Pomiar mocy transformatora do prostownika

Pytanie zasadnicze które powinno postawić się na początku to – po co w ogóle budować prostownik, skoro za niewielkie pieniądze można kupić gotowy produkt w sklepie ? Dla mnie odpowiedź jest oczywista – bo można go zrobić z lepszych elementów, bo jego parametry nie będą „naciągane” – tak jak jest to w większości przypadków, bo jak coś zrobię sam, to będę wiedział co i jak działa i ewentualnie co poprawić.

Wydawałoby się, że w przypadku budowy prostownika nie ma większej filozofii – przecież zbudowany jest z transformatora, mostka prostowniczego i ewentualnie amperomierza. Generalnie tak właśnie są zbudowane najprostsze modele, ale nie byłbym sobą gdybym nie chciał do takiego prostownika dołożyć trochę od siebie – ale o tym jak już będzie na etapie budowy.

Zajmijmy się zatem najważniejszym i zarazem najdroższym elementem prostownika – transformatorem.

Zdobyty transformator który zostanie poddany badaniu.

Wybierając transformator do prostownika należy wziąć pod uwagę dwa parametry – napięcie i moc. Ja miałem to szczęście że udało mi się pozyskać transformator z uszkodzonego zasilacza UPS firmy APC. Takie transformatory charakteryzują się dobrymi parametrami i odpowiednim napięciem – ponieważ służą właśnie do ładowania akumulatorów. Niestety obecnie zasilacze awaryjne nie wyposaża się już w transformatory tylko zasilacze impulsowe – ze względu na swoją wagę i cenę.

Wracając do transformatora – ten niestety nie posiadał tabliczki znamionowej więc jego parametry były bliżej nieokreślone. Szczerze mówiąc nawet nie pamiętam modelu UPS’a z którego był wymontowany – bo on mogłoby wskazać z jakim transformatorem mamy do czynienia. Jedyne co znajdowało się na nim to oznaczenie 430-9112A i klasa izolacji o której będzie później.

Model wyposażony jest w cztery przewody po stronie pierwotnej i dwa po stronie wtórnej. Szybki pomiar rezystancji uzwojenia pozwolił określić gdzie należy podłączyć zasilanie 230V (najpierw rozróżniamy stronę pierwotną od wtórnej – pierwotna zazwyczaj jest wykonana cieńszym drutem, a potem podłączamy zasilanie pod uzwojenie z największą rezystancją)

Szybki pomiar napięcia na uzwojeniu wtórnym pokazał 11,5 V. Szybko licząc (11,5 * √2 – 1,4) po wyprostowaniu z zastosowaniem kondensatora, da to napięcie stałe na poziomie 14,8 V – do akumulatorów żelowych, AGM spoko, jednak dla akumulatora z płynnym elektrolitem to trochę za niskie napięcie. No ale jak wspomniałem wcześniej, po stronie pierwotnej znajdują się cztery przewody, jeszcze raz dokonałem pomiaru rezystancji uzwojenia i okazało się że na jednym przewodzie rezystancja uzwojenia jest niewiele mniejsza.

Po podłączeniu zasilania 230V, na wyjściu transformatora pojawiło się napięcie 14,2V, co daje ok. 18,6V napięcia wyprostowanego – wydawać się może że to zbyt wysokie napięcie – nic bardziej mylnego – aby wymusić przepływ prądu napięcie musi być wyższe, prócz tego to transformator tzw. „miękki” im większe obciążenie tym napięcie będzie bardziej spadać – z resztą zobaczycie sami w poniższym badaniu. A w ogóle to mam zamiar zastosować układ który będzie „pilnował” napięcia ładowania – dokładnie ten sam który wykorzystałem w mojej ładowarce.

No dobrze, napięcia zostawmy na razie w spokoju, przejdźmy do mocy. Jednym z najprostszych, ale zarazem i obarczonych największym błędem, w przypadku szacowania mocy transformatora zbudowanego z kształtek, jest pomiar wielkości rdzenia. W tym konkretnym przypadku rdzeń miał wymiary (106×52) – w jaki sposób się to dokładnie oblicza dowiecie się tutaj. Według tego sposobu, transformator rzekomo dysponuje mocą nominalną ok. 330 VA. Szybko licząc jaki prąd ciągły uda się uzyskać, podzieliłem moc przez napięcie (330/14,2) wyszło mi 23A. Dopiero po wykonaniu badania i wymianie zdań z innymi, bardziej doświadczonymi w tej materii, uzmysłowiłem sobie jak bardzo się myliłem.

Badanie 1

Pierwsze badanie miało na celu sprawdzenie napięć i prądów podczas obciążania transformatora. Pomiary były wykonywane zarówno przed mostkiem jak i za mostkiem prostowniczym. Pomiar temperatury był wykonywany na rdzeniu transformatora po ok. 5 minutach od ustalenia obciążenia. Źródłem obciążenia były żarówki halogenowe o mocy 55W, 90W, 100W oraz sztuczne obciążenie o regulowanej mocy 60W, dzięki czemu mogłem dokładnie ustalić prąd stały. Zastosowany mostek prostowniczy to kostka KBPC3510 oraz dwa kondensatory filtrujące 4700uF 50V.

Wyniki prezentują się następująco:

Po osiągnięciu temperatury 60 stopni przerwałem pomiar ze względu na szybki wzrost.

Jak widać, nie udało mi się uzyskać mocy 330VA, bo już przy 312VA nastąpił bardzo gwałtowny wzrost temperatury i przerwałem pomiar. Wprawdzie prąd 23A pobrałem z transformatora, ale to prąd zmienny, a ten przekłada się na 17A prądu stałego, którym to ładujemy akumulator. Analizując pomiar temperatury – już przy obciążeniu prądem stałym na poziomie 14-15A nastąpił dynamiczny wzrost, co może świadczyć o tym że transformator właśnie osiągnął moc nominalną i dalsze obciążanie powoduje tylko jego przeciążanie.

Dodatkowo przyjmuje się (w przypadku transformatorów takiej mocy) że w momencie kiedy napięcie zmienne na wyjściu z transformatora osiągnie spadek rzędu 5%, można uznać że jest to jego moc nominalna. Po raz kolejny potwierdziłaby się więc teza, że 276VA jest mocą nominalną, ponieważ spadek napięcia wyniósł dokładnie tyle.

Kontynuując analizę dochodzę do wniosku że mocno przeszacowałem możliwości transformatora. Zupełnie nie wziąłem pod uwagę mocy która „odkłada” się na mostku prostowniczym – a ta tym większa, im większy prąd przez niego płynie. Dodatkowo przeliczanie mocy pozornej na moc czynną 1:1 w obwodach prądu stałego w układach prostowniczych ma się nijak do rzeczywistości. Zwróćcie uwagę, (na czerwono w tabeli) że przy mocy pozornej rzędu 276VA, moc czynna uzyskiwana za mostkiem to zaledwie 179W.

Zostawmy już analizę, przejdźmy do konkretów – pewnie pojawia się pytanie, w końcu ilu „amperowy” będzie ten prostownik ? Ja zakładam że realnie jest możliwość osiągnięcia prądu rzędu 15A i ładowania akumulatorów do 150Ah – czy mam rację to się jeszcze okaże. W końcu akumulator „pobiera”największy prąd na początku ładowania, po czym ten spada w dość szybkim tempie. Poza tym, przeciążanie transformatorów nie jest niczym nadzwyczajnym. Moc nominalna bowiem, to taka przy której dane urządzenie może pracować w trybie ciągłym z zachowaniem odpowiednich parametrów. W przypadku nie tylko transformatorów, dopuszcza się przekraczanie tej mocy z zachowaniem odpowiedniego czasu. Jakiego zapytacie – otóż takiego, aby nie doprowadzić do przegrzania/spalenia urządzenia. Często czas ten jest określony przez producenta, w moim przypadku jedyne co znalazłem to klasa izolacji uzwojenia.

Aby nie rozpisywać się już co to klasa izolacji transformatora odsyłam tam. Badany egzemplarz posiada klasę H – czyli dopiero po przekroczeniu temperatury uzwojenia 180 stopni może nastąpić pogorszenie parametrów lub skrócenie czasu pracy, w najgorszym przypadku do spalenia. Wydaje się to bardzo dużo, ale w rzeczywistości nie ma możliwości pomiaru temperatury uzwojenia, a ta wydzielana na rdzeniu jest z grubsza niższa. Postanowiłem więc wykonać drugie badanie – polegające na pomiarze temperatury rdzenia aż do jej ustalenia przy stałym obciążeniu.

Badanie 2

Badanie miało na celu oszacować czas do osiągnięcia stałej temperatury przy stałym obciążeniu. Postanowiłem obciążyć transformator mocą ok. 180VA i co 10 minut dokonywać pomiaru temperatury rdzenia. Jakie było moje zaskoczenie, gdy dopiero po prawie 3 godzinach ta się ustabilizowała. Poniżej przedstawiam wyniki.

Wykres wzrostu temperatury

Okazuje się, że im większa moc transformatora tym temperatura dłużej się ustala. Po tym czasie można uznać również, że temperatura rdzenia osiągnęła temperaturę uzwojenia, lub jest mocno do niej zbliżona. Mógłbym jeszcze powtórzyć test przy obciążeniu mocą nominalną, ale podejrzewam że ustalanie temperatury trwałoby jeszcze dłużej.

Reasumując – trzymając w ręce prawie 4 kilogramowy transformator, wydawało mi się że dysponuje on dużo większą mocą i większym potencjałem. Aczkolwiek, jak być może co niektórzy zauważyli, pomiary były dokonywane nie na pełnym uzwojeniu po stronie pierwotnej, w związku z powyższym, ten może mieć nieznacznie lepsze parametry.

Zaskoczony jednak jestem ilością energii która jest „odkładana” na mostku prostowniczym przy dużych prądach. Oczywiście można by zastosować mostek zbudowany w oparciu o szybkie diody Schottky’ego, ale wtedy napięcie wyjściowe byłby już zbyt wysokie, ponieważ spadek napięcia na takiej diodzie wynosi ok. 0,3V a nie jak w przypadku zwykłej 0,7V.

Mam nadzieję że niebawem uda mi się zbudować prostownik w oparciu o ten transformator i będę mógł Wam zdradzić szczegóły.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *