EP2156448A1 - Elektrischer transformator mit gleichfluss-kompensation - Google Patents

Elektrischer transformator mit gleichfluss-kompensation

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EP2156448A1
EP2156448A1 EP07730062A EP07730062A EP2156448A1 EP 2156448 A1 EP2156448 A1 EP 2156448A1 EP 07730062 A EP07730062 A EP 07730062A EP 07730062 A EP07730062 A EP 07730062A EP 2156448 A1 EP2156448 A1 EP 2156448A1
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EP
European Patent Office
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transformer
compensation
core
magnetic field
current
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EP07730062A
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Peter Hamberger
Albert Leikermoser
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens Transformers Austria GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
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    • H01F27/343—Preventing or reducing surge voltages; oscillations
    • H01F27/345—Preventing or reducing surge voltages; oscillations using auxiliary conductors
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • H01F27/385—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings for reducing harmonics

Definitions

  • the invention relates to an electrical transformer with DC compensation.
  • DC component or “DC component”. It is usually only a few parts per thousand of the rated transformer current, but causes in the core of the transformer a magnetic direct flux, which is superimposed on the primary or secondary alternating flux and causes an asymmetrical modulation of the BH characteristic of the ferromagnetic core material. Even a small proportion of direct current can cause a saturation of the core due to the high permeability of the ferromagnetic core material and result in strong distortions of the magnetizing current.
  • the geostationary magnetic field can also contribute to a DC component in the nucleus. The consequence of this asymmetrical modulation are increased magnetic Losses and thus increased heating of the core, as well as magnetization current peaks, which cause an increased emission of operating noise.
  • the undesirable saturation effect could basically be counteracted by increasing the cross section of the magnetic circuit and thus keeping the magnetic flux density B lower, or inserting a (replacement) air gap into the magnetic circuit, as proposed for example in DE 198 54 902 A1.
  • the former leads to an increased construction volume of the transformer, the latter to a larger magnetizing current; both are disadvantageous.
  • actuators are proposed in US 5,726,617 and DE 699 01 596 T2, which excite the oil in a Transformatorgehause so that the fluid pressure waves when operating the transformer from the laminated core and of the transformer windings go out, be weakened.
  • these actuators consume a not inconsiderable amount of energy during operation; they are also prone to failure and exhausting.
  • the invention is based on the idea not to combat the unwanted effects of the bias, but to eliminate their cause.
  • the transformer according to the invention is characterized as follows:
  • the transformer has a soft magnetic core on which in addition to a primary and a secondary winding assembly, a compensation winding assembly is arranged.
  • the compensation winding arrangement is connected to a current control device which, in accordance with a control variable which provides a magnetic field measuring device from a measurement of a magnetic flux linked to a current in the primary or secondary winding arrangement, enters into the compensation winding arrangement
  • the compensation current is fed in such a way that its effect in the core is directed against a magnetic direct flux.
  • the specification of the compensation current in the compensation winding takes place in accordance with a magnetic field measured variable which supplies a magnetic field measuring device.
  • a magnetic field measured variable which supplies a magnetic field measuring device.
  • known magnetic field sensors are suitable, which either measure the field in the core of the transformer, or the stray magnetic field, which closes outside the core via the air path.
  • the basic operating principle of these sensors can be, for example, the induction in a measuring coil, the Hall effect or the magneto-resistive effect.
  • the magnetic field measured variable can also be determined by using a magnetometer (fluxgate or Förster probe). In comparison to an accurate measurement of the DC component (which is much smaller than the rated current, in particular in the case of a large transformer, and is therefore difficult to detect), the metrological outlay for determining the magnetic field measured variable is lower.
  • a preferred embodiment of the invention may be characterized in that the magnetic field measuring device is formed from a signal processing unit that is signal-conducting with at least two magnetic field detectors.
  • the determination of two DC components may be sufficient, since the total flux must be zero.
  • the signal processing unit is set up to determine harmonics from a respective measurement signal provided by the magnetic field detector and to form the control signal therefrom.
  • the harmonic analysis can be done electronically or computer-aided.
  • Even-numbered harmonics are particularly suitable here, in particular the first harmonic (2nd harmonic) whose amplitude is functionally related to the magnetic direct flux which it is to be compensated for.
  • two magnetic field detectors are arranged outside the core so that they detect a leakage flux of the transformer.
  • the stray flux increases very strongly in the case of the magnetic saturation of the core, which is favorable for the determination of the control signal.
  • the magnetic field detector can simply be designed as an induction probe, which detects the leakage flux change and converts it into an electrical measurement signal, from which the even-numbered harmonics, in particular the second harmonic, can be filtered out.
  • the induction probe can be designed as an air coil.
  • the electrical measurement signal from this air-core coil is independent of long-term and temperature drift and is also cost-effective.
  • a blocking circuit (ZB: Reaktanzzweipol) is connected in the current path to the current control device.
  • ZB Reaktanzzweipol
  • a two-pole network for example, formed from an LC parallel circuit that blocks the mains frequency, but hardly represents a resistance with respect to the compensation DC.
  • a favorable spatial arrangement of the magnetic field detector is most easily done by trial or numerical field simulation. Particularly favorable is a measuring location at which the magnetic fields caused by the primary and secondary load currents largely compensate each other. Preferred is an arrangement in which an air coil in a gap formed of an outer peripheral surface of a transformer leg and the concentrically enclosing compensation winding or secondary winding, approximately in the middle leg height, is arranged.
  • a preferred arrangement of the compensation winding may be the yoke in a three-arm transformer or the yoke in a five-arm transformer; As a result, a compensation winding can be retrofitted to an existing transformer in a simple manner.
  • Figure 1 shows a three-phase transformer according to the invention (three-arm transformer) with DC compensation, in which the compensation winding assembly is disposed on the main legs;
  • Figure 2 shows a three-phase transformer according to the invention (three-arm transformer) with DC compensation, in which the compensation winding arrangement is arranged on the yoke;
  • Figure 3 shows a three-phase transformer according to the invention with DC compensation, in which the compensation winding assembly is disposed on a remindInstitutj och;
  • FIG. 4 shows a three-phase transformer according to the invention (five-limb transformer) with DC compensation, in which the compensation winding arrangement is arranged on the main legs;
  • FIG. 5 is a block diagram of the invention
  • FIG. 6 shows a block diagram of a measuring test, for
  • FIG. 7 is a diagram showing the linear relationship as a result of the measurement test according to FIG between DC component and 2nd harmonic at a primary voltage of 6 kV;
  • FIG. 8 shows a diagram which, as a result of the measurement test according to FIG. 6, shows the linear relationship between the DC component and the second harmonic at a primary voltage of 30 kV.
  • FIG. 1 shows an electrical transformer 20 with a housing 7, which has a transformer core 4.
  • the design of the core 4 corresponds to the known three-limb design with three legs 21, 22, 23 and a transverse yoke 32.
  • On each of the legs 21, 22, 23 is as usual a primary winding 1 and a secondary winding. 2
  • a compensating winding 3 is additionally provided on the outer legs 21 and 23.
  • FIG. 1 Drawing of Figure 1 is indicated in the region of the first leg 21 with an arrow 5, a magnetic "DC”.
  • This magnetic "direct current” 5 is assumed to be caused by a “direct current component” (DC component) flowing on the primary side or the secondary side.
  • the “direct flow” can also be interspersed by the earth's magnetic field.
  • direct current or “direct current” is here to be understood a physical quantity, which, seen in time compared to 5o Hz alternating variables, varies only very slowly, if this is the case at all.
  • This magnetic flux 5, which is superimposed on the alternating flux in the leg 21, causes a bias, which is an asymmetrical modulation of the magnetic Material and thus causes an increased noise emission.
  • two controlled current sources 12 and 13 are provided in FIG. These current sources 12, 13 feed each in the sense of a compensation in an associated
  • Compensating winding 3 a compensation current 16 and 17, whose size and direction is such that the magnetic DC flux 5 is compensated in the core 4. (In FIG. 1 this is indicated by an arrow 6 of the same size, opposite to the arrow 5)
  • Adjustment takes place by means of the control signals 14, 15, which are supplied as manipulated variable to the current sources 12 and 13 by means of the lines 9, 10.
  • the control variables 14, 15 provide a signal processing unit 11, which will be explained in more detail below.
  • a magnetic field detector 8 is arranged in each case approximately centrally between the compensation winding 3 and an outer limb 21 or 23 of the core 4.
  • Each of these magnetic field detectors 8 is located outside the magnetic circuit and measures a stray field of the transformer 20. In the stray field, in particular, that half-wave of the magnetizing current emerges significantly, which is controlled to saturation, so that the DC component in the core can be determined well.
  • the measuring signal of the detectors 8 is fed to the signal processing unit 11 by means of the lines 9, 10.
  • the two magnetic field detectors 8 each consist of a measuring coil (several hundred turns, diameter about 25 mm).
  • a measuring coil hundreds of turns, diameter about 25 mm.
  • the sum of the DC components over all legs must be zero.
  • a multiplicity of sensor principles is fundamentally possible for the magnetic field measurement. It is only decisive that a magnetic field characteristic of the transformer is measured, from which the DC component or the DC component can be determined by means of signaling technology and subsequently corrected.
  • FIG. 2 differs from FIG. 1 only in that here the compensation winding arrangement 3 is not arranged on a main leg 21, 22, 23 but on the yoke 32 of the core 4. At each main leg 21, 22, 23 is again in a gap between the core 4 and the secondary winding 2, a magnetic field detector 8 is arranged (here for redundancy reasons a total of three).
  • FIG. 3 shows a five-limb transformer in which a compensation winding 3 is arranged at each return limb 31.
  • the core flux does not split in half when entering the yoke to two sides; Due to the law of continuity, the respective direct flow component flowing back from the return leg 31 must correspond to the direct flow in the main legs 21, 22, 23, so that each return leg 31 carries 1.5 times the DC component.
  • Each leg 21, 22, 23 is again one outside of the
  • Compensating current 16 and 17 can compensate for the DC component in the yoke legs 31.
  • FIG. 4 shows a variant of the exemplary embodiment according to FIG. Here are the compensation windings 3 on the main legs 21, 22 and
  • Each of these compensation windings 3 is again assigned to one of three current control means. The specification of the compensation current takes place as described above by the signal processing unit 11.
  • FIG. 5 shows, in a schematic block diagram, a possible embodiment of the signal processing unit 11, which acts as a DC compensation controller.
  • the signal processing unit 11 determines the second harmonic from the spectrum of the harmonics, which is a direct image of the DC component.
  • a sensor coil 8 detects leakage flux of the transformer 20.
  • the measurement signal of the sensor coil 8 is supplied to a differential amplifier 19.
  • a notch filter notch filter
  • the measurement signal Via a low-pass filter 25 and a bandpass filter 26, the measurement signal is applied to an integrator 27. By integrating, a voltage signal proportional to the magnetic flux change in the measuring coil 8, which is supplied to a very selective bandpass filter 26, is produced Share figures, filter out.
  • This voltage signal passes after a sample-and-hold circuit 28 and a low-pass filter 25 via line 16 to the controlled current source 12 with integrated control device.
  • This current source 12 and control device is connected in a closed circuit 33 with a compensation winding 3. She gives in the Compensation winding 3 before a DC, which counteracts the DC component in the core 4.
  • FIG. 5 also shows an auxiliary winding 29 whose signal is fed to the sample / hold circuit 28 via filters and rectification. It serves in the illustrated circuit for conditioning the scanning signal, so that a phase-related scanning of the second harmonic of
  • the signal processing illustrated in FIG. 5 shows, by way of example only, a possible second harmonic measurement method.
  • the expert expert has a number of analog and digital function blocks available for this purpose.
  • the current control variable 14, 15 could also be obtained by a suitable digital calculation method in a microcomputer or a freely programmable logic device (FPGA), which determines the second harmonic (100 Hz) from the Fourier transform.
  • FIG. 6 shows a test arrangement in which the signal conditioning unit 11 illustrated in FIG. 5 and explained above in the case of a 4 MVA power transformer was used to suppress the relationship between the DC component and the first harmonic (2nd harmonic) To determine real conditions metrologically.
  • the 4 MVA power transformer in this experiment was idle at a primary voltage of 6 KV and 30 KV, respectively.
  • a DC component between 0.2 and 2 A was fed by means of a current source.
  • a magnetic field detector 8 was a sensor coil with 200 turns, which was located outside the core of the transformer and detects the leakage flux.
  • the direct current component (IDC) fed in at the star point is plotted on the ordinate; on the abscissa the rms value of the first harmonic (UlOOHz) is plotted.
  • the diagram in Figure 7 shows the relationship at a primary voltage of 6 KV, the diagram in Figure 8 at a primary voltage of 30 KV effectively.
  • the two diagrams in FIGS. 7 and 8 show that the relationship between the DC component (IDC) and the associated distortion (second harmonic ULOOHz) can be regarded with sufficient accuracy as linear.

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Abstract

200703077 Zusammenfassung Elektrischer Transformator mit Gleichfluss-Kompensation 5 Elektrischer Transformator mit Gleichfluss-Kompensation, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Der Transformator (20) weist einen weichmagnetischen Kern (4) auf, auf dem 10 zusätzlich zu einer primären und einer sekundären Wicklungsanordnung (1, 2) eine Kompensations-Wicklungsanordnung (3) angeordnet ist. b) Die Kompensations-Wicklungsanordnung (3) ist 15 mit einer Strom-Steuereinrichtung (12, 13) verbunden, welche nach Maßgabe eines Steuersignals (14, 15), das eine Magnetfeld- Messeinrichtung (30) aus einer Messung eines mit einem Strom in der primären oder 20 sekundären Wicklungsanordnung verketteten Flusses bereitstellt, in die Kompensations- Wicklungsanordnung (3) einen Kompensationsstrom (16, 17) so einspeist, dass dessen Wirkung im Kern (4) einem 25 magnetischen Gleichfluss (5) entgegen gerichtet ist.

Description

Beschreibung
Elektrischer Transformator mit Gleichfluss-Kompensation
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Transformator mit Gleichfluss-Kompensation .
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass bei einem elektrischen Transformator, der in Verbindung mit einem Stromrichter betrieben wird, auf Grund von Ungenauigkeiten bei der Ansteuerung der Leistungs- Halbleiterschalter, eine Stromkomponente entstehen kann, die sich dem Betriebsstrom des Transformators überlagert. Diese Stromkomponente, die bezüglich des Netzes als Gleichstrom angesehen werden kann, wird im Folgenden auch als
"Gleichstromanteil" oder "DC-Anteil" bezeichnet. Sie beträgt meist nur einige Promille des Transformator-Nennstroms, bewirkt aber im Kern des Transformators einen magnetischen Gleichfluss, der sich dem primären bzw. sekundären Wechselfluss überlagert und eine unsymmetrische Aussteuerung der BH-Kennlinie des ferromagnetischen Kernwerkstoffs bewirkt. Bereits ein geringer Gleichfluss-Anteil kann auf Grund der hohen Permeabilität des ferromagnetischen Kernwerkstoffs eine Sättigung des Kerns hervorrufen und starke Verzerrungen des Magnetisierungsstroms zur Folge haben. Auch das geostationäre Magnetfeld kann zu einem Gleichfluss-Anteil im Kern beitragen. Folge dieser unsymmetrischen Aussteuerung sind erhöhte magnetische Verluste und damit eine erhöhte Erwärmung des Kerns, sowie Magnetisierungs-Stromspitzen, die eine erhöhte Emission von Betriebsgerauschen verursachen.
Dem unerwünschten Sattigungseffekt konnte man grundsatzlich dadurch entgegen treten, indem man den Querschnitt des magnetischen Kreises vergrößert und damit die magnetische Flussdichte B geringer halt, oder in den magnetischen Kreis einen (Ersatz) Luftspalt einfugt, wie beispielsweise in der DE 198 54 902 Al vorgeschlagen. Ersteres fuhrt aber zu einem erhöhten Bauvolumen des Transformators, Letzteres zu einem größeren Magnetisierungsstrom; beides ist von Nachteil.
Um die Gerauschemission eines elektrischen Transformators zu mindern, werden in der US 5,726,617 und in der DE 699 01 596 T2 jeweils Aktuatoren vorgeschlagen, welche das Ol in einem Transformatorgehause so anregen, dass die Fluiddruckwellen, die bei Betrieb des Transformators vom Blechpaket des Kerns und von den Transformator-Wicklungen ausgehen, abgeschwächt werden. Diese Aktuatoren verbrauchen aber bei Betrieb ein nicht unerhebliches Maß an Energie; sie sind außerdem störanfällig und aufwandig.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Transformator zu schaffen, bei dem auf möglichst einfache Weise die durch einen magnetischen Gleichfluss im Kern verursachte Erwärmung des Kerns sowie die Emission von Geräuschen geringer ist. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, nicht die unerwünschten Auswirkungen der Vormagnetisierung zu bekämpfen, sondern deren Ursache zu beseitigen. Der erfindungsgemäße Transformator ist wie folgt gekennzeichnet:
- Der Transformator weist einen weichmagnetischen Kern auf, auf dem zusätzlich zu einer primären und einer sekundären Wicklungsanordnung eine Kompensations-Wicklungsanordnung angeordnet ist.
- Die Kompensations-Wicklungsanordnung ist mit einer Strom- Steuereinrichtung verbunden, welche nach Maßgabe einer Steuergröße, die eine Magnetfeld-Messeinrichtung aus einer Messung eines mit einem Strom in der primären oder sekundären Wicklungsanordnung verketteten magnetischen Flusses bereit stellt, in die Kompensations-Wicklungsanordnung einen
Kompensationsstrom so einspeist, dass dessen Wirkung im Kern einem magnetischen Gleichfluss entgegen gerichtet ist.
Dadurch wird erreicht, dass ein magnetischer Gleichfluss- Anteil im Kern eines Transformators, auf einfache Weise messtechnisch erfasst und durch einen Ausregelungsvorgang kompensiert werden kann. Wenn der Gleichfluss-Anteil eliminiert ist, ist die Aussteuerung der BH-Kennlinie symmetrisch. Der ferromagnetische Werkstoff des Kerns wird nicht mehr in die Sättigung getrieben. Die Magnetostriktion des Werkstoffs ist dadurch geringer, infolgedessen sinkt auch die Emission von Betriebsgeräuschen. Die Transformator- Wicklungen werden weniger stark thermisch belastet, da die magnetischen Verluste und damit die Betriebstemperatur im Kern geringer sind.
Erfindungsgemäß erfolgt die Vorgabe des Kompensationsstroms in der Kompensationswicklung nach Maßgabe einer Magnetfeld- Messgröße, die eine Magnetfeld-Messeinrichtung liefert. Zur Bestimmung der Magnetfeld-Messgröße sind an sich bekannte Magnetfeldsensoren geeignet, die entweder das Feld im Kern des Transformators messen, oder das Streumagnetfeld, das sich außerhalb des Kerns über den Luftweg schließt. Das grundlegende Wirkprinzip dieser Sensoren kann beispielsweise, die Induktion in einer Messspule, der Hall-Effekt oder der magneto-resistive Effekt sein. Die Magnetfeld-Messgröße kann auch durch Verwendung eines Magnetometers (Fluxgate oder Förster-Sonde) ermittelt werden. Im Vergleich zu einer genauen Messung des Gleichstrom-Anteils (der insbesondere bei einem Großtransformator viel kleiner als der Nennstrom ist und daher schwierig zu erfassen ist) , ist der messtechnische Aufwand für die Ermittlung der Magnetfeld-Messgröße geringer.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Magnetfeld-Messeinrichtung aus einer Signalverarbeitungseinheit, die mit zumindest zwei Magnetfeld-Detektoren signalleitend verbunden ist, gebildet ist. Bei einem Dreiphasen-Transformator herkömmlicher Bauart kann die Bestimmung von zwei Gleichfluss-Anteilen genügen, da der Gesamtfluss null ergeben muss.
Mit Vorteil ist die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, aus jeweils einem vom Magnetfeld-Detektor bereitgestellten Messsignal Oberschwingungen zu ermitteln und daraus das Steuersignal zu bilden. Dadurch kann mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand eine, zur Kompensation des Gleichfluss-Anteils geeignete Steuergröße gewonnen werden. Die harmonische Analyse kann elektronisch oder rechnergestützt erfolgen.
Besonders geeignet sind hierbei geradzahlige Harmonische, insbesondere die erste Oberschwingung (2. Harmonische), deren Amplitude mit dem magnetischen Gleichfluss, den es zu kompensieren gilt, funktional zusammenhängt.
Insbesondere bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der zwei Magnetfeld-Detektoren außerhalb des Kerns so angeordnet sind, dass sie einen Streufluss des Transformators erfassen. Der Streufluss steigt im Fall der magnetischen Sättigung des Kerns sehr stark an, was für die Ermittlung des Steuersignals günstig ist.
Der Magnetfeld-Detektor kann einfach als Induktionssonde ausgebildet sein, welche die Streuflussänderung erfasst und in ein elektrisches Messsignal umformt, aus welchem dann die geradzahligen Harmonischen, insbesondere die 2. Harmonische heraus gefiltert werden kann.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Induktionssonde als Luftspule ausgebildet sein. Im Vergleich zu einem Messumformer auf Halbleiterbasis ist das elektrische Messsignal dieser Luftspule unabhängig von Langzeit- und Temperaturdrift und zudem kostengünstig.
Um Auswirkungen des Netzes auf die Kompensationswicklung möglichst gering zu halten, kann es günstig sein, wenn im Strompfad zur Strom-Steuereinrichtung ein Sperrkreis (Z.B.: Reaktanzzweipol) geschaltet ist. Dadurch kann die Spannungsbürde der gesteuerten Stromquelle, die den Kompensationsstrom in die Kompensationswicklung einspeist, gering gehalten werden. Geeignet ist hierfür beispielsweise ein zweipoliges Netzwerk, z.B. gebildet aus einer L-C- Parallelschaltung, das die Netzfrequenz sperrt, bezüglich des Kompensations-Gleichstroms aber kaum einen Widerstand darstellt.
Eine günstige räumliche Anordnung des Magnetfeld-Detektors erfolgt am einfachsten durch Versuch oder numerische Feldsimulation. Insbesondere günstig ist ein Messort, an dem sich die durch die primären und sekundären Lastströme verursachten magnetischen Felder weitgehend kompensieren. Bevorzugt ist eine Anordnung, bei der eine Luftspule in einem Spalt, gebildet aus einer Außenumfangsflache eines Transformator-Schenkels und der konzentrisch umschließenden Kompensations-Wicklung bzw. Sekundärwicklung, etwa in mittlerer Schenkelhöhe, angeordnet ist.
Eine bevorzugte Anordnung der Kompensationswicklung kann bei einem Dreischenkel-Transformator das Joch oder bei einem Fünfschenkel-Transformator der Rückschluss-Schenkel sein; dadurch kann eine Kompensationswicklung an einem vorhandenen Transformator auf einfache Weise nachgerüstet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen aus denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Es zeigen: Figur 1 einen erfindungsgemäßen Drehstromtransformator (Dreischenkel-Transformator) mit Gleichfluss- Kompensation, bei dem die Kompensations- Wicklungsanordnung auf den Hauptschenkeln angeordnet ist;
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Drehstromtransformator (Dreischenkel-Transformator) mit Gleichfluss- Kompensation, bei dem die Kompensations- Wicklungsanordnung auf dem Joch angeordnet ist;
Figur 3 einen erfindungsgemäßen Drehstromtransformator mit Gleichfluss-Kompensation, bei dem die Kompensations-Wicklungsanordnung auf einem Rückschlussj och angeordnet ist;
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Drehstromtransformator (Fünfschenkel-Transformator) mit Gleichfluss- Kompensation, bei dem die Kompensations- Wicklungsanordnung auf den Hauptschenkeln angeordnet ist;
Figur 5 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Signalaufbereitung zur Ausregelung der Gleichfluss- Komponente;
Figur 6 ein Blockschaltbild eines Messversuchs, zur
Messung des Gleichfluss-Anteils an einem 4-MVA Leistungstransformator, wobei die Signalaufbereitung gemäß Figur 5 verwendet wird;
Figur 7 ein Diagramm, das als Ergebnis des Messversuchs gemäß Figur 6 den linearen Zusammenhang zwischen DC-Anteil und 2. Harmonischer bei einer Primärspannung von 6 kV zeigt;
Figur 8 ein Diagramm, das als Ergebnis des Messversuchs gemäß Figur 6 den linearen Zusammenhang zwischen DC-Anteil und 2. Harmonischer bei einer Primärspannung von 30 kV zeigt.
Ausführung der Erfindung
In der Figur 1 ist ein elektrischer Transformator 20 mit einem Gehäuse 7 zu sehen, der einen Transformatorkern 4 aufweist. Die Bauform des Kerns 4 entspricht der an sich bekannten Dreischenkel-Bauform mit drei Schenkel 21, 22, 23 und einem quer liegenden Joch 32. Auf jedem der Schenkel 21, 22, 23 befindet sich wie üblich eine primäre Wicklung 1 und eine sekundäre Wicklung 2. Gemäß der Erfindung ist zusätzlich an den äußeren Schenkeln 21 und 23 eine Kompensationswicklung 3 vorgesehen. In der
Zeichnung der Figur 1 ist im Bereich des ersten Schenkels 21 mit einem Pfeil 5 ein magnetischer "Gleichfluss" angedeutet. Von diesem magnetischen "Gleichfluss" 5 sei angenommen, dass er durch einen "Gleichstromanteil" (DC-Anteil) , der primärseitig oder sekundärseitig fließt, hervorgerufen wird. Der "Gleichfluss" kann aber auch vom Erdmagnetfeld eingestreut werden. Unter "Gleichfluss" oder "Gleichstrom" soll hier eine physikalische Größe verstanden werden, die zeitlich im Vergleich zu 5o Hz Wechselgrößen gesehen, nur sehr langsam schwankt, - sofern dies überhaupt der Fall ist. Dieser magnetische Gleichfluss 5, der dem Wechselfluss im Schenkel 21 überlagert ist, bewirkt eine Vormagnetisierung, die eine unsymmetrische Aussteuerung des magnetischen Werkstoffs und damit ein erhöhte Geräuschemission hervorruft. Zur erfindungsgemäßen Kompensation dieses Gleichfluss-Anteils sind in Figur 1 zwei gesteuerte Stromquellen 12 und 13 vorgesehen. Diese Stromquellen 12, 13 speisen jeweils im Sinne einer Ausregelung in eine zugeordnete
Kompensationswicklung 3 einen Kompensationsstrom 16 bzw. 17 ein, dessen Größe und Richtung so bemessen ist, dass der magnetische Gleichfluss 5 im Kern 4 kompensiert ist. (In der Figur 1 ist dies durch einen gleich großen, dem Pfeil 5 entgegengesetzt gerichteten Pfeil 6 angedeutet.) Diese
Ausregelung erfolgt mittels der Steuersignale 14, 15, die als Stellgröße den Stromquellen 12 bzw. 13 mittels der Leitungen 9, 10 zugeführt sind. Die Steuergrößen 14, 15 stellt ein Signalverarbeitungseinheit 11 bereit, die weiter unten näher erläutert wird. Wie in der Figur 1 zu sehen ist, ist zwischen der Kompensationswicklung 3 und einem Außenschenkel 21 bzw. 23 des Kerns 4 jeweils etwa mittig ein Magnetfeld-Detektor 8 angeordnet. Jeder dieser Magnetfeld-Detektoren 8 befindet sich außerhalb des magnetischen Kreises und misst ein Streufeld des Transformators 20. Im Streufeld tritt insbesondere jene Halbwelle des Magnetisierungsstroms signifikant hervor, die in die Sättigung gesteuert wird, so dass der Gleichflussanteil im Kern gut ermittelbar ist. Das Messsignal der Detektoren 8 ist mittels der Leitungen 9, 10 der Signalverarbeitungseinheit 11 zugeleitet. Im vorliegenden Beispiel bestehen die beiden Magnetfeld- Detektoren 8 jeweils aus einer Messspule (mehrere hundert Windungen, Durchmesser etwa 25 mm) . Bereits zwei Detektoren 8 können wie im vorliegenden Beispiel eines Dreischenkel- Transformators gezeigt, ausreichend sein, da die Summe der Gleichflussanteile über alle Schenkel Null ergeben muss. Wie oben bereits erwähnt, kommt für die Magnetfeldmessung grundsätzlich eine Vielzahl von Sensorprinzipien in Frage. Entscheidend ist lediglich, dass eine Magnetfeld-Kenngröße des Transformators gemessen wird, aus der der DC-Anteil bzw. der Gleichflussanteil signaltechnische ermittelbar und in weitere Folge ausregelbar ist.
Die Figur 2 unterscheidet sich von Figur 1 lediglich dadurch, dass hier die Kompensations-Wicklungsanordnung 3 nicht an einem Hauptschenkel 21, 22, 23, sondern am Joch 32 des Kerns 4 angeordnet. An jedem Hauptschenkel 21, 22, 23 ist wieder in einem Spalt zwischen dem Kern 4 und der Sekundärwicklung 2 ein Magnetfeld-Detektor 8 angeordnet (hier aus Redundanzgründen insgesamt drei) .
Die Figur 3 zeigt einen Fünfschenkel-Transformator, bei dem an jedem Rückschluss-Schenkel 31 jeweils eine Kompensationswicklung 3 angeordnet ist. Bei diesem Aufbau teilt sich der Kernfluss bei Eintritt in das Joch nicht hälftig nach zwei Seiten; auf Grund des Kontinuitätsgesetzes muss der jeweils aus den Rückschluss-Schenkel 31 zurück fließende Gleichfluss-Anteil dem Gleichfluss in den Haupt- Schenkeln 21, 22, 23 entsprechen, so dass jeder Rückschluss- Schenkel 31 den 1,5-fachen Gleichfluss-Anteil führt. Jedem Schenkel 21, 22, 23 ist wieder jeweils ein außerhalb des
Kerns 4 angeordneter Magnetfeld-Detektor 8 zugeordnet. Jedes Messsignal dieser drei Magnetfeld-Detektoren 8 ist wieder der Signalverarbeitungseinheit 11 zugeführt, welche ausgangsseitig die Steuergrößen 14, 15 für die gesteuerten Stromquellen 12 und 13 bereitstellt, so dass der
Kompensationsstrom 16 bzw. 17 den Gleichflussanteil in den Rückschluss-Schenkeln 31 kompensieren kann. In der Figur 4 ist eine Variante des Ausfuhrungsbeispiels gemäß Figur 3 dargestellt. Hier befinden sich die Kompensationswicklungen 3 auf den Hauptschenkeln 21, 22 und
23. Jeder dieser Kompensationswicklungen 3 ist wieder eine von drei Strom-Steuereinrichtung zugeordnet. Die Vorgabe des Kompensationsstroms erfolgt wie oben dargestellt durch die Signalverarbeitungseinheit 11.
Die Figur 5 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine mögliche Ausfuhrungsform der Signalverarbeitungseinheit 11, die als DC-Kompensationsregler wirkt. Wie oben bereits dargestellt, ermittelt die Signalverarbeitungseinheit 11 aus dem Spektrum der Oberschwingungen die zweite Harmonische, welche ein direktes Abbild des Gleichfluss-Anteils (DC- Komponente) ist.
Im Folgenden wird dies anhand der dargestellten Funktionsblocke naher erläutert: Eine Sensorspule 8 erfasst einen Streufluss des Transformators 20. Das Messsignal der Sensorspule 8 ist einem Differenzverstarker 19 zugeführt. Im dargestellten Signalpfad folgend gelangt das Ausgangssignal des Differenzverstarkers 19 auf ein Kerbfilter (Notchfilter)
24, das die Grundschwingung (50 Hz-Komponente) ausfiltert. Über eine Tiefpass 25 und einem Bandpass 26 gelangt das Messsignal auf einen Integrator 27. Durch Integration entsteht ein, der magnetischen Flussanderung in der Messspule 8 proportionales Spannungssignal, das einem sehr selektiven Bandpass-Filter 26 zugeführt wird, um die zweite Harmonische, die den Gleichfluss-Anteil abbildet, herauszufiltern . Dieses Spannungssignal gelangt nach einem Abtast-Haltekreis 28 und einem Tiefpass 25 über Leitung 16 zur gesteuerten Stromquelle 12 mit integrierter Regeleinrichtung. Diese Stromquelle 12 und Regeleinrichtung ist in einem geschlossenen Stromkreis 33 mit einer Kompensationswicklung 3 verbunden. Sie gibt in der Kompensationswicklung 3 einen Gleichstrom vor, der dem Gleichfluss-Anteil im Kern 4 entgegenwirkt. Da die Richtung des zu kompensierenden DC-Anteils a priori nicht bekannt ist, wird ein bipolarer Stromregler, im vorliegenden Experiment mit IGBT-Transistoren in einer Vollbrücke, eingesetzt. Ein Integrator 27 bewirkt bezüglich der 2. Harmonischen ein Nacheilen der Phase um 99 Grad. Der Reaktanzzweipol 18, bestehend aus einem Parallelschwingkreis, blockt die Netzrückwirkung der netzfrequenten Anteile.
In der Figur 5 ist noch eine Hilfswicklung 29 zu sehen, deren Signal über Filter und Gleichrichtung dem Abtast-Haltekreis 28 zugeführt ist. Sie dient in der dargestellten Schaltung zur Konditionierung des Abtastsignals, so dass ein phasenbezogenes Abtasten der zweiten harmonischen des
Messsignals möglich ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass diese Abtast-Halteschaltung letztlich nur für das phasenbezogene Abtasten des von der Induktionssonde 8 bereitgestellten Messsignals (zweite Harmonische 100 Hz) dient.
Die in Figur 5 dargestellte Signalaufbereitung zeigt nur beispielhaft eine mögliche Messmethode der zweiten Harmonischen auf. Dem kundigen Fachmann steht hierfür eine Reihe von analogen wie digitalen Funktionsbausteinen zur Verfügung. So könnte die Strom-Steuergröße 14, 15 beispielsweise auch durch ein geeignetes digitales Berechnungsverfahren in einem Mikrorechner oder einem frei programmierbaren Logikbaustein (FPGA) , welches aus der Fourier-Transformierten die zweite Harmonische (100 Hz) ermittelt, gewonnen werden. In der Figur 6 ist eine Versuchsanordnung gezeigt, bei der die in Figur 5 dargestellte und oben erläuterte Signalaufbereitungseinheit 11 bei eine 4-MVA- Leistungstransformator dazu verwendet wurde, um den Zusammenhang zwischen dem Gleichfluss-Anteil und der ersten Oberschwingung (2. Harmonische) unter Realbedingungen messtechnisch zu ermitteln. Der 4-MVA-Leistungstransformator befand sich bei diesem Experiment im Leerlauf bei einer primären Spannung von 6 KV bzw. 30 KV. In den Sternenpunkten der primären bzw. sekundären Wicklungsanordnung (Figur 6) wurde mittels einer Stromquelle ein DC-Anteil zwischen 0,2 und 2 A eingespeist. Als Magnetfeld-Detektor 8 diente eine Sensorspule mit 200 Windungen, die außen am Kern des Transformators angeordnet war und den Streufluss erfasst.
In Figur 7 und in Figur 8 ist jeweils in einem Diagramm das Messergebnis der Versuchsanordnung gemäß Figur 6 protokolliert. In den Diagrammen der Figur 7 und 8 ist der im Sternpunkt eingespeiste Gleichstromanteil (IDC) auf der Ordinate aufgetragen; auf der Abszisse ist der Effektivwert der ersten Oberschwingung (UlOOHz) aufgetragen. Das Diagramm in Figur 7 zeigt den Zusammenhang bei einer Primärspannung von 6 KV, dass Diagramm in Figur 8 bei einer Primärspannung von 30 KV effektiv. Die beiden Diagramme in Figur 7 und 8 zeigen, dass der Zusammenhang zwischen dem Gleichstromanteil (IDC) und der damit einhergehenden Verzerrung (zweite harmonische UlOOHz) mit hinreichender Genauigkeit als linear angesehen werden kann. Im Ergebnis bedeutet dies, das die aus einer Magnetfeld- Messung eines Leistungstransformators ermittelte Kenngröße sehr gut geeignet ist, um eine Steuergröße zu bilden, die einen Gleichfluss-Anteil - unbeschadet seiner Ursache, d.h. auch wenn das Erdmagnetfeld daran beteiligt ist - messtechnisch zu erfassen und zu kompensieren, so dass Betriebsgeräusche und Erwärmung des Transformators gering gehalten werden können.
Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Primärwicklung
2 Sekundärwicklung 3 Kompensationswicklung
4 Weichmagnetischen Kern
5 magnetischer Gleichfluss
6 magnetischer Kompensationsflussss
7 Transformatorgehäuse 8 Magnetfeld-Detektor
9 Messleitung, -signal
10 Messleitung, -signal
11 Signalverarbeitungseinheit
12 Strom-Steuereinrichtung 13 Strom-Steuereinrichtung
14 Steuersignal
15 Steuersignal
16 Kompensationsstroms
17 Kompensationsstroms 18 Reaktanzzweipol
19 Differenzverstärker
20 Transformator
21 erster Schenkel des Transformators
22 zweiter Schenkel des Transformators 23 dritter Schenkel des Transformators
24 Kerbfilter
25 Tiefpass
26 Bandpass
27 Integrator 28 Abtast-Haltekreis
29 Hilfswicklung
30 Magnetfeld-Messeinrichtung
31 Rückschluss-Schenkel Joch Strompfad

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Transformator mit Gleichfluss-Kompensation, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Der Transformator (20) weist einen weichmagnetischen Kern (4) auf, auf dem zusätzlich zu einer primären und einer sekundären Wicklungsanordnung (1, 2) eine Kompensations-Wicklungsanordnung (3) angeordnet ist. b) Die Kompensations-Wicklungsanordnung (3) ist mit einer Strom-Steuereinrichtung (12, 13) verbunden, welche nach Maßgabe eines Steuersignals (14, 15), das eine Magnetfeld-
Messeinrichtung (30) aus einer Messung eines mit einem Strom in der primären oder sekundären Wicklungsanordnung verketteten Flusses bereitstellt, in die Kompensations- Wicklungsanordnung (3) einen
Kompensationsstrom (16, 17) so einspeist, dass dessen Wirkung im Kern (4) einem magnetischen Gleichfluss (5) entgegen gerichtet ist.
2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Messeinrichtung (30) aus einer Signalverarbeitungseinheit (11), die mit zumindest zwei Magnetfeld-Detektoren (8) signalleitend verbunden ist, gebildet ist.
3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (11) dazu eingerichtet ist, aus jeweils einem vom Magnetfeld- Detektor (8) bereitgestellten Messsignal Oberschwingungen so zu ermitteln, um daraus das Steuersignal (14, 15) für eine Ausregelung des Gleichflusses (5) zu ermitteln.
4. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (14, 15) aus der ersten Oberschwingung (2. Harmonischen) gebildet ist.
5. Transformator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der zumindest zwei Magnetfeld-Detektoren (8) außerhalb des Kerns (4) angeordnet ist, um einen Streufluss des Transformators (20) zu erfassen.
6. Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Magnetfeld-Detektor (8) als Induktionssonde ausgebildet ist.
7. Transformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Induktionssonde (8) eine Luftspule ist.
8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen einer
Kompensations-Wicklung (3) und einer Strom- Steuereinrichtung über einen Strompfad (33) hergestellt ist, der einen Reaktanzzweipol (18), vorzugsweise einen Paralellschwingkreis aufweist.
9. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (4) drei Schenkel (21, 22, 23) aufweist, von denen zumindest zwei Schenkel (21, 23) mit einer Kompensations-Wicklung (3) versehen sind, und dass jede Luftspule (8) jeweils in einem Spalt, gebildet aus einer Außenumfangsflache und einer umschließenden Kompensations-Wicklung (3) oder einer Wicklung (2), etwa in mittlerer Schenkelhöhe, angeordnet ist.
10. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (4) drei Schenkel (21, 22, 23) und zwei Rückschluss-Schenkel (31), auf denen jeweils eine Kompensations-Wicklung (3) angeordnet ist, aufweist .
11. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensations-Wicklung (3) am Joch (32) des Transformators angeordnet ist (Figur 2).
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