WO2013139542A1 - Power transformer with electronic components - Google Patents

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/40—Structural association with built-in electric component, e.g. fuse

Definitions

  • the invention relates to a power transformer with electronic components.
  • a tap changer with a motor drive is known. 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 e.g. a drive motor, position transmitter, microcontroller and a
  • each component requires a power supply.
  • the power supply via a single cable, which connects this with a voltage source arranged in the vicinity realized.
  • Safety devices such as 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, the
  • Buchholz relay is mounted in the upper part of the power transformer, the, externally routed on the housing, wiring to the power source is correspondingly long.
  • 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 coating is exposed to different weather conditions (rain, UV radiation, etc.), open cable parts 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 remotely located voltage sources complicate this additionally. Despite these disadvantages is a power supply of the electronic
  • the object of the invention is to provide a power transformer with electronic
  • WO2008080820A1 a power transformer is known, which consists inter alia of a tank filled with oil. Inside are windings that are arranged around a core. During operation, the primary windings become one
  • the mechanical vibrations can also be done with the help of a piezoelectric
  • Vibratory converter can be used for energy recovery. By directional deformation of a piezoelectric material, dipoles form within the
  • Unit cells The change in the electric fields of all unit cells can be measured in total as a voltage.
  • a transducer is e.g. from US20 00084947A1.
  • 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. Since the transducers only provide power when the power transformer is in operation, the powered electronic components, such as those shown in FIG. Sensors or
  • a pre-charged energy storage such as a lithium-ion battery or a capacitor can be combined with the transducer and the sensor or safety device. This combination would have the advantage of being ahead of the Commissioning and after a failure of the power transformer, the sensors would work for some time before and after.
  • the figure shows a known from the prior art power transformer 1 with electronic components.
  • On the outer wall 2 is u.a. a temperature sensor 3, a load flow meter 4, and a drive unit 5 which drives an on-load stage switch 6 disposed inside.
  • a Buchholz relay 7 In the upper area are a Buchholz relay 7 and two
  • Dehumidifier 8 attached.
  • the section 9 shows the inside of the
  • Power transformer 1 located windings 10 and an indicated yoke 1 1 enclosing this. In the upper area are also insulators 12, through which the power transformer 1 is connected to high voltage power lines.
  • the transducers 13 are mounted on the outer wall 2 and connected to the respective sensors or safety devices. Advantageously, these are mounted in the immediate vicinity. It would also be possible to make the transducers 13 in conjunction with the sensors or safety devices as a unit.
  • 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.

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Abstract

The invention relates to a power transformer with electronic components. The aim of the invention is to arrange the energy supply of the electronic components of a power transformer closer to the components and thus eliminate the disadvantages of a remote voltage supply.

Description

Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen  Power transformer with electronic components
Die Erfindung betrifft einen Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen. Aus der DE4214431 C2 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 The invention relates to a power transformer with electronic components. From DE4214431 C2, a tap changer with a motor drive is known. 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 e.g. a drive motor, position transmitter, microcontroller and a
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. Evaluation. 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 In addition to the motor drive can be found in modern power transformers numerous other electronic components. Among them are numerous
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  Safety devices such as 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, the
Buchholzrelais im oberen Teil des Leistungstransformators angebracht ist, ist die, außen am Gehäuse verlegte, Verkabelung zu der Spannungsquelle dementsprechend lang. Buchholz relay is mounted in the upper part of the power transformer, the, externally routed on the housing, wiring to the power source is correspondingly long.
Diese herkömmliche Art der Spannungsversorgung, nämlich über lange Kabel mit räumlich getrennten Spannungsquellen der elektronischen Bauelemente der This conventional type of power supply, namely over long cables with spatially separated voltage sources of the electronic components of the
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 Kabelsteilen 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 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 coating is exposed to different weather conditions (rain, UV radiation, etc.), open cable parts 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 remotely located voltage sources complicate this additionally. Despite these disadvantages is a power supply of the electronic
Bauelemente notwendig. Components necessary.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungstransformator mit elektronischen The object of the invention is to provide a power transformer with electronic
Bauelementen bereitzustellen, bei dem die Energieversorgung näher an den elektronischen Bauelementen angeordnet ist. To provide 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 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 undesirable in power transformers by one or more transducers
mechanischen Schwingungen in elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Bauelemente umgewandelt werden. 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 mechanical vibrations are converted into electrical energy to power the electronic components. From WO2008080820A1 a power transformer is known, which consists inter alia of a tank filled with oil. Inside are windings that are arranged around a core. During operation, the primary windings become one
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. AC voltage applied. 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 Due to the constantly changing magnetic flux in the core of the power transformer, the so-called magnetostriction occurs. This is the cause of permanent
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 Length changes of the core and the mechanical vibrations caused thereby. These mechanical vibrations are perceived by the whirring noise when in the immediate vicinity of an operating one
Leistungstransformators aufhält. Power transformer stops.
Üblicherweise wird, wie ebenfalls aus der WO2008080820A1 bekannt, versucht, die auftretenden Schwingungen zu neutralisieren. Dies geschieht über unterschiedliche Usually, as also known from WO2008080820A1, trying to neutralize the vibrations occurring. This happens through different ones
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. 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 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. In principle, it is already known to use mechanical vibrations with the help of certain transducers and for energy recovery and thus as a voltage source use. Such converters resort to different physical effects. Among other things, EnOcean GmbH uses energy converters (eg ECO 200), which are essentially composed of a coil and a movable ferromagnetic core. In this case, 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 energy supply of
elektronischen Bauelementen an Leistungstransformatoren wurden solche Wandler nicht verwendet. electronic components on power transformers, such converters were not used.
Die mechanischen Schwingungen können auch mit Hilfe eines piezoelektrischen The mechanical vibrations can also be done with the help of a piezoelectric
Vibrationswandlers für die Energierückgewinnung verwendet werden. Durch gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich Dipole innerhalb der Vibratory converter can be used for energy recovery. By directional deformation of a piezoelectric material, dipoles form within the
Elementarzellen. Die Änderung der elektrischen Felder aller Elementarzellen kann in Summe als Spannung gemessen werden. Ein solcher Wandler ist z.B. aus der US20 00084947A1 bekannt. Unit cells. The change in the electric fields of all unit cells can be measured in total as a voltage. Such a transducer is e.g. from US20 00084947A1.
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. Da die Wandler erst dann Energie liefern, wenn der Leistungstransformator in Betrieb ist, sind die betriebenen, elektronischen Bauelemente wie z.B. Sensoren oder 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. Since the transducers only provide power when the power transformer is in operation, the powered electronic components, such as those shown in FIG. Sensors or
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 Safety devices, initially out of service. 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
beispielsweise ist erst während des Betriebs wichtig, da sich das Öl auch erst im Laufe der Zeit erwärmt. For example, it is only important during operation, as 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 such as a lithium-ion battery or a capacitor can be combined with the transducer and the sensor or safety device. This combination would have the advantage of being ahead of the Commissioning and after a failure of the power transformer, the sensors would work 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 The figure shows a known from the prior art power transformer 1 with electronic components. On the outer wall 2 is u.a. a temperature sensor 3, a load flow meter 4, and a drive unit 5 which drives an on-load stage switch 6 disposed inside. In the upper area are a Buchholz relay 7 and two
Luftentfeuchter 8 angebracht. Der Ausschnitt 9 zeigt die sich im Inneren des Dehumidifier 8 attached. The section 9 shows the inside of the
Leistungstransformators 1 befindenden Wicklungen 10 sowie ein angedeutetes Joch 1 1 das diese umschließt. Im oberen Bereich befinden sich auch Isolatoren 12, durch die der Leistungstransformator 1 mit Hochspannungsleitungen verbunden ist. Power transformer 1 located windings 10 and an indicated yoke 1 1 enclosing this. In the upper area are also insulators 12, through which the power transformer 1 is connected to high voltage 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 As already mentioned, the transducers 13 are mounted on the outer wall 2 and connected to the respective sensors or safety devices. Advantageously, these are mounted in the immediate vicinity. It would also be possible to make the transducers 13 in conjunction with the sensors or safety devices as a unit. The
Anbringen eines Wandlers 13 im Inneren des Transformators wäre ebenfalls denkbar, würde jedoch eine besondere Abschirmung gegenüber den Wicklungen 10 erfordern. Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist die Tatsache, dass die mechanischen Mounting a transducer 13 inside the transformer would also be conceivable, but would require special shielding from the windings 10. Particularly advantageous in the invention is the fact that the mechanical
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.  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.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen, 1 . Power transformer with electronic components,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass mindestens ein Wandler (13) zur Energierückgewinnung vorgesehen ist und dass der mindestens eine Wandler (13) als Energieversorgung für elektronische Bauelemente einsetzbar ist.  in that at least one converter (13) is provided for energy recovery and that the at least one converter (13) can be used as an energy supply for electronic components.
2. Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen nach Anspruch 1 , 2. Power transformer with electronic components according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der mindestens eine Wandler (13) das Prinzip der magnetischen Induktion zur Energierückgewinnung nutz.  that the at least one transducer (13) uses the principle of magnetic induction for energy recovery.
3. Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen nach Anspruch 1 , 3. power transformer with electronic components according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der mindestens eine Wandler (13) das Prinzip der Piezoelektrizität zur Energiegewinnung nutzt.  the at least one converter (13) uses the principle of piezoelectricity for energy generation.
4. Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass ein Buchholzrelais (7), ein Temperatursensor (3), ein Luftentfeuchter (8) oder ein Gas-in-ÖI-Sensor mit dem mindestens einem Wandler (13) betrieben wird.  in that a Buchholz relay (7), a temperature sensor (3), a dehumidifier (8) or a gas-in-oil sensor is operated with the at least one converter (13).
5. Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der mindestens eine Wandler (13) mit einem Energiespeicher, insbesondere einem Lithium-Ionen-Akku oder einem Kondensator verbunden ist.  in that the at least one converter (13) is connected to an energy store, in particular a lithium-ion battery or a capacitor.
6. Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der mindestens eine Wandler (13) an einer Außenwand (2) oder einer  that the at least one transducer (13) on an outer wall (2) or a
Innenwand eines Leistungstransformators angeordnet ist. Inner wall of a power transformer is arranged.
7. Leistungstransformator mit elektronischen Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. A power transformer with electronic components according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass mehrere Wandler (13) parallel oder in Reihe geschaltet sind.  in that a plurality of transducers (13) are connected in parallel or in series.
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