ELEKTRISCHER TRANSFORMATOR MIT GLEICHFLUSS-KOMPENSATION

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Transformator mit Gleichfluss-Kompensation.

Stand der Technik

[0002] 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 Betriebsgeräuschen verursachen.

[0003] Dem unerwünschten Sättigungseffekt könnte man grundsätzlich dadurch entgegen treten, indem man den Querschnitt des magnetischen Kreises vergrößert und damit die magnetische Flussdichte B geringer hält, oder in den magnetischen Kreis einen (Ersatz) Luftspalt einfügt, wie beispielsweise in der DE 198 54 902 A1 vorgeschlagen. Ersteres führt aber zu einem erhöhten Bauvolumen des Transformators, Letzteres zu einem größeren Magnetisierungsstrom; beides ist von Nachteil.

[0004] Um die Geräuschemission 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 Öl in einem Transformatorgehäuse 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 aufwändig.

[0005] Aus der JP 59 013313A ist ein elektrischer Transformator mit Gleichflusskompensation gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt, bei dem das Magnetfeld im Kern des Transformators gemessen wird und daraus ein Kompensationsstrom abgeleitet wird.

Darstellung der Erfindung

[0006] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiterzuentwickeln.

[0007] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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. Erfindungsgemäß ist die Magnetfeld-Messeinrichtung aus einer Signalverarbeitungseinheit, die mit zumindest zwei Magnetfeld-Detektoren signalleitend verbunden ist, gebildet. Bei einem Dreiphasen-Transformator herkömmlicher Bauart kann die Bestimmung von zwei Gleichfluss-Anteilen genügen, da der Gesamtfluss null ergeben muss. Dabei 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.

[0011] Besonders geeignet sind hierbei geradzahlige Harmonische, erfindungsgemäß die erste Oberschwingung (2. Harmonische), deren Amplitude mit dem magnetischen Gleichfluss, den es zu kompensieren gilt, funktional zusammenhängt. Erfindungsgemäß sind zwei Magnetfeld-Detektoren außerhalb des Kerns so angeordnet, 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.

[0012] Der Magnetfeld-Detektor ist einfach als Induktionssonde ausgebildet, welche die Streuflussänderung erfasst und in ein elektrisches Messsignal umformt, aus welchem dann die geradzahligen Harmonischen, erfindungsgemäß die 2. Harmonische, heraus gefiltert werden können. Erfindungsgemäß ist die Induktionssonde als Luftspule ausgebildet. Im Vergleich zu einem Messumformer auf Halbleiterbasis ist das elektrische Messsignal dieser Luftspule unabhängig von Langzeit- und Temperaturdrift und zudem kostengünstig.

[0013] Um Auswirkungen des Netzes auf die Kompensationswicklung möglichst gering zu halten, kann es günstig sein, wenn im Strompfad zur Strom-Steuereinrichtung ein Sperrkreis (Erfindungsgemäß ein 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.

[0014] 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. Erfindungsgemäß ist dies eine Anordnung, bei der eine Luftspule in einem Spalt, gebildet aus einer Außenumfangsfläche eines Transformator-Schenkels und der konzentrisch umschließenden Kompensations-Wicklung bzw. Sekundärwicklung, etwa in mittlerer Schenkelhöhe, angeordnet ist.

[0015] 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

[0016] 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.

[0017] 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 Rückschlussjoch 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

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] Die Steuergrößen 14, 15 stellt ein Signalverarbeitungseinheit 11 bereit, die weiter unten näher erläutert wird.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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).

[0025] 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 HauptSchenkeln 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.

[0026] In der Figur 4 ist eine Variante des Ausführungsbeispiels 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.

[0027] Die Figur 5 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine mögliche Ausführungsform 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.

[0028] Im Folgenden wird dies anhand der dargestellten Funktionsblöcke näher erläutert: Eine Sensorspule 8 erfasst einen Streufluss des Transformators 20. Das Messsignal der Sensorspule 8 ist einem Differenzverstärker 19 zugeführt. Im dargestellten Signalpfad folgend gelangt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 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 Flussänderung 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.

[0029] 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.

[0030] 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.

[0031] 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.

[0032] 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 (U100Hz) 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 U100Hz) mit hinreichender Genauigkeit als linear angesehen werden kann.

[0033] Im Ergebnis bedeutet dies, das die aus einer MagnetfeldMessung 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

[0034] 

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

32

Joch

33

Strompfad

Ansprüche

1. Elektrischer Transformator mit Gleichfluss-Kompensation, mit folgenden Merkmalen:

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) eine Magnetfeld- Messeinrichtung (30) misst einen mit einem Strom in der primären oder sekundären Wicklungsanordnung verketteten Fluss und stellt ein Steuersignal (14, 15) bereit,

c) das Steuersignal (14, 15) ist einer Strom-Steuereinrichtung (12, 13) zugeführt,

d) die Strom-Steuereinrichtung (12, 13) ist über einen Strompfad (33), der einen Reaktanzzweipol (18) enthält, mit der Kompensations-Wicklungsanordnung (3) verbunden und speist in diese nach Maßgabe des Steuersignals (14, 15) einen Kompensationsstrom (16, 17) so ein, dass dessen Wirkung im Kern (4) einem magnetischen Gleichfluss (5) entgegengerichtet ist,

e) die Magnetfeld-Messeinrichtung (30) ist aus einer Signalverarbeitungseinheit (11) gebildet, die mit zumindest zwei Magnetfeld-Detektoren (8) signalleitend verbunden ist,

f) die Signalverarbeitungseinheit (11) ist dazu eingerichtet, aus jeweils einem vom Magnetfeld-Detektor (8) bereitgestellten Messsignal Oberschwingungen zu ermitteln, um daraus das Steuersignal (14, 15) für eine Ausregelung des Gleichflusses (5) zu ermitteln,

g) das Steuersignal (14, 15) ist aus der ersten Oberschwingung (2. Harmonischen) gebildet,

h) der Kern (4) weist drei Schenkel (21, 22, 23) auf, von denen insbesondere zumindest zwei Schenkel (21, 23) mit einer Kompensations-Wicklung (3) versehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass

i) die Magnetfeld-Messeinrichtung (30) zur Bereitstellung des Steuersignals das Streumagnetfeld, das sich außerhalb des Kerns (4) über den Luftweg schließt, misst

j) jeder der zumindest zwei Magnetfeld-Detektoren (8) außerhalb des Kerns (4) angeordnet ist, um einen Streufluss des Transformators (20) zu erfassen,

k) dass jeder Magnetfeld-Detektor (8) als Induktionssonde ausgebildet ist,

l) dass jede Induktionssonde (8) eine Luftspule ist,

m) dass jede Luftspule (8) jeweils in einem Spalt, gebildet aus einer Außenumfangsfläche eines Schenkels und einer umschließenden Kompensations-Wicklung (3) oder einer Wicklung (2), etwa in mittlerer Schenkelhöhe, angeordnet ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, 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.

3. Transformator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensations-Wicklungsanordnung (3) am Joch (32) des Transformators angeordnet ist.

Claims

1. Electrical transformer with unidirectional flux compensation, with the following features:

a) the transformer (20) has a soft-magnetic core (4) on which, in addition to a primary and secondary winding arrangement (1, 2), a compensation winding arrangement (3) is arranged,

b) a magnetic field measuring device (30) measures a flux interlinked with a current in the primary or secondary winding arrangement and provides a control signal (14, 15),

c) the control signal (14, 15) is fed to a current control device (12, 13),

d) the current control device (12, 13) is connected to the compensation winding arrangement (3) via a current path (33) that contains a reactance dipole (18) and the current control device (12, 13) in accordance with a control signal (14, 15) feeds into said compensation winding arrangement (3) a compensation current (16, 17) in such a way that the effect of said compensation current in the core (4) is in a direction opposite to a magnetic unidirectional flux (5).

e) the magnetic field measuring device (30) is formed from a signal processing unit (11) that is connected in a signal-conducting manner to at least two magnetic field detectors (8),

f) the signal processing unit (11) is set up for ascertaining overtones from in each case one measurement signal provided by the magnetic field detector (8) in order to ascertain from said overtones the control signal (14, 15) for correctively adjusting the unidirectional flux (5),

g) the control signal (14, 15) is formed from the first overtone (second harmonic),

h) the core (4) has three limbs (21, 22, 23), at least two of which (21, 23) in particular are fitted with a compensation winding (3),
characterised in that

i) the magnetic field measuring device (30) measures the stray magnetic field that closes outside the core (4) via the air path in order to provide the control signal,

j) each of the at least two magnetic field detectors (8) is arranged outside the core (4) for registering a stray flux of the transformer (20),

k) each magnetic field detector (8) is embodied as an induction probe.

l) each induction probe (8) is an air-cored coil,

m) each air-cored coil (8) is arranged in a gap, formed from an outer circumferential surface and an enclosing compensation winding (3) or a winding (2), approximately at centre limb height.

2. Transformer according to claim 1, characterised in that the core (4) has three limbs (21, 22, 23) and two return limbs (31), on each of which a compensation winding (3) is arranged.

3. Transformer according to claim 1, characterised in that the compensation winding (3) is arranged on the yoke (32) of the transformer.

Revendications

1. Transformateur électrique avec compensation de flux continu, avec les caractéristiques suivantes :

a) le transformateur (20) présente un coeur magnétique doux (4) sur lequel est disposé un agencement d'enroulement de compensation (3) en plus d'un agencement d'enroulement primaire et d'un agencement d'enroulement secondaire (1, 2),

b) un dispositif de mesure de champ magnétique (30) mesure un flux associé à un courant dans l'agencement d'enroulement primaire ou secondaire et délivre un signal de commande (14, 15),

c) le signal de commande (14, 15) est amené à un dispositif de commande de courant (12, 13),

d) le dispositif de commande de courant (12, 13) est relié à l'agencement d'enroulement de compensation (3) via une voie de courant (33) qui contient un dipôle de réactance (18) et alimente dans ce dispositif conformément au signal de commande (14, 15) un courant de compensation (16, 17) de telle sorte que l'action de celui-ci dans le coeur (4) est dirigée en sens inverse d'un flux continu magnétique (5),

e) le dispositif de mesure de champ magnétique (30) est formé à partir d'une unité de traitement de signaux (11) qui est reliée par conduction de signaux à au moins deux détecteurs de champ magnétique (8),

f) l'unité de traitement de signaux (11) est agencée de manière à déterminer des oscillations harmoniques à partir respectivement d'un signal de mesure délivré par le détecteur de champ magnétique (8) pour déterminer le signal de commande (14, 15) pour une régulation du flux continu (5),

g) le signal de commande (14, 15) est formé à partir de la première oscillation harmonique (2ème harmonique),

h) le coeur (4) présente trois branches (21, 22, 23), parmi lesquelles au moins deux branches (21, 23) sont pourvues d'un enroulement de compensation (3),
caractérisé en ce que

i) le dispositif de mesure de champ magnétique (30) mesure en vue de la délivrance du signal le champ magnétique de fuite qui se ferme à l'extérieur du coeur (4) via la voie aérienne,

j) chacun des au moins deux détecteurs de champ magnétique (8) est disposé à l'extérieur du coeur (4) pour acquérir un flux de fuite du transformateur (20),

k) chaque détecteur de champ magnétique (8) est configuré en tant que sonde d'induction,

l) chaque sonde d'induction (8) est une bobine à air,

m) chaque bobine à air (8) est disposée respectivement dans une encoche, formée à partir d'une surface périphérique externe d'une branche et d'un enroulement de compensation entourant (3) ou d'un enroulement (2), à peu près à mi-hauteur de la branche.

2. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur (4) présente trois branches (21, 22, 23) et deux branches de culasse (31), sur lesquelles est respectivement disposé un enroulement de compensation (3) .

3. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agencement d'enroulement (3) est disposé au niveau d'une culasse (32) du transformateur.

Zeichnung