Dziwne zachowanie się dwóch połączonych szeregowo transformatorów sieciowych - wzbudzenie?

[Romekd]

Czołem.
Chciałbym Kolegom przedstawić pewne, przynajmniej jak dla mnie dość dziwne zachowanie się układu z dwoma transformatorami sieciowymi o mocy 25 VA, nawiniętymi na rdzeniach toroidalnych i zalanymi sztucznym tworzywem. Wile lat temu ze wspólnikiem w firmie projektowaliśmy falownik o mocy kilkudziesięciu watów, przeznaczony do zasilania trzech małych trójfazowych silników, które miały napędzać bardzo ciężki talerz wysokiej klasy gramofonu. Wtedy bardzo korzystne, z punktu widzenia estetyki płytki PCB i łatwości przełączania napięcia zasilania 115/230 Vw naszym układzie (służyły do tego tylko trzy zwory), wydało nam się dla ustawienia 230 V szeregowe połączenie uzwojeń pierwotnych transformatorów, gdzie w każdym z nich symetryczne uzwojenia pierwotne na 115 V połączone zostałyby równolegle. Okazało się, że po włączeniu tak zaprojektowanego układu do sieci elektrycznej 230 V działo się coś zaskakującego - w układzie dochodziło do silnych oscylacji o częstotliwości 3 Hz (no może nieco niższej). Napięcia na kondensatorach elektrolitycznych filtru falowały właśnie z taką częstotliwością, co wyglądało na jakieś wzbudzenie się układu, zawierającego same pasywne elementy... Sprawdziliśmy to i z pomiarów oraz obserwacji oscyloskopowych wynikało, że transformatory przekazują sobie energię - gdy na jednym z nich napięcie mocno spadało, na drugim mocno rosło, czyli układ działał jak "wahadło". Tak działo się cały czas (oscylacje nie gasły - ich amplituda nie zmieniała się) aż do wyłączenie układu. Nie rozumieliśmy dlaczego w identycznie obciążonych od strony wyjść transformatorach nie można jednocześnie łączyć szeregowo uzwojeń pierwotnych i wtórnych. Czy któremuś z Kolegów naszego Forum zdarzyła się może podobna sytuacja?

Poniżej istotny fragment schematu układu, który oscylował z powodu, którego w tamtym czasie z moim kolegą kompletnie nie rozumieliśmy.

GEN-x2.png

W układzie pracowały dokładnie takie transformatory jak widoczne w linku poniżej:
https://www.buerklin.com/de/Ringkern-Tr ... 2/p/38C976

Pewnie podobne zachowanie się transformatorów mogłoby zachodzić w układzie z dwoma mostkami prostowniczymi z następnego załącznika.

GEN_x.png

Czy Kolegom również podobnie "wzbudziły się" dwa transformatory? Ja jakiś czas później kilkakrotnie próbowałem wywołać podobny efekt w układzie z innymi typami szeregowo połączonych transformatorów, ale nie uzyskałem podobnych co wcześniej oscylacji...

Pozdrawiam
Romek

[Janusz]

Odnosząc się do fragmentu o oscylacjach połączonych szeregowo transformatorów - czy wzbudzenia gasły po obciążeniu układu?

[faktus]

Witam.
Kolego Romku również i ja z zainteresowaniem śledzę wątek, ale nie wiem jak wyjaśnić opisane zjawisko. Widać, że ustalenie jednej przyczyny tego zjawiska może okazać się bardzo trudne, by nie powiedzieć niemożliwe.

Na pewno nie raz nie jeden z Kolegów z naszego Forum spotkał się z taką sytuacją, że włącza się do sieci duży transformator toroidalny i mamy przy tym takie głośne warknięcie i stopniowe, trwające przeważnie kilka sekund, cichnięcie tego głośnego buczenia do standardowej dla danego transformatora głośności. Spowodowane to jest pozostałością magnetyczną (magnetyzmem szczątkowym) w rdzeniu po wcześniejszym wyłączeniu transformatora i niekorzystnym momentem ponownego włączenia go do sieci elektrycznej. Często w takim momencie udar prądowy po włączenie transformatora do sieci jest tak duży, że uszkadza się bezpiecznik (źle dobrany) zabezpieczający uzwojenie pierwotne na wypadek nadmiernego wzrostu prądu. Pytanie: dlaczego powrót do normalnej pracy transformatora trwa aż kilka sekund, skoro (jak w swojej wypowiedzi wspomniał Alek) "zmiany ustawienia domen magnetycznych zachodzą szybko, więc nie można im przypisać przyczyny zmiany indukcyjności w dłuższym okresie czasu"

Kiedyś czytałem, że to zjawisko w transformatorach toroidalnych jest podobne do zachowania pomięci ferrytowych stosowanych w komputerach, które były zapisywane poprzez skokowe zmiany płynącego prądu w przewodach na których były osadzone.
Rdzeń toroidalny niejako " zapamiętuje " moment w którym jest wyłączony-odnosi się to do konkretnego miejsca na sinusoidzie, a właściwie do konkretnej wartości prądu jaki w tym momencie przepływa przez jego uzwojenie. Przy ponownym włączeniu stara się uzyskać stan jaki był w chwili wyłączenia, a prawdopodobieństwo włączenia go w tym samym momencie na sinusoidzie przy ponownym włączeniu jest zerowe. Dlatego po włączeniu transformator musi niejako " wykasować " zapamiętaną wartość i ponownie niejako zsynchronizować się z przebiegiem napięcia zasilania zanim zacznie normalnie pracować, co wiąże się ze zwiększonym poborem prądu. Dlaczego trwa to tak długo, wydaje mi się że jest to cecha konstrukcyjna rdzenia i zastosowanego materiału.
Być może, że to zjawisko odpowiada za wynik pomiaru bo wykonuje się go przy małym napięciu i prądzie. Dlatego nie można " skasować " tej zapamiętanej wartości. Jest to moja subiektywna ocena, ale nie jestem pewien czy trafiona.
Pozdrawiam.

[Romekd]

Czołem.

Odnosząc się do fragmentu o oscylacjach połączonych szeregowo transformatorów - czy wzbudzenia gasły po obciążeniu układu?

Urządzenie miało funkcję STAND-BY i wówczas włączone były jedynie obwody słabo obciążone. Po przejściu do trybu "Praca" poziom obciążenia był nieporównywalnie wyższy, ale nawet go nie załączaliśmy, widząc że na czuwaniu zasilacz "wariuje". Z tego co pamiętam (układ projektowaliśmy z 10 lat temu), napięcia na kondensatorach elektrolitycznych części "niskomocowej" zasilacza osiągały zbyt wysokie i "falujące" wartości (nie jestem już teraz pewien, ale chyba mocniej grzały się transformatory i pobór mocy na czuwaniu z sieci był dużo wyższy, a założenia miał być jak najniższy /ekologia/). Wtedy nie było czasu przyjrzeć się temu zjawisku bliżej (mieliśmy inne zlecenia i czas nas gonił), więc przeprojektowane zostały płytki w ten sposób by transformatory od strony pierwotnej, dla obu wartości napięć zasilających (115/230 V) zawsze pracowały w połączeniu równoległym i to definitywnie rozwiązało problem.
Poniżej cały schemat wzbudzającego się zasilacza.

GEN.png

Jak widać na schemacie obwody mocy na czuwaniu były odłączane przekaźnikiem.

Pozdrawiam
Romek

[Janusz]

W pierwszym momencie pomyślałem o ferrorezonansie, tylko za bardzo nie widzę w tym układzie pojemności, która mogłaby stworzyć obwód rezonansowy. Elektrolity są za duże i do tego oddzielone mostkami prostowniczymi.
W drugim podejściu należy się zastanowić, czy nie odgrywa tam roli oporność uzwojeń pierwotnych i fakt, że szeregowe połączenie transformatorów zbliża charakter ich pracy do sterowanych dławików. Czyli pobór energii z jednego wywołuje zmniejszenie spadku napięcia po jego stronie pierwotnej, automatycznie podnosząc ten spadek na pierwotnym drugiego transformatora. Wtedy pojawiłyby się warunki do drgań. Tylko gdzie odpływałaby energia z kondensatorów zasilacza? A może kluczowa jest kombinacja niewielkiego obciążenia układem czuwania i układu połączeń transformatorów?

[faktus]

Witam.

W drugim podejściu należy się zastanowić, czy nie odgrywa tam roli oporność uzwojeń pierwotnych i fakt, że szeregowe połączenie transformatorów zbliża charakter ich pracy do sterowanych dławików. Czyli pobór energii z jednego wywołuje zmniejszenie spadku napięcia po jego stronie pierwotnej, automatycznie podnosząc ten spadek na pierwotnym drugiego transformatora. Wtedy pojawiłyby się warunki do drgań. Tylko gdzie odpływałaby energia z kondensatorów zasilacza?

Moim zdaniem jest to wysoce prawdopodobne, zaś energia nie musiała nigdzie odpływać. Dlaczego ? nie zapominajmy, że bezpośrednio na wyjściu prostownika nie mamy prądu stałego lecz jednokierunkowy pulsujący. Impulsy prądu na wyjściu prostownika doładowywały kondensatory w miarę ich upływności, bo układ prostownika nie oddawał mocy do obciążenia więc pozostała część prądu przepływała przez prostownik z powrotem do uzwojeń wtórnych transformatora. Dlatego układ przy szeregowym połączeniu uzwojeń pierwotnych transformatora w tym układzie mógł się przekształcić w generator. Częstotliwość generowania zmiennego przebiegu na poziomie 3 Hz jest zbliżona do przypadku wzbudzenia się układu wzmacniacza właśnie przez powstanie dodatniego sprzężenia poprzez układ zasilacza.
Pozdrawiam.

[Ukaniu]

Czy w układzie 2 traf połączonych jako "oscylator" problemu nie stanowi podmagnesowanie rdzenia?

To podmagnesowanie czy też rozmagnesowanie rdzenia i powrót na początek histerezy pewnie spowodowało spadek wyniku pomiaru indukcyjności podczas dłuższego podłączenia transformatora do miernika.

[Romekd]

Czołem.

W pierwszym momencie pomyślałem o ferrorezonansie, tylko za bardzo nie widzę w tym układzie pojemności, która mogłaby stworzyć obwód rezonansowy. Elektrolity są za duże i do tego oddzielone mostkami prostowniczymi.
W drugim podejściu należy się zastanowić, czy nie odgrywa tam roli oporność uzwojeń pierwotnych i fakt, że szeregowe połączenie transformatorów zbliża charakter ich pracy do sterowanych dławików. Czyli pobór energii z jednego wywołuje zmniejszenie spadku napięcia po jego stronie pierwotnej, automatycznie podnosząc ten spadek na pierwotnym drugiego transformatora. Wtedy pojawiłyby się warunki do drgań. Tylko gdzie odpływałaby energia z kondensatorów zasilacza? A może kluczowa jest kombinacja niewielkiego obciążenia układem czuwania i układu połączeń transformatorów?

Gdy eksperymentowałem z dwoma identycznymi transformatorami toroidalnymi firmy NORATEL, udało mi się uzyskać podobny "efekt wzbudzenia". Transformatory zostały zaprojektowane do pracy ze znamionowym napięciem 115 V, a ich dopuszczalna moc wynosi 40 VA (każdego). Transformują one napięcie sieci (np. w USA) do wartości 10 V. Układ testowy maksymalnie uprościłem, dodając do transformatorów jedynie dwie diody prostownicze, dwa kondensatory elektrolityczne 2200 μF i dwa rezystory 1 kΩ/0,6 W. Schemat poniżej (oczywiście układ od strony technicznej jest absurdalny /prostowanie połówkowe/, ale chodziło mi jedynie o przedstawienie zachowania się jego podzespołów w takich właśnie warunkach pracy).

GEN_3x.png

Obciążenie wyjść transformatorów jest niewielkie, gdyż stanowią je tylko dwa rezystory 1 kΩ (pobierające prąd mniejszy od 10 mA z każdego wyjścia, co daje łączną moc mniejszą od 0,2 W, przy łącznej mocy maksymalnej transformatorów równej 80 VA). Oscylacje występują już od napięcia zasilania równego ok. 150 Vsk (148 Vsk). Poniżej tej wartości napięcia zanikają, podobnie jak przy podniesieniu napięcia zasilania powyżej 242 Vsk. Częstotliwość oscylacji wynosi niemal dokładnie 2 Hz i prawie nie zależy (no może zależy minimalnie) od napięcia zasilania transformatorów w dość szerokim przedziale napięć. Na wyjściach filtrów widać przy tym przebiegi piłokształtne, jak na oscylogramie poniżej:

1_oscylacje_oDC.jpg

Na wykresie widać obecność składowej stałej, oraz składowej zmiennej 50 Hz (jak się dobrze przyjrzymy) oraz wspomniany przebieg piłokształtny o częstotliwości ok. 2 Hz. Po przełączeniu wejścia oscyloskopu na zmiennoprądowe i zwiększeniu czułości wzmacniacza Y, widać dokładniej składowe zmienne.

2_oscylacje_oAC.jpg

Poprzedni wykres powstał przy napięciu wejściowym 230 V, natomiast po zmniejszeniu napięcia do 150 V wygląda on jak na załączniku poniżej.

3_oscylacje_oAC_150V-IN.jpg

Przy podniesieniu napięcia zasilania w pobliże ok. 242 Vsk., częstotliwość oscylacji wzrasta, a przy dalszym podnoszeniu napięcia znikają one całkowicie i transformatory zaczynają pracować stabilnie, w tych warunkach obciążenia. Poniżej dwa przebiegi dla napięcia bliskiego 242 Vsk.

4_oscylacje_oAC_242V-IN.jpg

5_oscylacje_oAC_242V_IN.jpg

Gdy występują oscylacje, z transformatorów słychać pomrukiwanie (z obu jednocześnie), ale wydaje mi się, że co drugie z nich brzmi nieco inaczej (może to tylko sugestia; odgłos pracy ludzkiego serca... ).

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czy w układzie 2 traf połączonych jako "oscylator" problemu nie stanowi podmagnesowanie rdzenia?

No właśnie nie sądzę by było to podmagnesowanie rdzenia. Być może na takie zachowanie się transformatorów jakiś wpływ mogła wywierać obecność składowej stałej prądu, płynącego w uzwojeniach wtórnych, choć w poprzednim układzie z podobnymi "oscylacjami" zastosowane było prostowanie pełnookresowe (jakieś braki "symetrii" parametrów diod w mostkach prostowniczych Graetza...?).

To podmagnesowanie czy też rozmagnesowanie rdzenia i powrót na początek histerezy pewnie spowodowało spadek wyniku pomiaru indukcyjności podczas dłuższego podłączenia transformatora do miernika.

To jednak bardziej złożone zachowanie się transformatora - podczas pomiarów i obserwacji oscyloskopowych, np. po skokowej zmianie częstotliwości sygnału obserwowałem jakby "przystosowywanie się" rdzenia transformatora do nowych warunków pracy (jakby zawahanie się amplitudy, pojawienie się z niewielkim opóźnieniem /ułamka sekundy do może jednej sekundy/ efektów towarzyszących nasycaniu się rdzenia lub wychodzeniu z tego stanu w podobnym czasie i itp. dziwne efekty...).

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Pojemności i indukcyjności w transformatorze tworzą obwód rezonansowy, przy niskim obciążeniu słabo tłumiony. Zastanawiam się, czy jak się połączy dwa takie obwody to nie dochodzi do zdudniania się częstotliwości rezonansowych, albo podobnego zjawiska.

[Romekd]

Pojemności i indukcyjności w transformatorze tworzą obwód rezonansowy, przy niskim obciążeniu słabo tłumiony. Zastanawiam się, czy jak się połączy dwa takie obwody to nie dochodzi do zdudniania się częstotliwości rezonansowych, albo podobnego zjawiska.

Zastanawiam się jednak z czego wynika ta dziwna stabilność częstotliwości "oscylacji" mimo dokonywania zmian napięcia zasilania od 150 Vsk. do 230 Vsk.
Badając parametry transformatorów obserwowałem zmiany indukcyjności i częstotliwości rezonansowych przy zmianach napięcia. W tym konkretnym przypadku sytuacja jest skrajnie odmienna Z drugiej strony gdyby transformatory wykazywały jakiś rezonans na częstotliwości 2 Hz, to nie wiem jakim sposobem dałoby się je "wzbudzić" przebiegiem o częstotliwości 50 Hz. Do tej pory najczęściej obserwowałem wzbudzanie drgań na częstotliwościach będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowej sygnału sterującego (odkształconego wskutek występowania nieliniowości w elementach elektronicznych). Tu wzbudzenie powstaje na częstotliwości ok. 25 razy niższej niż częstotliwość sygnału sterującego (co prawda mocno odbiegającego kształtem od idealnie sinusoidalnego, bo to sygnał otrzymywany z autotransformatora, zasilanego z domowej sieci elektrycznej...)?

Pozdrawiam
Romek

[tszczesn]

Może wpływ ma ta sama przyczyna co na zmiany indukcyjności w funkcji czasu i amplitudy napięcia widoczne we wcześniejszych pomiarach? Jeden rdzeń "odpoczywa" zmienia mu się indukcyjność a więc i napięcie na uzwojeniu, w tym momencie drugi dostaje inne napięcie - rdzeń zmienia parametry, zmienia się napięcie na uzwojeniu, a więc i napięcie na pierwszym i tak w kółko. Wtedy częstotliwość oscylacji wynikałaby z szybkości zachodzenia zjawisk w rdzeniu, mało zależnie od indukcyjności i pojemności uzwojeń.

[Romekd]

tszczesn
Z pewnością ma to związek z parametrami rdzenia, magnetyzmem szczątkowym w rdzeniu i składową stałą prądu w uzwojeniach transformatorów. Mając nadal transformatory na stole w pracowni zrobiłem następne eksperymenty. Najpierw podłączyłem transformatory pod napięcie sieci 230 V, otrzymując na jednym z kondensatorów przebieg jak poniżej.

1_2200uF.jpg

Następnie zwiększyłem pojemność kondensatorów z 2200 μF do 4400 μF, co spowodowało pewien spadek częstotliwości oscylacji oraz amplitudy, co widać na kolejnym oscylogramie.

2_4400uf.jpg

Po tym pomiarze nagle pojawiło się głośnie buczenie transformatorów separujących 230/220 V i 230/230 V oraz autotransformatora, co oznaczało, że w sieci elektrycznej w pracowni pojawiła się składowa stała napięcia. Sprawdziłem to i faktycznie - w obwodach zasilanych bezpośrednio z sieci (w tym również w badanych transformatorach toroidalnych) występowała składowa stała o wartości ponad 1 V. W tym momencie całkowicie zniknęły oscylacje w testowanym układzie, przełączyłem go więc do wyjścia transformatora separującego, gdzie nie było składowej stałej napięcia. Układ od razu zaczął oscylować jak wcześniej (wszystkie duże transformatory w pracowni nadal głośno buczały). Z ciekawości podpiąłem dodatkowy rezystor o oporności 390 Ω do jednego z obecnych już w układzie 1 kΩ. To spowodowało powolne wygaśnięcie oscylacji ze stopniowym wzrostem ich częstotliwości (wykres poniżej).

3_4400uf_plus390R.jpg

Pozdrawiam
Romek

[faktus]

Witam.
Na początek najlepsze życzenia noworoczne dla wszystkich Kolegów i ich rodzin.

Oscylacje występują już od napięcia zasilania równego ok. 150 Vsk (148 Vsk). Poniżej tej wartości napięcia zanikają, podobnie jak przy podniesieniu napięcia zasilania powyżej 242 Vsk. Częstotliwość oscylacji wynosi niemal dokładnie 2 Hz i prawie nie zależy (no może zależy minimalnie) od napięcia zasilania transformatorów w dość szerokim przedziale napięć.

Wydaje się, że podana granica napięcia przy których powstają oscylacje ma związek z wykresem histerezy magnetycznej rdzenia. Przy niskim napięciu 150 V oraz napięciu ponad 242 V rdzeń wchodzi w obszar zakrzywionej charakterystyki gdzie właściwości magnetyczne ulegają znacznemu pogorszeniu, co może tłumaczyć zanik oscylacji.

Zastanawiam się jednak z czego wynika ta dziwna stabilność częstotliwości "oscylacji" mimo dokonywania zmian napięcia zasilania od 150 Vsk. do 230 Vsk.
Badając parametry transformatorów obserwowałem zmiany indukcyjności i częstotliwości rezonansowych przy zmianach napięcia. W tym konkretnym przypadku sytuacja jest skrajnie odmienna Z drugiej strony gdyby transformatory wykazywały jakiś rezonans na częstotliwości 2 Hz, to nie wiem jakim sposobem dałoby się je "wzbudzić" przebiegiem o częstotliwości 50 Hz.

Nie wiem czy mój tok rozumowania jest poprawny, ale wydaje mi się, że ta częstotliwość 2 Hz jest wypadkową częstotliwości zasilania 50 Hz.
Połączenie szeregowe transformatorów skutkuje jak słusznie zauważył Kolega Janusz upodobnieniem ich do sterowanych dławików. A zjawisko to nasila się przy braku, lub niewielkim obciążeniu układu zasilacza jak na przedstawionym przykładzie.
Przedstawię mój tok rozumowania. Przyjmijmy na początek dodatnią połówkę sinusoidy przepływającą przez połączone transformatory, gdy jej wartość zaczyna spadać do zera na wejściu pierwszego transformatora na jego wyjściu jeszcze przez ułamek sekundy napięcie nie zmienia wartości bo jest podtrzymywane przez energię zgromadzoną w rdzeniu, ale wartość tego napięcia jest zdecydowanie niższa od napięcia zasilania. Dlatego ujemna połówka sinusoidy na wejściu drugiego transformatora pojawi się z niewielkim opóźnieniem. Z każdym cyklem opóźnienie na drugim transformatorze będzie się nieco powiększać w stosunku do pierwszego cyklu osiągając swoje maksimum, aby następnie niejako wyprzedzając zmiany napięcia zasilania powodować pojawienie się na drugim transformatorze niewielkiego przebiegu ujemnego stopniowo wyprzedzającego zmiany tego przebiegu na pierwszym transformatorze . W pewnym momencie ten proces doprowadzi do wytworzenia dodatkowego przebiegu o niskiej częstotliwości i małej amplitudzie, będącego wynikiem tego zjawiska. Dlaczego akurat 2 Hz myślę, że jest to spowodowane tym że mamy połączone szeregowo dwa transformatory zasilane częstotliwością 50 Hz, czyli prądem 100 razy zmieniającym kierunek przepływu. Który co 25 cykli napięcia zasilania " produkuje " naprzemiennie raz dodatnią, następnie ujemną sinusoidę, czyli dwa cykle dające 2 Hz, ale mogę się mylić .
Wiele by dało, gdyby można zasilić ten układ ze źródła o zmiennej częstotliwości i sprawdzić czy zmienia się zakres oscylacji.
Pozdrawiam.

[Jado]

Ciekawe, czy zjawisko występuje tylko przy pełnej symetrii układu?
Czy jeśliby zastosować dwa różne transformatory, dwa różne rezystory obciążające, dwa różne kondensatory w każdej z gałęzi, to zjawisko by ustało czy może stało się niesymetryczne? (impulsy o zmiennej długości) .
Czy zbliżenie do siebie rdzeni transformatorów ma jakiś wpływ na te oscylacje?