Ступенчатый выключатель
Изобретение относится к ступенчатому выключателю для регулирования напряжения, содержащему полупроводниковые коммутирующие элементы на регулируемом трансформаторе с регулировочной обмоткой. Ступенчатый выключатель имеет модульную конструкцию, причем каждый модуль содержит соответствующую часть регулировочной обмотки, подключаемую или отключаемую посредством полупроводниковых переключающих элементов. Для защиты полупроводниковых переключающих элементов от высоких напряжений дополнительно интегрированы варисторы и конденсаторы. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к ступенчатому выключателю для регулирования напряжения с полупроводниковыми коммутирующими элементами. Уже в DE 22 48 166 А раскрывается регулируемый трансформатор с полупроводниковыми переключающими элементами. При этом вторичная обмотка состоит из определенного количества частей регулировочной обмотки, составленных из некоторого количества групп обмотки, включенных последовательно, причем каждая группа обмотки содержит две или несколько частей обмотки, включенных параллельно. При этом каждая часть регулировочной обмотки снабжена бесконтактным переключающим элементом. В этой публикации описан также другой вариант, причем вторичная обмотка трансформатора состоит из группы частей регулировочной обмотки, включенных последовательно, причем каждая часть регулировочной обмотки содержит четыре бесконтактных переключающих элемента. Устройство сконструировано таким образом, что направление напряжения на зажимах части регулировочной обмотки является обратимым, а также вся часть регулировочной обмотки по выбору может шунтироваться.
Из DE 25 08 013 А известно другое устройство для ступенчатого переключения вторичного напряжения трансформатора. При этом вторичная обмотка также группируется в части обмотки, причем для переключения также могут предусматриваться полупроводниковые переключающие элементы.
В немецком патенте DE 197 47 712 С2 описывается устройство ступенчатого выключателя аналогичного типа у ступенчатого трансформатора, выполненного в качестве автотрансформатора. При этом также предусмотрены части обмотки, подключаемые отдельно и независимо друг от друга. В этом устройстве наряду с постоянными ответвлениями регулировочной обмотки отдельные части обмотки могут подключаться или соответственно подсоединяться дополнительно.
Из публикации WO 95/27931 известны различные варианты осуществления другого ступенчатого выключателя для безразрывного переключения ответвлений трансформатора под нагрузкой, причем в качестве переключающих элементов также служат тиристоры. При этом посредством встречно-параллельно включенных пар тиристоров различные части ступенчатой обмотки подключаются или отключаются как часть регулировочной обмотки соответствующего ступенчатого трансформатора. Кроме того, для реализации возможно более тонкого регулирования напряжения при ограниченном количестве имеющихся ответвлений обмотки в этой публикации предлагается способ, именуемый «дискретной круговой модуляцией» («discrete circle modulation»), при котором тиристоры управляются таким образом, чтобы получались промежуточные значения вторичного напряжения.
Из публикации «A new approach to solid-state on load tap changing transformers» (Osman, Demirci; David, A., Torrey; Rober, C., Degeneff; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, Issue: 3, Juli 1998) известна модульная система полупроводникового ступенчатого выключателя. При этом модули регулировочной обмотки включены последовательно. Все модули содержат полупроводниковые переключающие элементы, а также части обмотки с разным числом витков. Целенаправленным включением полупроводниковых переключающих элементов части регулировочной обмотки могут подключаться и отключаться. Благодаря разным числам витков части обмотки можно даже включать встречно друг другу и встречно основной обмотке. Эта публикация формирует ограничительную часть первого пункта формулы изобретения.
В решениях, известных из уровня техники, полупроводниковые переключающие элементы фактически (de facto) выполняют функцию механической щетки искателя, механических ступенчатых переключателей. Посредством полупроводниковых переключающих элементов отдельные ответвления регулировочных обмоток могут подключаться и отключаться самостоятельно. Регулировочную обмотку можно также разбить на части, которые могут подключаться отдельно.
Эти ступенчатые выключатели должны отвечать требованиям различных стандартов IEC (МЭР) 60214-1 в сочетании с IEC (МЭР) 60060. Среди прочего должно проводиться испытание переменным напряжением (separate source AC withstand voltage test), а также испытание напряжением грозовых импульсов (fight impulse voltage test). При испытании переменным напряжением в течение 60 сек подается однофазное переменное напряжение частотой 50-60 Гц. В данном случае в зависимости от допустимого напряжения электрооборудования его значения могут составлять 20-325 кВ. Испытание напряжением грозовых импульсов должно проводиться по установленному стандарту 1,2/50 мкс. При этом переменное напряжение может возрастать до величины 1,8 МВ. Поскольку падение этих переменных напряжений происходит непосредственно на ступенчатом выключателе, в частности на полупроводниковых переключающих элементах, а последние могут быть сконструированы без расчета на такие высокие значения или могут быть сконструированы с расчетом на такие высокие значения, но лишь с большими затратами, то повреждения полупроводниковых переключающих элементов вероятны. Сообразно этому задачей изобретения является создание ступенчатого выключателя с полупроводниковыми переключающими элементами, у которого полупроводниковые переключающие элементы защищены от высокого переменного напряжения благодаря испытаниям согласно стандартам.
Эта задача решается с помощью ступенчатого выключателя с признаками первого пункта формулы изобретения. Дополнительные пункты формулы изобретения, в частности, относятся к особенно предпочтительным усовершенствованным вариантам осуществления изобретения.
Общая идея изобретения состоит в параллельном подключении к каждому полупроводниковому переключающему элементу последовательно соединенных резистора, зависящего от напряжения, и конденсатора.
Ниже изобретение более детально поясняется с помощью чертежа, на котором изображен регулируемый трансформатор, состоящий из обмотки 1 низшего напряжения и регулировочной обмотки 2 высшего напряжения (обмотки высшего напряжения) с тремя частями W1, W2 и W3 обмотки, к которым подключен ступенчатый выключатель 3 согласно изобретению. При этом пунктирная линия означает размер ступенчатого выключателя 3, состоящего в данном случае из трех отдельных модулей М1, М2, М3. Однако количество модулей выбирается свободно. Первый модуль М1 содержит первую часть W1 обмотки, а также по обе стороны от нее две шунтирующие цепи, каждая из которых содержит по два последовательно включенных полупроводниковых переключающих элемента S1.1, S1.2 и S1.3, S1.4. Соответственно, между обоими последовательно включенными переключающими элементами предусмотрены ответвления М1.1 и М1.2 от середины. Параллельно каждому полупроводниковому переключающему элементу S1.1-S1.4 установлены соответственно конденсаторы С1.1-С1.4 со включенным последовательно с ними резистором R1.1-R1.4, зависящим от напряжения.
Отдельные полупроводниковые переключающие элементы изображены лишь схематично как простые переключатели. На практике они содержат параллельно включенные тиристоры, IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или другие полупроводниковые переключающие элементы. Они могут содержать также соответствующие схемы последовательного или параллельного включения нескольких таких отдельных полупроводниковых переключающих элементов. В случае резисторов, зависящих от напряжения, речь может идти о так называемых варисторах или ограничительных диодах.
Ответвление М1.1 от середины первого модуля М1 электрически соединено с концом обмотки 2 высшего напряжения. Посредством ответвлений М1.2 и М2.2 от середины электрически соединены модули М1 и М2. Этот второй модуль М2 сконструирован идентично, он также содержит часть W2 обмотки, обе схемы последовательного включения из двух соответствующих полупроводниковых переключающих элементов S2.1, S2.2 и S2.3, S2.4, а также включенные параллельно последним конденсаторы С2.1-С2.4 и резисторы R2.1-R2.4. Равным образом между соответствующими схемами последовательного соединения снова предусмотрены ответвления М2.1 и М2.2 от середины. Соединение одного ответвления М2.2 от середины с первым модулем М1 уже пояснялось, второе ответвление М2.1 от середины, в свою очередь, соединено с ответвлением М3.1 от середины третьего аналогичного модуля М3. Этот модуль также содержит полупроводниковые переключающие элементы S3.1-S3.4 с расположенными между ними ответвлениями М3.1 и М3.2 от середины, а также конденсаторы С3.1-С3.4, резисторы R3.1-R3.4 и часть W3 обмотки. Третий модуль через ответвление М3.2 от середины соединен с отводом нагрузки (точкой звезды) 4.
Три описанных модуля М1, М2 и М3 могут отличаться параметрами размеров соответствующих частей W1, W2, W3 обмотки.
Целенаправленным включением отдельных полупроводниковых переключающих элементов Sn.1-Sn.4 отдельных модулей М1-М3 могут подключаться и отключаться отдельные части W1-W3 обмотки. В случае частей обмотки разных размеров их можно включать даже встречно.
При проведении испытаний согласно стандартам IEC (МЭР) на полупроводниковые элементы Sn.n подается чрезмерное напряжение. Для защиты полупроводниковых элементов Sn.n при испытании напряжением грозовых импульсов и при испытании переменным напряжением параллельно подключается резистор Rn.n, зависящий от напряжения (например, варистор или газонаполненный разрядник для защиты от перенапряжений и тому подобное).
Резистор Rn.n сконструирован таким образом, чтобы он в случае испытания переменным напряжением не проводил ток или в другом варианте осуществления проводил настолько малый ток, чтобы возникающая мощность потерь за указанный период времени не приводила к разрушению конструктивных элементов. В рамках испытания напряжением грозовых импульсов резистор Rn.n, зависящий от напряжения, становится проводящим и ограничивает напряжение, падающее на полупроводниковом переключающем элементе Sn.n. По этой причине полупроводниковый переключающий элемент Sn.n должен быть сконструирован таким образом, чтобы он выдерживал это падение напряжения без разрушения.
Поскольку нарастание импульса напряжения при испытании напряжением грозовых импульсов по сравнению с испытанием переменным напряжением происходит во много раз быстрее, он содержит также более высокочастотные составляющие (более 60 Гц), чем спектр испытания переменным напряжением (максимум 60 Гц). По этой причине резистор Rn.n, зависящий от напряжения, имеет емкостную связь. Это происходит за счет последовательного соединения с конденсатором С.n. В результате этой связи образуется фильтр верхних частот. Во время низкочастотного испытания переменным током на резистор Rn.n, зависящий от напряжения, не воздействует нагрузка.
Особенно предпочтительным в этом устройстве является тот факт, что резисторы (варисторы) Rn.n, зависящие от напряжения, в сочетании с конденсаторами Cn.n должны практически исключительно приводится в соответствие лишь с требованиями к испытаниям напряжением грозовых импульсов. Последние по сравнению с требованиями к испытаниям переменным напряжением явно ниже, поскольку полученная энергия меньше, что отражается на стоимости и необходимом монтажном пространстве. Другим положительным эффектом является то, что и полупроводниковые переключающие элементы Sn.n могут быть меньших размеров. Это дает также выигрыш в стоимости.
1. Ступенчатый выключатель для регулирования напряжения, содержащий полупроводниковые переключающие элементы на регулируемом трансформаторе с регулировочной обмоткой, причем ступенчатый выключатель (3) содержит по меньшей мере один модуль (М1, М2, М3), причем каждый модуль (М1, М2, М3) содержит часть (W1, W2, W3) регулировочной обмотки, а также две шунтирующие цепи по обе стороны от него, причем каждая шунтирующая цепь содержит соответственно схему последовательного соединения из двух полупроводниковых переключающих элементов (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4), причем соответственно между обоими последовательно включенными полупроводниковыми переключающими элементами (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) каждой шунтирующей цепи предусмотрено ответвление (М1.1, М1.2; М2.1, М2.2; М3.1, М3.2) от середины, причем соответственно одно из обоих ответвлений (М1.2; М2.1, М2.2; М3.1) от середины каждого модуля (M1, M2, M3) соединено с ответвлением от середины соседних модулей и причем одно остающееся ответвление (М3.2) от середины третьего модуля (М3) соединяется с отводом (4) нагрузки, а другое остающееся ответвление (М1.1) от середины первого модуля (М1) соединяется с регулировочной обмоткой (2) регулируемого трансформатора, отличающийся тем, что параллельно каждому полупроводниковому переключающему элементу (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) последовательно с соответствующим конденсатором (С1.1, С1.2, С1.3, С1.4; С2.1, С2.2, С2.3, С2.4; С3.1, С3.2, С3.3, С3.4; С4.1, С4.2, С4.3, С4.4) предусмотрен соответственно включенный зависящий от напряжения резистор (R1.1, R1.2, R1.3, R1.4; R2.1, R2.2, R2.3, R2.4; R3.1, R3.2, R3.3, R3.4; R4.1, R4.2, R4.3, R4.4).
2. Ступенчатый выключатель по п. 1, отличающийся тем, что ступенчатый выключатель (3) состоит из трех модулей (М1, М2 и М3).
3. Ступенчатый выключатель по п. 2, отличающийся тем, что части (W1…W3) обмотки трех модулей (М1…М3) разделены в соотношении 1:3:6 или 1:3:9.
4. Ступенчатый выключатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что полупроводниковые переключающие элементы (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) содержат соответствующие встречно-параллельно включенные пары тиристоров или соответственно антипараллельно включенные пары биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).
5. Ступенчатый выключатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере один полупроводниковый переключающий элемент (Sn1…Sn4) состоит по меньшей мере из двух последовательно или параллельно включенных отдельных полупроводниковых переключающих элементов (Sn1…Sn4).
6. Ступенчатый выключатель по п. 4, отличающийся тем, что по меньшей мере один полупроводниковый переключающий элемент (Sn1…Sn4) состоит по меньшей мере из двух последовательно или параллельно включенных отдельных полупроводниковых переключающих элементов (Sn1…Sn4).
