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Methoden zur Erkennung kurzgeschlossener Wicklungen

In diesem Dokument werden die von den Testern der AT-Serie verwendeten Methoden zum Auffinden kurzgeschlossener Wicklungen beschrieben

1. Einführung in die Erkennung und Prüfung von Kurzschlüssen

Induktoren bestehen aus einem Stück Draht, das normalerweise um einen Kern gewickelt ist.
Der Kern besteht normalerweise aus einem magnetischen Material wie Eisen oder Ferrit, manchmal werden jedoch auch Luftkerne verwendet.
Der Draht wird als „Wicklung“ bezeichnet und diese Wicklung besteht aus mehreren Windungen.

Im Allgemeinen bestehen Induktoren aus einer einzigen Wicklung, und Transformatoren haben meist mehrere Wicklungen (es gibt Sonderfälle, wie z. B. „Autotransformatoren“, bei denen nur eine einzige Wicklung vorhanden ist), und bei vielen Transformatoren können in den verschiedenen Wicklungen unterschiedliche Drahtdurchmesser verwendet werden.
Induktivitäten und/oder Transformatoren, die mit einer großen Anzahl von Windungen und/oder mit sehr feinem Draht gewickelt sind, erfordern eine Methode zur Erkennung kurzgeschlossener Windungen sowie die Fähigkeit, die Wicklung zu belasten, um Unvollkommenheiten oder potenzielle Schwachstellen zu erkennen die Wicklungsisolierung, die mit der Zeit eine Schwachstelle darstellen könnte.

Wicklungsmängel können normalerweise auf beschädigte Emaille zurückzuführen sein, die durch physische Schäden bei der Herstellung des Transformators verursacht wurde, oder auf Mängel bei der Herstellung des Rohdrahts selbst.
Diese Unvollkommenheiten können im Normalbetrieb zu Kurzschlüssen führen, wenn sie zum Zeitpunkt der Herstellung nicht erkannt werden.
Die hohen Temperaturen, die sich aus dem erhöhten Strom am Kurzschluss ergeben, führen ziemlich schnell zum Schmelzen des Kupfers und zu einer Punktschweißung mit geringem Widerstand.
Dieser Kurzschluss mit niedrigem Widerstand führt dann zu einem vollständigen Kurzschluss einer Windung, was sich auf die Leistung der Wicklung und damit des gesamten Transformators auswirkt.

2. Erkennen kurzgeschlossener Windungen

Kurzgeschlossene Windungen und potenzielle Schwachstellen können mit Voltechs AT-Testern durch zwei Testmethoden erkannt werden:

SURGE- oder Impulsprüfung (SURG) – geeignet für Feindraht- oder Hochspannungswicklungen.
Stress-Watt-Test. (STRW / STRX) – geeignet für Netzspannungswicklungen.

In den beiden folgenden Fällen werden wir die Auswirkungen der Belastung der Primärwicklung diskutieren. Bedenken Sie jedoch, dass Sie durch die Grundinduktion von Spannungen über alle Wicklungen hinweg die Langlebigkeit ALLER Wicklungen des Transformators testen.
Daher sollten Sie immer die Wicklung mit der höchsten Windungszahl einem Belastungstest unterziehen, da Sie so sicherstellen, dass Sie an keiner Wicklung mehr als die erzeugte Spannung induzieren und somit den UUT- und AT-Tester schützen.

2.1 Surge- oder Impulsprüfung (100 V – 5 kV DC)

Da es für diese Art von Tests keine allgemein definierte Methode oder Messparameter gibt, ist für Vergleichstests eine perfekte Beispielkomponente erforderlich.
Das perfekte Bauteil wird einem Benchmarking unterzogen. Das gemessene Ergebnis dient als Vergleichswert.
Der Spannungspegel und die Anzahl der erforderlichen Impulse hängen von der Gesamtbelastung ab, die für die Wicklung der Komponente erforderlich ist.

Im Falle eines Blitzschlags könnte beispielsweise ein netzbetriebener Transformator Spannungsspitzen von bis zu 2 kV aus der Rohstromversorgung ausgesetzt sein. Daher sollten drei Impulse mit einem Spannungspegel von 3 kV die Wicklungen ausreichend prüfen und belasten Mängel bei der Isolierung zwischen den Windungen.

Jeder eingespeiste Hochspannungsimpuls erzeugt eine definierte charakteristische Abklingzeit der Übergangsspannung.
Eine schlechte Isolierung und/oder kurzgeschlossene Windungen führen zu einem Teil der Energie, was zu kürzeren Abklingzeiten führt.

ABBILDUNG 1 (Abklingzeit im Verhältnis zur Zeit eines Impulses aus einem Stoßspannungstest, links = guter Teil, rechts = schlechter Teil).

Der „SURGE“-Test der AT-Serie bietet einen Hochspannungsstoßtest von 100 V bis 5 kV und eine Auswahl von 1 bis 99 Impulsen

Das Testsignal wird durch Entladen eines Kondensators in die Wicklung des zu testenden Teils und anschließendes Messen der Länge der Resonanzbeziehung zwischen dem Kondensator (im AT) und der Induktivität (UUT) erzeugt.

Wenn das Testprogramm mehrere Impulse anfordert, lädt der AT den Kondensator wieder auf und entlädt ihn für den nächsten Impuls, sobald er erkennt, dass der Resonanzimpuls Null erreicht hat.
Dies dauert etwa 100–200 ms zwischen dem Ende eines Pulsabfalls und dem Beginn des nächsten Pulsabfalls
Es gibt keinen benutzerdefinierten Zeitparameter für den Impuls und die anschließende Messung, da die Abklingrate von der Beziehung zwischen dem AT Surge-Generator und dem zu prüfenden Teil abhängt.

Die vom AT zurückgegebenen Ergebnisse werden als Voltsekunden-Messung dargestellt (dh die Fläche unter dem Abklingdiagramm).
Wenn der Transformator fehlerhaft ist, ist das Messergebnis kleiner als das des perfekten Transformators, da Verluste zu einer kürzeren Abklingzeit führen und zu einer kleineren Fläche unter der Grafik führen.

Die SURGE-Methode ist der späteren STRESS WATT-Methode vorzuziehen, da die verfügbaren höheren Belastungsspannungen eine bessere Empfindlichkeit gegenüber einem Ausfall einer einzelnen benachbarten Wicklung bieten.
Natürlich setzt der Einsatz von SURGE auch voraus, dass die Konstruktion des Teils auch bei korrekter Herstellung solch hohen Impulsen standhält.

SURGE-Zusammenfassung

Wenn dieser Test als charakteristisches Maß für eine Transformatorkonstruktion verwendet wird, können Teile, bei denen ein früher Ausfall wahrscheinlich ist, erkannt werden, indem die Resonanzlänge mit der des perfekten Referenzteils verglichen wird, das zur Definition der Testgrenzen verwendet wird.
Alle Teile mit harten Wicklungsschlüssen oder Schwachstellen (z. B. in der Emaille-Beschichtung) überschlagen sich unter der Belastung durch den Spannungsimpuls und können so erkannt und zur Nacharbeit oder Verschrottung aus der Produktion genommen werden.

2.2 Stress-Watt-Test (1–270 V AC)

Ein Transformator zieht immer noch etwas Strom und verbraucht Strom, wenn er ohne Last und mit offenem Sekundärstromkreis getestet wird.
Dieser Stromverbrauch wird in Watt gemessen und ist die Leistung, die eine Spule aufnimmt, wenn sie mit Wechselstrom beaufschlagt wird.
Typischerweise beträgt die Stromaufnahme aufgrund von Kernverlusten (Wirbelströme und Hysterese) nur wenige Prozent der normalen Last und ist daher normalerweise vernachlässigbar.

Die Wattprüfung (WATT) wird normalerweise bei voller Netzspannung und Betriebsfrequenz des Transformators durchgeführt.

ABBILDUNG 2 – WATT-Test primär 220 V bei 50 Hz, TR 5:1, sekundär 44 V bei 50 Hz

Allerdings ist es auch sehr üblich und wünschenswert, den Transformator über seine normale Betriebsspannung hinaus zu „belasten“, um einen gewissen Spielraum für die Qualitätssicherung zu schaffen.
Dieser Stresstest sollte (im Gegensatz zum normalen WATT-Test) auch über einen längeren und festgelegten Zeitraum durchgeführt werden, da sich Schwächen unter momentanen Bedingungen möglicherweise nicht zeigen.
Während dieser Belastungsperiode würde jeder plötzliche dramatische Anstieg der gemessenen Leistung darauf hinweisen, dass ein Wicklungsfehler oder ein Windungskurzschluss zwischen den Windungen vorliegt, da durch den Defekt eine größere Strommenge verbraucht würde

ABBILDUNG 3 – STRESS WATT-Test primär 440 V bei 100 Hz, TR 5:1, sekundär 88 V bei 100 Hz

Das Gesetz von Faraday zeigt, dass die Kernverluste ungefähr gleich bleiben sollten, wenn Spannung und Frequenz proportional erhöht werden. Daher kann ein Stress-Watt-Test (STRW) bei der doppelten Nennspannung und der doppelten Nennfrequenz des Transformators durchgeführt werden.
Da wir die Spannung und Frequenz proportional von Abbildung 2 auf Abbildung 3 erhöht haben, bleibt der Kernverlust gleich, sodass die Wicklungen bei einer höheren Spannung als im Normalbetrieb beansprucht werden können.
Die Flussdichte (B) im Kern bleibt gleich
B ~ V / (f * A * N)
N = Die Anzahl der Windungen
A = Die Querschnittsfläche des Kerns
V = angelegte Spannung.
f = Angewendete Frequenz
Praktische Hinweise

In Wirklichkeit werden Sie feststellen, dass die Kernverluste mit der Frequenz zunehmen (Kernverluste sind eine Funktion der Flussdichte UND der Frequenz), auch wenn wir die Flussdichte gleich gehalten haben. Daher kann der STRW höher ausfallen, das Ergebnis ist jedoch immer noch wiederholbar und charakteristisch. Sie können die Kernverluste verringern, indem Sie den F-Wert erneut verdoppeln. Für einen 100-V-50-Hz-Transformator sind daher möglicherweise 200 V und 200 Hz besser geeignet als 110 V/100 Hz.

Netztransformatoren haben typischerweise eine 240-V-Wicklung mit einer Anzapfung für 2 x 120-V-Wicklungen.
Um die Spannung an der 240-V-Wicklung zu verdoppeln, wären 480 V erforderlich, was über der 270-V-Kapazität des STRW-Tests liegt.
Hier schlagen wir entweder vor;

a) Testen Sie die 120-V-Wicklung (falls vorhanden) einzeln bei 120 V (WATT) für den Normalbetrieb und dann bei 240 V für den Belastungstest (STRW). Dadurch werden wiederum 480 V über die 240-V-Wicklung induziert, ohne dass 480 V zugeführt werden müssen
oder
b) Testen einer Sekundärseite mit niedrigerer Spannung und der doppelten Betriebsspannung. Dies würde in ähnlicher Weise 480 V auf der Primärseite induzieren, aber da die Primärknoten nicht im Test verwendet würden, schützt die 5-kV-Isolierung an offenen Testknoten den AT-Tester.

STRW-Zusammenfassung

Der AT5600 und der AT3600 bieten einen Stress-Watt-Test (STRW) von 1 V bis 270 V bei 20 Hz bis 1500 Hz, um potenzielle Fehler in der Windungsisolation einer Wicklung zu erkennen.
Außerdem muss der Anwender eine Verweilzeit für den Test von 0,5 s bis 180 s festlegen, über die die Leistung kontinuierlich überwacht wird.
Die Testergebnisse werden in Watt angegeben.

Wenn Spannungs- und Strompegel erweitert werden müssen, verwenden Sie bitte die AC-Schnittstellenhalterung von Voltech mit dem AT.
Dies ermöglicht die Verwendung entweder eines externen Aufwärtstransformators oder einer Wechselstromquelle zur Erzeugung höherer Spannung (bis zu 600 V) und Strom (bis zu 10 A).
Die Testsignale, Messungen und Pass-Fail-Kriterien werden weiterhin automatisch vom AT mithilfe der 4-X-Tests gesteuert; MAGX, WATX, STRX und VOCX.