Experimentální analýza vlivu teploty na parametry proudu naprázdno typových toroidních transformátorů, porovnání s konvenčními typy transformátorů

Experimentální analýza vlivu teploty na parametry proudu naprázdno typových toroidních transformátorů, porovnání s konvenčními typy transformátorů

Aleš Folvarčný
Katedra elektroenergetiky
Fakulta elektrotechniky a informatiky, Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava
e-mail: ales.folvarcny@vsb.cz

Ing. Martin Marek,PhD
Katedra elektroenergetiky
Fakulta elektrotechniky a informatiky, Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava
e-mail: martin.marek@vsb.cz

Abstract: V příspěvku je uveden souhrn výsledků nezávislé experimentální analýzy zaměřené na zjišťování vlivu teploty na velikost a parametry proudu naprázdno typových malých toroidních a konvenčních transformátorů. Analýza naměřených hodnot je výsledkem rozsáhlých a časově náročných měření provedených v klimatické komoře na daných transformátorech, při různých hodnotách napájecího napětí a pracovních teplotách. Z provedených časových záznamů měření byly dále vyjádřeny charakteristiky a parametry vhodně doplňující vliv teploty na magnetické vlastnosti materiálu jádra.

Úvod

V současné době je trendem používat pro magnetická jádra transformátorů kvalitní tenké plechy legované křemíkem s velmi vysokou hodnotou maximální permeability a velmi nízkým ztrátovým číslem. Užití těchto kvalitních vysoce šlechtěných plechů vede ke zmenšení rozměrů i hmotnosti transformátorů a při dobrém návrhu i k malým hodnotám proudu naprázdno.

Impulsem pro vznik této experimentální práce byl fakt, že i když jsou dnes konvenční i toroidní transformátory hojně využívány, prakticky doposud nebylo provedeno podrobnější zkoumání a zjišťování vlivu teploty na proud naprázdno u hotových transformátorů a s tím potažmo související vliv teploty na magnetické vlastnosti typových plechů jader transformátorů. Proto této problematice byla věnována pozornost a dílčí výsledky této práce jsou uvedeny v tomto článku. Cílem této experimentální analýzy bylo posoudit vliv teploty a napájecího napětí na hodnoty proudu naprázdno u vybraných typových toroidních a konvenčních transformátorů. Dále pak byla věnována pozornost vyjádření vlivu teploty a napětí na magnetické sycení jader transformátorů a orientační vyjádření magnetických vlastností daných plechů jader typových transformátorů v podobě BH hysterezních charakteristik.

U analyzovaných vzorků bylo provedeno měření a záznam časových průběhů U₁₀, I₁₀, U_20. Z naměřených hodnot byly posléze pro toroidní transformátory vypočteny další veličiny (magnetické indukce, intenzita magnetického pole), charakterizující magnetické vlastnosti měřených vzorků. Na závěr je provedeno porovnání naměřených výsledků pro toroidní a konvenční transformátory. Při vlastním měření bylo využito obecně známých poznatků o vlastnostech feromagneticky měkkých materiálů.

Analyzované transformátory

Pro vlastní experimentální analýzu byly vybrány dvě sady malých transformátorů. První sada obsahovala transformátory toroidní určené pro audio zesilovače vyšší třídy. Druhá sada byl pak výběr různých typů malých transformátorů s klasickým magnetickým jádrem. Provedení a popis všech analyzovaných transformátorů je uveden v následující kapitole.

Transformátory sada č.1 - Toroidní

Obr.1: Provedení transformátorů sada č.1 - Toroidní transformátory

popis transformátorů sady č.1:

Magnetická jádra všech těchto transformátorů byla vyrobena z elektrotechnického plechu, typu M111 o tloušťce 0,30 mm, P<1,11 W/kg. Technologicky byla jádra všech těchto transformátorů vyrobena stejným základním procesem, jádra transformátorů TR1A a TR1B se však vzájemně lišila konečnou úpravou. Jádro transformátoru TR1B bylo lakované a tvrzené a jádro TR1A bylo nelakované. Detail provedení samotných magnetických jader je patrný z obr.2, kde jsou uvedena samostatná jádra, na kterých bylo provedeno měření magnetických vlastností těchto plechů ve variantě lakované a nelakované jádro.

Obr. 2: Samostatná magnetická jádra toroidních tr. určená pro magnetická měření

Transformátory sada č.2 - konvenční

Obr.3: Provedení transformátorů sada č.2 - Konvenční transformátory

Jedná se o výběr standardně používaných transformátorů různých variant a typů pro nejrůznější aplikace s různým provedením magnetického jádra a užitého typu elektrotechnických plechů. Cílem měření na těchto transformátorech bylo rovněž především získat hodnoty proudu naprázdno v závislosti na teplotě. U těchto transformátorů nebyly podrobněji zkoumány magnetické vlastnosti užitých elektrotechnických plechů.

Popis a uspořádání měřícího pracoviště

Základní prvek celého měření i experimentální analýzy tvořila klimatická komora, pomocí které lze velmi přesně nastavovat pracovní teploty v rozsahu -40 až 180 °C, včetně hodnoty vlhkosti vzduchu. Transformátory byly umístěny v této komoře postupně, vždy po celých sadách. Vlastní napájení analyzovaných vzorků bylo provedeno pomocí autotransformátoru a záznam jednotlivých časových průběhů podstatných signálů byl proveden pomocí digitálního osciloskopu, komunikačního rozhraní GPIB a PC. Uspořádání tohoto pracoviště je patrné z následujícího obr.4, vlastní klimatická komora je pak uvedena na obr.5.

Obr.4: Blokové schéma a uspořádání měřícího pracoviště

Obr. 5: Klimatická komora

Obecně a krátce k dané problematice

Obecně je chod transformátoru naprázdno mimo jiné charakterizován proudem naprázdno. Velikost a tvar tohoto proudu výrazně popisuje výsledné vlastnosti provedeného návrhu, konstrukci i magnetické vlastnosti materiálu jádra daného transformátoru. Podrobnější teoretický rozbor této problematiky lze nalézt v běžné literatuře věnované elektrickým strojům a transformátorům.

Při známých geometrických rozměrech transformátoru a parametrech vinutí lze tedy využít časového průběhu tohoto proudu společně se signálem indukovaného napětí k analýze magnetických poměrů a parametrů magnetického jádra transformátoru. Takováto analýza pak tedy může být využita jednak pro zjišťování přibližných magnetických vlastností plechů jádra a jednak jako kontrolní analýza výsledného sycení a ztrát provedeného návrhu a konstrukce daného transformátoru.

Vlastní měření

Napájení analyzovaných vzorků bylo realizováno pomocí autotransformátoru, přičemž pro každý typ transformátoru byly nastavovány hodnoty napětí v rozsahu 50 až 250 V.

Samotné toroidní a konvenční transformátory byly umístěny v klimatické komoře.

Vždy před započetím každého měření byla v klimatické komoře nastavena potřebná teplota.

Nastavované hodnoty teplot v klimatické komoře:

záporné: - 40 ˚C, -35 ˚C, -30 ˚C, -20 ˚C, -10 ˚C,

kladné: 0 ˚C, 10 ˚C, 20 ˚C, 30 ˚C, 40 ˚C, 50 ˚C, 60 ˚C, 70 ˚C, 80 ˚C, 90 ˚C, 100 ˚C a (120 ˚C).

Po dosažení požadované teploty se nechaly transformátory hodinu v klidovém stavu, aby došlo k vyrovnání jejich teploty s teplotou nastavenou v klimatické komoře, teprve poté bylo provedeno vlastní měření. Záznam signálu proudu naprázdno, primárního a indukovaného napětí byl proveden pomocí digitálního osciloskopu s komunikačním rozhraním GPIB a PC. Naměřené hodnoty byly pomocí programu WaveStar v. 2.4 převedeny do textové formy a následně importovány do programu Microsoft Excel, kde byly dále zpracovávány.

Vlastní experimentální měření pak bylo provedeno na Katedře elektrických strojů a přístrojů, v laboratoři magnetických měření.

Ukázka výpočtu odvozených hodnot analyzovaných transformátorů při stavu naprázdno:

Příklad výpočtu pro vzorek 92 902 — P1S4 CD 5x pro napájecí napětí 235 V.

- počet závitů primárního vedení N₁ = 1300

- počet závitů sekundárního vinutí N₂ = 66 , (U₂₀ =11,68 V)

- amplitudová hodnota proudu naprázdno I₁₀ = 11,8 mA ,(U₁₀ = 235 V)

- rozměry magnetického jádra 92 x 50 x 25 mm.

Intenzita magnetického pole vzorku:

l_stř = m (1)

H(t) = A/m (2)

kde l_stř značí střední délku magnetického obvodu toroidního transformátoru, H značí intenzitu magnetického pole vzorku.

Indukce magnetického pole vzorku:

S = vּ( r₂- r₁ ) (3)

S = aּb = 2,1ּ2,5 = 0,000525 m² (4)

U_i = T (5)

kde S značí průřez jádra toroidního transformátoru, U_i je indukované napětí vzorku, B je indukce magnetického pole vzorku.

Výsledky měření: SADA č.1 - Toroidní transformátory

Vliv teploty na velikost efektivní hodnoty proudu naprázdno-

toroidní transformátor

Tr1A , U=235 (V)

T [ºC]

Ukázky výsledných změřených časových průběhů U₁₀, I₁₀, U₂₀ pro:

SADA č.1 - Toroidní transformátory, U=235V, T = - 40 ºC a 120 ºC

Tr1A, -40ºC	Tr1A, 120ºC
Tr1B, -40ºC	Tr1B, 120ºC
Tr2A, -40ºC	Tr2A, 120ºC
Tr2B, -40ºC	Tr2B, 120ºC

Ukázky výsledných změřených časových průběhů U₁₀, I₁₀, U₂₀ pro:

SADA č.1 - Toroidní transformátory, U=235V, T = 20 ºC

Tr1A	Tr1B
Tr2A	Tr2B

Ukázky průběhů BH charakteristik vyhodnocených z naměřených časových průběhů:

SADA č.1 - Toroidní transformátory, U=235V, T = 20 ºC

Vyjádření efektivních hodnot I_ef, U_ef v závislosti na napájecím napětí při stavu naprázdno

Efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí odpovídají hodnotám stejnosměrného proudu a napětí, při nichž je výkon v obvodu stejný jako výkon daného střídavého proudu.

Hodnota střídavého napětí nebo proudu má pak stejné tepelné účinky, jako stejnosměrný proud nebo napětí.

Budeme-li vycházet z hodnot tepelného účinku, lze pak hodnotu napětí odvodit z práce pro 1 periodu sinusového průběhu :

W_DC = U_ef ּI_ef ּT = (6)

p(t) = u(t)ּi(t) = (7)

integrací výkonu v čase získáme práci :

W(t) = (8)

W_DC = W(t), (9)

U_ef = (10)

kde W_DC = W(t) vyjadřuje práci pro 1 periodu sinusového průběhu, p(t) je výkon obvodu pro 1 periodu, U_ef vyjadřuje efektivní hodnotu sinusového napětí.

Grafické vyjádření efektivních hodnot proudu naprázdno v závislosti na napájecím napětí pro měření při teplotě T= -20ºC

Závislost Ief na napájecím napětí - Toroidní transformátor -	Závislost Ief na napájecím napětí - Konvenční transformátor -
U10 [V]	U10 [V]

Výsledky měření: SADA č.2 - Konvenční transformátory

Ukázky výsledných změřených časových průběhů U₁₀, I₁₀, U₂₀ pro:

SADA č.2 - Konvenční transformátory, U=235V, T = - 40 ºC a 100 ºC

Tr1 -40ºC	Tr1, 100ºC
Tr2, -40ºC	Tr2, 100ºC
Tr3, -40ºC	Tr3, 100ºC

Přehled vlivu teploty na velikost efektivní hodnoty proudu naprázdno-konvenční transformátory

Tr1	Tr2
Tr3	Tr4

Porovnání vlivu teploty na proud naprázdno u toroidního a konvenčního transformátoru

Toroidní transformátor	Konvenční transformátor

Závěr

Z naměřených výsledků analyzovaných vzorků je patrné, že hodnota proudu naprázdno se v rozmezí nastavovaných teplot - 40 ºC až 120 ºC u toroidních transformátorů s rostoucí teplotou snižovala zatímco u konvenčních transformátorů tento jev byl téměř nepozorovatelný.

U toroidních transformátorů vyrobených z velmi tenkých plechů s vysokou maximální permeabilitou se magnetické vlastnosti s rostoucí teplotou zlepšují, úměrně tomu se i zužovala hysterezní smyčka a z ní plynoucí ztráty. Tento jev je vysvětlitelný pouze hlubším popisem magnetizačních procesů a magnetostrikčních jevů, který byl pro potřeby tohoto článků vynechán.

Dále je z výsledků měření patrné, že toroidní transformátor označený Tr1A vykazoval hodnotu proudu výrazně menší, než vzorek 1B, přičemž oba vzorky byly vyrobeny ze stejného materiálu a o stejných rozměrech. Výsledný rozdíl v chovaní těchto jinak identických transformátorů je dán úmyslně odlišnou konečnou úpravou jader transformátorů. Magnetické jádro vzorku 1A bylo nelakované a tepelně netvrzené a jádro transformátoru 1B bylo lakované a tepelně tvrzené. Proces lakovaní a tvrzení pak ve výsledku vede k zavedení pnutí jádra a zvýšení příčné vzduchové mezery mezi jednotlivými vrstvami plechu jádra a zhoršení výsledných magnetických vlastností celého jádra, které pak způsobí zvýšení proudu naprázdno.

Proto při návrhu a konstrukci vybraných transformátorů je vhodné uvažovat  výše zmiňované vlastnosti a jevy, neboť tyto vedou k silnému ovlivnění velikosti samotného proudu naprázdno, magnetickému sycení plechů jádra, ale i magnetizačních ztrát a hluku výsledného transformátoru.

Pro porovnání byly dále uvedeny výsledky měření na konvenčních transformátorech jejichž magnetická jádra byla vyrobena spíše z elektrotechnických plechů standardní kvality a tloušťky. U těchto transformátorů je patrné, že efektivní hodnoty proudu naprázdno se v závislosti na teplotě v daném rozsahu experimentálního měření -40 až 120 °C výrazněji neměnily. Toto je zapříčiněno především vlastnostmi použitých plechů a jejich technologií skládaní v konečný magnetický obvod. Vnitřní pnutí jedné vrstvy plechů, ať již vlivem teploty nebo magnetizace není u konfigurace skládání jádra EI nebo podobné přenášeno na následující vrstvu, jako je tomu v případě toroidních jader. Zásadní vliv na uvedené jevy má především maximální permeabilita a dále pak tepelně mechanické vlastnosti materiálu plechů.

Vliv změny odporu vodičů na velikost proudu naprázdno byl u měřených transformátorů téměř nulový, pro vlastní měření zanedbatelný. Hodnoty proudu naprázdno pak byly měřeny osciloskopicky, snímány sondou na měřícím odporu, s chybou měření do 1%, jak je znázorněno na obr.4.

Příspěvek přináší výsledky časově velice náročné experimentální práce věnované zjišťovaní vlivu teploty na proud naprázdno konkrétních transformátorů různých typů a variant. Uvedené výsledky mohou v elektrotechnické praxi v daném oboru napovědět při řešení určitých problémů a naznačit jejich možné příčiny. Podrobnější informace lze nalézt v uvedené literatuře.

Literatura

Folvarčný A.: Typové transformátory — Vliv teploty na proud naprázdno, Diplomová práce, VŠB — TU Ostrava, FEI, Kat453, 2009
• Marek M.: Způsoby zjišťování magnetických vlastností konstrukčních materiálů, specifické příklady užití a aplikací magnetických měření, Disertační práce, VŠB-TU Ostrava, FEI, Kat453, 2005
• Smolka K.: Typové toroidní transformátory - experimentální analýza elektromagnetických poměrů při různých provozních stavech, Diplomová práce, VŠB-TU Ostrava, FEI, Kat453, 2008
• Laboratoř magnetických měření, VŠB-TU Ostrava, FEI, Kat-453
• Draxler K., Kašpar P., Ripka P.: Magnetické prvky a měření. ČVUT, Praha 1999.