Трансформатор зі ступеневим перемикальним пристроєм

Реферат: Винахід стосується трансформатора зі ступеневим перемикальним пристроєм, причому на вибір первинна або вторинна сторона трансформатора виконані з можливістю регулювання за допомогою ступеневого перемикального пристрою, і причому на регульованій стороні трансформатора передбачена основна обмотка і принаймні одна регулювальна обмотка, виконана з можливістю підключення за допомогою ступеневого перемикального пристрою. Згідно з винаходом основна обмотка розділена на дві частини, і принаймні одна регулювальна обмотка і ступеневий перемикальний пристрій (3), за допомогою якого здійснюють її підключення, електрично під'єднані між обома частинами (1, 2) основної обмотки. UA 114419 C2 (12) UA 114419 C2 UA 114419 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується трансформатора зі ступеневим перемикальним пристроєм для безрозривного перемикання частин регулювальної обмотки трансформатора. Ступеневі перемикальні пристрої для безрозривного перемикання відводів обмотки ступеневого трансформатора вже багато років відомі з рівня техніки. Або на первинній, або на вторинній стороні відповідних регульованих ступеневих трансформаторів передбачена ступенева регулювальна обмотка. Обмотка на регульованій стороні трансформатора в цілому складається зі стаціонарної частини, основної обмотки, та самої регулювальної обмотки із множиною відводів. Така конструкція докладно описана, наприклад, у публікації Axel Kramer, On-Load Tap-Changers for Power Transformers, 2000 p. Таким чином, згідно з сучасним рівнем техніки на регульованій стороні ступеневого трансформатора передбачено основну обмотку і послідовно підключену до неї ступеневу регулювальну обмотку. Раніше ступеневі пристрої містили механічні перемикальні елементи для перемикання окремих відводів регулювальної обмотки; вже кілька років тому почали застосовувати вакуумні перемикальні елементи. Насамкінець, останнім часом було запропоноване застосування напівпровідникових перемикальних елементів для безрозривного перемикання подібних відводів обмотки. Такі напівпровідникові перемикальні елементи мають численні переваги; перемикання може бути здійснене без використання механічних конструктивних елементів; проте, вони є відносно чутливими до перенапруги. У рівні техніки такі напівпровідникові перемикальні елементи постійно зазнають високого навантаження при грозових розрядах у мережу, при перевірці трансформатора, а також при нестаціонарних процесах у мережі (наприклад при перемиканні вакуумних силових перемикачів SF 6. Задачею винаходу є розроблення трансформатора зі ступеневим перемикальним пристроєм, в якому мінімізується електричне навантаження напівпровідникових перемикальних елементів, застосовуваних у ступеневому перемикальному пристрої. Цю задачу винаходу вирішено згідно з пунктом 1 формули винаходу. Залежні пункти формули винаходу стосуються переважних вдосконалених форм виконання винаходу. В основу винаходу покладено загальну ідею розділення єдиної згідно з рівнем техніки основної частини обмотки на регульованій стороні трансформатора на дві однакові частини, між якими включено регулювальну обмотку з відповідним ступеневим перемикальним пристроєм. Цей винахід пропонує численні переваги порівняно з рівнем техніки. Насамперед, напівпровідникові перемикальні елементи можна вже не навантажувати повною амплітудою хвилі напруги грозового розряду завдяки відповідному резистору, включеному перед половиною основної обмотки. Оскільки певною мірою передвключена частина основної обмотки також відбирає частину енергії хвилі перенапруги від грозового розряду, можна зменшити також габарити блоку схемного захисту перемикальних елементів, що дозволяє знизити витрати і мінімізувати потреби в просторі. Крім цього, можна застосовувати також напівпровідникові перемикальні елементи з меншою блокувальною/запірною напругою, оскільки їх параметри слід визначати насамперед залежно від навантаження хвилею перенапруги від грозового розряду в мережу, а не витримувану змінну напругу. Оскільки передвключена частина розділеної основної обмотки згідно з винаходом діє на лінію електромережі аналогічно дроселю для швидких перехідних процесів, напівпровідникові перемикальні елементи також і в цьому випадку не навантажуються повною амплітудою і крутизною фронту імпульсу, оскільки окремі частини обмотки справляють демпфувальну дію як передвключений дросель. Особливо переважною є симетрична конструкція розділеної основної обмотки; завдяки цьому мінімізується дія сил у випадку короткого замикання. Переважним є виконання обох частин основної обмотки, розділеної згідно з винаходом, у формі окремих шарів. Далі винахід пояснюється докладніше за допомогою креслень. На кресленнях наведено: Фіг. 1 Перша форма виконання відповідного винаходові трансформатора зі ступеневим перемикальним пристроєм Фіг. 2 Інша форма виконання винаходу Фіг. 3 Таблиця підключення відводів для одержання ступенів напруги в формі виконання винаходу згідно з Фіг. 2 Фіг. 4 Третя форма виконання винаходу На Фіг. 1 зображений трансформатор згідно з першою формою виконання винаходу, первинна і вторинна сторони якого відокремлені одна від одної, як схематично позначено штрих-пунктирною лінією. Ліворуч на схемі зображена регульована первинна сторона. Згідно з винаходом передбачена розділена основна обмотка, що складається з двох ідентичних частин 1, 2. Між ними включений ступеневий перемикальний пристрій 3, позначений на схемі штриховою лінією. Ступеневий перемикальний пристрій 3 у даному найпростішому випадку 1 UA 114419 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 містить регулювальну обмотку 4, яка оточена мостовою схемою, утвореною перемикальними елементами S. Як перемикальні елементи S можуть бути застосовані, наприклад, пари включених зустрічно-паралельно тиристорів, біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT) або аналогічні напівпровідникові перемикальні елементи. У цій найпростішій формі виконання винаходу регулювальна обмотка 4 виконана з можливістю підключення або відключення. На схемі зображений також ще перемикач 5, так званий перемикач для перезапуску/відновлення системи після тимчасового припинення енергопостачання чи відмови елементів схеми, який забезпечує можливість продовження роботи трансформатора також у разі відмови регулятора чи напівпровідникових перемикальних елементів. Праворуч зображена вторинна обмотка 6. Цифрами 7 та 8 позначені початок і кінець всієї обмотки на первинній стороні. На Фіг. 2 зображена вдосконалена форма виконання винаходу. При цьому ступеневий перемикальний пристрій 3 утворений кількома частинами регулювальної обмотки W1.W1.W3. Ступеневий перемикальний пристрій 3 у цій формі виконання винаходу утворений трьома окремими модулями М1, М2, М3. Перший модуль М1 містить першу секцію W1 обмотки, а також дві шунтуючі ланки, по обидві сторони від неї, кожна з яких містить послідовну схему з двох напівпровідникових перемикальних елементів S1.1 та S1.2 і S1.3 та S1.4. Між кожними двома послідовно включеними перемикальними елементами передбачений середній відвід М1.1 та М1.2 відповідно. В цій схемі, а також на наступних схемах окремі напівпровідникові перемикальні елементи схематично зображені у вигляді простих перемикачів. На практиці вони охоплюють включені паралельно пари тиристорів, біполярні транзистори з ізольованим затвором або інші напівпровідникові перемикальні елементи. Вони можуть охоплювати також послідовно або паралельно підключені аналогічні окремі напівпровідникові перемикальні елементи. Один середній відвід М1.2 електрично з'єднаний із секцією 2 основної обмотки. Інший середній відвід М1.1 з'єднаний із середнім відводом М2.1 другого модуля М2. Цей другий модуль М2 має ідентичну конструкцію; він також містить секцію W2 обмотки, а також обидві послідовні схеми, кожна з яких утворена двома напівпровідниковими перемикальними елементами S2.1 та S2.2 і S2.3 та S2.4. Також між відповідними послідовними схемами передбачені середні відводи М2.1 та М2.2. Схема підключення середнього відводу М2.1 до першого модуля М1 вже була описана; другий середній відвід М2.2 з'єднаний із середнім відводом М3.2 третього модуля М3. Цей третій модуль МЗ також має ідентичну конструкцію. Він, у свою чергу, містить секцію W3 обмотки, а також обидві послідовні схеми, утворені напівпровідниковими перемикальними елементами S3.1 та S3.2 і S3.3 та S3.4, та передбачені між ними середні відводи М3.1 та М3.2. Ще не описаний середній відвід М3.1 третього і в даному варіанті останнього модуля М3 електрично з'єднаний із секцією 1 основної обмотки. Описані при цьому три модулі М1 – М3 відрізняються лише параметрами відповідних секцій W1-W3 обмотки. Кількість витків секції W2 обмотки в другому модулі М2 є втричі більшою, ніж кількість витків секції W1 обмотки в першому модулі М1. Кількість витків W3 в третьому модулі МЗ вшестеро перевищує кількість витків секції W1 обмотки в першому модулі М1. На Фіг. 3 зображена таблиця підключення відводів зображеного на Фіг. 2 відповідного винаходові ступеневого перемикального пристрою. Символ "0" означає, що відповідна секція обмотки не підключена, тобто шунтована. Символ "+" означає, що відповідна секція обмотки підключена до обмотки 2 вищої напруги в однаковому із нею напрямку. Насамкінець, символ "-" означає, що відповідна секція обмотки підключена в напрямку, протилежному обмотці 2 вищої напруги. У цій таблиці наведено десять ступенів напруги, які одержують шляхом додавання до ступеневої напруги обмотки 2 вищої напруги додаткових часткових напруг. Ці часткові напруги одержують за допомогою різних варіантів підключення, зустрічного включення або шунтування окремих секцій W1-W3 обмотки. Показано, що певні ступені напруги можуть бути одержані з резервуванням за рахунок різного положення перемикальних елементів. Так само (проте, це в таблиці не наведено) відповідні часткові напруги можна відводити від напруги на обмотці 2 вищої напруги в іншому напрямку. Таким чином, у цій формі виконання винаходу можна одержати загалом двадцять один ступінь напруги. В середньому положенні, в даному випадку позначеному літерою "N", ступеневий перемикальний пристрій не функціонує. Частини 1 та 2 основної обмотки при цьому безпосередньо з'єднані між собою. 2 UA 114419 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Описане підключення чи зустрічне включення або шунтування окремих секцій W1-W3 обмотки здійснюють шляхом відповідного підключення напівпровідникових перемикальних елементів S1.1-S3.4. На Фіг. 4 зображена інша форма виконання винаходу. Між частиною 1 основної обмотки і частиною 2 основної обмотки включений зображений на цій схемі ступеневий перемикальний пристрій 3. Він містить два послідовно включених перемикальних модулі А та В. Перший перемикальний модуль А, в свою чергу, містить паралельну схему, утворену двома ланками 9 та 10. У першій ланці 9 передбачено два послідовно включених напівпровідникових перемикальних елементи S1, S2. У паралельній другій ланці 10 передбачені два інших послідовно підключених один до одного напівпровідникових перемикальних елементи S3, S4. Між обома послідовно включеними напівпровідниковими перемикальними елементами S1, S2 у першій ланці 9 і обома послідовно включеними напівпровідниковими перемикальними елементами S3, S4 у другій ланці 10 включена перша секція W1 регулювальної обмотки. Другий перемикальний модуль В містить паралельну схему, утворену трьома ланками 11, 12 і 13. У третій ланці 11 передбачені два послідовно підключених один до одного напівпровідникових перемикальних елементи S5, S6, в четвертій ланці 12- два послідовно підключених один до одного напівпровідникових перемикальних елементи S7, S8, а в п'ятій ланці 13 - два послідовно підключених один до одного напівпровідникових перемикальних елементи S9, S10. Між обома послідовно включеними напівпровідниковими перемикальними елементами S5, S6 в третій ланці 11 та обома послідовно включеними напівпровідниковими перемикальними елементами S7, S8 в четвертій ланці 12 включена друга секція W2 регулювальної обмотки, а між обома послідовно включеними напівпровідниковими перемикальними елементами S7, S8 в четвертій ланці 12 та обома послідовно включеними напівпровідниковими перемикальними елементами S9, S10 в п'ятій ланці 13 включено третю секцію W3 обмотки. В цій формі виконання винаходу другий перемикальний модуль В електрично з'єднаний із секцією 2 основної обмотки. У рамках винаходу можливі найрізноманітніші форми виконання ступеневого перемикального пристрою 3 із різною кількістю регульованих секцій обмотки і схемами підключення відводів за допомогою напівпровідникових перемикальних елементів. Єдиним важливим для всіх цих форм виконання є включення відповідного перемикального пристрою 3 між обома секціями 1, 2 основної обмотки на регульованій стороні трансформатора, розділеної згідно з винаходом. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Трансформатор зі ступеневим перемикальним пристроєм (3), первинною стороною і вторинною стороною, причому - або первинна сторона або вторинна сторона виконані з можливістю регулювання за допомогою ступеневого перемикального пристрою (3), - на регульованій стороні передбачені основна обмотка і принаймні одна регулювальна обмотка (W1, W2, W3), виконані з можливістю перемикання за допомогою ступеневого перемикального пристрою (3), - кожна регулювальна обмотка (W1...W3) складається із однієї обмотки, - основна обмотка розділена на дві секції (1, 2), - принаймні одна регулювальна обмотка (W1...W3) і ступеневий перемикальний пристрій (3) для її підключення електрично під'єднані між обома секціями (1, 2) основної обмотки таким чином, що - перша секція (1) основної обмотки одним кінцем з'єднана з першим кінцем (М3.1) ступеневого перемикального пристрою (3), - друга секція (2) основної обмотки одним кінцем з'єднана з другим кінцем (М1.2) ступеневого перемикального пристрою (3), - кожен кінець кожної регулювальної обмотки (W1...W3) з'єднаний з першим і другим кінцем (М3.1, М1.2) ступеневого перемикального пристрою (3) через шунтувальну ланку, що містить два послідовно з'єднані напівпровідникові елементи (S; 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). 2. Трансформатор за пунктом 1, який відрізняється тим, що - ступеневий перемикальний пристрій (3) містить принаймні два модулі (М1, М2, М3), - причому кожен модуль (М1...М3) містить по одній регулювальній обмотці (W1, W2, W3), а також дві шунтувальні ланки по обох сторонах від неї, 3 UA 114419 C2 5 10 15 20 25 30 - причому кожна шунтувальна ланка містить послідовну схему, утворену двома напівпровідниковими перемикальними елементами (S; 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), - причому у кожній шунтувальній ланці між перемикальними елементами (S; S1.1, S1.2...S4.3, S4.4) передбачений середній відвід (М1.1; М1.2; М2.1; М2.2; М3.1; М3.2; М4.1; М4.2), - причому регулювальні обмотки (W1...W3) обмотки мають різну кількість витків, - причому середній відвід (М1.1, М2.1, М2.2, М3.2) кожного модуля (М1...М3) з'єднаний із середнім відводом (М2.1, М1.1, М3.2, М2.2) сусіднього модуля (М2; М1, М3; М2), - і причому один середній відвід (М1.2) першого модуля (М1) електрично з'єднаний з однією секцією (2) основної обмотки, а інший середній відвід (М3.1; М4.1) останнього модуля (М3; М4) електрично з'єднаний з іншою секцією (1) основної обмотки. 3. Трансформатор за пунктом 1, який відрізняється тим, що - ступеневий перемикальний пристрій (3) містить два послідовно включені перемикальні модулі (А, В), - причому перший перемикальний модуль (А) містить паралельну схему, утворену першою і другою ланками (9, 10), а другий перемикальний модуль (В) містить паралельну схему, утворену третьою, четвертою і п'ятою ланками (11, 12, 13), - причому кожна ланка (9…13) містить два послідовно підключені один до одного напівпровідникові перемикальні елементи (S1, S2; S3, S4; S5, S6; S7, S8; S9, S10), - причому між напівпровідниковими перемикальними елементами (S1, S2) першої ланки (9) і напівпровідниковими перемикальними елементами (S3, S4) другої ланки (10) включена перша регулювальна обмотка (W1), - причому між напівпровідниковими перемикальними елементами (S5, S6) третьої ланки (11) і напівпровідниковими перемикальними елементами (S7, S8) четвертої ланки (12) включена друга регулювальна обмотка (W2), - між напівпровідниковими перемикальними елементами (S7, S8) четвертої ланки (12) і напівпровідниковими перемикальними елементами (S9, S10) п'ятої ланки (13) включена третя регулювальна обмотка (W3), - причому перший перемикальний модуль (А) з'єднаний із однією секцією (2) основної обмотки, а другий перемикальний модуль (В) з'єднаний з іншою секцією (1) основної обмотки. 4. Трансформатор за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що - додатково містить механічний контакт (5), під'єднаний паралельно з можливістю шунтування ступеневого перемикального пристрою (3) і в разі необхідності встановлення прямого електричного з'єднання між обома секціями (1, 2) основної обмотки. 4 UA 114419 C2 5 UA 114419 C2 6 UA 114419 C2 7 UA 114419 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8