Ступеневий перемикач

Реферат: Винахід стосується ступеневого перемикача із напівпровідниковими перемикальними елементами для безрозривного перемикання відводів обмотки ступеневого трансформатора. При цьому йдеться про гібридний вимикач, що містить нерухомі механічні контактні штифти і зустрічні контакти, які розміщені на рухомому контактотримачі. Для перемикання навантаження передбачені напівпровідникові перемикальні елементи, виконані з можливістю підключення при перемиканні навантаження у передбаченій послідовності за допомогою контактів на контактотримачі. UA 108873 C2 (12) UA 108873 C2 UA 108873 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується ступеневого перемикача з напівпровідниковими перемикальними елементами для безрозривного перемикання відводів обмотки ступеневого трансформатора. Ступеневий перемикач із напівпровідниковими перемикальними елементами, виконаний у формі гібридного перемикача, відомий із публікації WO 01/22447. Цей відомий ступеневий перемикач гібридного типу містить механічну та електричну частини. Механічна частина, яка, власне, є предметом публікації WO 01/22447, утворена механічними перемикальними контактами; центральною частиною є рухомий ковзний контакт, виконаний із можливістю переміщення за допомогою електроприводу вздовж з'єднаної з нульовою точкою контактної напрямної шини і при цьому перемикання нерухомих контактних елементів. Перемикання навантаження здійснюється за допомогою двох біполярних транзисторів з ізольованим затвором (БТІЗ), до кожного з яких підключено по одному з чотирьох діодів за схемою Греца. Ця відома концепція гібридного перемикача потребує складної механіки для здійснення необхідного перемикання навантаження точно в момент проходження струму навантаження через нуль. Із публікації WO 97/05536 відомий інший спосіб із застосуванням перемикального пристрою на БТІЗ, в якому відводи регулювальної обмотки силового трансформатора двома послідовно включеними БТІЗ з'єднані зі спільним силовим відводом. Проте, такий пристрій вимагає особливого узгодження ступеневого перемикача з відповідним ступеневим трансформатором, між відводами обмотки якого необхідно здійснювати перемикання. Задачею винаходу було розроблення високофункціонального ступеневого перемикача простої конструкції вказаного вище типу. Інша задача винаходу полягала в розробленні такого ступеневого перемикача в формі стандартного пристрою, придатного до застосування з найрізноманітнішими ступеневими трансформаторами без узгодження з конкретним ступеневим трансформатором. Ці задачі вирішено у ступеневому перемикачі з ознаками першого пункту формули винаходу. Залежні пункти формули винаходу стосуються особливо переважних вдосконалених форм виконання винаходу. Основою пристрою згідно з винаходом є два напівпровідникових перемикальних блоки, причому кожен перемикальний блок складається з двох включених зустрічно-паралельно БТІЗ. Кожному окремому БТІЗ підпорядкований паралельно підключений йому варистор. При цьому параметри варистора вибрані таким чином, що напруга на варисторі є меншою, ніж максимальна блокувальна напруга відповідного паралельно підключеного БТІЗ, проте перевищує максимальне миттєве значення ступінчастої напруги. Як це характерно для звичайних ступеневих перемикачів гібридного типу, підключення та відключення напівпровідникових перемикальних блоків, виконаних із можливістю з'єднання з силовим відводом, здійснюється за допомогою механічних контактів. Далі винахід пояснюється докладніше за допомогою креслень. На них зображено: Фіг. 1 Схема відповідного винаходові ступеневого перемикача Фіг. 1а Збільшене деталізоване зображення напівпровідникових перемикальних блоків із Фіг. 1 Фіг. 2 Схема відповідного винаходові ступеневого перемикача з альтернативною конструкцією контактів Фіг. З Послідовність перемикання з відводу обмотки η на сусідній відвід обмотки n+1 Фіг. 4 Схемотехнічна реалізація відповідного винаходові ступеневого перемикача Фіг. 5 Конструкція подібного відповідного винаходові ступеневого перемикача в ізометричній проекції Фіг. 6 Вид конструкції перемикача з Фіг. 5 збоку в розрізі Фіг. 7 Рухомий контактотримач подібного ступеневого перемикача в ізометричній проекції. На Фіг. 1 наведена схема відповідного винаходові ступеневого перемикача. Зображені дві силові ланки А та В, причому кожна силова ланка виконана з можливістю з'єднання з двома відводами обмотки ступеневого трансформатора за допомогою відповідного механічного контакту. Для кожної з обох силових ланок А та В передбачений механічний головний контакт МСа чи МСЬ, який в стаціонарному режимі пропускає струм відповідної підключеної силової ланки і здійснює безпосереднє з'єднання з силовим відводом LA. Паралельно відповідному головному контакту МСа, МСЬ у кожній силовій ланці А чи В підключена схема, утворена послідовно підключеними іншим механічним контактом ТСа, ТСЬ та напівпровідниковим перемикальним блоком SCSa, SCSb. На відверненій від відповідних перемикальних контактів ТСа, ТСЬ стороні напівпровідникові перемикальні блоки SCSa, SCSb електрично з'єднані між собою і підведені до механічного перехідного контакту ТС, інша сторона якого з'єднана з 1 UA 108873 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 силовим відводом LA. Завдяки цьому в процесі перемикання, який докладно описаний далі, шляхом відповідного приведення в дію механічних контактів ТСа або ТСЬ, а також перехідного контакту ТС забезпечується можливість електричного з'єднання кожної з двох силових ланок А або В через відповідні напівпровідникові перемикальні блоки SCSa або SCSb із силовим відводом LA. На Фіг. 1а, як і на Фіг. 1 та далі на Фіг. 2 справа, наведені збільшені зображення електронних модулів, тобто напівпровідникових перемикальних блоків SCSa, SCSb. Зображені чотири БТІЗ Т1 - Т4, по два з яких у кожній ланці включені зустрічно-послідовно. До кожного з БТІЗ Т1 - Т4 також паралельно підключений один із діодів D1-D4, причому діоди (D1, D2; D3, D4) в кожній ланці включені назустріч один одному. Також паралельно до кожного БТІЗ підключений ще один із варисторів Var1-Var4. Обидва напівпровідникових перемикальних блоки SCSa, SCSb разом утворюють напівпровідниковий перемикач SCS. Він містить, як вже було пояснено, такі компоненти: в цілому передбачено чотири БТІЗ Т1 - Т4, по два у кожній ланці. Керування БТІЗ здійснюється попарно. У тому випадку, якщо силова ланка чи ланцюг А є вимикальною стороною, спочатку здійснюється підключення БТІЗ Т1 та Т2. Оскільки напрямок струму в момент перемикання є випадковим, БТІЗ включені зустрічно-послідовно. В процесі перемикання на іншу силову ланку чи ланцюг В БТІЗ 1 та 2 відключаються і майже одночасно підключаються БТІЗ іншої сторони. Паралельно кожному БТІЗ Т1-Т4 включені відповідні діоди D1-D4. Також паралельно кожному БТІЗ включений ще один відповідний варистор Var1-Var4. Ці варистори призначені для шунтування повного опору розсіяння (індуктивність розсіяння) ступеня трансформатора. Як зображено, електричні схеми підключення напівпровідникового перемикача SCS у кожній ланці А чи В є ідентичними та містять описані вище напівпровідникові перемикальні блоки SCSa та SCSb. В нижній частині фіг. 1а зображене електричне з'єднання двох проводів в один, який підведений до не зображеного на цій схемі, описаного вище перехідного контакту ТС. На Фіг. 2 зображений відповідний винаходові ступеневий перемикач, що також містить дві силових ланки А та В. Вже описані механічні контакти ТСа, ТСЬ і ТС у цій схемі виконані в формі подвійних перемикальних контактів. На фіг. З зображена послідовність перемикання ступеневого перемикача зі ступеня η на ступінь п+1. При цьому здійснюють наведені далі стадії: - Фаза 1: Стаціонарний режим на відводі А. Струм протікає через замкнутий контакт МСа до силового відводу LA. Напівпровідникові перемикальні блоки SCSa, SCSb залишаються відключеними, оскільки всі інші механічні перемикачі розімкнуті. - Фаза 2: Підключення електронних компонентів схеми. Механічні контакти ТСа, ТСЬ і ТС замикаються майже одночасно. При цьому на напівпровідниковий перемикач SCS подається електрична енергія в формі ступінчастої напруги. - Фаза 3: Підключення напівпровідникового перемикального блока SCSa. Оскільки електричний опір механічної контактної групи є низьким порівняно з електричним опором напівпровідникових блоків та інших електронних конструктивних елементів, спочатку струм ще напрямляється через механічний контакт МСа. - Фаза 4: Розмикання головного контакту МСа. Внаслідок цього струм напрямляється через напівпровідниковий перемикальний блок SCSa. - Фаза 5: Електронні компоненти схеми здійснюють перемикання. Напівпровідниковий перемикальний блок SCSa відключається; напівпровідниковий перемикальний блок SCSb підключається і переймає пропускання струму. - Фаза 6: Механічний контакт МСЬ іншої сторони В замикається і тепер переймає пропускання струму. - Фаза 7: Відключення напівпровідникового перемикального блока SCSb. Як тільки замикається механічний контакт МСЬ, електронні компоненти схеми відключають напівпровідниковий перемикальний блокSCSb цього ланцюга. - Фаза 8: Відключення всіх електронних компонентів. Для цього механічні контакти ТСа, ТСЬ та ТС розмикаються майже одночасно. Всі електронні компоненти від'єднуються від напруги живлення, тобто ступінчастої напруги. Навантажувальний струм зі сторони В через замкнутий механічний контакт МСЬ безпосередньо напрямляється до силового відводу LA. Перемикання завершене; новий стаціонарний стан досягнутий. На Фіг. 4 наведена форма реалізації схематично зображеного на Фіг. 1 чи 2 відповідного винаходові ступеневого перемикача, який виконує перемикання в наведеній на Фіг. 3 послідовності. 2 UA 108873 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На цій схемі також зображені відводи обмотки, в даному випадку n, n+1, n+2, які електрично з'єднані з видовженими, тонкими стрижнеподібними нерухомими контактними штифтами KF1KF3. Навпроти цих контактних штифтів KF1-KF3 як відвідні штифти розміщені інші, також видовженої форми контактні штифти AF1-AF3, які електропровідно з'єднані та утворюють силовий відвід LA. Над розміщеними горизонтально в одній площині контактними штифтами KF1-KF3 та AF1-AF3 на обох сторонах передбачений зображений штриховою лінією контактотримач КТ, виконаний із можливістю переміщення перпендикулярно поздовжньому напрямку контактних штифтів. Напрямок переміщення також символічно позначений стрілкою. На оберненій до контактних штифтів KF1-KF3; AF1-AF3 стороні контактотримача КТ розміщені контактні елементи, які зафіксовані на ньому і переміщуються разом із ним у незмінному геометричному положенні один відносно іншого. При цьому йдеться, по -перше, про контактний елемент МС, який безпосередньо з'єднує відповідний відвід обмотки в стаціонарному режимі, який зображений на фіг. 4, із протилежними контактними штифтами силового відводу LA. По-друге, по обох сторонах цього контактного елемента і симетрично до нього розміщені два інших окремих контактних елемента ТСа та ТСЬ. Контактний елемент ТСа електрично з'єднаний із входом першого напівпровідникового перемикального блока SCSa. Другий контактний елемент ТСЬ електрично з'єднаний із входом другого напівпровідникового перемикального блока SCSb. Насамкінець, на іншій стороні на контактотримачі КТ розміщена ще один інший контактний елемент ТС, який електрично з'єднаний із виходами обох напівпровідникових перемикальних блоків SCSa, SCSb. Описані інші контактні елементи - окрім контактного елемента МС - геометрично розміщені таким чином, що, залежно від напрямку перемикання, при переміщенні контактотримача КТ контактний елемент ТСа чи ТСЬ утворює короткочасний контакт із одним із контактних штифтів KF1 …KF3. Контактний елемент ТС на іншій стороні геометрично розміщений таким чином, що під час перемикання, тобто приведення в дію контактотримача КТ, утворює короткочасний контакт із одним із контактних штифтів AF1-AF3 силового відводу LA. В стаціонарному режимі всі ці контактні елементи ТСа, ТСb, ТС не підключені; електричне з'єднання безпосередньо між відповідно підключеним відводом обмотки, в даному випадку n+1, та силовим відводом LA забезпечується виключно за допомогою контактного елемента МС, в той час як всі електронні компоненти схеми відключені. Зображена в цьому прикладі конструкція вузьких у напрямку переміщення контактів, виконаних у формі контактних штифтів, разом із широкими в напрямку переміщення рухомими контактами, виконаними в формі контактного елемента, в цілому дозволяє створити особливо переважну, стійку до високого рівня напруги конструкцію відповідного винаходові ступеневого перемикача. Позначення описаних контактних елементів на цій схемі відповідає позначенням механічних перемикачів на Фіг. 1 та 2, на яких вони відображені. Слід зауважити, що незалежно від конструкції схема згідно з Фіг. 1 та 2, а також послідовність перемикання згідно з Фіг. 3 залишаються незмінними. На Фіг. 5 наведене схематичне зображення конструкції в ізометричній проекції. Зображений корпус 1 з верхньою несучою рамою 2. Зображений також виконаний з можливістю лінійного переміщення в поздовжньому напрямку корпусу 1 контактотримач З, який на Фіг. 4 позначений як КТ. Детальний опис контактотримача 3 наведений далі. У першій горизонтальній площині е1, зображеній штрих-пунктирною лінією, передбачені контактні штифти 4; на Фіг. 4 вони позначені як KF. Навпроти цих штифтів розміщені інші відповідні контактні штифти 5, які є відвідними штифтами; на Фіг. 4 вони позначені як AF. Всі відвідні штифти 5 електрично з'єднані між собою з'єднувальною пластиною 6 і підведені до силового відводу. У другій горизонтальній площині е2, яка проходить паралельно першій горизонтальній площині, на одній стороні корпусу 1 розміщені контактні штифти 7, посередині, на окремому несучому елементі, інші контактні штифти 8, а на іншій стороні, також у другій горизонтальній площині е2 - інші контактні штифти 9. Слід зауважити, що всі контактні штифти 4, 5; 7, 8, 9 розміщені з дотриманням однакового растру по вертикалі; для спрощення зображення позиційне позначення вказане лише для одного контактного штифта кожного типу. У нижній частині контактотримача 3 передбачений виконаний із двох частин головний контакт 10 у вигляді контактного елемента МС, який електрично з'єднує кожен із розташованих навпроти взаємодіючих контактних штифтів 4 із відповідним відвідним штифтом 5 і таким чином в стаціонарному режимі утворює пряме з'єднання з силовим відводом, як це зображено на Фіг. 1 та 2. Кожен із контактних штифтів 7 електрично з'єднаний із входом першого напівпровідникового перемикального блока SCSa. Кожен із контактних штифтів 8 відповідно електрично з'єднаний із входом другого напівпровідникового перемикального блока SCSb. Насамкінець, контактні 3 UA 108873 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 штифти 9 електрично з'єднані зі спільним виходом обох напівпровідникових перемикальних блоків SCSa, SCSb. Хоча ці електричні з'єднання зображені на фіг. 4, для спрощення зображення вони не показані на Фіг. 5, так само як і привід контактотримача 3. На Фіг. 6 наведений вид цієї конструкції збоку в розрізі. На кресленні чітко видно, що контактні штифти 4 і 5 розміщені в першій горизонтальній площині е1, а контактні штифти 7, 8, 9 - у другій горизонтальній площині е2. Крім цього, зображено, що контактотримач З окрім описаного головного контакту 10 у верхній частині містить контактні елементи 11,12 та 13, кожен із яких може взаємодіяти з контактними штифтами 7 або 8, або 9, тобто здійснювати їх підключення. У нижній частині контактотримач 3 містить інші контактні елементи 14, 15. Контактний елемент 14 виконаний із можливістю підключення відповідних контактних штифтів 4, а контактний елемент 15 - відповідних контактних штифтів 5. Важливим для цієї функції є те, що контактні елементи 11 та 12 електрично з'єднані з контактним елементом 14, а контактний елемент 13 електрично з'єднаний із контактним елементом 15. Таким чином, контактотримач 3 цілком специфічним способом електрично з'єднує контактні елементи 11, 12, 13, розміщені у верхній площині е2 з контактними елементами 14,15, розміщеними у нижній площині е1. У цій формі виконання винаходу контактні штифти 4, 5; 7, 8, 9 в напрямку переміщення контактотримача 3 також виконані в формі вузьких стрижнеподібних контактних штифтів, які закріплені лише одним кінцем, у той час як контактні елементи 11, 12, 13; 14, 15, а також головний контакт 10 у напрямку переміщення контактотримача 3 мають значно більший поздовжній розмір - переважно принаймні втричі більший На Фіг 7 наведене ізометричне зображення одного контактотримача 3. Зображені насамперед розміщені в нижній горизонтальній площині бічні контактні елементи 14,15, а також головний контакт 10. У верхній горизонтальній площині зображені контактні елементи 11, 12 та 13, які зміщені вбік у напрямку переміщення, який позначений стрілкою. Контактний елемент 11 за своєю функцією відповідає контакту ТСа: він утворює з'єднання із входом першого напівпровідникового перемикального блока SCSa. Контактний елемент 12 відповідає контакту ТСЬ: він утворює з'єднання із входом другого напівпровідникового перемикального блока SCSb. Контактний елемент 13 відповідає контакту ТС: він утворює з'єднання зі спільним виходом обох напівпровідникових перемикальних блоків SCSa, SCSb. Таким чином забезпечується точна реалізація схематично зображеної на Фіг. 4 електричної схеми і механічної конструкції. При переміщенні контактотримача 3 залежно від напрямку перемикання забезпечується підведення електричної енергії до першого або другого напівпровідникового перемикального блока SCSa або SCSb за допомогою відповідного контактного елемента 11, а саме ТСа, або 12, а саме ТСЬ, кожен із яких короткочасно електрично з'єднується з нерухомим контактом ступеневого перемикача. При цьому спільний вихід напівпровідникових перемикальних блоків SCSa та SCSb за допомогою контактного елемента 13, який відповідає ТС, знову підводиться до силового відводу. У прикладі виконання описані дві горизонтальні площини; у рамках винаходу обидві паралельні площини можуть бути також вертикальними. Таким чином, принцип функціонування контактотримача 3 може бути описаний таким чином: у стаціонарному режимі він утворює безпосереднє з'єднання відводу обмотки з силовим відводом, причому відповідний контактний штифт 4 електрично з'єднаний із взаємодіючим із ним контактним штифтом 5 силового відводу за допомогою головного контакту 10. На відміну від цього, під час перемикання цей безпосередній контакт розривається, і за допомогою контактних елементів 11 або 12 в іншій горизонтальній площині здійснюється короткочасне підключення відповідного напівпровідникового перемикального блока SCSI або SCS2, а їх (спільний) вихід за допомогою іншого контактного елемента 13 знову переводиться в першу горизонтальну площину до контактного елемента 15 і далі до контактних штифтів 5 силового відводу 6. Характерною ознакою для короткочасного підключення напівпровідникових перемикальних блоків при перемиканні є сама площина перемикання, тобто горизонтальна площина е1, а також допоміжна площина перемикання, тобто площина е2. 4 UA 108873 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Ступеневий перемикач із напівпровідниковими перемикальними елементами для безрозривного перемикання відводів обмотки ступеневого трансформатора, причому передбачені дві силові ланки (А, В), які електрично з'єднані з відводами обмотки ступеневого трансформатора, причому кожна з обох силових ланок (А, В) містить механічний головний контакт (МСа, МСb), який у стаціонарному режимі пропускає струм відповідно підключеної силової ланки (А або В) і утворює електричне з'єднання із силовим відводом (LA), причому паралельно відповідному головному контакту (МСа, МСb) кожної силової ланки (А, В) підключена послідовна схема, що містить інший механічний контакт (ТСа, ТСb), а також відповідний напівпровідниковий перемикальний блок (SCSa, SCSb), причому на відверненій від відповідних контактів (ТСа, ТСb) стороні напівпровідникові перемикальні блоки (SCSa, SCSb) електрично з'єднані між собою і підведені до механічного перехідного контакту (ТС), інша сторона якого електрично з'єднана з силовим відводом (LA), і причому підключення головних контактів (МСа, МСb), а також інших механічних контактів (ТСа, ТСb, ТС) здійснюється за допомогою рухомого контактотримача (КТ). 2. Ступеневий перемикач за п. 1, який відрізняється тим, що у першій площині (е1) передбачені розміщені паралельно один одному нерухомі контактні штифти (4), кожен із яких електрично з'єднаний з відводом обмотки (n, n+1, n+2) ступеневого трансформатора, у цій самій площині розміщені навпроти інші, також видовжені контактні штифти (5), електропровідно з'єднані між собою і підведені до силового відводу (LA, 6), над розміщеними в одній площині контактними штифтами (4, 5) обох сторін розміщений контактотримач (3), виконаний з можливістю переміщення перпендикулярно поздовжньому напрямку контактних штифтів (4, 5), на оберненій до контактних штифтів (4, 5) стороні контактотримача (3) розміщені контактні елементи (10, 14, 15), виконані з можливістю підключення за допомогою відповідних контактних штифтів, контактний елемент (10) у стаціонарному режимі утворює безпосереднє електричне з'єднання з силовим відводом (6), інший контактний елемент (11) електрично з'єднаний із входом першого напівпровідникового перемикального блока (SCSa), інший контактний елемент (12) електрично з'єднаний із входом другого напівпровідникового перемикального блока (SCSb), ще один інший контактний елемент (13) електрично з'єднаний зі спільним виходом обох напівпровідникових перемикальних блоків (SCSa, SCSb). 3. Ступеневий перемикач за п. 2, який відрізняється тим, що у другій площині (е2) передбачено розміщену в лінію множину інших контактних штифтів (7, 8, 9), перший ряд контактних штифтів (7) електрично з'єднаний зі входом першого напівпровідникового перемикального блока (SCSa), другий ряд контактних штифтів (8) електрично з'єднаний зі входом другого напівпровідникового перемикального блока (SCSb), а третій ряд контактних штифтів (9) електрично з'єднаний зі спільним виходом обох напівпровідникових перемикальних блоків SCSa, SCSb, контактні штифти (7, 8, 9) верхньої площини (е2) виконані з можливістю утворення контактотримачем (3) короткочасного електричного контакту з відповідними контактними штифтами (4, 5) у першій площині (е1) за допомогою інших контактних елементів (14, 15). 4. Ступеневий перемикач за будь-яким із пп. 2 або 3, який відрізняється тим, що поздовжній розмір усіх контактних елементів (МС, ТСа, ТСb, ТС; 10, 11, 12, 13, 14, 15) в напрямку переміщення контактотримача (3) принаймні втричі перевищує товщину контактних штифтів (KF1-KF3, AF1-AF3; 4, 5, 7, 8, 9). UA 108873 C2 Фіг. 1 Фіг. 1а 6 UA 108873 C2 Фіг. 2 Фіг. 3 7 UA 108873 C2 Фіг. 4 Фіг. 5 8 UA 108873 C2 Фіг. 6 Фіг. 7 9 UA 108873 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10