Prüfung von Laminattransformatoren

1. Einführung in das Testen von Laminattransformatoren

Laminattransformatoren werden überwiegend als Netzfrequenz-, Niederfrequenz- und Nieder-/Hochspannungs-Aufwärts- und Abwärtstransformatoren eingesetzt.

Zwei Spulen sind so um einen Kern gewickelt, dass sie magnetisch gekoppelt sind.
Die beiden Spulen werden als Primär- und Sekundärspule bezeichnet.
Das Kernmaterial besteht in der Regel aus dünnen Blechen eines weichmagnetischen Materials (Dicke ca. 0,35 mm), die meist aus 4 % Siliziumstahl bestehen und als Laminierungen bezeichnet werden. Diese sind durch Lack voneinander isoliert.
Diese dünnen Platten verringern Wirbelströme, indem sie den Widerstand gegen den Fluss solcher Ströme erhöhen.

Der Kern wird vor dem Einsetzen der Wicklungen teilweise zusammengebaut. Nach dem Einsetzen werden die restlichen Laminatplatten übereinandergelegt, um zu vermeiden, dass alle Fugen an einer Stelle zusammentreffen. Die Fugen werden dann ähnlich wie beim Ziegeln versetzt angeordnet.
Laminattransformatoren werden in den meisten Niederfrequenzanwendungen verwendet, normalerweise zwischen 50 Hz und 400 Hz. Die Primärwicklung hat in der Regel eine hohe Induktivität, was eine Niederfrequenzverwendung mit minimalen Kernverlusten ermöglicht.

Laminattransformatoren bieten folgende Funktionen: -

• Hochspannungserhöhung.
• Niederspannungs-Absenkung.
• Hohe Stromabgabe.
• Isolierung.

Für die Zwecke dieses Dokuments konzentrieren wir uns auf Abwärts-Laminattransformatoren.
Durch die Auslegung der Windungszahlen in der Primär- und Sekundärwicklung lässt sich jeder gewünschte Aufwärts- oder Abwärtstransformator realisieren.
Um die Streureaktanz zu verringern, muss die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung in einem Leistungstransformator „dicht“ sein. Andernfalls ist der Abfall der Reaktanz beträchtlich und schwankt mit der Sekundärspannung und dem Sekundärstrom.
Aus diesem Grund werden Laminattransformatoren mit konzentrischen Wicklungen gewickelt (Primär- und Sekundärwicklung werden mit der Hälfte der Windungen übereinander auf den Kernschenkel gewickelt (um eine enge Kopplung zu erreichen) und mit dazwischenliegender Isolierung.

2. Geeignete Tests für Laminat-TXs

Mit den Testern der AT-Serie können die folgenden anwendbaren Laminattransformatortests durchgeführt werden:

CTY: CTY ist ein Durchgangstest, der sicherstellen soll, dass der Transformator richtig in seiner Halterung sitzt und dass die Integrität aller Wicklungsanschlüsse gut ist. Der Mindestwiderstand beträgt 10 kOhm bis 10 MOhm.

R: R ist der Gleichstromwiderstand, den eine Induktivität aufgrund des Widerstands der Wicklung bietet. Je niedriger der Widerstand, desto mehr Strom kann eine Induktivität verarbeiten. Der Widerstand wird in mOhm bis MOhm angegeben.

VOC: Offener Stromkreis, dieser Test legt eine Spannung an die Primärwicklung an und misst die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung. Die Ergebnisse werden als Sekundärspannung von 100 mV bis 500 V mit einer Testspannung von 1 V bis 270 V bei 20 Hz bis 1,5 kHz dargestellt. Die Phase wird auch als Polarität gemessen, d. h. positiv (in Phase), negativ (gegenphasig).

IR: Isolationswiderstandsprüfungen dienen dazu, eine unzureichende Abschirmung und Isolierung zwischen Wicklungen festzustellen. Spannung und Strom werden gemessen und durch Division der Spannung durch den Strom werden Isolationswiderstandsmessungen in MOhm bis GOhm bei einer Prüfspannung von 100 V bis 7 kV bei Gleichstrom angegeben.

MAGI: Der Magnetisierungsstrom ist die Kombination des Stroms, der zum Magnetisieren des Kerns erforderlich ist, und des Stroms, der zum Ausgleich der Verluste im Kern erforderlich ist. Die Ergebnisse werden als Strom von 1 mA bis 2 A (Spitze 3 A) mit einer Testspannung von 1 V bis 270 V bei 20 Hz bis 1,5 KHz dargestellt.

STRW: Im Leerlauf und bei offenem Sekundärkreis zieht ein Transformator immer noch Strom. Dieser Strom ist proportional zu den Kernverlusten (Wirbelströme und Hysterese). Das Faradaysche Gesetz besagt, dass der Kernverlust gleich bleiben sollte, wenn Spannung und Frequenz proportional erhöht werden. Wenn daher eine drastische Leistungssteigerung festgestellt wird, deutet dies auf einen Wicklungsfehler hin. Die Ergebnisse werden in Watt von 1 mW bis 40 Watt bei einer Testspannung von 1 V bis 270 V bei 20 Hz bis 1,5 kHz angegeben.

HPAC: Hi-Pot-AC-Tests sind Isolationssicherheitstests, die die Isolation zwischen Wicklungen und zwischen Wicklung und Kern sowie Wicklung und Abschirmung testen. Der Stromfluss wird zwischen jedem Testpunkt gemessen und in mA bis mA mit einer Testspannung von 100 V bis 5,5 kV bei 50 Hz bis 1 kHz angegeben.

Eine typische Laminat-Testsequenz könnte wie folgt aussehen:

• CTY-Kontinuität.
• R-Widerstand.
• VOC-Spannungsunterbrechung.
• MAGI Magnetisierungsstrom.
• STRW Stresswatt.
• IR-Isolationswiderstand.
• HPAC Hochspannungs-Wechselstrom. Sicherheitstest.

3. CTY- und R-Test (Durchgangs- und Widerstandsprüfung)

Die Durchgangsprüfung ist ein einfacher Test, um sicherzustellen, dass sowohl die Leuchte als auch der Transformator richtig eingesetzt wurden.

Die angegebenen Testparameter reichen von 10 kOhm bis 10 MOhm. 10 kOhm wird im Allgemeinen für die Geschwindigkeit verwendet und testet jede Wicklung und jeden Abschluss auf einen Wert von weniger als 10 kW.

Der Widerstand ist der Gleichstromwiderstand (DC), den eine Induktivität aufgrund des Widerstands des verwendeten magnetischen Drahts bietet. Der Widerstand ist die unerwünschte Eigenschaft, die ein Nebenprodukt des verwendeten Drahts oder leitfähigen Materials ist. Widerstandsmessungen werden im Allgemeinen über alle Wicklungen hinweg durchgeführt und stehen in direktem Zusammenhang mit der Konstruktion des Transformators, um eine bestimmte Strommenge innerhalb dieser Wicklung zu leiten. Je niedriger der Widerstand, desto höher ist die Strombelastbarkeit der Induktivität.

ABBILDUNG 1 (Typisches Layout eines Laminat-Abwärtstransformators).

Abbildung 2 zeigt die für R auf dem Primärserver erforderlichen Parameter.
Die Widerstandsgrenzen wurden als Prozentsatz des Nennwerts von 100 Ohm +/- 5 % gewählt.
Auch die Sekundärwicklung wird auf Widerstand geprüft.

ABBILDUNG 2.

4. VOC-Test (Spannungs-Leerlauf)

Der Leerlaufspannungstest ist eine Hochspannungsversion des Windungszahl-Tests. Anstatt ein Verhältnisergebnis wie 2:1, 1:2 usw. zurückzugeben, wird ein Spannungsergebnis zurückgegeben, das proportional zur Anzahl der Windungen auf der Primärseite im Vergleich zur Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite ist.
Die bereitgestellten Testparameter reichen von 1 V bis 270 V mit einem Messbereich von 100 mV bis 500 V. Die Phase wird ebenfalls berücksichtigt und kann als positiv (in Phase) oder negativ (gegenphasig) ausgewählt werden.

Abbildung 3 zeigt die für VOC erforderlichen Parameter an den Primär- und Sekundärwicklungen des Beispieltransformators.
Die Spannungs- und Frequenzpegel wurden als US-Netzfrequenz 110 V bei 60 Hz ausgewählt, wobei die Spannungsgrenzen auf mindestens 52 V und höchstens 60 V festgelegt wurden. Die Phase wurde auf +ve eingestellt.

ABBILDUNG 3.

5. STRW-Test (Stress Watts)

Die Hauptaufgabe der Spannungsprüfung besteht darin, einen Fehler in der Isolierung zwischen den Windungen einer Wicklung anzuzeigen.
Dieser Test kann bei Wicklungen mit sehr dünnem Draht durchgeführt werden. Im Leerlauf und bei offenem Sekundärkreis zieht ein Transformator immer noch Strom. Dieser Strom ist proportional zu den Kernverlusten (Wirbelströme und Hysterese). Hysterese ist die Energie, die durch die Änderung des magnetischen Zustands des Kerns während jedes Zyklus verbraucht wird, und Wirbelströme sind Ströme, die im Kern durch zeitlich variierende Flüsse induziert werden.
Das Faradaysche Gesetz besagt, dass der Kernverlust gleich bleiben sollte, wenn Spannung und Frequenz proportional erhöht werden. Wenn also eine drastische Leistungssteigerung gemessen wird, deutet dies auf einen Wicklungsfehler hin.

Für die Spannungsprüfung ist ein Netzfrequenztransformator mit 110 V bei 60 Hz erforderlich, der bei 220 V bei 120 Hz getestet werden muss. Die Kernverluste sollten sich von 110 V bei 60 Hz auf 220 V bei 120 Hz nicht wesentlich ändern, sodass die Wicklungen einer doppelten Spannungsprüfung unterzogen werden können.

Abbildung 4 zeigt die für STRW erforderlichen Parameter an der Sekundärwicklung des Beispieltransformators. Die Spannungs- und Frequenzpegel wurden als doppelt so hoch wie die induzierte Spannung und Frequenz gewählt, wobei die maximale Leistung auf 2 Watt für eine Verweildauer von 1 Sekunde eingestellt ist.

ABBILDUNG 4.

6. MAGI-Test (Magnetisierungsstrom)

Ein Magnetisierungsstromtest wird üblicherweise an Transformatoren mit Laminatkernen durchgeführt, die für den Betrieb über die gesamte Länge der BH-Kurve ausgelegt sind.
Die BH-Kurve zeigt die Eigenschaften eines magnetischen Materials hinsichtlich der Magnetisierungskraft (H) und der daraus resultierenden Flussdichte (B).
Der Magnetisierungsstrom ist der Strom, der zum Aufbau des Kernflusses erforderlich ist. Daraus ergibt sich die Kombination des Stroms, der zum Magnetisieren des Kerns erforderlich ist, und des Stroms, der zum Ausgleich der Verluste im Kern, bestehend aus Hysterese- und Wirbelströmen, erforderlich ist.
Hysterese ist die Energie, die durch die Änderung des magnetischen Zustands des Kerns während jedes Zyklus verbraucht wird, und Wirbelströme sind Ströme, die im Kern durch zeitlich variierende Flüsse induziert werden.

ABBILDUNG 5: Ersatzschaltbild des Magnetisierungsstroms.

• Lm = die Magnetisierungsinduktivität.
• Im = der Magnetisierungsstrom.
• Ie = der Erregerstrom.
• Ic = die Kernverlustkomponente des Erregerstroms.
• Rc = der Kernverlustwiderstand.

Abbildung 6 zeigt die für MAGI erforderlichen Parameter an der Primärwicklung des Beispieltransformators.
Die Spannungs- und Frequenzpegel wurden für die US-Netzspannung und -frequenz (RMS) von 110 V bei 60 Hz ausgewählt, wobei die maximale Stromaufnahme auf 50 mA eingestellt ist.

ABBILDUNG 6.

7. IR-Prüfung (Isolationswiderstand)

Mit der Isolationswiderstandsprüfung lässt sich die Wicklungsisolierung sowie die Wicklung-Ader-Isolierung prüfen.
Die Qualität der Isolierung kann überprüft werden, indem eine Gleichspannung an die Isolierung angelegt und ihr Widerstand gemessen wird.

ABBILDUNG 7 (Isolationswiderstandsprüfschaltung).

8. HPAC-Test (Hochspannungssicherheit)

Hi-Pot oder Flash ist ein Sicherheitsisolationstest und wird bei Trenntransformatoren angewendet, um sicherzustellen, dass die Isolierung zwischen den Wicklungen nicht zusammenbricht.
Dadurch wird die Integrität der sicherheitskritischen Isolierung gemäß internationalen Normen gewährleistet.
Wo Transformatoren für die Isolierung zwischen gefährlichen Leitungsspannungen und sicheren Niederspannungen sorgen, ist HPAC ein kritischer Test.
Es werden zahlreiche Prüfungen zwischen den Wicklungen sowie zwischen den Wicklungen und dem Kernmaterial durchgeführt.

ABBILDUNG 8 (Hochspannungs-Wechselstrom-Testschaltung).

9, Komplettlösung zur Laminatprüfung

Die folgende Beispielspezifikation eines Frequenzumformers wird als Modell verwendet, um eine Methode einer vollständigen Testlösung zu erklären.

• Durchgang, maximaler Durchgangswiderstand 10 kOhm.
• DC-Wicklungswiderstand. Primärnennwert 100 Ohm +/- 5 %.
• Sekundärnennwert 50 W +/- 5 %.
• Magnetisierungsstrom 110 V bei 60 Hz, maximaler Strom 50 mA.
• Leerlaufspannung 110 V bei 60 Hz, Mindestspannung 52 V, Höchstspannung 60 V.
• Belastung Watt, Primärspannung 220@120Hz maximal 2 Watt.
• Isolationswiderstand bei 500 V DC, Primär- zu Sekundärwiderstand 1 Mindestwiderstand 10 MOhm.
• Hochspannungspotential Primär zu Sekundär 5 KV AC / 1 mA / 2 Sekunden.
• Hochspannungspotential Primär zu Kern 5 kV AC / 1 mA / 2 Sekunden.

10. Siehe auch: