Testowanie transformatorów laminowanych

1. Wprowadzenie do testowania transformatorów laminowanych

Transformatory laminowane są najczęściej stosowane jako transformatory podwyższające lub obniżające napięcie częstotliwości sieciowej, niskiej częstotliwości oraz niskiego/wysokiego napięcia.

Dwie cewki nawinięte są na rdzeń w taki sposób, że są sprzężone magnetycznie.
Dwie cewki nazywane są cewką pierwotną i wtórną.
Materiał rdzeniowy składa się zazwyczaj z cienkich arkuszy miękkiego materiału magnetycznego (grubości ok. 0,35 mm), zwykle wykonanych z 4% stali krzemowej, zwanych laminatami, które są izolowane od siebie lakierem.
Te cienkie arkusze redukują prądy wirowe poprzez zwiększenie oporu dla przepływu takich prądów.

Rdzeń jest częściowo składany przed włożeniem uzwojeń, a po włożeniu pozostałe arkusze laminatu są przekładane, aby uniknąć powstawania połączeń w jednym miejscu. Następnie połączenia są układane naprzemiennie, podobnie jak przy układaniu cegieł.
Transformatory laminowane są używane w większości zastosowań o niskiej częstotliwości, zwykle między 50 Hz a 400 Hz. Uzwojenie pierwotne ma tendencję do wysokiej indukcyjności, co pozwala na stosowanie niskiej częstotliwości przy minimalnych stratach rdzenia.

Transformatory laminowane zapewniają: -

• Podwyższenie napięcia.
• Obniżanie napięcia niskiego.
• Wysoki prąd wyjściowy.
• Izolacja.

Na potrzeby tego dokumentu skoncentrujemy się na transformatorach laminowanych obniżających napięcie.
Dzięki odpowiedniej liczbie zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego można zrealizować dowolny transformator podwyższający lub obniżający napięcie.
Sprzężenie pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym w transformatorze mocy musi być „ścisłe”, aby zredukować reaktancję rozproszenia, w przeciwnym razie spadek reaktancji będzie znaczny i będzie się zmieniał w zależności od napięcia i prądu wtórnego.
Dlatego transformatory laminowane są nawijane za pomocą uzwojeń koncentrycznych (uzwojenie pierwotne i wtórne jest nawinięte połową zwojów na ramieniu rdzenia, jeden na drugim (aby uzyskać ścisłe sprzężenie) z pośrednią izolacją).

2. Odpowiednie testy dla laminatów TX

Testery serii AT umożliwiają wykonywanie następujących testów transformatorów laminowanych:

R: R to rezystancja DC oferowana przez induktor ze względu na rezystancję uzwojenia. Im niższa rezystancja, tym większy prąd wytrzyma induktor. Rezystancja jest podawana w mOhm do MOhm

VOC: Napięcie obwodu otwartego, ten test stosuje napięcie do uzwojenia pierwotnego i odczytuje napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym, wyniki są przedstawiane jako napięcie wtórne od 100 mV do 500 V z napięciem testowym od 1 V do 270 V przy 20 Hz do 1,5 kHz. Faza jest również mierzona jako biegunowość, tj. dodatnia (w fazie), ujemna (przeciwfaza).

IR: Testy rezystancji izolacji są przeznaczone do sprawdzania słabego ekranowania i izolacji między uzwojeniami. Napięcie i prąd są mierzone i poprzez podzielenie napięcia przez prąd wyniki pomiarów rezystancji izolacji są przedstawiane w MOhmach do GOhmów przy napięciu testowym od 100 V do 7 kV @ DC.

MAGI: Prąd magnesujący to połączenie prądu wymaganego do namagnesowania rdzenia i prądu wymaganego do pokrycia strat w rdzeniu. Wyniki przedstawiono jako prąd od 1 mA do 2 A (szczyt 3 A) z napięciem testowym od 1 V do 270 V przy 20 Hz do 1,5 K Hz.

STRW: Bez obciążenia i przy otwartym obwodzie wtórnym transformator nadal będzie pobierał prąd, który jest proporcjonalny do strat rdzenia (prądy wirowe i histereza). Prawo Faradaya sugeruje, że pod warunkiem proporcjonalnego wzrostu napięcia i częstotliwości straty rdzenia powinny pozostać takie same. Dlatego wykrycie gwałtownego wzrostu mocy będzie wskazywać na awarię uzwojenia. Wyniki przedstawiono w watach od 1 mW do 40 watów przy napięciu testowym od 1 V do 270 V przy 20 Hz do 1,5 kHz.

HPAC: Testy prądu przemiennego Hi-pot to testy bezpieczeństwa izolacji, które testują izolację między uzwojeniami oraz między uzwojeniem a rdzeniem i uzwojeniem a ekranem. Przepływ prądu jest mierzony między każdym punktem testowym i jest przedstawiany w mA do mA przy napięciu testowym od 100 V do 5,5 kV przy 50 Hz do 1 kHz.

Typowa sekwencja testów laminatu może wyglądać następująco:

• R Odporność.
• Przerwa w obwodzie napięcia VOC.
• MAGI Prąd magnesujący.
• STRW Waty stresu.
• Rezystancja izolacji IR.
• HPAC Wysoki potencjał prądu przemiennego. Test bezpieczeństwa.

3. Testowanie R (odporności)

Zakres parametrów testu wynosi od 10 kOhm do 10 MOhm, przy czym 10 kOhm jest zwykle używane do pomiaru prędkości i umożliwia sprawdzenie każdego uzwojenia i zakończenia pod kątem wartości mniejszej niż 10 kW.

Rezystancja to rezystancja prądu stałego (DC) oferowana przez induktor ze względu na rezystancję użytego drutu magnetycznego. Rezystancja to niepożądana cecha, która jest produktem ubocznym użytego drutu lub materiału przewodzącego. Pomiary rezystancji są zazwyczaj wykonywane na wszystkich uzwojeniach i są bezpośrednio powiązane z konstrukcją transformatora, aby przenosić określoną ilość prądu w obrębie tego uzwojenia. Im niższa rezystancja, tym wyższe możliwości przenoszenia prądu przez induktor.

RYSUNEK 1 (Typowy układ transformatora obniżającego napięcie z laminatu).

Rysunek 2 przedstawia parametry wymagane dla R na poziomie podstawowym.
Limity rezystancji wybrano jako procent wartości nominalnej 100 omów +/- 5%.
Sprawdzono również rezystancję uzwojenia wtórnego.

RYCINA 2.

4. Testowanie VOC (obwodu otwartego napięcia)

Testowanie otwartego obwodu napięcia jest wysokonapięciową wersją testu stosunku zwojów. Zamiast zwracać wynik stosunku, np. 2:1, 1:2 itd., zwracany jest wynik napięcia, który jest proporcjonalny do liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym w stosunku do liczby zwojów na uzwojeniu wtórnym.
Zakres parametrów testu wynosi od 1 V do 270 V, a zakres pomiaru od 100 mV do 500 V. Faza jest również obsługiwana i można ją wybrać jako dodatnią (w fazie) lub ujemną (przeciwfazową).

Rysunek 3 przedstawia parametry wymagane dla VOC na uzwojeniach pierwotnym i wtórnym przykładowego transformatora.
Poziomy napięcia i częstotliwości wybrano z częstotliwości sieciowej USA 110 V przy 60 Hz, przy czym limity napięcia ustalono na minimum 52 V i maksimum 60 V. Faza została ustawiona na +ve.

RYCINA 3.

5. Test STRW (Stress Watts)

Podstawowym celem badania wytrzymałości naprężeniowej jest wykrycie uszkodzenia izolacji międzyzwojowej uzwojenia.
Test ten można stosować na uzwojeniach z bardzo cienkim drutem. Bez obciążenia i przy otwartym obwodzie wtórnym transformator nadal będzie pobierał prąd, który jest proporcjonalny do strat rdzenia (prądy wirowe i histereza). Histereza to energia zużywana przez zmianę stanu magnetycznego rdzenia podczas każdego cyklu, a prądy wirowe to prądy indukowane w rdzeniu przez zmieniające się w czasie strumienie.
Prawo Faradaya sugeruje, że jeśli napięcie i częstotliwość wzrastają proporcjonalnie, strata rdzenia powinna pozostać taka sama. Dlatego też, jeśli zmierzono gwałtowny wzrost mocy, wskazywałoby to na obecność usterki uzwojenia.

Testowanie watów naprężeniowych wymaga transformatora częstotliwości liniowej 110 V @ 60 Hz, który ma być testowany przy 220 V @ 120 Hz. Straty rdzenia nie powinny się znacznie zmieniać od 110 V @ 60 Hz do 220 V @ 120 Hz, co pozwoli na dwukrotne testowanie naprężeń napięciowych uzwojeń.

Rysunek 4 przedstawia parametry wymagane dla STRW na uzwojeniu wtórnym transformatora próbnego. Poziomy napięcia i częstotliwości wybrano jako dwukrotność indukowanego napięcia i częstotliwości, przy czym maksymalna moc została ustawiona na 2 waty przez okres postoju 1 sekundy.

RYCINA 4.

6. Badanie MAGI (prądu magnesującego)

Badanie prądu magnesującego wykonuje się zwykle w transformatorach z rdzeniami laminowanymi, które są zaprojektowane do pracy w pełnym zakresie krzywej BH.
Krzywa BH przedstawia charakterystykę materiału magnetycznego pod względem siły magnesującej (H) i wynikającej z niej gęstości strumienia (B).
Prąd magnesujący to prąd potrzebny do wytworzenia strumienia rdzenia, który powstaje w wyniku połączenia prądu potrzebnego do namagnesowania rdzenia i prądu potrzebnego do pokrycia strat w rdzeniu, składających się z histerezy i prądów wirowych.
Histereza to energia zużywana na zmianę stanu magnetycznego rdzenia podczas każdego cyklu, a prądy wirowe to prądy indukowane w rdzeniu przez zmieniające się w czasie strumienie.

RYSUNEK 5: Schemat zastępczy prądu magnesującego.

• Lm = indukcyjność magnetyczna.
• Im = prąd magnesujący.
• Ie = prąd wzbudzenia.
• Ic = składowa strat rdzenia prądu wzbudzenia.
• Rc = rezystancja strat rdzenia.

Rysunek 6 przedstawia parametry wymagane dla MAGI na uzwojeniu pierwotnym przykładowego transformatora.
Poziomy napięcia i częstotliwości wybrano dla napięcia i częstotliwości sieciowej (RMS) w USA wynoszących 110 V przy 60 Hz, przy maksymalnym poborze prądu ustawionym na 50 mA.

RYCINA 6.

7. Badanie IR (rezystancji izolacji)

Badanie rezystancji izolacji jest metodą sprawdzania izolacji uzwojeń oraz izolacji między uzwojeniem a rdzeniem.
Jakość izolacji można sprawdzić poprzez przyłożenie do izolacji napięcia stałego i zmierzenie jej rezystancji.

RYCINA 7 (obwód pomiaru rezystancji izolacji).

8. Testy HPAC (bezpieczeństwa wysokiego napięcia)

Hi-pot lub flash to test izolacji bezpieczeństwa stosowany w transformatorach izolacyjnych w celu sprawdzenia, czy izolacja pomiędzy uzwojeniami nie ulegnie uszkodzeniu.
Gwarantuje to integralność izolacji krytycznej pod względem bezpieczeństwa, zgodnie z normami międzynarodowymi.
W przypadku transformatorów zapewniających izolację między niebezpiecznymi napięciami liniowymi a bezpiecznymi, niskimi napięciami, kluczowym testem jest test HPAC.
Przeprowadza się szereg testów pomiędzy uzwojeniami oraz pomiędzy uzwojeniami i materiałem rdzenia.

RYCINA 8 (Obwód testowy prądu przemiennego o wysokim napięciu).

9. Kompletne rozwiązanie do testowania laminatów

Poniższa przykładowa specyfikacja transformatora częstotliwości liniowej zostanie wykorzystana jako model do wyjaśnienia jednej metody kompletnego rozwiązania testowego

• Rezystancja uzwojenia prądu stałego. Wartość znamionowa pierwotna 100 omów +/- 5%.
• Wartość nominalna wtórna 50 W +/- 5%.
• Prąd magnesujący 110 V @ 60 Hz, maksymalny prąd 50 mA.
• Napięcie w obwodzie otwartym 110 V @ 60 Hz napięcie minimalne 52 V, napięcie maksymalne 60 V.
• Moc obciążeniowa, napięcie pierwotne 220 @ 120 Hz, maksymalnie 2 W.
• Rezystancja izolacji przy 500 V DC, minimalna rezystancja między uzwojeniem pierwotnym a wtórnym 1 wynosi 10 MOhm.
• Wysoki potencjometr, uzwojenie pierwotne do wtórnego, 5 KV AC / 1 mA / 2 sekundy.
• Napięcie pierwotne wysokiego napięcia do rdzenia 5 kV AC / 1 mA / 2 sekundy.

10. Zobacz także: