6. Pomiary metodą FRA w warunkach kontrolowanych deformacji
6.6. Uzwojenie górnego napięcia z transformatora B
W kolejnym badaniu w warunkach kontrolowanych deformacji zastosowano inne podejście. Przedmiotem badań było pojedyncze uzwojenie górnego napięcia, zdemontowane w całości z części aktywnej transformatora opisanego w rozdz. 6.2. Pomiary realizowano bez rdzenia, bez uzwojenia dolnego napięcia oraz bez kadzi, podłączając zaciski przyrządu pomiarowego bezpośrednio na końcówkach uzwojenia. Wykonano na nim pomiary dotyczące różnego rodzaju deformacji poosiowych, promieniowych oraz zwarć. Następnie wykonano pomiary, dołączając do uzwojenia w różnych miejscach rezystancje, pojemności oraz cewki – zarówno między same uzwojenia, jak i do potencjału ziemi. Powyższe kombinacje odpowiadają zwarciom mało- i wielkorezystancyjnym, zmieniającej się geometrii skutkującej zmianą pojemności międzyzwojowej, międzycewkowej i doziemnej oraz zmianom indukcyjności.
Przetestowany został wpływ pojedynczych elementów R, L i C, o różnych wielkościach, oraz kombinacje tych elementów. Porównano wpływ pojawienia się takich elementów oraz wpływ defektów na zmiany w krzywej odpowiedzi częstotliwościowej [11], przy czym dotyczyło to parametrów związanych tylko i wyłącznie z konstrukcją uzwojenia górnego napięcia, głównie pojemności między zwojami i kolejnymi cewkami. W przypadku kompletnej części aktywnej pojawiłyby się dodatkowo sprzężenia pojemnościowe do drugiego uzwojenia, rdzenia i kadzi oraz sprzężenia indukcyjne pomiędzy nimi oraz w samym uzwojeniu górnego napięcia, wynikające z obecności rdzenia (widok uzwojenia przedstawiono na ryc. 6.11b). Porównanie wyników prób deformacyjnych oraz wyników z dołączanymi elementami RLC umożliwiło takie dopasowanie czynników, które generowałoby podobne zmiany w krzywych FRA.
Pierwszy przykład wyników takiego eksperymentu przedstawiono na ryc. 6.36 i ryc. 6.37.
Widoczny jest na nich fragment charakterystyki, na który wpływ miały deformacje poosiowe, polegające na zmniejszaniu odstępu pomiędzy cewkami nr 3 i nr 4 oraz nr 9 i nr 10 (Def-Uzw-Poosiowe). Odpowiada to rzeczywistemu defektowi, gdy na skutek np. sił zwarciowych wypadają przekładki spomiędzy cewek. Widoczne zmiany w charakterystyce polegają na znacznej zmianie tłumienia rezonansu, wynoszącej ok. 400 kHz, w zależności od miejsca wystąpienia deformacji w górę lub w dół. Poza tym widoczne jest przesunięcie charakterystyki w zakresie wyższych częstotliwości, od ok. 550 kHz, a także niewielkie różnice w zakresie 200–400 kHz.
73 Po przywróceniu uzwojenia do pierwotnego kształtu zasymulowano tę deformację poprzez dołączenie pojemności pomiędzy cewki, które ulegały deformacjom (odpowiednio cewki 3–4 i 9–10). Okazało się, że wybór pojemności w wartości 100 pF spowodował uzyskanie bardzo zbliżonego efektu do deformacji. Charakter zmian na obu rycinach (6.36 i 6.37) jest taki sam, także kierunek zmiany tłumienia rezonansu o wartości 400 kHz zależy od miejsca dołączenia elementu do uzwojenia. Ten prosty eksperyment potwierdził założenie, iż w przypadku zmian parametrów podłużnych uzwojenia przy wystąpieniu deformacji zmienia się głównie pojemność podłużna. Bezpośrednie porównanie wyników obu eksperymentów na jednym wykresie nie jest możliwe, gdyż różne są przebiegi referencyjne.
Wynika to z faktu, iż po wykonaniu badań deformacyjnych nie było możliwe przywrócenie uzwojenia do pierwotnego kształtu z pełną precyzją. Dlatego podczas obu eksperymentów przebiegi referencyjne rejestrowane były dla każdej grupy deformacji lub symulacji osobno, przed rozpoczęciem próby.
5x105 106
-80 -60 -40
FRA (dB)
f (Hz)
pomiar referencyjny
deformacja poosiowa cewki 3-4 deformacja poosiowa cewki 9-10
Ryc. 6.36. Wpływ deformacji poosiowej w dwóch punktach uzwojenia na odpowiedź częstotliwościową
2x105 4x105 6x105 8x105 106
-80 -60 -40
FRA (dB)
f (Hz)
pomiar referencyjny 100 pF - cewka nr 4 100 pF - cewka nr 10
Ryc. 6.37. Wpływ dołączenia pojemności pomiędzy cewki w dwóch punktach uzwojenia na odpowiedź częstotliwościową
74
Kolejna próba, oparta na podobnych założeniach, dotyczyła deformacji promieniowej (Def-Uzw-Promieniowe). Wyniki pomiarów w warunkach deformacji przedstawiono na ryc. 6.38, a w przypadku symulacji poprzez dołączenie pojemności – na ryc. 6.39. Na podstawie wyników uzyskanych w poprzednim przypadku można założyć, że i w przypadku deformacji promieniowych głównym czynnikiem wpływającym na zmiany w krzywej FRA będzie pojemność międzycewkowa. Deformacja promieniowa polegała na wysuwaniu poszczególnych cewek na odległość ok. 3 cm, tym samym zmiana pojemności pomiędzy cewkami była znacznie mniejsza niż w przypadku deformacji poosiowej, w której pojemność między cewkami się zmniejsza. Aby zatem móc to poprawnie odwzorować w symulacji elektrycznej, założono zbliżony efekt w przypadku dodania pojemności do wysuniętego fragmentu (pomiar referencyjny), a następnie jego usunięcie. Innymi słowy: dodanie pojemności miało za zadanie niejako zniwelowanie deformacji. Oczywiście, takie podejście spowoduje niedokładność w odwzorowaniu pierwotnego przebiegu. W obu przypadkach krzywych przedstawionych na wykresach różnice pomiędzy przebiegami referencyjnymi a przebiegami odkształconymi zaobserwować można głównie w okolicy głównego rezonansu, wynoszącego ok. 420 kHz, a także na zboczu pojemnościowym – ok. 620–640 kHz. Zmiany mają podobny charakter – następuje przesunięcie przebiegu w funkcji częstotliwości, przy czym w przypadku symulacji z pojemnością dodatkowo zmienia się tłumienie rezonansu, co zapewne wynika z omówionego podłączenia pojemności do wysuniętej cewki [11].
W kolejnym etapie badań autor powtórzył pomiary na mniejszym fragmencie uzwojenia – na podwójnej cewce. Dodatkowo autor stworzył modele komputerowe odpowiadające badanej cewce; wyniki symulacji komputerowych przedstawiono w dalszej części pracy. Poniżej przedstawiono tylko wyniki prób deformacyjnych oraz symulacji za pomocą dołączanych pojemności [17]. Widok badanej cewki przedstawiono na ryc. 6.40.
4x105 6x105 8x105
-80 -60 -40
FRA (dB)
f (Hz)
pomiar referencyjny
deformacja promieniowa - cewka 9
Ryc. 6.38. Wpływ deformacji promieniowej na odpowiedź częstotliwościową uzwojenia
75
4x105 6x105 8x105
-80 -60 -40
FRA (dB)
f (Hz)
pomiar referencyjny 10 pF - cewka 10
Ryc. 6.39. Wpływ usunięcia pojemności spomiędzy cewek na odpowiedź częstotliwościową uzwojenia
Ryc. 6.40. Cewka podwójna poddana badaniom
Deformacja polegała na poosiowej zmianie odstępu pomiędzy obiema połówkami cewki (Def-Uzw-Poosiowe). Wyniki pomiarów zaprezentowano na ryc. 6.41. Ze względu na małą liczbę zwojów i niewielkie wymiary obiekt daje bardzo prostą odpowiedź częstotliwościową, która charakteryzuje się głównym rezonansem wynoszącym ok. 1 MHz i dodatkowymi załamaniami wznoszącego zbocza pojemnościowego wynoszącymi ok. 7 MHz. Wprowadzenie deformacji przesuwało przebieg w kierunku wyższych częstotliwości, co było wynikiem zmniejszania się pojemności. Gdy do odkształconej cewki dołączono pomiędzy jej połówki dodatkową pojemność, o odpowiednio dobranej wielkości, uzyskano „cofnięcie” efektu deformacji. Można to zaobserwować na ryc. 6.42, na której przedstawiono jako pomiar referencyjny rejestrację dla deformacji o 2 mm, następnie deformację o 4 mm i tę samą deformację z dołączoną pojemnością. Jak widać, pomiary pierwszy i trzeci idealnie się pokryły. Ten pomiar potwierdza wcześniejsze wnioski i jest pomocny przy opracowaniu modeli komputerowych, o czym mowa będzie w następnych rozdziałach.
76
5x105 106 5x106 107
-60 -40 -20 0
FRA (dB)
f (Hz) pomiar referencyjny deformacja +2 mm deformacja +4 mm
Ryc. 6.41. Wpływ deformacji na odpowiedź częstotliwościową cewki
5x105 106 5x106 107
-80 -60 -40 -20 0
FRA (dB)
f (Hz) pomiar referencyjny (+2 mm) deformacja (+4 mm)
deformacja (+4 mm) + C
Ryc. 6.42. Wpływ deformacji oraz dołączenia pojemności na odpowiedź częstotliwościową cewki
Zaprezentowane wyniki pomiarowe wykorzystane zostały do opracowania modeli komputerowych, które szczegółowo przedstawiono w dalszej części pracy.