CN103777156B

CN103777156B - 用于确定变压器的磁芯饱和的设备和方法

Info

Publication number: CN103777156B
Application number: CN201310310747.2A
Authority: CN
Inventors: M·佩特伦; D·多里纳; B·克洛西; G·斯图伯格
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: DE102013009587A1; CN103777156A

Abstract

本发明涉及用于确定变压器(200)的磁芯(201)的饱和的测量设备(100)、变压器(200)和方法。该设备(100)包括一测量电桥(101；111；112)，用于如此地布置在磁芯(201)上，使得测量电桥(101；111；112)跨接磁芯(201)的一部分；该设备还包括一测量线圈(102；208)，其布置在测量电桥(101；111；112)上，用于通过检测测量线圈(102；208)中的感应的电压，确定在变压器(200)的磁芯(201)内是否存在饱和。

Description

用于确定变压器的磁芯饱和的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于确定变压器的磁芯饱和的设备和方法。

本发明属于直流电压变换器、变压器、和/或变压器磁芯的电气技术的技术领域。

背景技术

本发明主题要解决的技术问题是检测变压器磁芯的饱和，尤其是在直流电压变换器内。熟悉该领域的人员了解，磁芯的饱和会引起大的电流峰值，该电流峰值能够导致功能故障、紧急关闭甚或设备损坏。会引起磁芯饱和的原因例如是不对称的结构、部件的变化等。

磁芯饱和尤其在直流电压变换器中成为问题。作为饱和的原因涉及非线性的半导体结构元件和不对称的变压器结构。使用相应的测量设备能够防止饱和并且实现设备的更好的功能方式和更高的材料使用效率。现有的用于确定饱和的测量方法基于下面几点：

· 测量设备的磁化电流，其在饱和时快速上升（USPT 5942134）

· 在气隙内嵌入磁通测量器，其测量气隙中的磁通密度（USPT 6532161 B2）

· 次级电流和变压器数学模型的测量（US 2005/0140352 A1）

· 附加的横绕组（US 4439822）

· 附加的芯体（US3611330）。

熟悉该领域的人员了解，基于在芯体内对施加的或者感应的电压进行积分的方法最简单。该方法的主要缺点在于，为确定磁通密度必须对电压进行积分。然而在积分的情况下各种测量错误、运算放大器的剩余电压、干扰等导致错误的结果，使得这样的方法在大多数情况下不适合。

基于确定磁化电流的方法的缺点一般由于次级电流和初级电流的相减而产生，这里该差值非常小。由于测量设备的误差、信号的离散化和可能的干扰，很难正确地确定磁化电流。需要非常好的测量设备。

使用嵌入的磁场传感器的方法昂贵并且在周围环境强烈地通过干扰被污染时不能使用。在芯体中的磁场不均匀时也必须了解局部的饱和点。

基于数学模型的方法需要开发良好的模型，其必须极为准确。该方法同样需要大的计算功率和精确的测量设备。缺点也在于反应能力。

一般来说饱和的检测很困难，因为饱和区域内的参量变化非常快，这需要密集的信号采样和***对于预防饱和的立即的反应。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种用于确定变压器的磁芯的饱和的设备和方法，通过它们能够解决上述问题。特别应该提供一种用于确定变压器的磁芯的饱和的设备和方法，通过它们能够用简单的措施可靠地确定变压器的磁芯的饱和。

该任务通过根据具有如下特征的用于确定变压器的磁芯饱和的设备解决。该设备包括一个测量电桥和一个测量线圈，所述测量电桥用于如此地布置在磁芯上，使得该测量电桥跨接磁芯的一部分，所述测量线圈卷绕到测量电桥上，用于通过检测在该测量线圈内感应的电压来确定在变压器的磁芯内是否存在饱和。

测量线圈可以实施为围绕测量电桥在测量电桥长度上均匀分布的绕组。

测量电桥可以具有两个末端，它们在为确定变压器的磁芯的饱和而执行测量时可以布置在磁芯上。

测量电桥例如构成为半环形或者U形。

测量电桥的材料可以具有比变压器的磁芯更小的磁阻。这里测量电桥的材料可以具有良好的导磁性但是差的导电性，使得在为确定变压器的磁芯饱和的测量时避免在测量电桥内产生涡流。

测量电桥和/或测量线圈的形状、大小和参数尽可能适配变压器的磁芯的尺寸和为确定变压器的磁芯的饱和而执行测量的位置。

测量电桥的参数可以是它的横截面、它的平均长度或者它的材料，线圈的参数可以是它的匝数。

此外该任务通过具有如下特征的用于确定变压器的磁芯饱和的方法解决。该方法通过一种具有测量电桥和卷绕到该测量电桥上的测量线圈的设备执行。该方法包括如下步骤：如此在变压器上布置该设备，使得测量电桥跨接磁芯的一部分；并且通过检测在测量线圈中感应的电压来确定在变压器的磁芯内是否存在饱和。

在测量步骤期间当在线圈中感应的电压在正方向或者在负方向上陡峭升高时，可以确定变压器的磁芯饱和。

在测量步骤期间可以使用一附加的测量绕组，其围绕变压器的磁芯放置，并且测量和对它的感应的电压进行积分或者说集成，以便用逻辑电路单义地（eindeutig）确定饱和点。

本发明的另外可能的实现还包括上面或者下面关于所描述的特征的实施例或者实施方式的未明确提到的组合。特别是变压器和测量电桥的组合表示一种可能性：在运行中如此影响变压器，使得调整饱和效应。这里本领域技术人员还把单个方面作为对本发明的各个基本形式的改进或者补充来进行添加。

附图说明

下面参照附图并且根据实施例详细说明本发明。附图中：

图1表示测量电桥的两个不同的实施例，其中，图1A表示根据第一实施例的测量电桥的三维视图，图1B表示图1A的测量电桥的侧视图，以及图1C表示根据第二实施例的测量电桥的侧视图；

图2表示使用根据第二实施例的测量电桥来执行测量的示意图；

图3用它的分图3A到3D表示使用图2所示的结构来执行测量时测量信号的时间变化。

具体实施方式

图1A表示设备100，其具有测量电桥101、测量线圈102和检测装置103，在所述检测装置上可连接测量线圈102。使用该检测装置可检测在测量线圈102内感应的电压u_it。

如图1A和图1B所示，测量电桥101、112构造成U形。测量线圈102围绕图1A中的水平的部分均匀地卷绕，相反，测量线圈102在测量电桥101、112的竖直的部分上不存在。由此测量线圈102仅在测量电桥101、112的部分区域内均匀地在整个测量电桥长度上分布。在图1A中测量电桥101的平均长度l_t（122）用一个双侧的虚线箭头表示。测量电桥101具有横截面A_t（121），其在图1A中以阴影表示。测量电桥101优先用具有良好的导磁性和差的导电性的材料构成。因此产生很小的能够对于运行产生负作用的涡流。但是测量电桥101也可以用其他例如软磁的材料构成。

测量电桥101应该优先是半圆形，具有在整个测量电桥长度上均匀分布的绕组111，如在图1C中在第二实施例中所示。但是其他的形状和结构也是可以的，例如针对测量电桥101、112的第一实施例的那些形状和结构。在图1C中绕组111均匀地卷绕到一个半环上。

测量电桥101、111、112和测量线圈102的形状、大小和参数取决于变压器的尺寸和饱和确定的位置。测量电桥101、111、112的重要的参数，它们可以根据特定的场合改变，是测量电桥的横截面A_t（121）、它的中间的长度l_t（122）以及测量电桥101、111、112的材料，因为它们根据公式（1）规定测量电桥101、111、112的磁阻：

（1）

式中，μ₀是空的空间的导磁率，μ₁是测量电桥101、111、112的材料的相对导磁率。测量线圈（102）的重要的参数是匝数N_t（123），因为它根据公式（2）影响测量线圈102内感应的电压u_it的值：

（2）

式中Φ_t 205是通过测量电桥101、111、112和测量线圈102的磁通。

借助图2说明了根据第一和第二实施例的测量电桥101、111、112的作用原理。

图2表示一个为在直流电压变换器内应用的具有三个绕组200A、200B、200C的典型的变压器200。以第二实施例的测量电桥为形式的测量电桥203在变压器芯体或者变压器200的磁芯201上以任意的形式和结构来布置，其方式为，使所述测量电桥靠在磁芯201上，如图2所示。这里测量电桥203以其两个末端布置在磁芯201上，如在图2中所示。由此测量电桥203能够大致平行于变压器芯体201的一部分202布置并且在此跨接部分202，如在下面说明的那样。

当测量电桥203下面的磁芯201、亦即磁芯201的一部分202接近饱和时，磁芯201内的磁阻开始迅速上升。由于测量电桥203在磁芯201上、准确地说在磁芯201的部分202上的磁阻很小，越来越大的磁通204开始通过测量电桥203在磁芯201旁边流过，如在图2中通过虚线205所示。因此在测量电桥203的绕组208内感应的电压u_it（206）开始陡峭地上升。由于在测量线圈208内感应的电压u_it的迅速上升，可以推断出测量电桥203下的磁芯饱和，也就是说磁芯201的部分202饱和。

当磁芯201达到饱和时测量线圈208内感应的电压u_it（206）的典型的形式在图3A内表示。当感应的电压u_it快速上升或者下降时，从在测量线圈208的绕组内感应的电压u_it的反应中可以推断出在测量电桥202下磁芯内的饱和状态，亦即在磁芯201的部分202内的饱和状态。在图3A中可以看出，在电源供给的每半个周期内出现两个典型的峰值：（310）和（311）。当磁芯201达到饱和时，感应的电压u_it升高并且产生一个电压峰值（310）；当因此切换供给电压时，由于通过测量电桥203的磁通的迅速下降而出现一个相反极性的电压峰值（311）。这不表示饱和状态。这样得到两个电压峰值，在半周期开始时（311）和在半周期结束时（310）。因此为明确地确定正确的峰值和饱和点还需要另一个用于选择在半周期结束时的电压峰值（310）的指示符，其可以以多种方式建立，优先通过在图2中表示的附加的测量绕组210，在其内测量感应的电压（211），所述感应的电压通过芯体中的磁通引起。该感应的电压的形状在图3B中表示。通过对该感应的电压的积分，在磁芯201内得到磁通密度的大概的曲线变化，如图3C所示。接着可以使用逻辑电路确定正确的脉冲，例如当条件（3）

（3）

满足时，可以实现饱和检测的功能，使得得到图3D。现在当条件（3）满足并且感应的电压根据图3A达到希望的值，例如在图3A中用附图标记320表示的值或者在图3A中用附图标记321表示的值时，能够没有问题地确定饱和点。

代替附加的测量绕组210中的感应的电压，也可以另外规定附加的条件，例如通过测量施加的电压。正确的脉冲也可以以另外的方式确定，例如使用测量线圈208中的脉冲极性和脉冲的导数，通过使用神经网络等。

通过在规定的工作条件上校准所述测量电桥203，例如为规定施加的变压器电压在测量测量电桥203上感应的电压的情况下确定磁芯201内的磁通密度，芯体也可以在芯体内的任意的最大磁通密度之间切换（±B_sat），例如在图3C中用附图标记331表示的值或者在图3C中用附图标记332表示的值之间。

在磁芯201内磁场均匀的情况下一个唯一的测量电桥203足以确定磁芯201的饱和。但是在变压器200的磁芯201内的磁场也可以是不均匀的，因此磁芯201的饱和局部地甚或在不同的时间点发生。其原因可能由结构决定，例如变压器200的绕组的不对称分布等。在这种情况下为确定饱和可以使用任意数目的测量电桥203。也可以为查找饱和位置使用测量电桥203。

测量电桥101、111、112、203的优点在于不复杂性和可适配性，因为测量电桥101、111、112、203利用横截面121、测量电桥的长度122和测量线圈的绕组123就能够任意适配各种情况。饱和的检测在计算方面要求也不高。所述饱和既可以在变压器200的空载时也可以在负载时确定。与其余的方法不同，能够确定磁芯201的局部的和全部的饱和。优点还在于，人们可以通过确定饱和点自身来校准所述测量电桥101、111、112、203并且获得该饱和的大小的信息。

总之，用于确定变压器的磁芯饱和的方法基于具有测量线圈102、208的测量电桥101、111、112、203。根据在测量电桥101、111、112、203的测量线圈102、208中感应的电压u_it可以确定变压器芯体或者变压器200的磁芯201的饱和状态。使用校准的测量电桥101、111、112、203能够以简单和直接的方式获得针对磁芯中的磁通密度所存在的信息。使用测量电桥101、111、112、203能够测量局部的或者全部的饱和。测量电桥101、111、112、203具有很强的适配性并且不复杂。在具有强电磁污染的环境中所述测量电桥也良好地工作。

饱和检测器

1.用于借助具有线圈（100）的测量电桥来确定磁芯饱和的方法。

2.用于借助具有线圈（100）的测量电桥来确定磁芯中磁场的直流分量的方法。

3.根据需求1的设备，其特征在于，根据在测量电桥的绕组中感应的电压和附加的准则来确定变压器磁芯的饱和。

4.根据需求2的设备，其特征在于，根据在测量电桥的绕组中感应的电压来确定饱和或者说磁芯中的磁场的直流分量，并且通过使用产生初级绕组的脉冲宽度调制的供给电压的变换器，优先去除所述饱和或者说所述直流分量，或者将其适配到希望的值上。

因此公开了一种用于借助具有测量线圈102、208的测量电桥101、111、112、203来确定磁芯201的饱和的方法。

该方法用于借助具有测量线圈102、208的测量电桥101、111、112、203来确定磁芯201中的磁场的直流分量。

这里描述了一种设备，其根据在测量电桥101、111、112、203的测量线圈102、208的绕组中感应的电压u_it和附加的准则能够确定变压器磁芯或者说变压器200的磁芯201的饱和。

该设备能够根据在测量电桥101、111、112、203的测量线圈102、208的绕组中感应的电压u_it确定饱和或者说磁芯201中磁场的直流分量，并且通过使用产生初级绕组的脉冲宽度调制的供给电压的变换器，优先去除所述饱和或者说所述直流分量，或者将其适配到希望的值上。

设备100和该方法的所有上述结构可以单独地或者以所有可能的组合来应用。特别可以任意组合上述实施例的所有的特征和/或功能。另外特别可以想到下面的修改。

附图中表示的部分是示意的表示，在精确构造时只要保证它们的上述功能，可以与在图中表示的形式不同。

用于测量电桥101、111、112、203的可能的材料是任意的软磁材料。

Claims

1. 用于确定变压器（200）的磁芯（201）的饱和的测量设备（100），具有：

测量电桥（101；111；112），其如此构造，使得其能够布置在变压器的磁芯（201）上，并且能够跨接所述磁芯（201）的一部分；以及

测量线圈（102；208），用于检测第一感应的电压，其中，所述测量线圈（102；208）布置在所述测量电桥（101；111；112）上。

2.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述测量线圈（102；208）构造成至少局部地在测量电桥长度上均匀分布的绕组。

3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中，所述测量电桥（101；111；112）如此构造，使得所述测量电桥在为确定变压器（200）的磁芯（201）的饱和而执行一测量时能够靠在所述磁芯（201）上。

4.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中，所述测量电桥（101；111；112）构造成半环形（100C）或者U形（100B）。

5.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中，所述测量电桥（101；111；112）和/或所述测量线圈（102；208）的形状、大小和参数与变压器（200）的磁芯（201）的尺寸以及与如下位置相适配，在所述位置处能够为确定饱和而执行一测量。

6.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中，包括第二测量线圈（210），借助所述第二测量线圈能够测量第二感应的电压（211）。

7.根据权利要求6所述的测量设备，其中，包括一用于执行所述第二感应的电压（211）的积分的单元和一逻辑电路。

8.用于利用一测量设备（100）确定变压器（200）的磁芯（201）的饱和的方法，所述测量设备（100）具有一测量电桥（101；111；112）和在所述测量电桥（101；111；112）上布置的第一测量线圈（102；208），所述方法具有如下步骤：如此在所述变压器（200）上或者在所述变压器（200）的磁芯（201）上布置所述测量设备（100），使得所述测量电桥（101；111；112）跨接所述磁芯（201）的一部分；并且通过检测在所述第一测量线圈（102；208）中的第一感应的电压来确定在所述变压器（200）的磁芯（201）内是否存在饱和。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在测量步骤期间当在所述第一测量线圈（102；208）中的第一感应的电压（u_it）上升时，确定所述变压器（200）的磁芯（201）饱和。

10.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，在测量步骤期间使用第二测量线圈（210），其围绕所述变压器（200）的磁芯（201）布置，其中，测量所述第二测量线圈（210）中的第二感应的电压（u_it），以便确定饱和点。

11.具有磁芯（201）的变压器（200），所述变压器包括一根据权利要求1到7之一的测量设备，其在所述变压器（200）上如此布置，使得在所述变压器的运行期间能够借助所述测量设备（101；111；112）推断至少一部分在磁芯（201）内出现的磁通。