DE102012102396A1

DE102012102396A1 - Power transformer with electronic components

Info

Publication number: DE102012102396A1
Application number: DE102012102396A
Authority: DE
Inventors: Volker Karrer
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-26
Also published as: WO2013139542A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe zu Grunde, die Energieversorgung der elektronischen Bauelemente eines Leistungstransformators näher an diese anzuordnen und somit die Nachteile einer entfernten Spannungsversorgung zu beseitigen.The invention relates to a power transformer with electronic components. The invention is based on the object to arrange the power supply of the electronic components of a power transformer closer to them and thus to eliminate the disadvantages of a remote power supply.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen.The invention relates to a power transformer with electronic components.

Aus der DE4214431C2 ist ein Stufenschalter mit einem Motorantrieb bekannt. Dieser ist außen am Gehäuse eines Leistungstransformators angeordnet. Der Motorantrieb besteht aus vielen Einzelteilen, unter anderem auch aus zahlreichen elektronischen Bauelementen. Dazu gehören z. B. ein Antriebsmotor, Stellungsgeber, Mikrocontroller und eine Auswerteeinheit. Um einen sicheren Betrieb dieser elektronischen Bauelemente zu gewährleisten, benötigt jedes Bauteil eine Spannungsversorgung. Beim Motorantrieb wird die Energieversorgung über ein einziges Kabel, welches diesen mit einer in der näheren Umgebung angeordneten Spannungsquelle verbindet, realisiert.From the DE4214431C2 is known a tap changer with a motor drive. This is arranged on the outside of the housing of a power transformer. The motor drive consists of many individual parts, including many electronic components. These include z. B. a drive motor, position transmitter, microcontroller and an evaluation unit. To ensure safe operation of these electronic components, each component requires a power supply. When motor drive, the power supply via a single cable, which connects this with a voltage source arranged in the vicinity realized.

Neben dem Motorantrieb findet man bei modernen Leistungstransformatoren zahlreiche andere elektronische Bauelemente. Darunter befinden sich zahlreiche Sicherheitseinrichtungen wie z. B. Buchholzrelais, Temperatursensoren, Luftentfeuchter und Gas-in-Öl-Sensoren. Auch diese benötigen für den Betrieb eine Spannungsquelle. Diese Sicherheitseinrichtungen sind ebenfalls in der Nähe des Transformators angeordnet und über Kabel mit den Sicherheitseinrichtungen verbunden. Da beispielsweise das Buchholzrelais im oberen Teil des Leistungstransformators angebracht ist, ist die, außen am Gehäuse verlegte, Verkabelung zu der Spannungsquelle dementsprechend lang.In addition to the motor drive can be found in modern power transformers numerous other electronic components. Among them are numerous safety devices such. B. Buchholz relays, temperature sensors, dehumidifiers and gas-in-oil sensors. These too require a voltage source for operation. These safety devices are also located near the transformer and connected by cables to the safety devices. For example, because the Buchholz relay is mounted in the upper part of the power transformer, the wiring to the power source outside the housing is correspondingly long.

Diese herkömmliche Art der Spannungsversorgung, nämlich über lange Kabel mit räumlich getrennten Spannungsquellen der elektronischen Bauelemente der Leistungstransformatoren, bringt zahlreiche Nachteile mit sich. Da Leistungstransformatoren oftmals mehrere Jahrzehnte im Einsatz sind, müssen auch die Kabel in dieser Zeit eine sichere Funktion gewährleisten. Da aber die Kunststoffummantelung unterschiedlichen Witterungsbedingungen (Regen, UV-Strahlung, etc.) ausgesetzt ist, kann es zu offenen Kabelstellen oder sogar Brüchen kommen. Auf Grund des verhältnismäßig niedrigen Spannungsniveaus, das die Zusatzgeräte benötigen, bedarf es einer gesonderten, nur für diese Anwendungen verlegten, Leitung. Dies ist nicht nur kostenintensiv, sondern auch mit hohem Aufwand verbunden, da sich Leistungstransformatoren oftmals in Gegenden ohne Niederspannungsversorgung befinden. Die Vielzahl der elektronischen Bauelemente erfordert besondere Fachkenntnisse bei der Installation, da es bei der Verdrahtung schnell zu Fehlern kommen kann. Die entfernt angeordneten Spannungsquellen erschweren dies zusätzlich. Trotz dieser Nachteile ist eine Spannungsversorgung der elektronischen Bauelemente notwendig.This conventional type of power supply, namely over long cables with spatially separated voltage sources of the electronic components of the power transformers, brings with it numerous disadvantages. Since power transformers are often in use for several decades, the cables must also ensure a reliable function during this time. However, since the plastic sheathing is exposed to different weather conditions (rain, UV radiation, etc.), open cable joints or even fractures can occur. Due to the relatively low voltage levels required by the accessories, it requires a separate, laid only for these applications, line. This is not only costly, but also associated with high costs, since power transformers are often located in areas without low voltage supply. The variety of electronic components requires special expertise in the installation, since it can quickly lead to errors in the wiring. The remote voltage sources make this more difficult. Despite these disadvantages, a power supply of the electronic components is necessary.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen bereitzustellen, bei dem die Energieversorgung näher an den elektronischen Bauelementen angeordnet ist.The object of the invention is to provide a power transformer with electronic components, in which the power supply is arranged closer to the electronic components.

Diese Aufgabe wird durch einen Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen gelöst, der Wandler zur Energierückgewinnung und damit zur Energieversorgung der elektronischen Bauelemente aufweist. Erfindungsgemäß soll durch einen oder mehrere Wandler die bei Leistungstransformatoren unvermeidlichen und unerwünschten mechanischen Schwingungen in elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Bauelemente umgewandelt werden.This object is achieved by a power transformer with electronic components, the converter for energy recovery and thus has the power supply of the electronic components. According to the invention, the unavoidable and unwanted mechanical vibrations in power transformers are to be converted into electrical energy for supplying the electronic components by one or more transducers.

Aus der WO2008080820A1 ist ein Leistungstransformator bekannt, der unter anderem aus einem mit Öl gefüllten Tank besteht. Im Inneren befinden sich Wicklungen, die um einen Kern angeordnet sind. Während des Betriebes wird an die Primärwicklungen eine Wechselspannung angelegt. Auf Grund der elektromagnetischen Induktion wird im Kern ein wechselnder magnetischer Fluss erzeugt. Dieser magnetische Fluss wiederum induziert in den Sekundärwicklungen ebenfalls eine Wechselspannung.From the WO2008080820A1 is known a power transformer, which consists inter alia of an oil-filled tank. Inside are windings that are arranged around a core. During operation, an AC voltage is applied to the primary windings. Due to the electromagnetic induction, an alternating magnetic flux is generated in the core. This magnetic flux in turn induces an alternating voltage in the secondary windings.

Durch den sich ständig ändernden magnetischen Fluss im Kern des Leistungstransformators kommt es zu der sog. Magnetostriktion. Diese ist die Ursache der ständigen Längenänderungen des Kerns und der dadurch verursachten mechanischen Schwingungen. Diese mechanischen Schwingungen nimmt man durch das surrende Geräusch wahr, wenn man sich in unmittelbarer Umgebung eines sich in Betrieb befindenden Leistungstransformators aufhält.Due to the constantly changing magnetic flux in the core of the power transformer, the so-called magnetostriction occurs. This is the cause of the constant changes in length of the core and the mechanical vibrations caused thereby. These mechanical vibrations are perceived by the buzzing sound when you are in the immediate vicinity of an operating power transformer.

Üblicherweise wird, wie ebenfalls aus der WO2008080820A1 bekannt, versucht, die auftretenden Schwingungen zu neutralisieren. Dies geschieht über unterschiedliche Lagerungskonstruktionen oder Lagerblöcke aus Holz oder einem anderen elastischen Material, die unterhalb des Leistungstransformators angeordnet werden. Die Schwingungen lassen sich jedoch nicht vollständig neutralisieren und sind stets vorhanden.Usually, as also from the WO2008080820A1 known attempts to neutralize the vibrations occurring. This is done via different storage structures or bearing blocks made of wood or other elastic material, which are arranged below the power transformer. However, the vibrations can not be completely neutralized and are always present.

Prinzipiell ist es bereits bekannt, mechanische Schwingungen mit der Hilfe von bestimmten Wandlern zu nutzen und zur Energierückgewinnung und somit als Spannungsquelle zu verwenden. Derartige Wandler greifen dabei auf unterschiedliche physikalische Effekte zurück. Das Unternehmen EnOcean GmbH verwendet unter anderem Energiewandler (z. B. ECO 200), die im Wesentlichen aus einer Spule und einem beweglichen ferromagnetischen Kern aufgebaut sind. Dabei wird die Bewegungsenergie auf den ferromagnetischen Kern übertragen, welcher wiederum durch seine Bewegung die magnetische Flussdichte in der Spule ändert und somit eine elektrische Spannung erzeugt. Denkbar wären auch ein fest angeordneter Kern und eine bewegliche Spule. Beide Ausführungen des Wandlers nutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Für die Energieversorgung von elektronischen Bauelementen an Leistungstransformatoren wurden solche Wandler nicht verwendet.In principle, it is already known to use mechanical vibrations with the help of certain transducers and to use for energy recovery and thus as a voltage source. Such converters resort to different physical effects. Among other things, EnOcean GmbH uses energy converters (eg ECO 200), which are essentially made up of a coil and a movable ferromagnetic core. The kinetic energy is transferred to the ferromagnetic core, which in turn changes the magnetic flux density in the coil by its movement and thus generates an electrical voltage. Also conceivable would be a fixed core and a movable coil. Both versions of the converter use the principle of electromagnetic induction. For the power supply of electronic components to power transformers such converters were not used.

Die mechanischen Schwingungen können auch mit Hilfe eines piezoelektrischen Vibrationswandlers für die Energierückgewinnung verwendet werden. Durch gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich Dipole innerhalb der Elementarzellen. Die Änderung der elektrischen Felder aller Elementarzellen kann in Summe als Spannung gemessen werden. Ein solcher Wandler ist z. B. aus der US20100084947A1 bekannt.The mechanical vibrations can also be used with the help of a piezoelectric vibration transducer for energy recovery. Directed deformation of a piezoelectric material forms dipoles within the unit cells. The change in the electric fields of all unit cells can be measured in total as a voltage. Such a converter is z. B. from the US20100084947A1 known.

Unabhängig von dem verwendeten physikalischen Prinzip bei der Energierückgewinnung, ist die erzeugte Energie eines einzigen Wandlers relativ gering; kann jedoch über die Faktoren Größe und der Menge gesteigert werden. Da ein Leistungstransformator eine große Fläche durch sein Gehäuse zur Verfügung stellt, sind die Anbringungsmöglichkeiten sowie die Menge der Wandler kaum limitiert.Regardless of the physical principle used in energy recovery, the energy generated by a single transducer is relatively low; However, it can be increased by the factors size and quantity. Since a power transformer provides a large area through its housing, the mounting options and the amount of converters are hardly limited.

Da die Wandler erst dann Energie liefern, wenn der Leistungstransformator in Betrieb ist, sind die betriebenen, elektronischen Bauelemente wie z. B. Sensoren oder Sicherheitseinrichtungen, zunächst außer Funktion. Dies ist jedoch irrelevant, wenn die Wandler diejenigen Sensoren bzw. Sicherheitseinrichtungen mit Energie versorgen, die nicht von Anfang an benötigt werden. Ein Sensor zur Bestimmung der Öltemperatur beispielsweise ist erst während des Betriebs wichtig, da sich das Öl auch erst im Laufe der Zeit erwärmt.Since the converters only deliver energy when the power transformer is in operation, the operated electronic components such. As sensors or safety devices, initially out of function. However, this is irrelevant if the transducers power those sensors or safety devices that are not needed from the start. A sensor for determining the oil temperature, for example, is important only during operation, since the oil also heats up over time.

Bei einer vorliegenden Notwendigkeit, kann ein vorgeladener Energiespeicher z. B. ein Lithium-Ionen-Akku oder ein Kondensator mit dem Wandler und dem Sensor oder der Sicherheitseinrichtung kombiniert werden. Diese Kombination hätte den Vorteil, dass vor der Inbetriebnahme und nach einem Ausfall des Leistungstransformators die Sensoren eine gewisse Zeit vor- und nachher funktionieren würden.In a present need, a pre-charged energy storage z. As a lithium-ion battery or a capacitor with the transducer and the sensor or the safety device can be combined. This combination would have the advantage that before commissioning and after a power transformer failure, the sensors would operate for some time before and after.

Die Figur zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Leistungstransformator 1 mit elektronischen Bauelementen. An der Außenwand 2 befindet sich u. a. ein Temperatursensor 3, ein Laststrommesser 4 und eine Antriebseinheit 5, die einen im Inneren angeordneten Laststufenschalter 6 antreibt. Im oberen Bereich sind ein Buchholzrelais 7 und zwei Luftentfeuchter 8 angebracht. Der Ausschnitt 9 zeigt die sich im Inneren des Leistungstransformators 1 befindenden Wicklungen 10 sowie ein angedeutetes Joch 11 das diese umschließt. Im oberen Bereich befinden sich auch Isolatoren 12, durch die der Leistungstransformator 1 mit Hochspannungsleitungen verbunden ist.The figure shows a known from the prior art power transformer 1 with electronic components. On the outside wall 2 Among other things, there is a temperature sensor 3 , a load-flow meter 4 and a drive unit 5 having an on-load tap changer 6 drives. In the upper area are a Buchholz relay 7 and two dehumidifiers 8th appropriate. The cutout 9 shows inside the power transformer 1 located windings 10 as well as an indicated yoke 11 that encloses this. In the upper area there are also isolators 12 through which the power transformer 1 connected to power lines.

Wie bereits erwähnt, sind die Wandler 13 an der Außenwand 2 angebracht und mit den jeweiligen Sensoren oder Sicherheitseinrichtungen verbunden. Vorteilhafterweise sind diese in unmittelbarer Nähe angebracht. Es wäre aber auch möglich die Wandler 13 in Verbindung mit den Sensoren oder Sicherheitseinrichtungen als eine Einheit zu gestalten. Das Anbringen eines Wandlers 13 im Inneren des Transformators wäre ebenfalls denkbar, würde jedoch eine besondere Abschirmung gegenüber den Wicklungen 10 erfordern.As already mentioned, the transducers are 13 on the outside wall 2 attached and connected to the respective sensors or safety devices. Advantageously, these are mounted in the immediate vicinity. But it would also be possible the converter 13 in conjunction with the sensors or safety devices as a unit. Attaching a transducer 13 inside the transformer would also be conceivable, but would have a special shielding against the windings 10 require.

Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist die Tatsache, dass die mechanischen Schwingungen, verursacht durch die Magnetostriktion, die eigentlich als verloren gegangene Energie auftreten, sinnvoll genutzt werden. Das gesamte System „Leistungstransformator” erhöht somit den Wirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die von den Wandlern rückgewonnene Energie gleich wieder verwendet wird, um die elektronischen Bauelemente zu betreiben. Das bedeutendste Merkmal ist jedoch, dass die Spannungsversorgung der elektronischen Bauelemente nicht mehr über lange Kabel zu entfernten Spannungsquellen erfolgen muss. Die Wandler können in unmittelbarer Nähe der elektronischen Bauelemente angeordnet oder sogar mit integriert werden. Kompliziertes Verdrahten bei der Installation sowie die Abhängigkeit von einer Niederspannungsversorgung werden erheblich reduziert.Particularly advantageous in the invention is the fact that the mechanical vibrations caused by the magnetostriction, which actually occur as lost energy, are used meaningfully. The entire system "power transformer" thus increases the efficiency. Another advantage is that the energy recovered from the transducers is immediately reused to power the electronic components. The most significant feature, however, is that the power supply to the electronic components no longer has to be via long cables to remote voltage sources. The transducers can be arranged in the immediate vicinity of the electronic components or even integrated with it. Complex wiring during installation and dependence on a low-voltage power supply are considerably reduced.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4214431 C2 [0002]
WO 2008080820 A1 [0007, 0009]
US 20100084947 A1 [0011]

Claims

Power transformer with electronic components, characterized in that at least one converter ( 13 ) is provided for energy recovery and that the at least one converter ( 13 ) can be used as power supply for electronic components.

Power transformer with electronic components according to claim 1, characterized in that the at least one transducer ( 13 ) the principle of magnetic induction for energy recovery nutz.

Power transformer with electronic components according to claim 1, characterized in that the at least one transducer ( 13 ) uses the principle of piezoelectricity for energy production.

Power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 3, characterized in that a Buchholz relay ( 7 ), a temperature sensor ( 3 ), a dehumidifier ( 8th ) or a gas-in-oil sensor with the at least one transducer ( 13 ) is operated.

Power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 4, characterized in that the at least one transducer ( 13 ) is connected to an energy storage device, in particular a lithium-ion battery or a capacitor.

Power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one transducer ( 13 ) on an outer wall ( 2 ) or an inner wall of a power transformer is arranged.

Power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 6, characterized in that a plurality of transducers ( 13 ) are connected in parallel or in series.