Выявление короткозамкнутых витков в катушках индуктивности

Во множестве современных (и не очень) устройств/машин/гаджетов очень часто используются катушки индуктивности. Они являются составной частью трансформаторов, электродвигателей, радиоприемников/передатчиков, а также других устройств.

Обмотки трансформаторов и электродвигателей обычно являются довольно надежными, мало подверженными поломкам компонентами. Тем не менее, в процессе эксплуатации они подвергаются различным электрическим и механическим нагрузкам, которые могут привести к отказам.

Чаще всего неисправности возникают в обмотках, поскольку они являются одними из наиболее уязвимых внутренних частей трансформаторов.

Особенно опасным является появление в них короткозамкнутых витков и межобмоточных замыканий:

Чем опасно появляение короткозамкнутых витков в катушке индуктивности?

Появление короткозамкнутых витков в катушке индуктивности электронных устройств/электродвигателей вредно, так как приводит к снижению эффективности работы, либо к полному выходу из строя устройства.

Это происходит из-за следующих причин:

повышение теплоотделения/снижение КПД обмотки из-за того, что в короткозамкнутом витке возникает повышенный ток;
снижается индуктивность катушки, что приводит к изменению ее рабочих параметров, что в свою очередь может привести к срабатыванию защиты электронной схемы или выходу ее из строя.

Например, частой причиной выхода из строя трансформаторов инверторов CCFL-мониторов является отгорание холодного катода ламп подсветки, которое перегружает их вторичные повышающие обмотки.

Для загорания люминесцентной лампы формируется напряжение номиналом порядка 1300 вольт, если в цепи питания имеется плохой контакт с выводами лампы, там появляется искрение/коронный разряд, что приводит к выходу из строя обмотки трансформатора, например, к пробою/прогоранию изоляции и появлению короткозамкнутых витков.

Подобные неисправности также характерны для электродвигателей и других устройств, в которых имеются многовитковые катушки:

Фотография межвиткового замыкания обмотки двигателя:

Диагностировать наличие межобмоточного замыкания достаточно легко с помощью тестера, короткозамкнутый виток (витки) найти немного сложнее.

Короткозамкнутый виток в катушке индуктивности:

Как выявить наличие короткозамкнутых витков в трансформаторе/обмотке электродвигателя?

Выявление короткозамкнутых витков в трансформаторе может быть выполнено с помощью следующих методов (перечень не полный):

измерение сопротивления обмоток с помощью омметра. Косвенно определить наличие проблемы можно, сравнив сопротивление/индуктивность проверяемой катушки с заведомо исправной;
анализ тока холостого хода. Трансформатор отключается от нагрузки и на него подается рабочее напряжение. Если потребляемый ток существенно выше нормы, это может свидетельствовать о наличии короткозамкнутых витков;

Поиск короткозамкнутых витков во обмотке трансформатора с помощью измерения потребляемой мощности:

измерение коэффициента трансформации с последующим сравнением с номинальным значением;
анализ гармонического состава тока (частотной характеристики) в трансформаторе с помощью анализатора спектра или осциллографа . Короткозамкнутые витки вызывают искажение формы тока, что проявляется в виде дополнительных гармоник;
тепловизионное обследование работающего трансформатора. Короткозамкнутые витки вызывают локальный перегрев, что выявляется с помощью тепловизора. Для использования этого метода нужен дорогостоящий тепловизор с большим разрешением.

Значительное удешевление осциллографов в последние годы сделало их доступными для любого пользователя. В связи с этим использования метода анализа частотной характеристики колебательного контура является очень удобным способом диагностики катушек трансформаторов и электродвигателей.

Проверка катушек трансформатора или электродвигателя с помощью анализа частотной характеристики

Для проверки частотных характеристик колебательного контура можно использовать различные способы:

изучить характеристики катушек с помощью вектор-анализатора, например, NanoVNA;
подавать на первичную обмотку сигнал разной частоты с генератора, параллельно изучая вид сигнала на вторичной (есть ли искажения формы сигнала). Для проверки трансформаторов линейных блоков питания используется синусоидальный сигнал частотой 40-60 Гц, для импульсных трансформаторов — сигнал частотой 8-40 кГц, для ТДКС, инверторов мониторов — 3-50 кГц;

параллельно первичной обмотке подключается конденсатор емкостью 0,01мкФ-1 мкФ (схема ниже). Вычисляется ее частота резонанса, а затем на нее с генератора подается сигнал с этой частотой. При этом осциллографом параллельно изучается величина колебаний на этой катушке. При отсутствии короткозамкнутых витков (в том числе на других обмотках), благодаря резонансу будут возникать колебания с большей амплитудой, чем подаваемые с генератора, если они отсутствуют/очень малы — есть замыкание;

Вместо генератора в качестве источника возбуждающего напряжения можно кратковременно подсоединять к проверяемой обмотке батарейку.

При подаче в цепь колебательного контура короткого импульса напряжения малой величины в нем возникают резонансные явления — появляются гармонические затухающие колебания с амплитудой, в разы превышающей начальный импульс. Их можно наблюдать на экране осциллографа:

Если в параллельном колебательном контуре имеются короткозамкнутые витки, затухание происходит значительно быстрее (на осциллографе колебания могут даже не отобразиться). Это связано с потерей энергии на короткозамкнутом витке.

Так как все катушки трансформатора/двигателя находятся на одном сердечнике, они взаимно влияют на характер происходящих в них резонансных явлений. То есть, если подавать напряжение на первичную обмотку, наличие короткозамкнутых витков во вторичной также будет влиять на график затухания колебаний в первичке.

При проверке импульсного трансформатора к проверяемой обмотке подключают конденсатор емкостью порядка 50-100 нанофарад, что создает колебательный контур с частотой резонанса порядка нескольких единиц-десятков килогерц. Подаваемое на катушку напряжение по величине не должно превышать единиц вольт — при этом на катушке возникают колебания с амплитудой до нескольких сотен вольт!

Для точного измерения частоты резонанса катушки можно провести расчет, измерив ее индуктивность и воспользоваться формулой:

либо использовать любой калькулятор/программу для расчета частоты резонанса.

Импульсные трансформаторы инверторов мониторов с ламповой подсветкой работают на частотах до 100 кГц при выходной мощности до 5-6 Вт. Индуктивность их вторичной обмотки примерно равна 30-80 мкГн. Например, при подключении конденсатора емкостью 0.05 мКф к катушке с индуктивностью 50 мкГн частота резонанса будет равна трем килогерцам:

Линейные трансформаторы, обычно работающие на частотах 50-100 Гц, таким способом проверить достаточно сложно, так как резонансные колебания такой низкой частоты увидеть на осциллографе достаточно сложно.

Проверку катушек индуктивности на наличие короткозамкнутых витков можно произвести и без осциллографа, например, используя специальные приборы, например, Transformer turn-to-turn short circuit tester:

Кроме того, для полноценной проверки катушек трансформатора (выявления потенциальных межобмоточных замыканий) нужно проверить состояние изоляции между обмотками, для чего нужен мегомметр.