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Comprendere l'induttanza di dispersione

Una spiegazione dell'induttanza di dispersione nei trasformatori, perché è importante e come eseguire al meglio le misurazioni

1, cos'è l'induttanza di dispersione?

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

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

In alcune applicazioni, come gli alimentatori a commutazione e i reattori per 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 come 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; correnti nel rapporto inverso delle spire (figura 1).

Vero trasformatore

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).

Vero trasformatore più un traferro

In alcuni progetti di trasformatori, l'induttanza di dispersione deve rappresentare una proporzione maggiore dell'induttanza totale ed è specificata entro una stretta tolleranza.

L'aumento della percentuale di induttanza di dispersione viene solitamente ottenuto introducendo un traferro nella struttura del nucleo, riducendo così la permeabilità del nucleo e quindi il valore dell'induttanza primaria.

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

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

L'induttanza di dispersione (LL) può essere indesiderabile in un componente avvolto, nel qual caso è importante misurare il valore per dimostrare che è basso o, in alcune applicazioni, come reattori elettronici per illuminazione e convertitori di potenza risonanti, l'induttanza di dispersione viene deliberatamente introdotta e il suo valore è parte integrante del progetto del circuito.

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

È quindi importante che il valore dell'induttanza di dispersione del trasformatore sia entro i limiti specificati.

3, Come viene misurata 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, chiaramente 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 sui terminali secondari (figura 5).

Un cortocircuito perfetto risulterà in zero volt sui terminali di uscita (figura 6) e, attraverso l'azione del trasformatore, zero volt appariranno anche attraverso l'induttanza primaria.

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

Trabsformer con cortocircuito saldato

Purtroppo realizzare un cortocircuito perfetto sul secondario di un trasformatore è difficile in laboratorio e del tutto impraticabile in ambiente produttivo.

Nella produzione è frequente 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 veramente nulla.

La tensione attribuibile al cortocircuito imperfetto apparirà quindi sull'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 in 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. Questo è mostrato nella figura 8.

Diagramma vettoriale che mostra l'induttanza di dispersione e l'errore del circuito

4, La soluzione tradizionale

Per ottenere il valore reale dell'induttanza di dispersione, gli ingegneri applicheranno attentamente 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 poi misurata sullo stesso trasformatore dopo aver sostituito il cortocircuito saldato con una clip di cortocircuito o un apparecchio con cortocircuito a 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 dell'errore di cortocircuito.

La differenza tra questi due valori (nel nostro esempio 30μH) viene quindi utilizzata nei test di produzione come un 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 ogni volta esattamente lo stesso errore di cortocircuito.

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

Ciò è illustrato nella tabella seguente:

Vero LL

Mis. valore

Offset fisso

Risultato

Superato/fallito

Mis. #1 150 μH 180 μH -30μH 150 μH
Mis. #2 150 μH 200 μH -30μH 170μH X
Mis. #3 150 μH 250μH -30μH 17 5μH X

5, La soluzione Voltech

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

Di seguito è mostrata una versione semplificata di questo processo.

Innanzitutto, nell'ambito della prova LL, viene effettuata una misurazione silenziosa del rapporto spire della parte in prova.

LL Breve correzione

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

In secondo luogo, con il cortocircuito (non ideale) applicato al secondario, vengono misurate 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 ricalcolati fino al punto in cui V=0 per ottenere Ishort.
Questo è il flusso di corrente previsto nel secondario in condizioni di cortocircuito ideale, ovvero dove il cortocircuito è perfetto e non vi 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 tecnica di cervo semplificata.
In realtà le misurazioni sono una combinazione di misurazioni reali e immaginarie, quindi la tecnica è mostrata vettorialmente di seguito

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

Prima di applicare un cortocircuito, i tester della serie Voltech AT misurano il rapporto spire primario/secondario.
I tester quindi applicano 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 automaticamente moltiplicato per il rapporto spire, producendo un "vettore di errore" 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 della serie Voltech AT di fornire il valore reale dell'induttanza di dispersione, indipendentemente dalla variabilità del cortocircuito.

Vero LL

Mis. valore

Comp. vettoriale in tempo reale

Risultato

Superato/fallito

Mis. #1 150 μH 180 μH 150 μH
Mis. #2 150 μH 200 μH 150 μH
Mis. #3 150 μH 250μH 150 μH

6, Conclusione sull'induttanza di dispersione

L'induttanza di dispersione è una caratteristica critica del trasformatore che presenta una particolare sfida di misurazione sia per i tecnici dei test di progettazione che per quelli di produzione.

Osservando i fattori che influenzano l'integrità della misura e sviluppando tecniche di misura innovative per superare questi fattori, Voltech fornisce una soluzione unica al problema della variabilità della misura che si trova ad affrontare quasi tutti i produttori di trasformatori.

Se avete domande su una qualsiasi delle altre funzioni di test disponibili per i tester per trasformatori della serie Voltech AT, non esitate a contattarci.



7, Vedi anche