DE4312764A1 - Detektionsvorrichtung zum Erkennen der Remanenzlage des Kernes eines Transformators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung mit einem Sensor zum Erkennen der Remanenzlage des Kernes eines Transformators, insbesondere zum Erkennen der Remanenzlage eines zum Einschalten mittels einer Phasen­ steuerschaltung mit Spannungsabschnitten beaufschlag­ baren Transformators, wobei die Phasensteuerschaltung mit dem Ausgangssignal eines Komparators, das nach Überschreiten eines durch die Detektionsvorrichtung aufgenommenen Schwellenwertes auftritt, zum Schalten in die Betriebsphase beaufschlagbar ist.

Eine derartige Detektionsvorrichtung ist aus der DE 40 19 592 bekannt. Sie besteht aus einem in Reihe in den Primärkreis des Transformators geschalteten Widerstand und einem Spannungsverstärker. Diese Detektions­ vorrichtung ist der Teil einer den Einschaltstromstoß begrenzenden Einschaltvorrichtung, bei der über den in dem Primärkreis des Transformators während des Ein­ schaltvorganges fließenden Strom die Remanenzlage des Kernes des Transformators bestimmbar ist. Der in dem Primärkreis des Transformators im Spannungsnulldurchgang über den Widerstand fließende Strom erzeugt an dem Widerstand einen zu dem Strom proportionalen Spannungs­ abfall, der ein Maß für die Remanenzlage des Kernes ist. Der Spannungsabfall beaufschlagt über den Spannungs­ verstärker einen Eingang eines Komparators, dessen nach dem Überschreiten eines voreingestellten Schwellenwertes an dem Signaleingang auftretendes Ausgangssignal zum Schalten in die Betriebsphase führt.

In der PCT/DE91/00216 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zum stromstoßlosen Einschalten eines Transformators wenigstens der Blindstrom im Laststromkreis als Maß für die Remanenzlage des Kernes gemessen wird und nach Erreichen eines Blindstromschwellenwertes Schaltvorgänge ausgelöst werden. In einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird ebenfalls die über einen in Reihe in den Primärkreis des Transformators geschalteten Wider­ stand abfallende, zu dem Blindstrom proportionale Span­ nung als Maß für die Remanenzlage des Kernes verwendet.

In einer weiteren Ausführungsform finden zwei über Kreuz an dem Widerstand geschaltete Spannungsverstärker Ver­ wendung.

Die in den beiden vorgenannten Druckschriften beschrie­ bene Bestimmung der Remanenzlage des Kernes über den Spannungsabfall an einem in den Primärkreis geschalteten Widerstand findet vorteilhafterweise bei Transformatoren mit verhältnismäßig kleinen Primärströmen Verwendung.

Insbesondere bei großen Transformatoren erweist sich jedoch die Messung von großen, in den Primärkreis des Transformators fließenden Strömen als problematisch.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß es wünschenswert wäre, möglichst frühzeitig nach dem Einlaufen des Kernes in den Sättigungsbereich in die Betriebsphase schalten zu können. Dies ist jedoch mit den bekannten Strommeßvor­ richtungen mitunter problematisch, da sich der Strom aus einem relativ hohen Wirkstromanteil und einem im Sätti­ gungsbereich zunehmenden Blindstromanteil zusammensetzt, die nur aufwendig voneinander trennbar sind und die Dynamik des das Schalten in die Betriebsphase auslösen­ den Meßsignales herabsetzen. Schließlich führt der in den Primärkreis als Stromwandler geschaltete ohmsche Widerstand zu in der Regel kleinen, aber dennoch uner­ wünschten Leistungsverlusten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Detektionsvorrichtung zur Bestimmung der Remanenzlage des Kernes eines Trans­ formators zu schaffen, die auch im Fall von großen Strömen in dem Primärkreis des Transformators ohne Leistungsverluste ein für die Remanenzlage des Kernes charakteristisches Meßsignal hoher Dynamik liefert, mit dem frühzeitig nach dem Einlaufen des Kernes in den Sättigungsbereich Schaltvorgänge auslösbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit einer im Bereich des Transformators angeordneten Spule das durch den Transformator erzeugte elektromagne­ tische Streufeld detektierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls dadurch gelöst, daß mit einem im Bereich des Transformators angeordneten akustischen Schallsensor das durch den Transformator erzeugte Schallfeld detektierbar ist.

Durch die Detektion von direkt durch den Transformator hervorgerufenen Feldern ist es möglich, die Remanenzlage des Kernes ohne einen schaltungstechnischen Eingriff in den Primärkreis des Transformators zu bestimmen. Die aufwendige Messung von großen Strömen sowie das Auf­ treten von Leistungsverlusten ist somit vermieden. Weiterhin zeigen die Feldgrößen mit hoher Dynamik das Einlaufen des Kernes in die Sättigung an, so daß Schalt­ vorgänge frühzeitig auslösbar sind.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor eine Spule, mit der das von dem Transformator abge­ strahlte elektromagnetische Streufeld detektierbar ist. Im Sättigungsbereich des Transformators steigt die Stärke des Streufeldes sehr stark an, so daß das Aus­ gangssignal der Spule bei einem Betrieb des Transforma­ tors im Sättigungsbereich des Kernes ebenfalls sehr hoch ist. Über einen Komparator ist das Ausgangssignal der Spule mit einem voreingestellten Schwellenwert ver­ gleichbar, so daß nach Überschreiten des Schwellenwertes mit dem Ausgangssignal des Komparators weitere Schalt­ vorgänge, insbesondere das Schalten in die Betriebsphase bei Verwendung einer mit einer Phasensteuerschaltung ausgestatteten Vorrichtung zum stromstoßlosen Einschal­ ten, auslösbar sind.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein akustischer Schallsensor. Mit dem akustischen Schallsensor ist die Amplitude des von dem Kern abge­ strahlten, magnetostriktiv erzeugten Schallfeldes, des sogenannten Körperschalls, detektierbar, die im Sätti­ gungsbereich des Kernes stark zunimmt. Auch hier sind nach Überschreiten eines voreingestellten Schwellen­ wertes weitere Schaltvorgänge auslösbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgen­ den Figurenbeschreibung. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Anordnung und das Block­ schaltbild einer Detektionsvorrichtung mit einer Streufeldspule und

Fig. 2 den Verlauf des durch die Streufeldspule erzeugten und zum Ansteuern der Phasen­ steuerschaltung verwendeten, verstärkten Ausgangssignals.

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Ringkerntransformator 1, dessen Kern 2 in einer Aussparung zur Verdeutlichung freigelegt ist. Eine Streufeldspule 3 ist im Bereich des Ringkerntransformators 1 angeordnet. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel ist die Streufeldspule 3 so angeordnet, daß ihre durch den Pfeil 4 angezeigte Längsachse in Richtung des Radius des Wicklungstorus 5 des Ringkern­ transformators 1 ausgerichtet ist. Die beiden Enden der Streufeldspule 3 sind an die Eingänge eines Verstärkers 6 angeschlossen.

Der Primärkreis 7 des Ringkerntransformators 1 ist an den Phasenleiter 8 und Nulleiter 9 einer Versorgungs­ wechselspannung angeschlossen. In dem Primärkreis 7 ist ein Triac 10 geschaltet, der über eine Schaltleitung 11 mittels einer Phasensteuerschaltung 12 schaltbar ist. In dem Sekundärkreis 13 des Ringkerntransformators 1 ist ein Verbraucher 14 geschaltet.

Die Phasensteuerschaltung 12 ist in diesem Ausführungs­ beispiel mit Bauelementen aus der DE 40 19 592 aufge­ baut. Nach Schließen eines zwischen einem Netzgerät 15 und dem Phasenleiter 8 gelegten Schalter 16 ist die Phasensteuerschaltung 12 mit Spannung versorgt und der Ringkerntransformator 1 durch Schaltimpulse auf den Triac 10 über die Schaltleitung 11 mit unipolaren Span­ nungsabschnitten zum Einstellen der Remanenz seines Kernes 2 beaufschlagbar.

Mit der Streufeldspule 3 ist das von dem Ringkerntrans­ formator 1 abgestrahlte elektromagnetische Streufeld detektierbar. Das Ausgangssignal der Streufeldspule 3 ist mit einem ebenfalls an die Ausgangsspannung des Netzgerätes 15 gelegten Verstärker 6 verstärkbar und liegt über einen Filter 17 zum Abtrennen von nicht durch den Transformator 1 hervorgerufenen Meßsignalen sowie hochfrequenter Komponenten an dem Signaleingang 18 eines Komparators 19 an. An dem Referenzeingang 20 liegt die Mittelspannung eines einstellbaren Spannungsteilers 21 an. Sowohl der Komparator 19 wie auch der in diesem Ausführungsbeispiel als Potentiometer vorgesehene Span­ nungsteiler 21 sind von der Ausgangsspannung des Netz­ gerätes 15 beaufschlagt.

Das Ausgangssignal des Komparators 19 tritt dann auf, wenn der Pegel an dem Signaleingang 18 größer als der Pegel an dem Referenzeingang 20 ist. Übersteigt somit das verstärkte und gefilterte Ausgangssignal der Streu­ feldspule 3 den durch den an dem Referenzeingang 20 als Schwellenwert wirkenden Pegel, ist durch das Ausgangs­ signal des Komparators 19 der Triac 10 über ein Dauer- Ein-Signal aus der Phasensteuerschaltung 12 auf den Triac 10 zum Beginn einer zu den bisher auf den Trans­ formator gegebenen Spannungen gegenpoligen Netzhalbwelle dauerhaft schließbar. Der Ringkerntransformator 1 befin­ det sich somit in der stationären Betriebsphase.

Da das elektromagnetische Streufeld des Ringkerntrans­ formators 1 nach dem Übergang des Kernes 2 in den Sätti­ gungsbereich durch ansteigende Blindströme sehr stark zunimmt, ist der Schwellenwert auf einen etwa dem dop­ pelten Streufeldwert in der Wirkstromphase entsprechen­ den Pegel setzbar. Im Falle von störenden, nicht durch den Ringkerntransformator 1 verursachten Störstreu­ feldern ist es vorteilhaft, den Schwellenwert auf einen etwa der fünffachen Streufeldstärke gegenüber der Wirk­ stromphase herrschenden Pegel einzustellen.

In der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist als Sensor ein akustischer Schallsensor vorgesehen, mit dem bei einem Übergang des Kernes 2 in den Sättigungsbereich die sehr stark anwachsende Amplitude des durch Magne­ tostriktion hervorgerufenen Schallfeldes, des sogenann­ ten Körperschalles, detektierbar ist. Der akustische Schallsensor in Form eines Mikrofons ersetzt in dem Blockschaltbild der Fig. 1 die Streufeldspule 3. Nach Überschreiten eines dem etwa zweifachen bis fünffachen Wert der Amplitude des Körperschalls gegenüber der Wirkstromphase entsprechenden Pegels an dem Signalein­ gang 18 des Komparators 19 ist der Ringkerntransformator 1 in die Betriebsphase schaltbar.

In der Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie der Ringkerntransformator 1 der Fig. 1 mittels des Ausgangs­ signales der Streufeldspule 3 mit der Phasensteuer­ schaltung 12 von einer Remanenzsetzphase 22, 22′ in die Betriebsphase 23 schaltbar ist. Die oberste Kurve 24 zeigt die Spannung des Phasenleiters 8 bezüglich der als gerade Linie 25 dargestellten Spannung des Nulleiters 9.

Die mittlere Kurve 26 zeigt den an dem Signaleingang 18 des Komparators 19 anliegenden Pegel des aus der Streu­ feldspule 3 stammenden, verstärkten und gefilterten Meßsignales, der dem Ausgangssignal der Streufeldspule 3 im wesentlichen proportional ist. Die unterste Kurve 27 stellt den Stromfluß in dem Primärkreis 7 dar.

Nach dem Schließen des Schalters 16 an einem Startzeit­ punkt 29 ist in der Remanenzsetzphase 22, 22′ ist der Ringkerntransformator 1 über die Phasensteuerschaltung 12 und den Triac 10 mit unipolaren Spannungsabschnitten der Versorgungswechselspannung mit vorbestimmter Dauer beaufschlagbar. Durch die unipolaren Spannungsabschnitte treten in dem Primärkreis 7 in der Wirkstromphase 22 zuerst kleine, im wesentlichen aus Wirkstromanteilen bestehende Stromimpulse 28 gleicher Richtung auf. Mit dem Einlaufen des Kernes 2 in den Sättigungsbereich zu dem Sättigungszeitpunkt 30 kommt zu den Stromimpulsen 28 in der Blindstromphase 22′ ein wachsender Blindstrom­ anteil hinzu.

Bis zu dem Sättigungszeitpunkt 30 zeigt die der Inten­ sität des elektromagnetischen Streufeldes entsprechende Kurve 26 in der Wirkstromphase 22 verhältnismäßig kleine Meßwerte, die jedoch ab dem Sättigungszeitpunkt 30 in der Blindstromphase 22′ stark zunehmen. Nach Erreichen eines mit dem Spannungsteiler 21 voreingestellten Schwellenwertes 31 ist durch das nunmehr auftretende Ausgangssignal des Komparators 19 der Ringkerntrans­ formator 1 in die stationäre Betriebsphase 23 schaltbar.

Nun beginnt der in der Kurve 27 in der Betriebsphase 23 dargestellte oszillierende Nennstrom zu fließen, der kleinere Maximalwerte als der am Ende der Blindstrom­ phase 22′ geflossene Blind- und Wirkstrom hat. Die Kurve 26 zeigt dementsprechend nach einer durch die Trägheit des Verstärkers 6 hervorgerufene Verzögerungszeit eine wieder abnehmende Intensität des elektromagnetischen Streufeldes.

Die Fig. 2 zeigt weiterhin, daß in der die Amplitude des elektromagnetische Streufeldes darstellende Kurve 26 das Verhältnis des Meßsignales beim Erreichen des Schwellen­ wertes 31 in der Blindstromphase 22′ zu dem gemittelten Meßsignal vor dem Sättigungszeitpunkt 30 in der Wirk­ stromphase 22 etwa 9 : 1 beträgt, während in der die in dem Primärkreis 7 fließenden Ströme darstellenden Kurve 27 das Verhältnis der Höhe des höchsten Strompulses 28 nach dem Sättigungszeitpunkt 30 in der Blindstromphase 22′ zu der mittleren Höhe der Strompulse 28 vor dem Sättigungszeitpunkt 30 in der Wirkstromphase 22 etwa 4 : 1 beträgt. Somit ist die Dynamik des zu dem Dauerein­ schalten nutzbaren Signals bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung etwa doppelt so hoch wie bei der direkten Strommessung.

Claims (6)

1. Detektionsvorrichtung mit einem Sensor zum Erkennen der Remanenzlage des Kernes (2) eines Transformators (1), insbesondere zum Erkennen der Remanenzlage eines zum Einschalten mittels einer Phasensteuer­ schaltung (12) mit Spannungsabschnitten beaufschlag­ baren Transformators (1), wobei die Phasensteuer­ schaltung (12) mit dem Ausgangssignal eines Kom­ parators (19), das nach Überschreiten eines durch die Detektionsvorrichtung auf genommenen Schwellen­ wertes auftritt, zum Schalten in die Betriebsphase (23) beaufschlagbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit einer im Bereich des Transformators (1) angeordneten Spule (3) das durch den Transformator (1) erzeugte elektromagneti­ sche Streufeld detektierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (4) der Spule (3) im Bereich der stärksten Amplitude in Richtung des elektromagneti­ schen Streufeldes ausgerichtet ist.

3. Detektionsvorrichtung mit einem Sensor zum Erkennen der Remanenzlage des Kernes (2) eines Transformators (1), insbesondere zum Erkennen der Remanenzlage eines zum Einschalten mittels einer Phasensteuer­ schaltung (12) mit Spannungsabschnitten beaufschlag­ baren Transformators (1), wobei die Phasensteuer­ schaltung (12) mit dem Ausgangssignal eines Kom­ parators (19), das nach Überschreiten eines durch die Detektionsvorrichtung aufgenommenen Schwellen­ wertes auftritt, zum Schalten in die Betriebsphase (23) beaufschlagbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit einem im Bereich des Transformators (1) angeordneten akustischen Schallsensor das durch den Transformator (1) er­ zeugte Schallfeld detektierbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Schallsensor ein Mikrofon ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgangssignal (26) des Sensors (3) über einen Verstärker (6) und Filter (17) ein Eingang (18) eines Komparators (19) beaufschlagbar ist, dessen zweiter Eingang (20) mit einem Referenzsignal beaufschlagbar ist, das einen Schwellenwert (31) festlegt, nach dessen Überschrei­ ten durch das am Eingang (18) anliegenden Ausgangs­ signales (18) ein Komparatorausgangssignal auftritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (31) im wesentlichen dem zweifachen und höchstens im wesentlichen dem fünf­ fachen Wert des durch den Sensor (3) aufgenommenen Meßwertes in der Wirkstromphase (22) des Transforma­ tors (1) entspricht.