DE3883676T2

DE3883676T2 - Gerät und Verfahren zum Nachweis von magnetischen Gleichstromflussablenkungen eines elektrischen Wandlers.

Info

Publication number: DE3883676T2
Application number: DE88308824T
Authority: DE
Inventors: Toyokazu C O Ako Seisaku Kouan; Katsumi C O Ako Seisaku Shiono
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-09-22
Filing date: 1988-09-22
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2008-09-23
Also published as: US4904945A; DE3883676D1; EP0309255A1; JPH0640696B2; JPH01157220A; EP0309255B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators, der ein Minimum an Raum erfordert und weder Verluste noch Rauschen erzeugt.
Da die Wechselstrom-Ausgangsspannung eines Wechselrichters im allgemeinen niedrig ist, ist es erforderlich, die Ausgangsspannung mit der Primärwicklung eines elektrischen Transformators zu verbinden, um die Wechselstromspannung zu erhöhen. Bei einem Wechselrichter, der Transistoren oder dergleichen verwendet, kann jedoch die Wechselstrom-Ausgangsspannung aufgrund der Abweichung des Spannungsabfalls in den jeweiligen Armen der Wechselrichterschaltung sowie der Abweichung der Stromführungsperioden der Transistoren in dem Wechselrichter eine Gleichstromkomponente enthalten. Wenn eine solche Gleichstromkomponente in der Wechselstrom- Ausgangsspannung des Wechselrichters enthalten ist, erzeugt ein elektrischer Transformator, der als eine Last mit dem Ausgangsanschluß des Hauptstromkreises des Wechselrichters verbunden ist, eine Gleichstrom-Magnetflußablenkung und die Eigenschaften des Transformators werden wegen der Zunahme an Eisenverlusten, Erregerstrom und Rauschen verschlechtert. Deshalb muß die Gleichstrom-Magnetflußablenkung in einem elektrischen Transformator detektiert und verhindert werden.
Die JP-Patentanmeldung Nr. 62-28353 (die der am 17. September 1988 veröffentlichten JP-A-63198581 entspricht) beschreibt ein Beispiel einer herkömmlichen Vorrichtung und eines herkömmlichen Verfahrens zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung in einem elektrischen Transformator. Bei dieser Vorrichtung werden eine Einrichtung zum Detektieren von elektrischem Strom, bei der eine sättigbare Drossel zum Detektieren eines elektrischen Stroms mit dem Hauptstromkreis des Wechselrichters parallelgeschaltet ist, und eine Polaritätsbestimmungseinrichtung verwendet, um durch einen opto-elektronischen Koppler die Polarität des Stroms in der Drossel, der von der Stromdetektiereinrichtung detektiert wird, zu bestimmen.
Bei der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung wird jedoch Extraraum zum Installieren einer zusätzlichen sperrigen Einrichtung, nämlich der sättigbaren Drossel, benötigt und die sättigbare Drossel selbst erzeugt Eisenverluste und Rauschen.
Die Veröffentlichung Elektrotechnische Zeitschrift, Vol. 100, Nr. 24, November 1979, S. 1390-1394; J. Lisser et al.; "Nullfluß-Stromwandler zur Messung von Gleich- und Wechselströmen" bezieht sich auf Nullfluß-Stromwandler zum Messen von Gleich- und Wechselströmen. Die beschriebene Anordnung umfaßt die Verwendung eines Magnetdetektors zum Erzeugen einer Ausgangswellenform und eines Detektors für geradzahlige Oberwellen zum Detektieren einer geradzahligen Oberwelle, die die Anwesenheit einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung anzeigt. Der Detektor ist ein Kern, der von einem Zusatzsignal in die Sättigung getrieben wird, um die erforderliche Messung durchzuführen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators bereitzustellen, bei der die vor stehend beschriebenen Probleme nicht auftreten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators bereitzustellen, bei der kein Extraraum erforderlich ist und weder Eisenverluste noch Rauschen erzeugt werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators bereitzustellen, bei dem die vorstehend beschriebenen Probleme nicht auftreten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators bereitzustellen, bei dem kein Extraraum erforderlich ist und weder Eisenverluste noch Rauschen erzeugt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators bereitgestellt, die aufweist:
einen Magnetdetektor, um das Magnetfeld in dem Transformator direkt zu detektieren und eine Ausgangsspannungs-Wellenform zu erzeugen;
eine Fourier-Reihen-Entwicklungseinrichtung, die mit dem Magnetdetektor verbunden ist, um die Ausgangsspannungs- Wellenform des Magnetdetektors in Fourier-Reihen zu entwickeln; und
einen Detektor für geradzahlige Oberwellen, der mit der Fourier-Reihen-Entwicklungseinrichtung verbunden ist, um eine geradzahlige Oberwelle in den Fourier-Reihen zu detektieren und dadurch die Anwesenheit einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung anzuzeigen.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist: Vorsehen eines Magnetdetektors im Bereich eines Eisenkerns des elektrischen Transformators, direktes Detektieren des Magnetfelds in dem Transformator, Entwickeln einer Wellenform einer Ausgangsspannung des Magnetdetektors in Fourier-Reihen und Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung durch die Anwesenheit einer geradzahligen Oberwelle.
Die vorliegende Erfindung bestimmt die Anwesenheit einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung durch direktes Überwachen der Änderung der Magnetisierungskraft des Eisenkerns, indem von dem Phänomen Gebrauch gemacht wird, daß die Magnetisierung des Eisenkerns mit positiver und negativer Polarität asymmetrisch wird und eine geradzahlige Oberwelle in einer Ausgangsspannung des Magnetdetektors enthalten ist, wenn der Eisenkern eines elektrischen Transformators eine Gleichstrom-Magnetflußablenkung erzeugt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher ersichtlich; in den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines elektrischen Manteltransformators, bei dem die Vorrichtung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Transformators von Fig. 1;
Fig. 3 einen Horizontalschnitt entlang der Linie III-III von Fig. 1;
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung, die bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wobei eine Suchspule verwendet wird;
Fig. 5 ein Blockdiagramm, das der Fig. 4 ähnlich ist, jedoch eine andere Ausführungsform zeigt, bei der ein Hall-Element verwendet wird; und
Fig. 6 einen Schnitt eines elektrischen Kerntransformators, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
In sämtlichen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Komponenten.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 bis 3 zeigen einen elektrischen Manteltransformator 10, bei dem die Vorrichtung zum Detektieren einer Magnetflußablenkung angewandt werden kann. Der Transformator 10 weist zwei im wesentlichen rechteckige Eisenkerne 1 auf, die von einem Kessel 5 gehaltert und darin enthalten sind. Die Eisenkerne 1 definieren Magnetkreise des elektrischen Transformators 10, und Niederspannungs-Primärwicklungen 3 und eine Hochspannungs-Sekundärwicklung 2 sind auf die Eisenkerne 1 gewickelt. Die Sekundärwicklung 2 ist mit elektrischen Durchführungen 6a und 6b verschiedener Größe verbunden, die an dem Kessel 5 zur äußeren Verbindung angebracht sind. Es ist ersichtlich, daß ein Magnetdetektor 4 der Vorrichtung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen zwei Eisenkernen 1 angeordnet ist. Der Magnetdetektor 4 ist durch eine Zuleitung 8 mit Ausgangsanschlüssen 7 elektrisch verbunden, die an dem Kessel 5 so angebracht sind, daß die Ausgangsspannung des Magnetdetektors 4 der externen Schaltung, die noch beschrieben wird, zugeführt werden kann.
Wie Fig. 3 zeigt, wird in einem lastfreien Erregungszustand, in dem keine Last mit der Hochspannungswicklung 2 verbunden ist, wenn ein Erregerstrom iL durch die jeweiligen Niederspannungswicklungen 3 fließt, ein Magnetfluß L durch diesen Erregerstrom iL in den jeweiligen Eisenkernen 1 erzeugt, und ein Magnetfeld HL, das der Magnetisierungskraft der Eisenkerne 1 entspricht, wird erzeugt.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetdetektor 4 im Bereich der Eisenkerne 1 angeordnet. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 ist der Magnetdetektor 4 eine Suchspule. Obwohl der in Fig. 1 bis 3 gezeigte Magnetdetektor 4 im wesentlichen in der Mitte der Eisenkerne 1 angeordnet ist, kann er in jeder anderen Position angebracht sein, so daß das Magnetfeld HL von dem Magnetdetektor 4 detektiert werden kann.
Aus Fig. 4, die ein Blockdiagramm der Vorrichtung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, ist ersichtlich, daß die Vorrichtung so verwendet wird, daß der elektrische Transformator 10 mit einem Wechselrichter 11 verbunden ist. Der Wechselrichter 11 ist mit der Niederspannungs-Primärwicklung 3 des elektrischen Transformators 10 verbunden, und die Hochsspannungs-Sekundärwicklung 2 kann durch die an dem Kessel 5 angebrachten Durchführungen 6a und 6b mit einer gewünschten Last (nicht gezeigt) verbunden sein.
Der Magnetdetektor 4 in Form einer Suchspule ist in dem Kessel 5 angeordnet und über den Ausgangsanschluß 7 mit einem Integrierer 12 verbunden. Der Integrierer 12 ist an seinem Ausgang mit einem Fourier-Reihen-Entwickler 13 verbunden, der seinerseits mit einem Detektor 14 für geradzahlige Oberwellen verbunden ist, der einen Ausgangsanschluß 15 hat.
Wenn der Transformator 10 in Betrieb ist, wird an den Ausgangsanschlüssen 7 der Suchspule 4 eine Ausgangsspannung E [V] erhalten. Da die Ausgangsspannung E [V] der Suchspule 4 ein Magnetfeld H in dem Raum ist, in dem die Suchspule 4 angeordnet ist, kann sie zeitlich differenziert wie folgt geschrieben werden:
E = N · S · udH/dt (1)
wobei N: Windungszahl der Suchspule S: Querschnittsfläche der Suchspule [m²)
u: Permeabilität des Suchspulenkerns [H/m]
H: Magnetfeld [A/m]
Diese Ausgangsspannung E wird dem Integrierer 12 zugeführt, wo sie integriert wird, um eine integrierte Ausgangsspannung EH zu liefern. Da diese Ausgangsspannung EH des Integrierers 12 ein Betrag der Ausgangsspannung E der Suchspule 4 ist, kann sie zeitlich integriert wie folgt geschrieben werden:
EH = A Edt
wobei A: Integrationskonstante des Integrierers.
Durch Substitution der Gleichung (1) erhält man:
EH = (A/N · S · u)H (2)
Diese so integrierte Ausgangsspannung EH wird dem Fourier- Reihen-Entwickler 13 zugeführt, wo das Eingangssignal in Fourier-Reihen entwickelt wird, um ein Entwicklungssignal Fn (n ist eine positive ganze Zahl) zu liefern. Dieses Entwicklungssignal Fn wird dem Detektor 14 für geradzahlige Oberwellen zugeführt, um die Anwesenheit von geradzahligen Oberwellenfrequenzen F&sub2;, F&sub4;, usw. zu bestimmen.
Wenn eine Gleichstrom-Magnetflußablenkung erzeugt wird, da die Magnetisierungskraft der Eisenkerne 1 in der positiven und der negativen Richtung asymmetrisch wird, werden die positiven und negativen Spitzenwerte des Magnetfelds H asymmetrisch und geradzahlige Oberwellenfrequenzen F&sub2;, F&sub4; sind in dem Entwicklungssignal Fn enthalten, das das Ausgangssignal des Fourier-Reihen-Entwicklers 13 ist. Deshalb liefert der Detektor für geradzahlige Oberwellen ein Detektiersignal D am Ausgangsanschluß 15 und zeigt dadurch die Erzeugung der Gleichstrom-Magnetflußablenkung an.
Wenn andererseits keine Gleichstrom-Magnetflußablenkung erzeugt wird, da die Magnetisierungskraft des Eisenkerns 1 in der positiven und der negativen Richtung symmetrisch ist, sind der positive Spitzenwert und der negative Spitzenwert des Magnetfelds H symmetrisch, und es sind keine geradzahligen Oberwellenfrequenzen F&sub2;, F&sub4; in dem Entwicklungssignal Fn enthalten. Deshalb wird am Ausgangsanschluß 15 kein Detektiersignal D geliefert, was anzeigt, daß keine Gleichstrom-Magnetflußablenkung erzeugt wird.
Der elektrische Transformator, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist, kann entweder ein Manteltransformator 10, wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, oder ein Kerntransformator 10A sein, wie in Fig. 6 gezeigt ist, wobei gleichartige vorteilhafte Ergebnisse erhalten werden.
Bei den vorstehend beschriebenen, in Fig. 1 und 4 gezeigten Ausführungsformen wird zwar die Suchspule 4 als der Magnetdetektor verwendet; ein Hall-Element 16, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, kann aber ebenso verwendet werden. Obwohl in diesem Fall eine zusätzliche elektrische Stromquelle 17 erforderlich ist, um das Hall-Element 16 anzusteuern, kann eine Schaltung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung ähnlich derjenigen von Fig. 4 verwendet werden.
Obwohl ferner bei den vorstehenden Ausführungsformen die Ausgangsspannung E des Magnetdetektors 4 in Fourier-Reihen Fn entwickelt wird, nachdem sie integriert worden ist, um die integrierte Ausgangsspannung EH zu werden, um den Rauschanteil zu dämpfen, kann die Ausgangsspannung E der Suchspule 4 direkt in Fourier-Reihen Fn entwickelt werden, wenn die Wirkung des Rauschens gering ist. In diesem Fall wird zwar der Rauschanteil nicht gedämpft ist, ein Dämpfen der geradzahligen harmonischen Teilschwingung, die in der Ausgangsspannung E enthalten ist, kann jedoch verhindert werden.
Wie beschrieben wurde, wird nach der vorliegenden Erfindung eine Gleichstrom-Magnetflußablenkung detektiert, indem von der Tatsache Gebrauch gemacht wird, daß die Magnetisierungskraft des Eisenkerns asymmetrisch wird, wenn eine Gleichstrom-Magnetflußablenkung erzeugt wird, indem ein Magnetdetektor im Bereich eines Eisenkerns des elektrischen Transformators vorgesehen, eine Wellenform einer Ausgangsspannung des Magnetdetektors in Fourier-Reihen entwickelt und die Anwesenheit einer geradzahligen Oberwelle in der Wellenform bestimmt wird, wodurch ein Verfahren zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators bereitgestellt wird, bei dem kein Extraraum erforderlich ist und weder Eisenverluste noch Rauschen erzeugt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators (10, 10A), die aufweist:

einen Magnetdetektor (4, 16), um das Magnetfeld in dem Transformator direkt zu detektieren und eine Ausgangsspannungs-Wellenform zu erzeugen;

eine Fourier-Reihen-Entwicklungseinrichtung (13), die mit dem Magnetdetektor (4, 16) verbunden ist, um die Ausgangsspannungs-Wellenform des Magnetdetektors in Fourier- Reihen zu entwickeln; und

einen Detektor (14) für geradzahlige Oberwellen, der mit der Fourier-Reihen-Entwicklungseinrichtung verbunden ist, um eine geradzahlige Oberwelle in den Fourier-Reihen zu detektieren und dadurch die Anwesenheit einer Gleichstrom- Magnetflußablenkung anzuzeigen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Integrierer (12) aufweist, der zwischen den Magnetdetektor (4, 16) und die Fourier-Reihen-Entwicklungseinrichtung (13) geschaltet ist, um die Ausgangsspannungs-Wellenform des Magnetdetektors zu integrieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetdetektor eine Suchspule (4) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetdetektor ein Hall-Element (16) aufweist.

5. Verfahren zum Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung eines elektrischen Transformators (10, 10A), das folgende Schritte aufweist: Vorsehen eines Magnetdetektors (4, 16) im Bereich eines Eisenkerns (1) des elektrischen Transformators, direktes Detektieren des Magnetfelds in dem Transformator, Entwickeln einer Wellenform einer Ausgangsspannung des Magnetdetektors (4, 16) in Fourier-Reihen und Detektieren einer Gleichstrom-Magnetflußablenkung durch die Anwesenheit einer geradzahligen Oberwelle.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Wellenform der Ausgangsspannung des Magnetdetektors (4, 16) nach ihrer Integration in Fourier-Reihen entwickelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Transformator ein Manteltransformator (10A) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Transformator ein Kerntransformator (10) ist.