DE102005047548A1

DE102005047548A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines durch eine Induktivität fließenden Laststromes

Info

Publication number: DE102005047548A1
Application number: DE200510047548
Authority: DE
Inventors: Ralf Cordes; Jürgen RUPP; Gerd Dr. Griepentrog
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-02-15

Abstract

Bei einer Induktivität, die über einen Übertrager gespeist wird, soll der Laststrom gemessen werden. Hierbei befindet sich die Induktivität in einem Tieftemperaturbereich oder auf rotierender Welle, so dass die Erfassung des Laststromes mit entsprechendem Aufwand verbunden ist. Gemäß der Erfindung erfolgt die Messung auf der Primärseite des Übertragers, wobei die primärseitige Spannung und Strom erfasst werden und daraus der sekundärseitige Strom bestimmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines durch eine Spule oder Induktivität fließenden Laststromes, wobei die Induktivität über einen Transformator oder Übertrager und einen nachgeschalteten Gleichrichters gespeist wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Letztere Vorrichtung ist vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, auf die Messung des Stromes in supraleitenden Spulen, z. B. für Magnete von Kernspintomographen oder Synchronmaschinen mit supraleitender Polradinduktivität gerichtet. Dabei ist eine Erregereinrichtung für supraleitende Spulen vorhanden, welche einen Tieftemperaturbereich mit einer für die Supraleitung geeigneten Temperatur und einen warmen Bereich mit Umgebungstemperatur enthält, wobei im warmen Bereich eine Stromversorgung und ein Wechselrichter vorhanden sind.
Speziell für supraleitende Erregerwicklungen, bei denen der Strom gezielt auf- und abgebaut werden muss, ist eine Erregereinrichtung bestehend aus Inverter, Übertrager und Synchrongleichrichter geeignet, wie sie beispielsweise aus einer parallelen Anmeldung der Anmelderin mit gleicher Anmeldepriorität bekannt ist. Um den Strom in der supraleitenden Wicklung regeln zu können, muss insbesondere dessen Istwert erfasst werden. Wenn der Sekundärkreis komplett im kalten Bereich der supraleitenden Anordnung liegt und der Strom direkt auf der Sekundärseite gemessen werden soll, ist dabei besonderes Augenmerk auf die Verwendung elektronischer Bauelemente und auf die verursachte Verlustleistung zu legen.
Eine andere Anwendung ergibt sich bei der Messung eines durch rotierende Induktivitäten fließenden Laststromes, wobei die Erregereinrichtung, bestehend aus einem primärseitigen Wech selrichter, einem Übertrager und einem sekundärseitigen Gleichrichter, insbesondere der Übertragung elektrischer Leistung vom feststehenden Bereich auf den rotierenden Bereich dient.
Da der Laststrom ein veränderlicher Gleichstrom ist, sind folgende Messmethoden vom Stand der Technik bekannt:

– Messen des Spannungsabfalls an einem Shunt im Sekundärkreis
– Messung des magnetischen Feldes um den Leiter, zumeist mit Stromsensoren nach dem Kompensationsprinzip.

Die erste Methode hat den Nachteil, dass zusätzliche Verluste verursacht werden. Die zweite Methode ist im vorliegenden Fall nicht praktikabel, weil die handelsüblichen Sensoren insbesondere nicht für den Betrieb im Tieftemperaturbereich spezifiziert sind oder insbesondere unter der Einwirkung von Fremdmagnetfeldern nicht funktionieren. Darüber hinaus wäre aus bei beiden Methoden erforderlich, den Strommesswert aus dem kalten Bereich in den warmen Beriech zu übertragen.
Insbesondere zur Messung des durch rotierende Induktivitäten fließenden Laststromes müsste der Strommesswert vom rotierenden auf den feststehenden Bereich übertragen werden, was mit entsprechendem Aufwand wie z. B. einer Telemetrieeinrichtung verbunden ist.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Messung des Laststromes anzugeben und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.
Die Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige erfindungsgemäße Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruches 9. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist die indirekte Bestimmung des Stromes durch eine Last, insbesondere eine Induktivität, die über einen Übertrager betrieben wird, wobei eine direkte Messung des Stromes nicht oder nur schwer möglich ist. Dies gilt insbesondere für solche Anwendungen, bei denen die Last in einem unzugänglichen Bereich, z. B. einem Kryostaten oder auf einer rotierenden Welle, angebracht ist.
Bei Anordnung einer supraleitenden Induktivität in einem Kryostaten ist es vorteilhaft, die zur Er- und Entregung notwendige elektrische Leitung auf einem hohen Spannungsniveau zuzuführen und damit die zwischen dem warmen und dem kalten Bereich fließenden elektrischen Ströme gering zu halten. Hierdurch können elektrische Leitungen geringeren Querschnitts verwendet werden, was den Eintrag von Wärme in den Kryostaten und damit die Verlustleistung reduziert. In diesem Fall ist es allerdings erforderlich, die hohe Spannung innerhalb Kryostaten auf ein für die supraleitende Induktivität notwendiges Niveau abzusenken. Hierfür werden üblicherweise im Kryostaten Übertrager mit nachgeschaltetem Gleichrichter angeordnet. Dabei ist jedoch eine direkte Messung des Laststromes erschwert, weil der Messwert vom kalten in den warmen Bereich übertragen werden müsste. Aus den genannten Gründen ist es vorteilhaft, den Laststrom indirekt aus dem primärseitigen Strom des Übertragers im warmen Bereich zu bestimmen. Hierzu ist eine primärseitige Messung von elektrischen Größen ausreichend.
Wenn das Prinzip der primärseitigen Messung in einen rotierenden Übertrager eingesetzt wird, kann die Datenübertragung der Strommesswerte vom rotierenden auf den feststehenden Teil entfallen. Dadurch kann die Anzahl von rotierenden Bauelementen verringert und ggf. auf den Einsatz einer Telemetrieeinrichtung zur Übertragung des Messwerte vom rotierenden Bereich auf den feststehenden Bereich verzichtet sowie die Dynamik der Laststromregelung gleichermaßen erhöht werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Messung eines Magnetisierungsstromes einer Erregereinrichtung für eine elektrische Maschine,
2 ein Blockschaltbild entsprechend 1 für eine Maschine mit supraleitender Spule, und die
3 bis 6 Zeitablaufdiagramme für die Primärspannung, den Primärstrom, den Magnetisierungsstrom und den Absolutwert des Primärstromes.
Gleiche Einheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Insbesondere die 3 bis 6 werden gemeinsam beschrieben und gelten alternativ für das Beispiel der 1 oder der 2.
Für elektrische Maschinen mit drehenden Teilen ist eine Erregereinrichtung notwendig. Üblicherweise wird dafür ein Übertrager verwendet, mit dem induktiv die Energie bzw. die Leistung von einem feststehenden Bereich auf einen rotierenden Bereich übertragen wird. Dafür werden Ströme bzw. Spannungen vergleichsweise hoher Frequenz verwendet, die im rotierenden Bereich gleichgerichtet werden.
In 1 ist eine Stromversorgung 1 mit einem nachfolgenden Gleichrichter 2 vorhanden, von denen ein Primärstrom I_prim auf einen Übertrager 3 gegeben wird. Auf der Sekundärseite des Übertragers 3 wird der Sekundärstrom I_sek auf einen Gleichrichter 4 gegeben und speist dann nachfolgend eine Spule 10 als Erregerinduktivität. Die Sekundärseite des Übertragers 3 einschließlich Gleichrichter 4 und Induktivität 10 ist gegenüber der Primärseite rotierend ausgebildet.
Zur Erregung der Induktivität 10 wird ein Laststrom definiert, der dem Strom durch die Spule entspricht. Zur Gewähr leistung dieses Laststromes muss ein Magnetisierungsstrom für den Übertrager 3 generiert werden.
In 2 ist entsprechend 1 die Stromversorgung mit 1, der zugehörige Wechselrichter mit 2, ein Spannungs-Übertrager mit 5 und der Gleichrichter mit 4 bezeichnet. In diesem Fall ist eine supraleitende Last aus einem HTS(High Temperature Superconductor)-Material als Erregerinduktivität 10 gebildet.
Stromversorgung 1 und Wechselrichter 2 befinden sich im warmen Bereich I, der Übertrager 5, der Gleichrichter 4 und die Erregerinduktivität im kalten Bereich II mit einer für die Supraleitung geeigneten Temperatur. Es ist ein Kryostat 20 angedeutet.
Es soll ein Messverfahren zur indirekten Erfassung des Sekundärstromes und damit – bis auf das Vorzeichen – identischen Laststromes über eine Messung auf der Primärseite des Übertragers angegeben werden.
Das Messverfahren zur indirekten Erfassung des Sekundärstromes I_sek und damit des bis auf das Vorzeichen identischen Laststromes erfolgt über eine Messung auf der Primärseite des Übertragers 3. Dazu sind ein Strommessgerät 7 und ein Spannungsmessgerät 8 vorhanden.
Die Erregereinrichtung hat die in 1 bzw. 2 dargestellte Struktur. Der Sekundärstrom I_sek fließt über den Gleichrichter 4. Der Primärstrom I_prim des Übertragers 3 besteht aus der Superposition von Magnetisierungsstrom des Übertragers und dem durch das Übersetzungsverhältnis des Übertragers transformierten Laststrom. Beide Ströme müssen diskriminiert werden. Dies geschieht durch Betrags- und Mittelwertbildung.
Das hier verwendete Verfahren macht sich den Umstand zu Nutze, dass sich der Primärstrom zusammensetzt aus dem mit dem Windungsverhältnis umgerechneten Sekundärstrom und dem Magnetisierungsstrom des Übertragers. Der Magnetisierungsstrom kann entweder berechnet oder messtechnisch bestimmt werden.
a) Berechnung:
Unter der Voraussetzung, dass die Hauptinduktivität L_H des Übertragers zeitlich konstant und bekannt ist, kann der Magnetisierungsstrom nach
berechnet werden. Im Normalfall, bei primärseitiger Speisung des Übertragers mit einer Rechteckspannung der Amplitude Û (und angenähert konstantem Sekundärstrom), folgt der Stromverlauf der abschnittweise linearen Funktion.
wobei I_mag(t) einen dreieckförmigen Verlauf aufweist und im eingeschwungenen Zustand bei Erregung mit einer mittelwertfreien Spannung ebenfalls mittelwertfrei ist.
Somit kann der Primärstrom ermittelt werden und der berechnete Magnetisierungsstrom abgezogen, um den Sekundärstrom zu erhalten.
b) Direkte Messung:
Der Magnetisierungsstrom kann auch messtechnisch erfasst werden, was vor allem dann vorteilhaft ist, wenn die Hauptinduktivität nicht genau bekannt oder zeitveränderlich ist, was z.B. durch einen veränderlichen Luftspalt bei rotierendem Übertrager gegeben sein kann. Die Hauptinduktivität wird dann dadurch gemessen, indem die Induktivität im Leerlauf betrieben wird, also vom Übertrager getrennt ist, so dass ausschließlich ein Magnetisierungsstrom des Übertragers fließt.
Die Berücksichtigung des gemessenen Magnetisierungsstromes I_mag kann bei der anschließenden Messung des Gesamtstromes wie beim Fall a) abgezogen werden, um den Sekundärstrom zu erhalten.
c) Ausfiltern des Magnetisierungsstromes:
Durch geeignete Filterung des Stromsignals kann der Anteil des Magnetisierungsstromes auch direkt eliminiert werden. Dazu wird zunächst der Betrag des Primärstromes I_prim gebildet. Damit entsteht ein Gleichstrom, überlagert von einem etwa sägezahnförmigen Wechselstrom-Anteil. Der Gleichstrom-Anteil, d.h. Mittelwert des Signals stellt den Primärstrom dar, der Wechselstrom-Anteil den Magnetisierungsstrom.
In den 3 bis 6 sind die relevanten Messparameter dargestellt: Speziell 3 zeigt den Verlauf 31 der primärseitigen Spannung und 4 den Verlauf 41 des primärseitigen Stromes. 5 zeigt den Magnetisierungsstrom 51 als einen Bestandteil des Primärstromes 41 und 6 den gleichgerichteten, primärseitigen Strom 61, der dem Absolutwert entspricht.
Wenn der Betrag des Primärstromes gebildet wird, erhält man einen Stromverlauf, dessen Mittelwert gerade dem (umgerechneten) Betragswert des Sekundärstromes und damit dem Laststrom entspricht. Der Wechselanteil entspricht dem Magnetisierungsstrom und kann durch geeignete Filterung entfernt werden, so dass man ein direktes Maß für den Sekundärstrom erhält. Die Filterung kann in bekannter Weise analog oder digital erfolgen.
Insgesamt sind also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Magnetisierungsstromes einer Induktivität innerhalb einer so genannten Erregereinrichtung aufgezeigt. Die Induktivität kann beispielsweise das Polrad einer Synchronmaschine oder auch eine Feldspule darstellen. Insbesondere kann hiermit der Magnetisierungsstrom in einer supraleitenden Spule bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Messung eines durch eine Induktivität fließenden Laststroms, wobei die Induktivität an der Sekundärseite eines Übertragers angeschlossen ist, mit folgenden Maßnahmen: – Es erfolgt eine Messung von Strom (I_prim) und Spannung (U_prim) auf der Primärseite des Übertragers, wobei – die primärseitige Spannung (U_prim) erfasst und daraus der Magnetisierungsstrom des Übertragers bestimmt wird, – aus dem primärseitigen Strom (I_prim) und dem zuvor bestimmten Magnetisierungsstrom des Übertragers wird der Laststrom für die Spule ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierungsstrom des Übertragers nach der Beziehung
berechnet wird, wobei I_mag(t) der Magnetisierungsstrom, t die Zeit, L_H die Magnetisierungsinduktivität des Übertragers, U_prim(τ) die primärseitige Spannung und i₀ der Grundstrom bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierungsstrom nach der Beziehung
berechnet wird, wobei Û den Mittelwert des Absolutwertes der primärseitigen, rechteckförmigen Spannung darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierungsstrom des Übertragers dem Wechselanteil des primärseitigen, gleichgerichteten Stromes entspricht und durch geeignete Filterung des Primärstroms (I_prim) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung analog erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung digital erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in der Anwendung zur Ermittlung des durch eine rotierende Spule fließenden Laststromes, wobei sich die rotierende Spule einschließlich des Übertragers und eines Gleichrichters auf der rotierenden Welle einer elektrischen Maschine befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in der Anwendung zur Ermittlung des durch eine supraleitenden Spule fließenden Laststromes, wobei sich die supraleitende Spule einschließlich des Übertragers und eines Gleichrichters in einem für die Supraleitung auf hinreichender Temperaturniveau befindet.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, mit einem Übertrager zur Übertragung einer elektrischen Leistung aus einem ersten Bereich (I) in einen zweiten Bereich (II) und Mitteln zur Diskriminierung des Magnetisierungsstromes des Übertragers und des Laststromes der Induktivität.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärbereich des Übertragers (3) einschließlich Gleichrichter (4) und Induktivität (5, 25) als rotierende Teile ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 mit einer Erregereinrichtung für supraleitende Spulen, welche einen Tieftemperaturbereich mit einer für die Supraleitung geeigneten Temperatur und ei nem warmen Bereich mit Umgebungstemperatur enthält, wobei im warmen Bereich die Stromversorgung (1) und ein Wechselrichter (2) vorhanden sind und im Tieftemperaturbereich der Übertrager (3) und ein Gleichrichter (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Primärseite des Übertragers (3) ein Strommessgerät vorhanden ist.