具有單向通量補償?shù)碾娏ψ儔浩鞯闹圃旆椒?br> 【專利摘要】具有單向通量補償?shù)碾娏ψ儔浩?，其特征在于：a)該變壓器（20）具有軟磁磁芯（4），在該軟磁磁芯上除了初級和次級繞組裝置（1，2）之外還設(shè)置有補償繞組裝置（3），該補償繞組裝置（3）與電流控制裝置（12，13）相連接，該電流控制裝置根據(jù)控制信號（14，15）而向該補償繞組裝置（3）中饋入補償電流（16，17），使得該補償電流在磁芯（4）中作用是抵消單向磁通（5），其中該控制信號由磁場測量裝置（30）根據(jù)與初級或次級繞組裝置中的電流相關(guān)的磁通的測量來提供。
【專利說明】具有單向通量補償?shù)碾娏ψ儔浩?br> [0001]本申請是申請?zhí)枮?00780053317.X、申請日為2007年6月12日、發(fā)明名稱為“具
有單向通量補償?shù)碾娏ψ儔浩鳌钡陌l(fā)明專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種具有單向通量補償?shù)碾娏ψ儔浩鳌?br> 【背景技術(shù)】
[0003]已知的是，在與變流器相結(jié)合進(jìn)行工作的電力變壓器中由于功率半導(dǎo)體開關(guān)控制的不精確性而可能產(chǎn)生一種電流分量，該電流分量與該變壓器的工作電流相疊加。關(guān)于電網(wǎng)而可以看作為直流的該電流分量在下文中也稱為“直流分量”或“DC分量”。其大多僅為該變壓器額定電流的千分之幾，但在變壓器的磁芯中產(chǎn)生一個單向磁通，該單向磁通與初級及次級交變通量相疊加，并導(dǎo)致鐵磁磁芯材料的BH特征曲線的不對稱調(diào)整。微小的單向通量分量由于鐵磁磁芯材料的高磁導(dǎo)率已經(jīng)能夠引起磁芯的飽和，并導(dǎo)致磁化電流的極度失真。靜止磁場也可以導(dǎo)致磁芯內(nèi)的單向通量分量。由于這種不對稱調(diào)整而引起了磁損耗提聞并從而磁芯溫度的提聞，以及磁化電流峰值的提聞，這造成工作噪聲福射的提聞。
[0004]這種不期望的飽和效應(yīng)基本上如此來抑制，即擴大磁回路的截面，并從而使磁通密度B保持為較小，或者在磁回路中添加一個(替代)氣隙，如在DE 198 54 902 Al中所推薦。但第一方案導(dǎo)致變壓器體積的增加，第二方案導(dǎo)致磁化電流變大；這均是缺點。
[0005]為了降低電力變壓器的噪聲輻射，在US 5 726 617以及在DE 699 01 596 T2中推薦了相應(yīng)的執(zhí)行器，該執(zhí)行器如此來激勵在變壓器機殼中的油，使得在變壓器工作中由磁芯的鐵片和變壓器繞組所引起的流體壓力波被減弱。但這種執(zhí)行器在工作中消耗不少的能量；另外其也是易干擾和耗費的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的任務(wù)是提供一種變壓器，其中以盡可能簡單的方式降低了由磁芯中的單向磁通所引起的磁芯升溫以及噪聲輻射。
[0007]該任務(wù)通過權(quán)利要求1所述的特征而得到解決。本發(fā)明的有利的擴展在從屬權(quán)利要求中進(jìn)行定義。
[0008]本發(fā)明所基于的想法是，不是克服預(yù)磁化的不期望的影響，而是消除其起因。本發(fā)明的變壓器特征在于:
-該變壓器具有一種軟磁磁芯，在該軟磁磁芯上除了初級和次級繞組裝置之外還設(shè)置有一個補償繞組裝置。
[0009]-該補償繞組裝置與一個電流控制裝置相連接，該電流控制裝置根據(jù)一個控制量在該補償繞組裝置中如此來饋入一個補償電流，使得其在磁芯中的效應(yīng)抵消單向磁通，其中該控制量是由一個磁場控制裝置根據(jù)與初級或次級繞組裝置中電流相關(guān)聯(lián)的磁通的測量來提供。[0010]由此實現(xiàn)了以簡單的方式在測量技術(shù)上來探測在變壓器磁芯中的單向磁通分量，并能夠通過一個調(diào)節(jié)過程而被補償。如果該單向通量分量被消除，那么BH特征曲線的調(diào)整就是對稱的。磁芯的鐵磁材料就不再被驅(qū)動至飽和。材料的磁致伸縮從而是較小的，因此工作噪聲輻射也降低。該變壓器繞組具有較小的熱承載，因為在磁芯中的磁損耗以及從而工作溫度是較低的。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)一個磁場測量量來預(yù)給定補償繞組中的補償電流，其中一個磁場測量裝置提供該磁場測量量。為了確定該磁場測量量，已知的磁場傳感器是適合的，該磁場傳感器或者測量在變壓器磁芯中的場，或者測量磁芯之外通過空氣通路所圍繞的雜散磁場。該傳感器的基本工作原理比如可以是測量線圈的感應(yīng)、霍爾效應(yīng)或磁阻效應(yīng)。該磁場測量量也可以通過采用一種磁力儀(磁通門或福斯特探測器)來探測。與精確測量直流分量(尤其在大變壓器情況下其遠(yuǎn)小于額定電流，并從而難以探測)相比，用于探測磁場測量量的測量技術(shù)耗費是較小的。
[0012]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施其特征可以是，該磁場測量裝置由一種信號處理單元構(gòu)成，其中該信號處理單元與至少兩個磁場探測器以導(dǎo)通信號的方式相連接。在常規(guī)構(gòu)造形式的三相變壓器中，確定兩個單向通量分量就可能足夠了，因為總通量必須為零。
[0013]該信號處理單元有利地被設(shè)置用于根據(jù)由磁場探測器所提供的相應(yīng)一個測量信號來探測諧波，并由此形成控制信號。從而可以利用相對微小的電路技術(shù)耗費來獲得適合用于補償單向通量分量的控制量?？梢噪娮踊蛴嬎銠C輔助地進(jìn)行諧波分析。
[0014]在此尤其適合的是偶數(shù)諧波、尤其是第一諧波(2次諧波)，其幅度與適合補償?shù)膯蜗虼磐ㄓ泻瘮?shù)關(guān)系。
[0015]尤其優(yōu)選的是如下一種實施方案，其中兩個磁場探測器在磁芯外部如此來設(shè)置，使得其探測該變壓器的雜散磁通。該雜散磁通在磁芯磁飽和時非常大地增加，這對于求得控制信號是有利的。
[0016]該磁場探測器可以簡單地作為感應(yīng)探測器來構(gòu)造，其中該感應(yīng)探測器探測雜散磁通變化并變換為電測量信號，由該信號然后就可以過濾出偶數(shù)諧波、尤其2次諧波。
[0017]在一個尤其優(yōu)選的實施方案中，該感應(yīng)探測器可以作為空芯線圈來構(gòu)造。與基于半導(dǎo)體的測量變換器相比該空芯線圈的電測量信號與長時漂移和溫度漂移無關(guān)，并且另外還是造價合理的。
[0018]為了使電網(wǎng)對補償線圈的影響保持為盡可能微小，如果在電流控制裝置的電流回路中連接一個陷波回路(比如電抗二端網(wǎng)絡(luò))，那么這是合適的。由此向補償線圈饋入補償電流的受控電流源的電壓負(fù)擔(dān)可以保持為微小。適合于此的比如是由比如一個LC并聯(lián)電路所構(gòu)成的二端網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)阻止電網(wǎng)頻率，但對于該補償直流完全不具有電阻。
[0019]最簡單地通過試驗或數(shù)字現(xiàn)場模擬來進(jìn)行磁場探測器的合適的空間布置。尤其合適的是以下的測量位置，即在該位置上由初級和次級負(fù)載電流所產(chǎn)生的磁場被盡可能地補償。優(yōu)選的是以下一種布置，其中在變壓器磁芯柱的外周面與同心圍繞的補償繞組或次級繞組所構(gòu)成的間隙中、比如在磁芯柱中間高度上設(shè)置一個空芯線圈。
[0020]該補償繞組的一種優(yōu)選布置在三磁芯柱變壓器的情況下可以是軛鐵，或者在五磁芯柱變壓器的情況下可以是磁軛磁芯柱；從而補償繞組可以以簡單的方式在已有的變壓器上進(jìn)行改進(jìn)。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為了進(jìn)一步解釋本發(fā)明，在下文中參照了附圖，從中可以獲得本發(fā)明的其他有利的擴展、特征和改進(jìn)。
[0022]其中:
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有單向通量補償?shù)囊环N三相變壓器(三磁芯柱變壓器)，其中該補償繞組裝置設(shè)置在主磁芯柱上；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有單向通量補償?shù)囊环N三相變壓器(三磁芯柱變壓器)，其中該補償繞組裝置設(shè)置在軛鐵上；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的具有單向通量補償?shù)囊环N三相變壓器，其中該補償繞組裝置設(shè)置在磁軛軛鐵上；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的具有單向通量補償?shù)囊环N三相變壓器(五磁芯柱變壓器)，其中該補償繞組裝置設(shè)置在主磁芯柱上；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)整單向通量分量的信號處理電路框圖；
圖6示出了用于測量在4MVA功率變壓器上的單向通量分量的測量試驗的電路框圖，其中使用了圖5的信號處理；
圖7示出了在初級電壓為6kV的情況下作為圖6的測量試驗結(jié)果的、在DC分量與2次諧波之間的線性關(guān)系圖；
圖8示出了在初級電壓為30kV的情況下作為圖6的測量試驗結(jié)果的、在DC分量與2次諧波之間的線性關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0023]在圖1中示出了具有機殼7的電力變壓器20，該變壓器具有變壓器磁芯4。該磁芯4的構(gòu)造形式對應(yīng)于已知的三磁芯柱構(gòu)造形式，其具有三個磁芯柱21、22、23和一個橫向的軛鐵32。在每個磁芯柱21、22、23上通常具有一個初級繞組I和一個次級繞組2。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，在外側(cè)磁芯柱21和23上還設(shè)置有補償繞組3。在圖1中，在第一磁芯柱21的區(qū)域中用箭頭5來表示磁“單向通量”。對于該磁“單向通量”5，認(rèn)為它由流過初級側(cè)或次級側(cè)的“直流分量”(DC分量)而引起。但該“單向通量”也可能摻入地磁場。“單向通量”或“直流”在此應(yīng)理解為一個物理量，該物理量與50Hz交變量相比來看在時間上僅非常緩慢地波動，-只要根本上是這種情況。在磁芯柱21中與交變通量相疊加的單向磁通5導(dǎo)致預(yù)磁化，預(yù)磁化引起磁材料的不對稱調(diào)整，并從而引起噪聲輻射的提高。為了根據(jù)本發(fā)明補償該單向通量分量，在圖1中設(shè)置有兩個受控的電流源12和13。該電流源12、13分別在調(diào)整意義上向所配備的補償繞組3饋入補償電流16及17，該補償電流的大小和方向如此來確定，使得在磁芯4中的單向磁通5被補償。(在圖1中這通過一個大小相同的、與箭頭5相反的箭頭6來表示。)這種調(diào)整借助該控制信號14、15來進(jìn)行，其中該控制信號作為調(diào)節(jié)量借助導(dǎo)線9、10而傳輸給該電流源12及13。
[0025]一個信號處理單元11提供該控制量14、15，該信號處理單元在下文中還要詳細(xì)解釋。如在圖1中所示，在該補償繞組3與磁芯4的外側(cè)磁芯柱21及23之間分別大致居中設(shè)置了一個磁場探測器8。每個磁場探測器8都位于該磁路外部，并測量該變壓器20的雜散磁場。在該雜散磁場中尤其明顯突出的是磁化電流的、被控制進(jìn)入飽和的那個半波，如此使得在磁芯中的單向通量分量可以良好地被探測。該探測器8的測量信號借助導(dǎo)線9、10而傳輸給該信號處理單兀11。
[0026]在本例子中，這兩個磁場探測器8分別由一個測量線圈(幾百匝，直徑約25mm)組成。如在該三磁芯柱變壓器的本例子中所示，兩個探測器8就已經(jīng)足夠了，因為在所有磁芯柱上單向通量分量之和必定為零。
[0027]如前所述，基本上考慮許多傳感器原理來用于磁場測量。關(guān)鍵僅僅是測量該變壓器的一個磁場特性參數(shù)，由該磁場特性參數(shù)在信號技術(shù)上可以探測該DC分量或單向通量分量，并能夠進(jìn)一步調(diào)整它。
[0028]圖2與圖1的不同之處僅在于，在此該補償繞組裝置3不是設(shè)置在主磁芯柱21、22、23上，而是設(shè)置在磁芯4的軛鐵32上。在每個主磁芯柱21、22、23上再次在磁芯4與次級繞組2之間的間隙中設(shè)置有一個磁場探測器8 (在此出于冗余原因而總共三個)。
[0029]圖3示出了一個五磁芯柱變壓器，其中在每個磁軛磁芯柱31上分別設(shè)置了一個補償繞組3。在這種構(gòu)造中磁芯磁通在進(jìn)入軛鐵時并不是對半地分到兩側(cè)；由于連續(xù)原則，分別從磁軛磁芯柱31流回的單向通量分量必定等于在主磁芯柱21、22、23中的單向通量，如此使得每個磁軛磁芯柱31都傳輸1.5倍的單向通量分量。每個磁芯柱21、22、23再次分配有各一個設(shè)置于磁芯4外部的磁場探測器8。這三個磁場探測器8的每個測量信號都再次傳輸給該信號處理單元11，該信號處理單元在輸出側(cè)提供控制量14、15以用于受控的電流源12和13，如此使得該補償電流16或17可以補償該磁軛磁芯柱31中的單向通量分量。
[0030]在圖4中示出了圖3的實施例的一種變化。在此該補償繞組3位于該主磁芯柱21、22和23上。每個補償繞組3都再次分配了三個電流控制裝置之一。如前所述通過該信號處理單元11來進(jìn)行補償電流的預(yù)給定。
[0031]在圖5中以框圖示出了該信號處理單元11的一種可能的實施方案，其中該信號處理單元用作DC補償調(diào)節(jié)器。如前所述，該信號處理單元11根據(jù)諧波的頻譜來探測身為單向通量分量(DC分量)的直接映像的二次諧波。
[0032]在下文中這借助所示的功能塊來詳細(xì)解釋:傳感器線圈8探測該變壓器20的雜散磁通。該傳感器線圈8的測量信號傳輸給一個差分放大器19。在所示的信號路徑中，該差分放大器19的輸出信號接著到達(dá)一個陷波濾波器(陷波器)24，該陷波濾波器濾除基本振蕩(50Hz分量)。通過一個低通25和一個帶通26該測量信號到達(dá)一個積分器27。通過積分產(chǎn)生與測量線圈8中的磁通變化成比例的一個電壓信號，該電壓信號被傳輸至一個非常有選擇性的帶通濾波器26，以濾出描繪單向通量分量的二次諧波。該電壓信號在一個采樣保持電路28和一個低通25之后通過導(dǎo)線16到達(dá)具有集成調(diào)節(jié)裝置的受控電流源12。該電流源12和調(diào)節(jié)裝置在一個封閉電流回路33中與一個補償繞組3相連接。其在該補償繞組3中提供一個直流，該直流抵消在磁芯4中的單向通量分量。因為要補償?shù)腄C分量的方向事先是未知的，所以采用了一個雙極性電流調(diào)節(jié)器，其在本實驗中具有全橋的IGBT晶體管。積分器27針對2次諧波致使相位滯后99度。由一個并聯(lián)振蕩回路組成的電抗二端網(wǎng)絡(luò)18阻止了電網(wǎng)頻率分量的網(wǎng)絡(luò)反作用。
[0033]在圖5中還示出了一個輔助繞組29，它的信號通過濾波器和整流器傳輸給該采樣保持電路28。它在所示的電路中用作采樣信號的調(diào)節(jié)，如此使得實現(xiàn)了該測量信號的二次諧波的與相位相關(guān)的采樣。在這里應(yīng)說明的是，該采樣保持電路最終僅用于由感應(yīng)探測器8所提供的測量信號的與相位有關(guān)的采樣(二次諧波100Hz)。
[0034]在圖5中所示的信號處理僅示例地示出了一種可能的二次諧波的測量方法。熟練的專業(yè)人員對此可以使用一系列模擬的以及數(shù)字的功能模塊。從而該電流控制量14、15比如還可以通過合適的數(shù)字計算方法在微計算機中或者在自由可編程的邏輯模塊(FPGA)中被獲得，其中根據(jù)傅立葉變換來探測二次諧波(IOOHz )。
[0035]在圖6中示出了一種試驗裝置，其中在圖5中所示的以及在上文中所解釋的信號處理單元11在4MVA功率變壓器中被使用，以在實際條件下在測量技術(shù)上來探測在該單向通量分量與該第一諧波(2次諧波)之間的關(guān)系。該4MVA功率變壓器在該實驗中在初級電壓為6KV或30KV時處于空載。在該初級或次級繞組裝置(圖6)的中性點中借助電流源而輸入在0.2與2A之間的一個DC分量。具有200匝的傳感器線圈用作磁場探測器8，其設(shè)置于該變壓器磁芯外部并探測雜散磁通。
[0036]在圖7和圖8中分別記錄了圖6的試驗裝置的測量結(jié)果的圖形。在圖7和圖8的圖形中，在中性點所輸入的直流分量(IDC)繪制于y軸上；在X軸上繪制了該第一諧波(UlOOHz)的有效值。圖7的圖形示出了在初級電壓為6KV時的關(guān)系，圖8的圖形適用于在初級電壓為30KV時。圖7和圖8這兩個圖示出:在直流分量(IDC)與由此所伴隨的失真(二次諧波UlOOHz)之間的關(guān)系以足夠的精確度可以看作是線性的。
[0037]結(jié)果，這意味著，由功率變壓器的磁場測量所探測的特性參數(shù)非常好地適合于形成控制量，該控制量在測量技術(shù)上探測并補償單向通量分量(不論其原因，也即即使疊加有地磁場)，如此使得該變壓器的工作噪聲和升溫可以保持為微小。
[0038]所使用的附圖標(biāo)記匯總 I初級繞組
2次級繞組 3補償繞組 4軟磁磁芯 5單向磁通 6補償磁通 7變壓器機殼 8磁場探測器 9測量線，-信號 10測量線，-信號 11信號處理單兀 12電流控制裝置 13電流控制裝置 14控制信號 15控制信號 16補償電流 17補償電流 18電抗二端網(wǎng)絡(luò)19差分放大器20變壓器
21變壓器的第一磁芯柱22變壓器的第二磁芯柱23變壓器的第三磁芯柱24陷波濾波器25低通26帶通27積分器28采樣保持電路29輔助繞組30磁場測量裝置31磁軛磁芯柱32軛鐵33電流路徑
【權(quán)利要求】
1.具有單向通量補償?shù)碾娏ψ儔浩?，其特征在? (a)該變壓器(20)具有軟磁磁芯(4)，在該軟磁磁芯上除了初級和次級繞組裝置(1，2)之外還設(shè)置有補償繞組裝置(3 )， (b)磁場測量裝置(30)測量在該變壓器(20)的磁芯(4)中的磁場，或者測量在該磁芯(4)外部通過空氣通路所圍繞的雜散磁場，并提供控制信號(14，15)， (c)該控制信號(14，15)被傳輸給電流控制裝置(12，13)， (d)該電流控制裝置(12，13)通過包含有電抗二端網(wǎng)絡(luò)(18 )的電流路徑(33 )與該補償繞組裝置(3)相連接，并根據(jù)該控制信號(14，15)向該補償繞組裝置饋入補償電流(16，17)，使得其作用是在磁芯(4)中抵消單向磁通(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器，其特征在于，該磁場測量裝置(30)由一種信號處理單元(11)構(gòu)成，該信號處理單元與至少兩個磁場探測器(8)以導(dǎo)通信號的方式相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變壓器，其特征在于，該信號處理單元(11)被設(shè)置用于根據(jù)由磁場探測器(8)所提供的相應(yīng)測量信號來探測諧波，以從中探測用于調(diào)整該單向通量(5)的控制信號(14，15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變壓器，其特征在于，該控制信號(14，15)根據(jù)第一諧波來形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變壓器，其特征在于，所述至少兩個磁場探測器(8)中的每一個都設(shè)置于該磁芯(4)外部，以探測該變壓器(20)的雜散磁通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變壓器，其特征在于，每個磁場探測器(8)都作為感應(yīng)探測器來構(gòu)造。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變壓器，其特征在于，每個感應(yīng)探測器(8)都是空芯線圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的變壓器，其特征在于，該電抗二端網(wǎng)絡(luò)(18)具有并聯(lián)振蕩回路。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變壓器，其特征在于，該磁芯(4)具有三個磁芯柱(21，22，23)，其中至少兩個磁芯柱(21，23)設(shè)置有補償繞組(3)，并且每個空芯線圈(8)都分別設(shè)置在大致位于磁芯柱中間高度的間隙中，其中該間隙由磁芯柱的外周面與圍繞的補償繞組(3)或二次繞組(2)構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變壓器，其特征在于，該磁芯(4)具有三個磁芯柱(21，22，23)和兩個磁軛磁芯柱(31)，在該磁軛磁芯柱上分別設(shè)置有補償繞組(3)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變壓器，其特征在于，該補償繞組(3)設(shè)置在該變壓器的軛鐵(32)上。
【文檔編號】H01F27/34GK103943340SQ201410131543
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2007年6月12日
【發(fā)明者】P.哈姆伯格, A.萊克莫澤 申請人:西門子公司