Способ и устройство для линеаризации трансформатора

Способ и устройство для линеаризации трансформатора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к проблеме линеаризации передачи напряжения через трансформатор, причем трансформатор включает в себя магнитный сердечник и входную и выходную обмотки, и причем измерительный сигнал подается на входную обмотку на некоторой частоте, и выходной сигнал измеряется на выходной обмотке трансформатора, причем напряжение измерительного сигнала может быть настолько малым, что трансформатор работает в нелинейной области.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Трансформаторы используются для преобразования напряжений и токов в электрических схемах и силовых системах. Они являются основными компонентами для защиты и управления в силовых системах. Когда напряжение или ток оказываются слишком большими относительно того, что требуется для прибора, они могут быть снижены до стандартизированного малого значения. Кроме того, трансформаторы могут обеспечить гальваническую изоляцию для измерения, защиты и управления схемой в случае больших токов или напряжений, присутствующих в измеряемых или управляемых схемах.

Такой трансформатор пригоден для обеспечения линейной передачи сигнала только в ограниченном диапазоне, что означает, что трансформатор должен быть тщательно спроектирован для его предполагаемого использования так, чтобы он работал в линейной области. Однако, при некоторых обстоятельствах, амплитуда подаваемого на трансформатор напряжения может быть выбрана ниже линейного диапазона. Это может случиться потому, что иногда могут возникать сигналы большей интенсивности, и они не должны перегружать трансформатор, а также имеются конструктивные ограничения. Малая амплитуда сигнала приводит к нелинейному току намагничивания через трансформатор, присоединенный к измерительной цепи. Следовательно, нелинейный ток намагничивания заставляет трансформатор работать в нелинейной области, приводя к неточному измерению. Это становится недопустимым, когда такое нелинейное поведение распространяется по всей измерительной схеме, содержащей несколько трансформаторов.

Патент США 5369355 раскрывает способ и систему для линеаризации характеристики электрических трансформаторов с использованием отрицательной обратной связи. Компоновка схемы выполнена так, чтобы компенсировать трансформатор с тремя обмотками при использовании отрицательной обратной связи, создаваемой операционным усилителем, чтобы получить улучшенную низкочастотную часть характеристики, сниженные гармонические искажения и, по существу, омические входной и выходной импедансы.

Однако оба решения оказываются дорогостоящими вследствие необходимости во вспомогательный схемных компоновках или схемных компоновках с отрицательной обратной связью.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить способ линеаризации передачи напряжения через трансформатор, включающий в себя магнитный сердечник и входную и выходную обмотки, причем измерительный сигнал подается на входную обмотку на первой частоте, и выходной сигнал измеряется на выходной обмотке трансформатора, причем напряжение измерительного сигнала может быть настолько малым, что трансформатор работает в нелинейной области.

Задача изобретения решается посредством способа, определенного в п.1 формулы. Такой способ содержит этапы, на которых выбирают вторую частоту, отличающуюся от первой частоты, для сигнала согласования, задают амплитудное значение сигнала согласования и подают сигнал согласования на входную обмотку на второй частоте с заданным амплитудным значением так, чтобы трансформатор работал в его линейной области.

Трансформатор обычно конструируется, как способный обеспечить линейную передачу сигнала в ограниченном диапазоне. Однако, при некоторых обстоятельствах, амплитуда напряжения, подаваемого на трансформатор, может быть выбрана ниже линейного диапазона, что приводит к нелинейному току намагничивания, текущему через трансформатор, не следующему за изменяющимся импедансом нагрузки. Следовательно, когда такие измеренные значения используются, например, для обнаружения короткого замыкания, неточное измерение может привести к ложному обнаружению, приводя к ложной операции защиты. Подавая сигнал согласования с подходящим значением амплитуды, изобретение позволяет получить линейный режим работы трансформатора. Поэтому обеспечивается качество измеренных значений.

В соответствии с одним вариантом реализации изобретения первая и вторая частоты имеют негармоническое соотношение. Это означает, что отношение между частотой измерительного сигнала и частотой сигнала согласования не является ни целым числом, ни обратным значением целого числа.

При наличии на входе трансформатора измерительного сигнала и сигнала согласования измерительный сигнал должен быть отфильтрован от выходного сигнала трансформатора, который представляет собой наложение измерительного сигнала и сигнала согласования. Однако, когда трансформатор работает в нелинейной области, он будет создавать гармоники из любого синусоидального входного сигнала. Эти гармоники, в свою очередь, появятся в выходном сигнале. Подавая сигнал согласования на второй частоте, которая не имеет гармонического соотношения с частотой измерительного сигнала, обеспечивается то, что выходной сигнал трансформатора не будет содержать гармонику сигнала согласования на частоте измерительного сигнала, даже если гармоники сигнала согласования будут примешаны. Следовательно, результат измерения не подвергается влиянию сигнала согласования.

В соответствии с одним вариантом реализации изобретения амплитуда напряжения сигнала согласования составляет 25-75% от номинального напряжения трансформатора. Поэтому суммарная амплитуда напряжения измерительного сигнала и сигнала согласования не будет превышать номинальное напряжение трансформатора.

В соответствии с одним вариантом реализации изобретения измеренное напряжение получается дискретизацией с определенной частотой дискретизации, и вторая частота составляет 30-50% от частоты дискретизации, что означает, что вторая частота может быть установлена как частота Найквиста, или несколько ниже ее. Поэтому ложные гармоники сигнала согласования будут появляться только в верхнем диапазоне имеющейся частотной полосы.

В соответствии с одним вариантом реализации изобретения такой сигнал согласования напряжения применим, по меньшей мере, к одному из трансформаторов, соединенному с измерительной системой, которая требует гальванической изоляции между измерительной схемой и контрольно-измерительным оборудованием, причем гальваническая изоляция содержит один или более трансформаторов в сигнальной цепи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже изобретение рассматривается подробнее посредством описания различных вариантов реализации изобретения и в связи с приложенными чертежами.

Фиг.1 изображает блок-схему последовательности операций способа в соответствии с вариантом реализации изобретения.

Фиг.2a-b - две примерные схемы для получения линейной передачи напряжения.

Фиг.3 - диаграмма зависимости отношений между выходным напряжением и входным напряжением от уровня входного напряжения с применением и без применения изобретения.

Фиг.4 - схема защиты от короткого замыкания на землю, основанная на схеме подачи сигнала, причем сигнал подается с малой амплитудой.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.2a и 2b показаны две примерные схемы для получения линейной передачи напряжения.

В настоящих вариантах реализации трансформатор 1 содержит магнитный сердечник 2, вокруг которого расположены первичная обмотка 2' и вторичная обмотка 2”. В этих примерах, измерительный сигнал подается на первичную обмотку 2' через клеммы 3 и 3' на первой частоте, тогда как выходной сигнал измеряется на вторичной обмотке 2” через соединительные клеммы 4 и 4'.

В соответствии с фиг.1 для сигнала согласования вторая частота выбирается так, чтобы отличаться от первой частоты, этап 100. Кроме того, вторая частота имеет негармоническое соотношение с первой частотой. Амплитуда напряжения сигнала согласования выбирается такой, что трансформатор работает в своей линейной области, этап 110. Амплитуда напряжения сигнала согласования может быть выбрана в диапазоне 25-75% от номинального напряжения трансформатора так, чтобы наложение напряжений, основанных на первом и втором сигналах, не превышало номинальное напряжение трансформатора. Наконец, сигнал согласования подается на первичную обмотку 2' трансформатора 1, этап 120. Поэтому имеется уверенность в том, что трансформатор будет работать в своей линейной области.

Следует понимать, что могут быть различные варианты подачи сигнала согласования. На фиг.2a и 2b показаны два простых варианта, которые могут быть легко достигнуты модификацией измерительной схемы. Поэтому решение настоящего изобретения является экономичным по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Например, в случае, когда измерительный сигнал представляет собой токовый сигнал I_in, шунтирующая ветвь для подачи сигнала согласования I_cond может быть добавлена параллельно с источником измерительного сигнала I_in, как показано на фиг.2a. Тогда как в случае, когда измерительный сигнал V_in представляет собой сигнал напряжения, схема для подачи сигнала согласования V_cond соединяется последовательно с источником измерительного напряжения V_in, как показано на фиг.2b. Сигнал согласования может иметь прямоугольную форму или синусоидальную форму.

На фиг.3 показаны отношения между выходным напряжением и входным напряжением в зависимости от уровня входного напряжения с применением и без применения изобретения соответственно. Сплошная линия отображает отношение между выходным напряжением и входным напряжением в зависимости от уровня входного напряжения, когда изобретение применено, тогда как пунктирная линия отображает это отношение, без применения изобретения. Ясно, что отношение поддерживается почти постоянным, то есть выходное напряжение поддерживается линеаризованным относительно входного напряжения, когда изобретение применено. В противоположность этому, без применения сигнала согласования, отношение изменяется значительно до точки, когда трансформатор работает в линейной области, в этом примере приблизительно при U_in=0,1 В.

Настоящее изобретение предназначено для решения одной конкретной проблемы, которая появляется при некоторых обстоятельствах. Эта конкретная проблема ниже дополнительно объясняется в соответствии с примером, показанным на фиг.4, на котором показана схема защиты от короткого замыкания на землю для электрической машины.

В этом примере блок 5 подачи сигнала сконфигурирован для подачи тестового сигнала в обмотки 10 статора трехфазного генератора для обнаружения короткого замыкания на землю. Поданный тестовый сигнал будет использоваться как измерительный сигнал для обнаружения короткого замыкания на землю.

Генератор содержит обмотки 10 статора, включающие в себя выводы 13. Выводы 13 соединяются с первичными обмотками блока трансформатора 16. Первичные обмотки 18 блока трансформатора 16 соединены треугольником с выводами генератора, чтобы изолировать генератор от внешних неисправностей сети.

В соответствии с этой компоновкой предоставляется измерительная система, содержащая распределительный трансформатор 30. Распределительный трансформатор 30 соединен с выводами 13 обмоток статора через свои первичные обмотки 31, тогда как его вторичные обмотки 32 соединяются по схеме разомкнутого треугольника. Резистор 42 присоединяется к двум концам вторичных обмоток 32 распределительного трансформатора 30, что устанавливает точку подачи сигнала через точки 8 и 9 присоединения. Кроме того, измерительный прибор 7 соединяется с двумя концами вторичных обмоток 32 через точки 8 и 9 присоединения. Резистор 42 выполнен с возможностью ограничения тока короткого замыкания на землю до значения, которое ограничивает повреждения статора генератора в случае, если в статоре произойдет короткое замыкание на землю. Этот предел обычно находится в диапазоне 3-25 A.

Другая важная функция распределительного трансформатора заключается в предоставлении гальванической изоляции между измерительной схемой и измерительным прибором 7.

Для получения возможности обнаружения короткого замыкания на землю обмоток 10 статора генератора тестовый сигнал подается при заданной частоте на обмотки 10 статора через вторичные обмотки 32 распределительного трансформатора 30. Затем электрический параметр сигнала отклика, сформированного из поданного тестового сигнала, измеряется на вторичной обмотке 32. При этом короткое замыкание на землю обнаруживается блоком обнаружения (на чертеже не показан) на основании измеренного сигнала.

Следует понимать, что поданный тестовый сигнал является или сигналом напряжения или сигналом тока. Если поданный тестовый сигнал является сигналом напряжения, то сигнал отклика будет измеряться в виде тока, и наоборот.

В этих конкретных и необычных обстоятельствах распределительный трансформатор 30 управляет трансформацией напряжения и тока в двух направлениях. Сначала тестовый сигнал в виде напряжения трансформируется от блока 5 подачи к обмоткам 10 статора. Затем сигнал отклика в виде тока трансформируется от обмоток 10 статора к измерительному прибору 7.

Заданная частота, на которой подается тестовый сигнал, может быть выбрана относительно частоты дискретизации, на которой измеряется выходной сигнал, предпочтительно, в диапазоне 10% от частоты дискретизации измеряемого сигнала.

Амплитуда напряжения поданного сигнала выбирается ниже линейного диапазона трансформатора так, чтобы наложенное напряжение поданного сигнала и других сигналов, например напряжения системы, не превысило номинальное напряжение трансформатора и поэтому не перегружало бы трансформатор.

Тем не менее, эта схема обнаружения короткого замыкания на землю предназначена для применения к генератору во всех состояниях, даже когда он бездействует.

Однако, когда генератор бездействует, напряжение системы отсутствует. Единственный сигнал через распределительный трансформатор 30 - это поданный сигнал. Поскольку амплитуда напряжения поданного сигнала выбирается ниже линейного диапазона трансформатора, нелинейный ток намагничивания протекает через трансформатор. Следовательно, это приводит к неточным измеренным значениям, которые могут привести к ложной операции защиты от короткого замыкания на землю, например, может быть инициировано ложное отключение. Это означает, что сигналы в обоих направлениях, описанные выше, будут подвержены влиянию нелинейности трансформатора 30.

Подавая сигнал согласования, изобретение позволяет получить линейный режим работы распределительного трансформатора 30. Поэтому обеспечиваются качественные характеристики измеренных значений, полученных от измерительных приборов 7. В этом примере, сигнал согласования может быть подан или параллельной токовой шунтирующей ветвью, как показано на фиг.2a, или последовательным подключением напряжения, как показано на фиг.2b.

Когда генератор запускается, сигнал согласования может быть отключен, как только третий гармонический сигнал, создаваемый генератором, становится достаточно большим. Аналогично, сигнал согласования может быть подключен в течение торможения, когда третья гармоника уменьшается ниже определенного уровня.

Следует понимать, что хотя генератор приведен в качестве примера, схема подачи сигнала, включающая в себя настоящее изобретение, может быть также применена к другим типам электрических машин, например к электрическому двигателю.

1. Способ линеаризации передачи напряжения через измерительный трансформатор, включающий в себя магнитный сердечник и входную и выходную обмотки, причем измерительный сигнал подают на входную обмотку на первой частоте и выходной сигнал измеряют на выходной обмотке трансформатора, причем способ содержит этапы, на которых:накладывают сигнал согласования на измерительный сигнал, когда амплитуда измерительного сигнала меньше амплитуды, необходимой для обеспечения работы трансформатора в нелинейной области, причем наложение сигнала согласования включает в себя- выбор второй частоты для сигнала согласования, причем вторая частота отличается от первой частоты,- задание амплитудного значения сигнала согласования, причем амплитуда находится в линейном рабочем диапазоне трансформатора, и- подачу сигнала согласования на входную обмотку на второй частоте, причем первая и вторая частоты имеют негармоническое соотношение.

2. Способ по п. 1, в котором амплитуда напряжения сигнала согласования составляет 25-75% от номинального напряжения трансформатора.

3. Способ по п. 1, в котором измеренное напряжение получают посредством дискретизации при определенной частоте дискретизации, и вторая частота составляет 30-50% от частоты дискретизации.

4. Способ по п. 1, причем измерительный трансформатор соединяют с генератором, причем упомянутый способ осуществляют при остановке генератора.

5. Способ линеаризации передачи напряжения через измерительный трансформатор, включающий в себя магнитный сердечник и входную и выходную обмотки, причем измерительный сигнал подают на входную обмотку на первой частоте и выходной сигнал измеряют на выходной обмотке трансформатора, причем способ содержит этапы, на которых:накладывают сигнал согласования на измерительный сигнал, когда амплитуда измерительного сигнала меньше амплитуды, необходимой для обеспечения работы трансформатора в нелинейной области, причем наложение сигнала согласования включает в себя- выбор второй частоты для сигнала согласования, причем вторая частота отличается от первой частоты,- задание амплитудного значения сигнала согласования, причем амплитуда находится в линейном рабочем диапазоне трансформатора, и- подачу сигнала согласования на входную обмотку на второй частоте, причем амплитуда напряжения сигнала согласования составляет 25-75% от номинального напряжения трансформатора.

6. Способ по п. 5, в котором первая и вторая частоты имеют негармоническое соотношение.

7. Способ по п. 5, в котором измеренное напряжение получают посредством дискретизации при определенной частоте дискретизации, и вторая частота составляет 30-50% от частоты дискретизации.8. Способ по п. 5, причем измерительный трансформатор соединяют с генератором, причем упомянутый способ осуществляют при остановке генератора.

9. Способ линеаризации передачи напряжения через измерительный трансформатор, включающий в себя магнитный сердечник и входную и выходную обмотки, причем измерительный сигнал подают на входную обмотку на первой частоте и выходной сигнал измеряют на выходной обмотке трансформатора, причем способ содержит этапы, на которых:накладывают сигнал согласования на измерительный сигнал, когда амплитуда измерительного сигнала меньше амплитуды, необходимой для обеспечения работы трансформатора в нелинейной области, причем наложение сигнала согласования включает в себя- выбор второй частоты для сигнала согласования, причем вторая частота отличается от первой частоты,- задание амплитудного значения сигнала согласования, причем амплитуда находится в линейном рабочем диапазоне трансформатора, и- подачу сигнала согласования на входную обмотку на второй частоте, измеренное напряжение получают посредством дискретизации при определенной частоте дискретизации, и вторая частота составляет 30-50% от частоты дискретизации.

10. Способ по п. 9, в котором первая и вторая частоты имеют негармоническое соотношение.

11. Способ по п. 9, в котором амплитуда напряжения сигнала согласования составляет 25-75% от номинального напряжения трансформатора.

12. Способ по п. 9, причем измерительный трансформатор соединяют с генератором, причем упомянутый способ осуществляют при остановке генератора.

13. Измерительная система для линеаризации передачи напряжения через измерительный трансформатор, содержащая контрольно-измерительное оборудование и один или несколько трансформаторов в сигнальной цепи, причем каждый трансформатор включает в себя магнитный сердечник и входную и выходную обмотки, причем, по меньшей мере, один трансформатор сигнальной цепи предоставляет входную обмотку для подачи измерительного сигнала на первой частоте от измеряемой схемы, и по меньшей мере один трансформатор сигнальной цепи предоставляет выходную обмотку для контрольно-измерительного оборудования, причем сигнальная цепь гальванически изолирует контрольно-измерительное оборудование от измерительной схемы, схему для подачи сигнала согласования, по меньшей мере, на один из трансформаторов, предоставляющих входную обмотку, причем упомянутая схема выполнена с возможностью наложения сигнала согласования на измерительный сигнал, когда амплитуда измерительного сигнала меньше амплитуды, необходимой для обеспечения работы трансформатора в нелинейной области, причем подача сигнала согласования содержит:- выбор второй частоты для сигнала согласования, причем вторая частота отличается от первой частоты,- задание амплитудного значения сигнала согласования, амплитуда которого находится в пределах линейного рабочего диапазона трансформатора, и- подачу сигнала согласования на входную обмотку на второй частоте, причем измерительная система соединена с генератором, и подача сигнала согласования осуществляется при остановке генератора.

14. Способ линеаризации передачи напряжения через измерительный трансформатор, включающий в себя магнитный сердечник и входную и выходную обмотки, причем измерительный сигнал подают на входную обмотку на первой частоте и выходной сигнал измеряют на выходной обмотке трансформатора, причем способ содержит этапы, на которых:накладывают сигнал согласования на измерительный сигнал, когда амплитуда измерительного сигнала меньше амплитуды, необходимой для обеспечения работы трансформатора в нелинейной области, причем наложение сигнала согласования включает в себя- выбор второй частоты для сигнала согласования, причем вторая частота отличается от первой частоты,- задание амплитудного значения сигнала согласования, причем амплитуда находится в линейном рабочем диапазоне трансформатора, и- подачу сигнала согласования на входную обмотку на второй частоте, причем измерительный трансформатор соединен с генератором, и упомянутый способ осуществляют при остановке генератора.

15. Способ по п. 14, в котором первая и вторая частоты имеют негармоническое соотношение

16. Способ по п. 14, в котором амплитуда напряжения сигнала согласования составляет 25-75% от номинального напряжения трансформатора.

17. Способ по п. 14, в котором измеренное напряжение получают посредством дискретизации при определенной частоте дискретизации, и вторая частота составляет 30-50% от частоты дискретизации.