CN103339515A - 用于线性化变压器的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于线性化通过变压器的电压传输的方法，其该变压器包括磁芯以及，输入和输出绕组。以第一频率将测量信号供应至所述输入绕组，并且在所述变压器的所述输出绕组处测量输出信号，其中所述测量信号的所述电压可以非常低以致所述变压器工作在非线性区域。所述方法包括：针对调节信号，选择与所述第一频率不同的第二频率(100)，限定所述调节信号的幅度值(110)，以及以第二频率和所限定的幅度值将所述调节信号供应至输入绕组，从而使得所述变压器工作在其线性区域(120)。

Description

用于线性化变压器的方法和设备

技术领域

本发明涉及线性化通过变压器的电压传输的领域，其中变压器包括磁芯以及输入和输出绕组，其中以一定频率将测量信号供应至输入绕组，并在变压器的输出绕组处测量输出信号，其中测量信号的电压可能非常低以致变压器工作在非线性区域。

背景技术

在电路和电力***中，变压器用于转换电压和电流。对于电力***保护和控制来说，变压器是必不可少的组件。当电压或电流太大以至于不能由仪器方便的使用时，可将电压或电流缩放至标准化的低值。另外，变压器可以对用于测量、保护和控制电路提供与出现在正在测量或控制的电路上的高电流或电压的电隔离。

这样的变压器只能在有限的范围内提供线性信号传递，这意味着必须针对其用途精心设计变压器从而使其工作在线性区域。然而，在一些情况下，供应至变压器的电压的幅度可能被选择为在线性范围之下。这种情况之所以出现是因为可能偶尔出现的较强信号必须不能使变压器过载，并且对于设计可能性有限制。低信号幅度导致通过连接在测量链中的变压器的非线性磁化电流。因此，非线性磁化电流使变压器工作在非线性区域，导致不准确的测量。当这样的非线性行为在包括多个变压器的测量电路中传播时，这种情况会变得更糟糕。

US5,369,355公开了用于使用负反馈来线性化电气变压器的性能的方法和***。一种电路布置被配置用于通过使用由运算放大器产生的负反馈来补偿三绕组变压器，以导致改善的低端频率响应、减小的谐波变形、和基本上电阻性的输入和输出阻抗。

然而，由于辅助或负反馈电路布置，两种方案均十分昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于线性化通过变压器的电压传输的方法，该变压器包括磁芯以及输入和输出绕组，其中以第一频率将测量信号供应至输入绕组，并且在变压器的输出绕组处测量输出信号，其中测量信号的电压可能非常低以致变压器工作在非线性区域。

本发明的目的由权利要求1所限定的方法实现。这样的方法包括：针对调节信号，选择不同于第一频率的第二频率，限定调节信号的幅度值，以及以第二频率和所限定幅度值将调节信号供应至输入绕组，使得变压器工作在其线性区域。

变压器通常设计用于能够在有限范围内提供线性信号。然而，在一些情况下，供应至变压器的电压幅度可能被选择为在线性范围之下，这导致流过变压器的非线性磁化电流，随之而来的是变化的空载载阻抗。因此，当这一测量的值用于例如故障检测时，不准确的测量可能会导致错误检测，进而导致错误保护操作。通过供应具有合适幅度值的调节信号，本发明能够实现变压器的线性操作。因而，确保了所测量的值的质量。

根据本发明的一个实施例，第一和第二频率具有非谐波关系。这意味着测量信号的频率和调节信号的频率之间的比值既不是整数，也不是整数的倒数。

当测量信号和调节信号两者均在变压器输入可用时，测量信号需要从变压器的输出信号中被滤出，变压器输出信号为测量信号和调节信号的叠加。然而，当变压器工作在非线性区域，其会在任何正弦输入信号之外产生谐波。那些谐波将继而出现在输出信号中。通过以与测量信号的频率不具有谐波关系的第二频率供应调节信号，确保变压器输出信号不会包含测量信号频率处的调节信号的谐波，即使调节信号谐波为混叠的(aliased)。因此，测量结果不受调节信号的影响。

根据本发明的一个实施例，调节信号的电压幅度为变压器额定电压的25％-75％。因而，测量信号与调节信号叠加之后的电压幅度不会超过变压器的额定电压。

根据本发明的一个实施例，通过以具体采样率采样获得所测量的电压，并且第二频率为该采样率的30％-50％，这意味着第二频率可能被设定在奈奎斯特频率或略低于其。因此，调节信号的混叠谐波仅在可用的频带的上部范围内出现。

根据本发明的一个实施例，这样的调节电压信号可用于连接在要求测量电路和仪器装置之间的电隔离的测量***中的至少一个变压器，其中该电隔离包括处于信号链上的一个或多个变压器。

附图说明

通过本发明的不同实施例的描述以及结合附图来更详细地描述本发明。

图1示出根据本发明的一个实施例的方法流程图。

图2a-b图示用于使能够实现线性电压传输的两个示例性示意图。

图3图示取决于应用和不应用本发明的输入电压电平的输出电压和输入电压之间的比值的图形。

图4图示基于信号注入方案的接地故障保护的示意图，其中信号被注入低幅度。

具体实施方式

图2a和2b图示用于是能够实现线性电压传输的两个示例性示意图。

在本实施例中，变压器1包括磁芯2，围绕磁芯2设置初级绕组2’和次级绕组2”。在这些示例中，将测量信号以第一频率通过端子3和3’供应至初级绕组2’，而通过连接端子4和4’在次级绕组2”处测量输出信号。

根据图1，对于调节信号，在步骤100，选择第二频率以与第一频率不同。另外，第二频率具有与第一频率的非谐波关系。在步骤110，选择调节信号的电压幅度使得变压器工作在其线性区域。调节信号的电压幅度可以被选择在变压器的额定电压的25％-75％范围内，使得基于第一和第二信号的电压的叠加不会超过变压器的额定电压。最后，在步骤120，将调节信号供应至变压器1的初级绕组2’。因此，变压器得以确保工作在其线性区域中。

应当理解，可能有各种方式以供应调节信号。图2a和2b图示了两种简单的方式，其可以通过修改测量电路而十分容易地实现。因此，与现有技术相比，本发明的方案是经济的。

例如，在测量信号为电流信号I_in的情况下，如图2a所示，可以增加用于供应调节信号I_cond的分流支路以与测量信号I_in源并联。而在测量信号V_in为电压信号的情况下，如图2b所示，用于供应调节信号V_cond的电路与测量电压源V_in串联。调节信号可以具有方波波形或正弦波波形。

图3图示取决于分别应用和不应用本发明的输入电压电平的输出电压和输入电压之间的比值。实线代表的是取决于当应用本发明时的输入电压电平的输出电压和输入电压的比值，而虚线代表的是不应用本发明时的该比值。清楚地可见，在应用本发明时，该比值几乎保持恒定，即，输出电压保持与输入电压的线性化。相反，当不应用调节信号时，比值的显著地变化直至当变压器工作在线性区域的点，在该示例中，大约在U_in＝0.1V处。

本发明意图解决在某些情况下出现的一个具体问题。该具体问题现在将参考图4所示的示例来进一步说明，图4中图示用于电机的接地故障保护的示意图。

在该示例中，信号注入单元5被布置用于在三相发电机的定子绕组10中注入测试信号以便检测接地故障。所注入的测试信号将被用作用于检测接地故障的测量信号。

发电机包括定子绕组10，其包括端子13。端子13连接至单元变压器16的初级绕组。单元变压器16的初级绕组18三角形连接至发电机的端子，以将发电机与网络的外部故障隔离开。

根据该布置，提供一种包括配电变压器30的测量***。该配电变压器30通过其初级绕组31连接至定子绕组的端子13，而其次级绕组32为开放三角形连接。电阻器42连接至配电变压器30的次级绕组32的两端，这通过连接点8和9建立了信号注入点。另外，测量仪器7通过连接点8和9连接至次级绕组32的两端。电阻器42适于将接地故障电流限制在如下值，该值在定子中发生接地故障的情形下限制对发电机定子的破坏。该限制典型地在3-25A范围内。

配电变压器的另一重要功能为提供测量电路和测量仪器7之间的电隔离。

为了能够检测发电机的定子绕组10的接地故障，通过配电变压器30的次级绕组32以预定频率向定子绕组10注入测试信号。然后，在次级绕组32处测量由所注入的测试信号导致的响应信号的电量。通过监测单元(图中未示出)基于所测量的信号检测其接地故障。

应当理解，所注入的测试信号是电压信号或者电流信号。如果所注入的测试信号是电压信号，则将测量电流形式的响应信号，反之亦然。

在该具体且不常见的情况下，配电变压器30在两个方向上操作电压和电流变换。首先，将电压形式的测试信号从注入单元5变换至定子绕组10，其次，电流形式的响应信号被从定子绕组10变换至测量7。

注入测试信号的预定频率可根据测量输出信号的采样率来选择，优选为所测量的信号的采样率的10％范围处。

所注入的信号的电压幅度将被选择在变压器的线性范围之下，从而所注入的信号和诸如***电压的其他信号的叠加电压不会超过变压器的额定电压，并且因此不会使变压器过载。

除此之外，该接地故障检测方案意图用于所有状态下的发电机，即使为静止状态。

然而，当发电机为静止状态时，没不存在***电压。通过配电变压器30的唯一信号为所注入的信号。由于所注入的信号的电压幅度被选择在变压器线性工作范围之下，因此非线性磁化电流流过变压器。因此，这导致不准确的测量值，这可能导致接地故障保护的错误操作，例如，可能启动误跳闸。这意味着上述的两个方向的信号将受到变压器30的非线性的影响。

通过供应调节信号，本发明使能够实现配电变压器30的线性工作。因此，确保了从测量仪器7获得的所测量的值的质量。在该示例中，可以通过如图2a所示的并联电流分流支路或者如图2b所示的串联电压连接应用调节信号。

当变压器启动时，只要发电机产生的三次谐波信号足够大，调节电压可在此条件下被关闭。类似的，当三次谐波降低到某个水平之下，调节电压可在减速过程中被打开。

应当理解，虽然以发电机进行了例示，但是包括本发明的信号注入方案也可应用于其他种类的电机，例如电动机。

Claims (5)

1.一种用于线性化通过变压器的电压传输的方法，所述变压器包括磁芯以及输入绕组和输出绕组，其中以第一频率将测量信号供应至所述输入绕组，并且在所述变压器的所述输出绕组处测量输出信号，其中所述测量信号的电压可非常低以致所述变压器工作在非线性区域，其特征在于所述方法包括：

-针对调节信号，选择与所述第一频率不同的第二频率，

-限定所述调节信号的幅度值，以及

-以所述第二频率和所限定的幅度值将所述调节信号供应至所述输入绕组，使得所述变压器工作在其线性区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括选择所述第二频率，其中所述第一频率和所述第二频率具有非谐波关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节信号的电压幅度为所述变压器的额定电压的25％-75％。

4.根据权利要求1所述的方法，其中通过以具体采样率采样获得所测量的电压，并且所述第二频率为所述采样率的30％-50％。

5.一种需要测量电路和仪器装置之间的电隔离的测量***，其中所述电隔离包括处于所述信号链上的一个或多个变压器，其特征在于将根据所述权利要求1至4所述的所述调节信号供应至所述变压器中的至少一个。

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