Metodi per il rilevamento di avvolgimenti in cortocircuito
Questo documento descrive i metodi utilizzati dai tester della serie AT per individuare gli avvolgimenti in cortocircuito
1. Introduzione al rilevamento e al test delle svolte in cortocircuito
Gli induttori sono costituiti da un tratto di filo, solitamente avvolto attorno a un nucleo.
Il nucleo è solitamente un tipo di materiale magnetico come ferro o ferrite, tuttavia a volte vengono utilizzati anche nuclei d'aria.
Il filo viene chiamato “avvolgimento” e questo avvolgimento è costituito da un numero di spire.
Generalmente, gli induttori sono un singolo avvolgimento e i trasformatori hanno per lo più più avvolgimenti (ci sono casi speciali, come gli "autotrasformatori" in cui esiste un solo avvolgimento) e in molti trasformatori è possibile utilizzare diametri di filo diversi nei vari avvolgimenti.
Gli induttori e/o i trasformatori avvolti utilizzando un numero elevato di spire e/o utilizzando fili molto sottili richiedono un metodo per rilevare l'esistenza di spire in cortocircuito, nonché la capacità di sollecitare l'avvolgimento per rilevare imperfezioni o potenziali punti deboli nella l’isolamento degli avvolgimenti che potrebbe costituire nel tempo un punto debole.
Le imperfezioni dell'avvolgimento possono normalmente essere attribuite a danni allo smalto causati da danni fisici durante la fabbricazione del trasformatore o imperfezioni durante la fabbricazione del filo grezzo stesso.
Queste imperfezioni possono provocare cortocircuiti durante il normale funzionamento se non rilevate al momento della produzione.
Le alte temperature derivanti dall'aumento della corrente nel cortocircuito causeranno abbastanza rapidamente la fusione del rame e creeranno una saldatura a punti a bassa resistenza.
Questo cortocircuito a bassa resistenza manderà quindi completamente in cortocircuito una spira, influenzando le prestazioni dell'avvolgimento e quindi dell'intero trasformatore.
2. Rilevamento delle svolte in cortocircuito
Le svolte in cortocircuito e le potenziali aree deboli possono essere rilevate con i tester AT Voltechs mediante due metodi di prova:
SURGE o test a impulso (SURG): adatto per fili sottili o avvolgimenti ad alta tensione.
Test STRESS WATT. (STRW / STRX) - adatto per avvolgimenti di tensione di linea.
In entrambi i casi seguenti discuteremo gli effetti della sollecitazione del primario, ma ricordate che tramite l'induzione di base delle tensioni su tutti gli avvolgimenti, testerete la longevità di TUTTI gli avvolgimenti del trasformatore.
Pertanto dovresti sempre sottoporre a stress test l'avvolgimento con il maggior numero di spire, poiché ciò garantirà di non indurre più della tensione generata su qualsiasi avvolgimento e quindi proteggere l'UUT e il tester AT.
2.1 Prova SURGE o impulso (100 V - 5 kV CC)
Poiché non esiste un metodo o un parametro di misurazione universalmente definito per questo tipo di test, per il test comparativo è necessario un componente di esempio perfetto.
Il componente perfetto metterà a confronto il risultato misurato che verrà utilizzato come valore di confronto.
Il livello di tensione e il numero di impulsi richiesti dipendono dalla quantità totale di sollecitazione necessaria sull'avvolgimento del componente.
Ad esempio, nel caso di un triciclo, un trasformatore alimentato dalla rete potrebbe subire picchi fino a 2 kV dalla rete di alimentazione, quindi tre impulsi a un livello di tensione di 3 kV dovrebbero adeguatamente testare e sollecitare gli avvolgimenti per imperfezioni dell'isolamento tra le spire.
Ciascun impulso ad alta tensione iniettato produrrà un tempo di decadimento caratteristico definito della tensione transitoria.
Uno scarso isolamento e/o spire in cortocircuito dissiperanno parte dell'energia, determinando tempi di decadimento più brevi.
FIGURA 1 (decadimento rispetto al tempo di un impulso da un test di sovratensione, Sinistra=parte buona, Destra=parte difettosa).
Il test “SURGE” della serie AT fornisce un test di sovratensione ad alta tensione da 100 V a 5 kV e una scelta da 1 a 99 impulsi
Il segnale di test viene generato scaricando un condensatore nell'avvolgimento della parte in prova e quindi misurando la lunghezza della relazione di risonanza tra il condensatore (nell'AT) e l'induttore (UUT)
Se il programma di test richiede più impulsi, una volta che l'AT rileva che l'impulso di risonanza ha raggiunto lo zero, ricaricherà il condensatore e lo scaricherà nuovamente per l'impulso successivo.
Ciò richiede circa 100-200 ms tra la fine del decadimento di un impulso e l'inizio del decadimento dell'impulso successivo
Non esiste un parametro temporale definito dall'utente per l'impulso e la successiva misurazione, poiché il tasso di decadimento dipende dalla relazione tra il generatore AT Surge e la parte sottoposta a test.
I risultati restituiti dall'AT sono presentati come misura volt-secondo (cioè l'area sotto il grafico di decadimento).
Se il trasformatore è difettoso, il risultato misurato sarà un valore inferiore a quello del trasformatore perfetto, poiché le perdite causeranno un tempo di decadimento più breve e si tradurranno in un'area più piccola sotto il grafico.
Il metodo SURGE è preferibile rispetto al successivo metodo STRESS WATT, poiché le tensioni di sollecitazione più elevate disponibili danno una migliore sensibilità al guasto di un singolo avvolgimento adiacente.
Naturalmente, l'uso di SURGE richiede anche che il design della parte possa resistere a impulsi così elevati anche se fabbricato correttamente.
SURGE Riepilogo
Quando si utilizza questo test come metrica caratterizzante del progetto di un trasformatore, è possibile rilevare le parti che potrebbero subire un guasto precoce valutando la durata della risonanza rispetto a quella della parte di riferimento perfetta utilizzata per definire i limiti del test.
Eventuali parti con cortocircuiti intrecciati o aree deboli (ad esempio nel rivestimento smaltato) si infiammano sotto lo stress dell'impulso di tensione e quindi possono essere rilevate e rimosse dalla produzione per essere rilavorate o rottamate.
2.2 Prova STRESS WATT (1-270 V AC)
Un trasformatore assorbirà comunque corrente e consumerà energia durante il test di un trasformatore senza carico con il circuito secondario aperto.
Questo consumo di energia si misura in watt ed è la potenza assorbita da una bobina sottoposta a corrente alternata.
In genere, l'assorbimento di corrente dovuto alla perdita del nucleo (correnti parassite e isteresi) è solo una piccola percentuale del carico normale, quindi è solitamente trascurabile.
Il test Watt (WATT) viene solitamente eseguito alla tensione di linea completa e alla frequenza operativa del trasformatore.
FIGURA 2 - Test WATT primario 220 V a 50 Hz, TR 5:1, secondario è 44 V a 50 Hz
Tuttavia, è anche molto comune e auspicabile “stressare” il trasformatore al di sopra della sua normale tensione operativa per avere un certo margine di garanzia della qualità.
Anche questo stress test (a differenza del normale test WATT) dovrebbe essere eseguito per una durata estesa e fissa, poiché i punti deboli potrebbero non essere visibili in condizioni istantanee.
Durante questo periodo di stress, qualsiasi aumento drammatico istantaneo della potenza misurata indicherebbe che era presente un guasto dell'avvolgimento di isolamento tra le spire o una spira in cortocircuito poiché una maggiore quantità di corrente verrebbe consumata attraverso il difetto
FIGURA 3 - Test STRESS WATT primario 440 V a 100 Hz, TR 5:1, secondario è 88 V a 100 Hz
La legge di Faraday mostra che, fornendo tensione e frequenza aumentate proporzionalmente, la perdita del nucleo dovrebbe rimanere più o meno la stessa. Pertanto, è possibile eseguire uno stress watt test (STRW) al doppio della tensione nominale e al doppio della frequenza nominale del trasformatore.
Poiché abbiamo aumentato proporzionalmente la tensione e la frequenza dalla figura 2 alla figura 3, la perdita del nucleo rimarrà la stessa consentendo agli avvolgimenti di essere sollecitati ad una tensione maggiore rispetto a quella utilizzata nel normale funzionamento.
La densità del flusso (B) nel nucleo rimarrà la stessa
B ~ V / (f * A * N)
N = Il numero di giri
A = L'area della sezione trasversale del nucleo
V = Tensione applicata.
f = Frequenza applicata
Note pratiche
In realtà, scoprirai che le perdite del nucleo aumentano con la frequenza (le perdite del nucleo sono una funzione della densità di flusso E della frequenza) anche se abbiamo mantenuto la stessa densità di flusso, quindi STRW potrebbe essere più alto, ma il risultato sarà comunque ripetibile e caratteristico. Puoi mitigare le perdite del nucleo raddoppiando nuovamente la F, quindi per un trasformatore da 100 V, 50 Hz, potresti scoprire che 200 V, 200 Hz è più adatto di 110 V/100 Hz.
I trasformatori di alimentazione di linea hanno generalmente un avvolgimento da 240 V, con una presa per fornire avvolgimenti 2 x 120 V.
Per raddoppiare la tensione sull'avvolgimento da 240 V sarebbero necessari 480 V, che vanno oltre la capacità di 270 V del test STRW.
Qui suggeriamo l'uno o l'altro;
a) Testare l'avvolgimento da 120 V (se ne avete uno) individualmente a 120 V (WATT) per il funzionamento normale e poi a 240 V per la prova di stress (STRW). Ciò a sua volta indurrà 480 V attraverso l'avvolgimento da 240 V, senza la necessità di alimentare l'avvolgimento da 480 V
O
b) Testare un secondario a tensione inferiore, al doppio della sua tensione operativa. Allo stesso modo, ciò indurrebbe 480 V sul primario, ma poiché i nodi primari non verrebbero utilizzati nel test, l'isolamento di 5 kV sui nodi di test aperti proteggerà il tester AT.
Riepilogo STRW
L'AT5600 e l'AT3600 forniscono uno stress watt test (STRW) da 1 V a 270 V da 20 Hz a 1500 Hz per rilevare potenziali guasti nell'isolamento tra le spire di un avvolgimento.
L'utente deve inoltre specificare un tempo di permanenza per il test compreso tra 0,5 s e 180 s, durante il quale la potenza viene continuamente monitorata.
I risultati del test sono presentati in Watt.
Laddove i livelli di tensione e corrente richiedono un'estensione, utilizzare il dispositivo di interfaccia CA di Voltech con l'AT.
Ciò consente l'uso di un trasformatore step-up esterno o di una fonte di alimentazione CA per generare tensione (fino a 600 V) e corrente (fino a 10 A) più elevate
I segnali di test, la misurazione e i criteri pass-fail vengono comunque controllati automaticamente dall'AT utilizzando i 4 test X; MAGX, WATX, STRX e VOCX.