Artikelen Smit Trafo

Diverse meetkoppenOntwikkeld bij de afdeling Regeltechniek en nu wereldwijd toegepast.


INLEIDING
Bij de intrede van de hoge energy fysica eind jaren vijftig van de vorige eeuw ontstond er een grote behoefte aan gelijkstroomvoedingen. Ook wel DC Power Supplies genoemd. Het grootste deel van deze voedingen dienden voor het voeden van afbuigmagneten (di-poles) en focuseermagneten (quadrupoles en sixtupoles) en waren stroom gestabiliseerd. Voor het meten van deze stroom werden watergekoelde meetshunts gebruikt die een spanning afgaven van 100 mV tot 1 Volt. Deze meetshunts waren galvanisch gekoppeld aan een van de uitgangspolen van de gelijkstroomvoeding.

In de jaren '30 is een gelijkstroommeetsysteem ontwikkeld door de heer W. Kraemer dat veelvuldig is toegepast voor industriële toepassingen zoals: elektrolyse plants, aluminium smelters, etc. De werking berustte op het transductor principe. De onnauwkeurigheid bedroeg ca. 0,01% (100 parts per million, PPM).

In 1942 werd in Amerika een Zero Flux systeem ontwikkeld waarbij de flux in de meetkern op nul gehouden werd door de primaire (te meten) stroom onmiddellijk actief te compenseren. Dit geschiedde met buizenversterkers en het systeem was (toen) niet levensvatbaar.

In de jaren '60 en begin van de jaren '70 bouwde Smit Nijmegen samen met Brentford Electric uit Engeland een groot aantal gelijkrichters voor het HERA project bij Desy in Hamburg en voor de Intersected Storage Ring (ISR) van het CERN in Geneve. Voor de stroommeting werden de door Brentford verder ontwikkelde Hingorani DCCT toegepast. Men claimde een nauwkeurigheidsklasse die in de buurt van de 10 PPM kwam. In de praktijk bleek echter dat de uitgangsrimpel en temperatuurgevoeligheid toch een probleem vormde. Een ander nadeel van dit systeem was de hulpvoeding van 400Hz.
Diverse meetkoppen

Diverse meetkoppen

In de jaren '50 werd door de heer Unser een

Zero Flux meetsysteem ontwikkeld voor lage stromen. Smit Nijmegen heeft dit idee eind jaren '60 overgenomen. In eerste instantie werd dit meetsysteem ontwikkeld voor het gebruik in eigen voedingen waarmee de specificatie hiervan duidelijk omhoog ging. In een later stadium, toen de superioriteit van dit systeem was aangetoond, werden er ook externe toepassingen gevonden. De belangrijkste daarvan is de toepassing in HVDC (High Voltage Direct Current) transportsystemen. De eerste grote opdracht kwam van ASEA voor de toepassing in de transportlijn van de waterkrachtcentrale in de Itaipu-dam in Brazilië. Er waren ca. 80 meetsystemen nodig en de opdracht liep in de miljoenen. Na een presentatie bij het CIGRE in Parijs, (1986 door Ton van de Water) volgden er snel meer opdrachten. In een later stadium kwamen daar de units voor de Static Var Compensators bij.

Aan het eind van de jaren 80 werd er een afzonderlijke afdeling Zero Flux Current Transformers opgericht die tot 31-12-2013 een onderdeel vormde van HITEC Power Protection met zitting in Almelo. Op dit moment is de afdeling, Special Measuring Systems, een onderdeel van Phoenix Meccano met huisvesting in Enschede.

HVDC meetkop1 electronica casette

HVDC meetkop en elektronica cassette.

PRINCIPE VAN DE WERKING
Het principe van de Zero Flux meting bestaat uit een ringkern met een compensatiewikkeling, een detectiewikkeling en een versterker. De ringkern wordt om de geleider van de te meten stroom geschoven. Iedere verandering van die (te meten) stroom induceert in de detectiewikkeling een spanning die een (vermogens)versterker aanstuurt die deze verandering via de compensatiewikkeling onmiddellijk compenseert. De ringkern is van een magnetisch materiaal met een hoge permeabiliteit en de doorsnede bedraagt slecht 1 cm2. Er is immers geen fluxzwaai nodig. Om de gelijkstroominstelling van het systeem te waarborgen is een 2e kern (soms 3e) noodzakelijk die met 50 Hz gemagnetiseerd wordt tot in verzadiging. Via een detectiecircuit wordt gekeken of er een permanente balans is tussen de AmpèreWindingen (AW) opgewekt door de hoofdstroom en de AW opgewekt door de compensatiewikkeling. Het aantal windingen (turns) van de compensatiewikkeling, die alle kernen omvat, bepaalt de overzetting. De te bereiken en gerealiseerde (on)nauwkeurigheid ligt in het 1 PPM bereik.

BURDENWEERSTAND (stroom/spanningsomzetter)
Het bovengenoemde systeem levert een stroom die proportioneel is met de te meten stroom (Ip) in het frequentiebereik van DC tot 100 kHz. De meeste regel- en computersystemen vragen echter een (analoog) spanningssignaal. Via een "weerstand" wordt de secundaire stroom omgezet naar een spanning. In eerste instantie werd een burdenweerstand ontwikkeld met een nominale weerstand van 1 Ohm. Met de gekozen secundaire stroom levert dit een nominale spanning op van 1 Volt. De specificatie van de gewenste weerstand kwam dicht bij die van een NORMAALWEERSTAND. Om het gehele meetsysteem commercieel aantrekkelijk te maken was een relatief goedkope weerstand vereist. Deze was niet op de markt verkrijgbaar.

Maarten Groenenboom, René Wetzels en Jan Frankot gingen aan de slag en dit resulteerde binnen een half jaar in een weerstand die ieders verwachtingen overtrof. Een van de geproduceerde weerstanden (A 0154) is naar het IJkwezen in Den Haag gestuurd per pakketpost. Men was hoogst verbaasd, normaal komen te meten meetshunts aan met speciaal transport in een temperatuur geconditioneerde container. Men was nog meer verbaasd toen men er aan ging meten, de meetbrug moest van stand 4 (0,01%) naar stand 7 om enige afwijking in temperatuurgevoeligheid zichtbaar te maken. De totale specificatie omvat enkele A4 tjes en het voert te ver om dat hier te beschrijven.

HVDC meeetkop in cross channel project

HVDC meetkop in cross channel project


Enkele hoofdparameters wil ik u toch niet onthouden.

• Weerstandverandering ten gevolge van temperatuur : < 0,1 ppm/ graad C (5-25 graden)
• Belasting coëfficiënt: : < 0,05 ppm/W
• Drukgevoeligheid : niet te meten
• Afwijking absolute waarde (na ijking met versterker) : < 5 ppm


UITGANGSVERSTERKER
De Zeroflux DCCT is voorzien van een uitgangsversterker die het 1 volt burdensignaal versterkt naar 10 volt nominaal. Er is een 4-pole uitgang voorzien dus met sense High and Low om verlies in de uitgangsleiding te compenseren. Tevens is een kalibratiecircuit ingebouwd om de tolerantie in het productieproces te compenseren. Burdenweerstand en versterker horen dus bij elkaar.

OPBOUW:
De meeste meetsystemen bestaan uit 3 onderdelen. Te weten:
1. De meetkop hierin bevinden zich de bewikkelde ringkernen met isolatie.
2. De elektronicamodule met regelelektronica en versterker.
3. De verbindingskabel tussen 1 en 2.
Er zijn eenvoudige uitvoeringen voor relatief lage stromen waarbij alle onderdelen op een printed circuit board zitten. De kabel vervalt hierbij.

SPECIFICATIES:
Er zijn Zero Flux DCCT's in gebruik met een nominaal bereik van 1 tot 60.000 Ampère.
De isolatiespanning varieert van 2,5 kV tot 300 kV.
De klasse varieert van 0,1 % tot 0,0001 %.
De Zero Flux DCCT's zijn bipolair.

TOEPASSINGEN IN:

  • Accelerators: hier worden de allerhoogste eisen gesteld en de afwijkingen worden in PPM uitgedrukt. (PS, SPS, LEP, LHC-CERN, TEVATRON Fermi, PETRA, HERA-DESY, en vele anderen).
  • Vaste stof Fysica: Ook hier worden de hoogste eisen gesteld, stromen tot 20.000 A. (Max Planck-Grenoble, HMFL Uni-Nijmegen, Tallahassee Florida, Tsukuba Magnet Laboratory, Japan).
  • Light sources: De onnauwkeurigheid ligt in het 10 PPM level. Stromen tot ca. 5000 A. (ESRF-Grenoble).
  • Plasma onderzoek: Onnauwkeurigheid ca. 0,1 %, stromen tot 60.000 A. (Textor-Julich, JET-Culham, Compass-Culham, W7 IPP-Garching).
  • HVDC verbindingen: Onnauwkeurigheid ca. 0,01%, stromen tot 10 kA. Spanningen tot 400 kV. ( Itaipu Brazilië, Cross Channel link Fr-UK., Zweden-Gotland, EDF DC link Corsica, verder in USA, Australië, Zuid-Afrika, Gezhouba-China).
  • Static VAR compensators: Hierbij worden wisselstromen tot 3000 A gemeten en de eventuele DC component tot op 0,1 Ampère nauwkeurig. Deze component is belangrijk voor het goed werken van de blindlastcompensatoren die in lange wisselstroom transportverbindingen zijn opgenomen (Manitoba-Canada, Zuid-Afrika).
  • Test Laboratoria: een meetsysteem om wisselstromen te meten met een instelbaar nominaal bereik van: 15 A, 150 A, 1500 A en 15.000 A met een isolatiespanning van 200 kV. De maximale hoekfout bedroeg slechts 15 min.

Meer productinformatie op website van HITEC POWER PROTECTION (tijdelijk)

Auteur: Ton van de Water (leadengineer 1964-1988). Met dank aan René Wetzels

Reacties mogelijk gemaakt door CComment

Cloud tag

Laatste artikelen

Laatste reacties

      LEES MEER

Wie is online

We hebben 129 gasten en geen leden online

Statistieken

Aantal bekeken pagina's
5447412
DMC Firewall is developed by Dean Marshall Consultancy Ltd