ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР С КОМПЕНСАЦИЕЙ ПОСТОЯННОГО ПОТОКА Российский патент 2012 года по МПК H01F27/34 

Область техники

Изобретение относится к электрическому трансформатору с компенсацией постоянного потока.

Уровень техники

Известно, что в электрическом трансформаторе, который эксплуатируется в соединении с выпрямителем тока, ввиду неточностей при управлении мощными полупроводниковыми переключателями может возникнуть токовая составляющая, которая накладывается на рабочий ток трансформатора. Эта токовая составляющая, которая по отношению к сети может рассматриваться как постоянный ток, далее упоминается как «составляющая постоянного тока» или «DC-составляющая». Она часто составляет лишь несколько промилле номинального тока трансформатора, однако обуславливает возникновение в сердечнике трансформатора магнитного постоянного потока, который накладывается на первичный или вторичный переменный поток, и обуславливает несимметричное управление BH-характеристикой ферромагнитного материала сердечника. Уже незначительная составляющая постоянного потока может, ввиду высокой проницаемости ферромагнитного материала сердечника, вызвать насыщение сердечника и сильные искажения тока намагничивания. Также геостационарное магнитное поле может вносить вклад в составляющую постоянного потока. Следствиями этого несимметричного управления являются повышенные магнитные потери и, тем самым, повышенное нагревание сердечника, а также пики тока намагничивания, которые обуславливают повышенную эмиссию промышленных помех.

Нежелательному эффекту насыщения можно было бы, в принципе, противодействовать тем, что поперечное сечение магнитного контура увеличивается и, тем самым, магнитная плотность потока В поддерживается более низкой, или в магнитный контур вводится (эквивалент) воздушный зазор, как, например, предложено в DE 19854902 A1. Однако первое приводит к повышенному конструктивному объему, а последнее - к более высокому току намагничивания, причем и то, и другое является недостатком.

Чтобы уменьшить эмиссию помех электрического трансформатора, в US 5726617 и в DE 69901596 Т2 предлагаются исполнительные элементы, которые масло в трансформаторном корпусе возбуждают таким образом, что волны давления флюида, которые при работе трансформатора исходят от листового пакета сердечника трансформатора и от обмоток трансформатора, ослабляются. Однако эти исполнительные элементы потребляют при работе значительную долю энергии; к тому же они подвержены воздействию помех и сопряжены с затратами.

Представление изобретения

Задачей предложенного изобретения является создание трансформатора, в котором по возможности простым способом снижаются нагревание сердечника и эмиссия помех, обусловленные магнитным постоянным потоком в сердечнике.

Решение этой задачи осуществляется признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение исходит из идеи, состоящей в том, что следует не бороться с нежелательными проявлениями предварительного намагничивания, а устранять их причину. Соответствующий изобретению трансформатор характеризуется следующим образом:

- Трансформатор имеет магнитомягкий сердечник, на котором, дополнительно к первичной и вторичной обмотке, размещена компенсационная обмотка.

- Компенсационная обмотка связана с устройством управления током, которое согласно параметру управления, который предоставляет устройство измерения магнитного поля из измерения магнитного потока, связанного с током в первичной или вторичной обмотках, вводит в компенсационную обмотку компенсационный ток таким образом, что его действие в сердечнике направлено противоположно магнитному постоянному потоку.

За счет этого достигается то, что магнитная составляющая постоянного потока в сердечнике трансформатора простым способом может определяться техническими средствами измерения и компенсироваться посредством процесса регулирования для устранения рассогласования. Если составляющая постоянного потока исключена, то управление ВН-характеристикой является симметричным. Ферромагнитный материал сердечника более не работает в области насыщения. Тем самым магнитострикция материала снижается, вследствие чего также снижается эмиссия промышленных помех. Обмотки трансформатора менее сильно нагружаются термически, так как магнитные потери и, тем самым, рабочая температура в сердечнике снижаются.

В соответствии с изобретением задание компенсационного тока в компенсационной обмотке осуществляется согласно измеренной величине магнитного поля, которую выдает устройство измерения магнитного поля. Для определения измеренной величины магнитного поля пригодны известные сами по себе датчики магнитного поля, которые измеряют либо поле в сердечнике трансформатора, либо рассеянное магнитное поле, которое замыкается вне сердечника по воздушному зазору. Принцип действия, лежащий в основе этих датчиков, может представлять собой, например, индукцию в измерительной катушке, эффект Холла или магниторезистивный эффект. Измеренная величина магнитного поля может также определяться посредством применения магнитометра (феррозонда или зонда Ферстера). По сравнению с точным измерением составляющей постоянного тока (которая, в частности, в больших трансформаторах намного меньше, чем номинальный ток, и потому труднее определяется) измерительно-технические затраты для определения измеренной величины магнитного поля меньше.

Предпочтительное выполнение изобретения может отличаться тем, что устройство измерения магнитного поля образовано блоком обработки сигнала, который связан с, по меньшей мере, двумя детекторами магнитного поля сигнальным проводником. При трехфазном трансформаторе обычной структуры может быть достаточным определение двух составляющих постоянного потока, так как полный поток должен давать нуль.

Предпочтительным образом блок обработки сигнала выполнен с возможностью определения высших гармоник из соответствующего измеренного сигнала, обеспеченного детектором магнитного поля, и формирования на этой основе управляющего сигнала. Тем самым можно при сравнительно невысоких схемотехнических затратах получить управляющую величину, пригодную для компенсации составляющей постоянного потока. Гармонический анализ может осуществляться электронным способом или с компьютерной поддержкой.

Особенно подходящими для этого являются четные гармоники, в частности первая высшая гармоника (вторая гармоника), амплитуда которой функционально связана с магнитным постоянным потоком, который следует компенсировать.

В частности, предпочтительной является форма выполнения, при которой два детектора магнитного поля вне сердечника размещены таким образом, что они определяют рассеянный поток трансформатора. Рассеянный поток трансформатора возрастает в случае магнитного насыщения сердечника очень сильно, что благоприятно для определения управляющего сигнала.

Детектор магнитного поля может быть выполнен просто как индукционный зонд, который определяет изменение рассеянного потока и преобразует в электрический сигнал измерения, из которого затем могут быть отфильтрованы четные гармоники, в частности вторая гармоника.

В особенно предпочтительной форме выполнения индукционный зонд может быть выполнен как катушка с воздушным сердечником. По сравнению с измерительным преобразователем на полупроводниковой основе электрический сигнал измерения этой катушки с воздушным сердечником не зависит от долговременного и температурного дрейфа и к тому же является экономичным.

Чтобы влияние сети на компенсационную обмотку поддерживать на возможно более низком уровне, может быть благоприятным, если в путь тока к устройству управления током включен запирающий контур (например, реактивный двухполюсник). Тем самым нагрузка напряжения управляемого источника тока, которая вводится в компенсационный ток в компенсационную обмотку, может поддерживаться незначительной. Для этого пригодна двухполюсная схема, например, образованная из L-С-параллельной схемы, которая блокирует сетевую частоту, однако по отношению к компенсационному постоянному току не представляет практически никакого сопротивления.

Благоприятное пространственное расположение детектора магнитного поля осуществляется проще всего путем экспериментального или числового моделирования. В частности, благоприятным является место измерений, в котором магнитные поля, обусловленные первичными и вторичными токами нагрузки, в значительной мере компенсируются. Предпочтительным является расположение, при котором катушка с воздушным сердечником размещена в зазоре, образованном внешней окружной поверхностью стержня сердечника трансформатора и концентрически окружающей компенсационной обмотки или вторичной обмотки, примерно на средней высоте стержня сердечника.

Предпочтительным местом расположения компенсационной обмотки в случае трехстержневого трансформатора является ярмо, а в случае пятистержневого трансформатора - стержень, замыкающий обратный поток; тем самым существующий трансформатор может быть простым способом модернизирован с помощью компенсационной обмотки.

Краткое описание чертежей

Для дальнейшего пояснения изобретения в последующей части описания ссылки даются на чертежи, из которых следуют другие предпочтительные варианты выполнения, особенности и усовершенствования изобретения и на которых показано следующее:

фиг.1 - соответствующий изобретению трансформатор трехфазного тока (трехстержневой трансформатор) с компенсацией постоянного потока, в котором компенсационная обмотка размещена на основных стержнях;

фиг.2 - соответствующий изобретению трансформатор трехфазного тока (трехстержневой трансформатор) с компенсацией постоянного потока, в котором компенсационная обмотка размещена на ярме;

фиг.3 - соответствующий изобретению трансформатор трехфазного тока с компенсацией постоянного потока, в котором компенсационная обмотка размещена на ярме, замыкающем обратный поток;

фиг.4 - соответствующий изобретению трансформатор трехфазного тока (пятистержневой трансформатор) с компенсацией постоянного потока, в котором компенсационная обмотка размещена на основных стержнях;

фиг.5 - блок-схема соответствующей изобретению обработки сигнала для отработки отклонения (компенсации) компоненты постоянного потока;

фиг.6 - блок-схема способа измерения для измерения составляющей постоянного потока на мощном трансформаторе на 4 МВА, причем применяется обработка сигнала по фиг.5;

фиг.7 - диаграмма, которая в качестве результата способа измерения согласно фиг.6 показывает линейное соотношение между DC-составляющей и второй гармоникой при первичном напряжении 6 кВ;

фиг.8 - диаграмма, которая в качестве результата способа измерения согласно фиг.6 показывает линейное соотношение между DC-составляющей и второй гармоникой при первичном напряжении 30 кВ.

Выполнение изобретения

На фиг.1 показан электрический трансформатор 20 с корпусом 7, который имеет трансформаторный сердечник 4. Конструктивная форма сердечника 4 соответствует известной трехстержневой конструктивной форме с тремя стержнями 21, 22, 23 и поперечно расположенным ярмом 32. На каждом из стержней 21, 22, 23 находится, как обычно, первичная обмотка 1 и вторичная обмотка 2.

Согласно изобретению дополнительно на внешних стержнях 21 и 23 предусмотрена компенсационная обмотка 3. На фиг.1 в области первого стержня 21 стрелкой 5 обозначен магнитный «постоянный поток». Для этого магнитного «постоянного потока» 5 принято, что он вызывается составляющей постоянного тока (DC-составляющей), которая протекает с первичной стороны или вторичной стороны. «Постоянный поток» может также вводиться магнитным полем Земли. Под «постоянным потоком» или «постоянным током» здесь будет пониматься физическая величина, которая во времени, по сравнению с переменными величинами частоты 50 Гц, колеблется лишь очень медленно, если это вообще имеет место. Этот магнитный постоянный поток, который накладывается на переменный поток в стержне 21, обуславливает предварительное намагничивание, которое вызывает асимметричное регулирование магнитного материала и, тем самым, повышенную эмиссию шумов. Для соответствующей изобретению компенсации этой составляющей постоянного потока на фиг.1 предусмотрены два управляемых источника тока 12 и 13. Эти источники тока 12 и 13 вводят соответственно, в смысле отработки отклонения (компенсации), в соответствующую компенсационную обмотку 3 компенсационный ток 16 или 17, величина и направление которого выбраны таким образом, что магнитный постоянный поток 5 в сердечнике 4 компенсируется. (На фиг.1 это показано стрелкой 6, равной по высоте стрелке 5 и направленной противоположно ей.) Эта компенсация осуществляется посредством управляющих сигналов 14, 15, которые в качестве параметров регулирования подаются на источники тока 12 и 13 по проводникам 9, 10.

Управляющие величины 14, 15 предоставляет блок 11 обработки сигналов, который описан ниже более подробно. Как показано на фиг.1, между компенсационной обмоткой 3 и внешним стержнем 21 или 23 сердечника 4, соответственно, примерно посредине размещен детектор 8 магнитного поля. Каждый из этих детекторов 8 магнитного поля находится вне магнитного контура и измеряет поле рассеяния трансформатора 20. В поле рассеяния проявляется особенно заметно та полуволна тока намагничивания, которая управляется в насыщении, так что составляющая постоянного потока в сердечнике хорошо определяется. Сигнал измерения детекторов 8 посредством проводников 9, 10 подается на блок 11 обработки сигналов.

В представленном примере оба детектора 8 магнитного поля состоят соответственно из измерительной катушки (несколько сотен витков, диаметр примерно 25 мм). Уже два детектора 8 могут, как показано в представленном примере трехстержневого трансформатора, быть достаточными, так как сумма составляющих постоянного потока по всем стержням должна давать нуль.

Как уже упомянуто выше, для измерения магнитного поля могут применяться в принципе множество сенсорных принципов. Решающим является только то, что измеряется параметр магнитного поля трансформатора, из которого DC-составляющая или составляющая постоянного потока может определяться сигнально-техническими средствами и затем компенсироваться.

Фиг.2 отличается от фиг.1 только тем, что здесь компенсационная обмотка 3 размещена не на основном стержне 21, 22, 23, а на ярме 32 сердечника 4. На каждом основном стержне 21, 22, 23 вновь в зазоре между сердечником 4 и вторичной обмоткой 2 размещен детектор 8 магнитного поля (здесь по причинам резервирования всего три).

Фиг.3 показывает пятистержневой трансформатор, в котором на каждом стержне 31, замыкающем обратный поток, размещена соответствующая компенсационная обмотка 3. В этой структуре поток сердечника при входе в ярмо не разделяется пополам на две стороны; на основе закона непрерывности текущая назад из стержня 31, замыкающего обратный поток, составляющая постоянного потока должна соответствовать постоянному потоку в основных стержнях 21, 22, 23, так что каждый стержень 31, замыкающий обратный поток, проводит 1,5-кратную составляющую постоянного потока. Каждому стержню 21, 22, 23 вновь соответствует расположенный вне сердечника 4 детектор 8 магнитного поля. Каждый измеренный сигнал этих трех детекторов 8 магнитного поля вновь подается на блок 11 обработки сигналов, который на выходе обеспечивает управляющие величины 14, 15 для управляемых источников тока 12 и 13, так что компенсационный ток 16 или 17 составляющей постоянного потока может компенсироваться в стержнях 31, замыкающих обратный поток.

На фиг.4 показан вариант примера выполнения согласно фиг.3. Здесь компенсационные обмотки 3 находятся на основных стержнях 21, 22, 23. Каждой из этих компенсационных обмоток 3 вновь соответствует одно из устройств управления током. Задание компенсационного тока осуществляется, как представлено выше, посредством блока 11 обработки сигналов.

На фиг.5 показано схематичное представление в виде блок-схемы возможной формы выполнения блока 11 обработки сигналов, который действует как DC-компенсационный регулятор. Как уже представлено выше, блок 11 обработки сигналов определяет из спектра гармоник вторую гармонику, которая является прямым отображением составляющей постоянного потока (DC-компоненты).

Далее более подробно поясняются представленные функциональные блоки: сенсорная катушка 8 определяет поток рассеяния трансформатора 20. Измеренный сигнал сенсорной катушки 8 подается на дифференциальный усилитель 19. Следуя по показанному сигнальному пути, выходной сигнал дифференциального усилителя 19 подается на режекторный фильтр 24, который отфильтровывает основное колебание (компоненту на частоте 50 Гц). Через фильтр 25 нижних частот и полосовой фильтр 26 измеренный сигнал поступает на интегратор 27. За счет интегрирования возникает сигнал напряжения, пропорциональный магнитному изменению потока в измерительной катушке 8, который подается на высокоизбирательный полосовой фильтр 26, чтобы отфильтровать вторую гармонику, которая отображает составляющую постоянного потока. Этот сигнал напряжения попадает после схемы 28 выборки и хранения и фильтра 25 нижних частот по проводнику 16 на управляемый источник 12 тока с встроенным регулирующим устройством. Этот источник 12 тока с регулирующим устройством в замкнутом токовом контуре 33 связан с компенсационной обмоткой 3. Он выдает в компенсационную обмотку 3 постоянный ток, который действует противоположно составляющей постоянного потока в сердечнике 4. Так как направление подлежащей компенсации DC-составляющей априорно не известно, используется биполярный регулятор тока, в представленном эксперименте с IGBT-транзисторами в полном мосте. Интегратор 27 обуславливает по отношению ко второй гармонике запаздывание по фазе на 99 градусов. Реактивный двухполюсник 18, состоящий из параллельного колебательного контура, блокирует обратное воздействие на сеть составляющих сетевой частоты.

На фиг.5 еще можно видеть вспомогательную обмотку 29, сигнал которой через фильтр и выпрямитель подается на схему 28 выборки и хранения. Она служит в показанной схеме для формирования сигналов выборок, так что возможна зависимая от фазы выборка второй гармоники измеренного сигнала. Здесь следует отметить, что эта схема выборки и хранения служит только для зависимой от фазы выборки измеренного сигнала, обеспеченного индукционным зондом 8 (вторая гармоника на частоте 100 Гц).

Показанное на фиг.5 формирование сигнала показывает только для примера возможный способ измерения второй гармоники. Специалисту в данной области техники предоставлен в распоряжение для этого ряд аналоговых и цифровых функциональных компонентов. Так управляющие величины 14, 15 тока также могут быть получены, например, посредством подходящего цифрового способа вычисления в микрокомпьютере или свободно программируемом логическом компоненте (FPGA), который из Фурье-преобразования определяет вторую гармонику.

На фиг.6 показано экспериментальное устройство, в котором представленный на фиг.5 и поясненный выше блок 11 обработки сигналов применялся в мощном трансформаторе на 4 МВА для того, чтобы определить с помощью техники измерений взаимосвязь между составляющей постоянного потока и первой высшей гармоникой (второй гармоникой) при реальных условиях. Мощный трансформатор на 4 МВА находился в этом эксперименте в режиме холостого хода при первичном напряжении от 6 кВ до 30 кВ. В нулевых точках (нейтралях) первичной или вторичной обмоток (фиг.6) вводилась посредством источника тока DC-составляющая в пределах от 0,2 и 2 А. В качестве детектора 8 магнитного поля служила сенсорная катушка с 200 витками, которая была размещена вне сердечника трансформатора и определяла поток рассеяния.

На фиг.7 и фиг.8 на диаграмме зарегистрирован результат измерения экспериментального устройства согласно фиг.6. На диаграммах на фиг.7 и 8 вводимая в нулевую точку составляющая постоянного потока (IDC) нанесена по оси ординат; а по оси абсцисс нанесено эффективное значение первой высшей гармоники (U100 Гц). Диаграмма на фиг.7 показывает зависимость при первичном напряжении 6 кВ, а диаграмма на фиг.8 - при первичном напряжении 30 кВ эффективном. Обе диаграммы на фиг.7 и 8 показывают, что зависимость между составляющей постоянного потока (IDC) и вводимым за счет этого искажением (вторая гармоника U100 Гц) может рассматриваться с достаточной точностью как линейная.

В результате это означает, что определенная из измерения магнитного поля мощного трансформатора величина очень хорошо подходит для того, чтобы сформировать управляющую величину, которая используется для того, чтобы составляющую постоянного потока - без ущерба для ее причины, то есть, когда в ней принимает участие и магнитное поле Земли, - определять и компенсировать средствами измерительной техники, так что промышленные шумы и нагревание трансформатора могут поддерживаться на низком уровне.

Перечень применяемых ссылочных позиций

1 первичная обмотка

2 вторичная обмотка

3 компенсационная обмотка

4 магнитомягкий сердечник

5 магнитный постоянный поток

6 магнитный компенсационный поток

7 корпус трансформатора

8 детектор магнитного поля

9 измерительный проводник, сигнал

10 измерительный проводник, сигнал

11 блок обработки сигналов

12 устройство управления тока

13 устройство управления тока

14 управляющий сигнал

15 управляющий сигнал

16 компенсационный ток

17 компенсационный ток

18 реактивный двухполюсник

19 дифференциальный усилитель

20 трансформатор

21 первый стержень трансформатора

22 второй стержень трансформатора

23 третий стержень трансформатора

24 режекторный фильтр

25 фильтр нижних частот

26 полосовой фильтр

27 интегратор

28 схема выборки и хранения

29 вспомогательная обмотка

30 устройство измерения магнитного поля

31 стержень, замыкающий обратный поток

32 ярмо

33 путь тока.

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим трансформаторам. Технический результат состоит в упрощении снижения нагревания сердечника и эмиссии помех, обусловленных постоянным магнитным потоком в сердечнике. Электрический трансформатор (20) с компенсацией постоянного потока имеет магнитомягкий сердечник (4), на котором, дополнительно к первичной и вторичной обмотке (1, 2), размещена компенсационная обмотка (3). Эта обмотка связана с устройством (12, 13) управления током, которое согласно управляющему сигналу (14, 15), который предоставляет устройство (30) измерения магнитного поля из измерения магнитного потока, связанного с током в первичной или вторичной обмотках, вводит в компенсационную обмотку (3) компенсационный ток (16, 17) таким образом, что его действие в сердечнике (4) направлено противоположно магнитному постоянному потоку (5). 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Электрический трансформатор с компенсацией постоянного потока, характеризующийся следующими признаками:
a) трансформатор (20) имеет магнитомягкий сердечник (4) на котором дополнительно к первичной и вторичной обмотке (1, 2) размещена компенсационная обмотка (3),
b) устройство (30) измерения магнитного поля измеряет рассеянное магнитное поле, которое замыкается вне сердечника (4) через воздушный зазор, и предоставляет управляющий сигнал (14, 15), при этом устройство (30) имеет блок (11) обработки сигналов, который соединен сигнальными проводниками с, по меньшей мере, двумя детекторами (8) магнитного поля, каждый из которых выполнен как индукционный зонд,
c) управляющий сигнал (14, 15) подается на устройство (12, 13) управления тока,
d) устройство (12, 13) управления тока через путь (33) тока, который содержит реактивный двухполюсник (18), соединен с компенсационной обмоткой (3) и вводит в нее согласно управляющему сигналу (14, 15) компенсационный ток (16, 17) таким образом, что его действие в сердечнике (4) направлено противоположно магнитному постоянному потоку (5).

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что блок (11) обработки сигналов выполнен таким образом, чтобы из соответствующего сигнала измерения, предоставленного детектором (8) магнитного поля, определять высшие гармоники, чтобы из них определять управляющий сигнал (14, 15) для компенсации постоянного потока (5).

3. Трансформатор по п.2, отличающийся тем, что управляющий сигнал (14, 15) образован из первой высшей гармоники (второй гармоники).

4. Трансформатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что каждый из, по меньшей мере, двух детекторов (8) магнитного поля размещен вне сердечника (4), чтобы определять поток рассеяния трансформатора (20).

5. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что каждый индукционный зонд (8) представляет собой катушку с воздушным сердечником.

6. Трансформатор по п.5, отличающийся тем, что реактивный двухполюсник (18) содержит параллельный колебательный контур.

7. Трансформатор по п.5, отличающийся тем, что сердечник (4) имеет три стержня (21, 22, 23), из которых, по меньшей мере, два стержня (21, 23) снабжены компенсационной обмоткой (3), и каждая катушка (8) с воздушным сердечником размещена в зазоре, образованном внешней окружной поверхностью и окружающей компенсационной обмоткой (3) или обмоткой (2) примерно на средней высоте стержня.

8. Трансформатор по п.5, отличающийся тем, что сердечник (4) имеет три стержня (21, 22, 23) и два стержня (31), замыкающих обратный поток, на которых соответственно размещена компенсационная обмотка (3).

9. Трансформатор по п.5, отличающийся тем, что компенсационная обмотка (3) размещена на ярме (32) трансформатора.