Visst är det konstigt att så väldigt många problem i periferin har med spolar och järnkärnor att göra? Eller kanske inte. Det finns en hel del omständigheter som gör att det blir så.

Järnet i transformatorkärnan går i mättning och luftgap i växelströmsreläer och kontaktorer ger låg impedans med hög inkopplingsström. Sedan finns det kallresistans i glödtrådar, uppladdning av mellankretskondensatorer i frekvensomriktare och en hel del annat som inte brukar hinnas med i elkurserna – eller behandlas mycket flyktigt. Här, som på många andra områden, är det verkligheten som gäller. Decenniers umgänge med sådana perifera problem har gett vissa insikter. En del av dem tas upp här. Varning för otäckt lång text! Och kanske några otäcka bilder…

Vi tar transformatorn först. Alla har väl räknat på slutna järnkärnor – med eller utan luftgap. Och inte så sällan gett upp och kikat i facit. Vi tar det den andra vägen – vi kikar på verkligheten först och kommer att se både höga inkopplingsströmmar, likströmskomponenter och rejäla överspänningar när matningen bryts. Men först lite om L, R och C.

Liten utflykt i de passiva komponenternas värld
Induktanser, resistanser och kapacitanser är passiva och har ”alltid” funnits. Lägger man spänning över dem så drivs en ström genom dem och högre spänning ger högre ström. Helt naturligt och inget konstigt med det. Vi nämner inte ens herr Ohm och hans lag.

Skillnaden mellan dem ligger i hur de hanterar växelström. Ökar man frekvensen och behåller pålagd spänning så ändras inte strömmen i resistorn medan den ökar i kapacitansen och minskar i induktansen. Detta är också välkända och lätthanterliga fakta.

När man ritar fasläge för strömmen så ser man att den ligger i fas med spänningen i en resistor medan den ligger 90 grader före spänningen i en kapacitans och lika många grader efter i en induktans. Även det är välkända fakta som inte ger några problem. Alla har räknat på olika filter där de här tre komponenterna kombineras för att åstadkomma lågpass-, bandpass- och högpassfilter. Men det har då nästan alltid handlat om R och C. De är snälla komponenter som inte överraskar.

Annat är det med induktanserna. Så länge det handlar om luftlindade spolar brukar det inte vara något problem. Men om man vill ha komponenter som kan hantera effekt så blir det nödvändigt att införa järn eller något annat material med hög permeabilitet. Och det är då det kan bli problem.

Järnet låter sig ganska lätt magnetiseras. Det är bra. Men järnet hänger inte med hur långt som helst och när alla ”dipolerna” ställt upp sig i god ordning så är det slut. Hur mycket man än försöker så blir det inte mer. Upp till en viss ström uppför sig järnkärnan i stort sett som man väntar sig men när alla dipolerna står på rad så hjälper inte mera ström och kärnan uppför sig som luft. Det vill säga att dess impedans plötsligt blir väldigt låg. Det är det som orsakar problem med hög inkopplingsström.

Spänning och ström i en tomgående transformatorprimär
”Någon ordning måste det väl för fan vara på ett parti!” Gamle kommunistledaren C H Hermansson upprördes när alla fraktioner inom dåvarande vänstern blev allt fler och tävlade med varandra i att hitta på tokigheter. Han kan vara glad att han inte också tvingades hantera inkopplingsströmmar i transformatorprimärer. För där verkar det inte vara nån ordning alls. Ena gången 1 A och nästa gång 80 A – gäller inte fysikens lagar för transformatorer?

Jodå. De gäller. Och det är just det som gör det lite problematiskt. Några bilder visar hur det kan se ut:

Samma transformator och samma spänning. I ena fallet en ”snäll” inkoppling och i andra fallet en våldsam strömstöt som ibland slår ur brytare med snabbutlösare. Vad är skillnaden?

Skillnaden är helt enkelt att inkopplingen sker vid olika tidpunkter på nätspänningens kurvform. I det första fallet kopplas spänningen in när den befinner sig nära toppen (eller botten i det här fallet) av sinusen och i det andra fallet nära sinusens nollgenomgång. Lugn – det är så här naturlagarna fungerar. Inget fel på dem eller på apparaterna. En titt på transformatorns magnetiseringskurva förklarar saken:

I bilden visas strömmen längs X-axeln och flödet i kärnan längs Y-axeln. Dimensioneringen är sådan att man utnyttjar kärnan på bästa sätt och utan att den går i hård mättning. Men visst finns det ganska tydlig olinjäritet. Dessutom har kurvan en viss bredd (som anger hur mycket magnetiseringsförluster och virvelströmsförluster kärnan har).

Just detta har mest med verkningsgrad och driftsekonomi att göra och är inget som bekymrar oss när det gäller inkopplingsströmstöt. Där är det ”spetsarna” som antyder okontrollerad strömökning som är problemet. I nästa bild visas samma magnetiseringskurva i ”naturlig” skala dvs samma skala som bilderna på ”halvhård” och ”jättehård” inkoppling visas i på bilderna nedan.

Den här kurvan är ju inte lika klassiskt snygg som den tidigare. Men den har ett par fördelar; dels visar den att förlusterna inte alls är så stora som ”snyggbilden” verkar antyda och dels ser man tydligt att mättningen börjar sätta in vid ca 2,4 skaldelars flöde. Exakt kalibrering gjordes inte vid mättillfället men räkna med att kärnan här når upp till ungefär 1,5 Vs/m2 – eller tesla, som det heter numera.
I bilderna nedan når flödestätheten över detta värde och då ökar strömmen kraftigt.

När kärnan mättas, dvs att så gott som alla dipolerna redan står i flödets riktning så finns det inte mer att göra. Induktansen för fortsatt strömökning utgörs av lindningens ekvivalenta induktans utan kärna – luft, alltså – och i praktiken betyder det att L minskar till procent av designvärdet. Det syns tydligt i bilderna ovan. Den första visar en lite mildare inkoppling med överström på grund av mättning medan den andra bilden visar en ”helhård” inkoppling som så när löste ut automatsäkringens 10 A snabbutlösare.

Den använda strömtången är en växelströmstång och det är inte optimalt när strömmen innehåller en likströmskomponent. Tången vill gärna att medelvärdet av strömmen ska vara 0 och kämpar emot genom att sakta förskjuta utsignalen så att medelvärdet blir just det. Det är resultatet av detta som syns i kurvskaran på strömmens minussida. Tillgängliga DC-tänger klarade inte av den höga inkopplingsströmmen men med en kraftigare DC-tång hade fenomenet inte uppstått.

Just detta; att ha rätt grejer när man mäter kan vara viktigt. Det finns exempel på tämligen felaktiga slutsatser som grundar sig på just denna typ av problem. Låt inte lura er av sådana artefakter.

Finns det något sätt att slippa inkopplingsströmmen?
Mera järn – det är förstås ett sätt. Genom att förse kärnan med så stor järnarea att den inte går i mättning ens vid ogynnsammaste fasläge så blir man kvitt problemen. Men det skulle betyda en dubbelt så tung kärna och de är tunga nog även vid optimal dimensionering. Lindningarna blir också längre och koppar kostar.

Försök att styra inkopplingen så att den sker vid 90 grader fungerar bra i teorin och har använts vid en del tillfällen, framför allt vid större transformatorer i distributionsnät och transmissionsledningar. Ofta utförs brytarna så att polerna i ett trefassystem har 120 graders skillnad vid tillslag och sedan tar en liten intelligent styrenhet hand om synkroniseringen med nätet samtidigt som en 90 graders extra fördröjning gör att transformatorerna inte utsätts för högre flöde än de är dimensionerade för. Men detta är nog att ta i när det gäller mindre transformatorer i automationsutrustningar. De som försökt använda triacs med nollgenomgångsinkoppling upptäckte efter ett antal haverier att just nollgenomgången var sämsta möjliga läge. Induktanser med järnkärna ska kopplas in när spänningen är som högst – då slipper kärnan ta upp dubbla designflödet. Det visas av de inledande bilderna.

Avmagnetisering kan hjälpa. Men löser inte problemet fullständigt.
Genom att ”cykla” flödet ner till noll tesla kan viss förbättring åstadkommas. Ett effektivt sätt är att koppla in en vridtransformator som man vrider ner mot noll volt innan man bryter matningen. Magnetiseringskurvan löper då igenom ett antal cykler som avmagnetiserar kärnan så att den befinner sig i ”jungfrutillstånd” vid nästa inkoppling. Någon garanti mot inkopplingsströmstötar ger det inte men det reducerar antalet ”tjyvstopp” högst väsentligt. Men just den lösningen är lika verklighetsfrämmande som en del andra lösningar på vardagsproblem.

Ta hjälp av C!
Ofta kan man lösa problemet genom att koppla en kondensator parallellt med primärlindningen. Då får man en dämpad svängningskrets som under några cykler tar ner flödet till noll och ger den önskade avmagnetiseringen. Det kan se ut så här:

Den övre bilden visar hur kondensatorn bildar en dämpad svängningskrets där strömmen I och därmed flödet T under några perioder tas ner till noll och automatiskt reducerar remanent flöde till 0 tesla.

Den nedre bilden visar samma sak i ”flödesdomänen”. Där syns ännu tydligare hur ström och flöde effektivt landar på 0 A och 0 tesla. En enkel och förvånansvärt okänd teknik.

Vi skulle ju också ha hunnit med några andra knepiga laster när det gäller inkopplingsströmstötar. Men jag förställer mig att flertalet läsare, i likhet med författaren, tycker att det får räcka för den här gången. Kanske blir det nästa gång.

Som vanligt kan vi konstatera att Reality always has the last say.

Ha det bra i centrum eller periferi. Var den än ligger. Kommentarer läser jag gärna.

Gunnar Englund, GKE Elektronik AB

Filed under: SvenskTeknik