.

Aby uniknąć pomyłek z innymi charakterystykami transformatorów, w niniejszej uwadze technicznej nie będą omawiane inne elementy strat, takie jak rezystancja uzwojeń czy pojemność międzyuzwojeniowa.

Idealny transformator

W przypadku teoretycznego, idealnego transformatora nie ma strat. Napięcia są przekształcane w bezpośrednim stosunku zwojów; prądy w odwrotnym stosunku zwojów (rysunek 1).

Prawdziwy transformator

W prawdziwym transformatorze część strumienia w uzwojeniu pierwotnym może nie łączyć się z uzwojeniem wtórnym.

Ten strumień „rozproszenia” nie bierze udziału w działaniu transformatora i można go przedstawić jako dodatkową impedancję indukcyjną, połączoną szeregowo z uzwojeniem pierwotnym (rysunek 2).

Prawdziwy transformator plus szczelina powietrzna

W przypadku niektórych projektów transformatorów, indukcyjność upływu musi stanowić większą część indukcyjności całkowitej i jest określana w ramach wąskiej tolerancji.

Zwiększony udział indukcyjności rozproszenia uzyskuje się zazwyczaj poprzez wprowadzenie szczeliny powietrznej w rdzeniu, co zmniejsza przenikalność rdzenia, a zatem wartość indukcyjności pierwotnej.

Zatem stosunek strumienia, który nie łączy uzwojenia pierwotnego z uzwojeniem wtórnym, wzrośnie w stosunku do strumienia, który łączy oba uzwojenia (rysunek 3).

2. Dlaczego pomiar indukcyjności upływu jest ważny?

Indukcyjność upływu (LL) może być niepożądana w elemencie uzwojonym. W takim przypadku ważne jest zmierzenie jej wartości, aby wykazać, że jest ona niska. W niektórych zastosowaniach, takich jak stateczniki oświetlenia elektronicznego i rezonansowe przetwornice mocy, indukcyjność upływu jest wprowadzana celowo, a jej wartość stanowi integralną część projektu obwodu.

W tego typu zastosowaniach indukcyjność upływu pełni funkcję ośrodka magazynowania energii, co jest niezbędne do zapewnienia prawidłowej pracy gotowego produktu.

Z tego względu ważne jest, aby wartość indukcyjności rozproszenia transformatora mieściła się w określonych granicach.

3. Jak mierzy się indukcyjność upływu?

Jeżeli miernik LCR jest podłączony do uzwojenia pierwotnego transformatora z otwartymi zaciskami wtórnymi (rysunek 4), wartość indukcyjności (L) obejmuje indukcyjność pierwotną (LP) i indukcyjność rozproszenia (LL).

Ponieważ LL jest funkcją wewnątrz transformatora, oczywistym jest, że nie da się bezpośrednio zmierzyć jej wartości.
Należy zatem zastosować metodę odejmowania wartości LP od całkowitej zmierzonej indukcyjności.
Osiąga się to poprzez zastosowanie zwarcia pomiędzy zaciskami wtórnymi (rysunek 5).

Idealne zwarcie spowoduje pojawienie się zerowego napięcia na zaciskach wyjściowych (rysunek 6), a na skutek działania transformatora zero woltów pojawi się również na indukcyjności pierwotnej.

Zmierzona wartość indukcyjności na zaciskach pierwotnych będzie zatem rzeczywistą indukcyjnością rozproszenia (LL).

Niestety, uzyskanie idealnego zwarcia po stronie wtórnej transformatora jest trudne w warunkach laboratoryjnych i zupełnie niepraktyczne w środowisku produkcyjnym.

W produkcji zwarcie zwykle wykonuje się ręcznie lub za pomocą przekaźnika przełączalnego.
W takich warunkach nie można osiągnąć idealnego zwarcia i dlatego napięcie wtórne nie będzie wynosić zero.

Napięcie powstałe w wyniku niedoskonałego zwarcia pojawi się na indukcyjności pierwotnej jako błąd zwarcia pomnożony przez stosunek zwojów (rysunek 7).

Ls/c odzwierciedla się w uzwojeniu pierwotnym jako N ² Ls/c, ponieważ w dowolnym uzwojeniu L jest proporcjonalne do kwadratu liczby zwojów (L α N ² ).

W ten sposób Ls/c odzwierciedla się jako funkcja:

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

Zmierzoną wartość pierwotnej indukcyjności można rozpatrywać wektorowo jako sumę impedancji upływu i odbitej impedancji błędu zwarcia. Pokazano to na rysunku 8.

4. Rozwiązanie tradycyjne

Aby uzyskać rzeczywistą wartość indukcyjności upływu, inżynierowie ostrożnie zastosują lutowany zwarcie do uzwojenia wtórnego testowanego transformatora i zmierzą wartość indukcyjności w uzwojeniu pierwotnym.
Tę wartość indukcyjności zapiszemy jako „rzeczywistą” indukcyjność upływu (np. 150 μH).

Następnie, po zastąpieniu lutowanego zwarcia zaciskiem zwarciowym lub urządzeniem ze zwarciem sterowanym przekaźnikiem, przeprowadzany jest pomiar indukcyjności na tym samym transformatorze, zależnie od techniki wybranej do produkcji.
Zmierzoną indukcyjność rejestruje się ponownie (np. 180μH).

Wartość ta będzie oczywiście większa od oryginalnej, ponieważ uwzględnia rzeczywistą indukcyjność upływu i indukcyjność błędu zwarcia.

Różnica między tymi dwiema wartościami (w naszym przykładzie 30 μH) jest następnie wykorzystywana w testach produkcyjnych jako stałe przesunięcie programowane w produkcyjnym mierniku LCR w celu uzyskania przybliżenia prawidłowej wartości w przypadku niedoskonałego zwarcia.

W praktyce nie da się uzyskać zwarcia przekaźnikowego lub ręcznego, które za każdym razem powodowałoby dokładnie taki sam błąd zwarcia.

Niepowtarzalność błędu zwarcia jest tak duża, że stałe przesunięcie nie jest w stanie zapewnić działowi produkcji dokładnych i powtarzalnych wyników.

Ilustruje to poniższa tabela:

5. Rozwiązanie Voltech

Firma Voltech opracowała testery serii AT, których architektura i możliwości przetwarzania pozwalają na wyeliminowanie błędu zwarcia z pomiaru indukcyjności pierwotnej podczas każdego testu.

Poniżej przedstawiono uproszczoną wersję tego procesu.

Po pierwsze, jako część testu LL, wykonuje się cichy pomiar stosunku obrotów badanej części.
Test ten wykonuje się przy napięciu około 1 V i tej samej częstotliwości, co zaprogramowany test LL.

Napięcie na uzwojeniu wtórnym mierzy się również wtedy, gdy obwód wtórny jest otwarty.
Daje nam to Vopen na powyższym wykresie

Po drugie, po przyłożeniu (nieidealnego) zwarcia do uzwojenia wtórnego mierzone jest również napięcie i prąd.
Daje nam to punkt V1/I1 na wykresie.

Następnie te dwa punkty ekstrapoluje się (na założonej liniowej linii V/I) i oblicza z powrotem do punktu, w którym V=0, aby uzyskać Ishort.
Jest to oczekiwany przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym w warunkach idealnego zwarcia, tzn. gdy zwarcie jest idealne i nie ma spadku napięcia w uzwojeniu wtórnym.

Wartość Ishort w połączeniu z wcześniejszym wynikiem cichego TR można wykorzystać do obliczenia odpowiadającego mu wpływu prądu po stronie pierwotnej, a tym samym usunąć ją z wyniku LL mierzonego po stronie pierwotnej.

Jest to uproszczona wersja tej techniki.
W rzeczywistości pomiary są połączeniem pomiarów rzeczywistych i urojonych, dlatego poniżej przedstawiono technikę wektorowo

Z głównego wykresu wektorowego wynika, że każdy pomiar jest sumą napięcia przypisanego do indukcyjności upływu i napięcia błędu pochodzącego ze zwarcia wtórnego.

Przed zastosowaniem zwarcia, testery Voltech serii AT mierzą stosunek zwojów pierwotnych do wtórnych.
Następnie testery automatycznie stosują zwarcie, wykorzystując wewnętrzną macierz przekaźników, i mierzą napięcie zwarcia na wtórnych pinach transformatora.
Wektor tego napięcia zwarciowego jest automatycznie mnożony przez stosunek zwojów, co daje „wektor błędu” równy napięciu błędu zwarciowego odbitemu do pomiaru pierwotnego.
Indukcyjność upływu oblicza się następnie na podstawie całkowitej wartości indukcyjności pierwotnej pomniejszonej o obliczony wektor błędu pierwotnego.

Proces ten umożliwia testerom Voltech serii AT podanie rzeczywistej wartości indukcyjności upływu, niezależnie od zmienności zwarcia.

6. Wniosek dotyczący indukcyjności upływu

Indukcyjność upływu to kluczowa cecha transformatora, która stanowi szczególne wyzwanie pomiarowe dla inżynierów zajmujących się projektowaniem i testami produkcyjnymi.

Analizując czynniki wpływające na integralność pomiarów i opracowując innowacyjne techniki pomiarowe pozwalające przezwyciężyć te czynniki, Voltech oferuje unikalne rozwiązanie problemu zmienności pomiarów, z którym mierzy się niemal każdy producent transformatorów.

Jeśli mają Państwo pytania dotyczące innych funkcji testowych dostępnych w testerach transformatorów Voltech serii AT, prosimy o kontakt.

7. Zobacz także