Ступеневий перемикач із напівпровідниковими перемикальними елементами

1. Ступеневий перемикач із напівпровідниковими перемикальними елементами для безрозривного перемикання відводів обмотки ступеневого трансформатора, що містить дві силові ланки, виконані з можливістю з'єднання з відповідними відводами обмотки трансформатора, причому напівпровідникові перемикальні елементи виконані у формі біполярних транзисторів із ізольованим затвором (БТІЗ) (Ian, Iap; Ibn, Ibp), причому кожна із двох силових ланок групою із двох зустрічно-послідовно з'єднаних БТІЗ (Ian, Iap; Ibn, Іbр) електрично з'єднана зі спільним силовим відводом, і причому паралельно кожному БТІЗ (Ian, Iap; Ibn, Ibp) включений відповідний діод (dan, dap, dbn, dbp), причому обидва діоди в кожній силовій ланці (dan, dap чи dbn, dbp) включені зустрічно-послідовно, C2 2 97211 1 3 Реалізація цієї відомої концепції гібридного перемикача потребує великих витрат на механічні елементи і зусиль для забезпечення необхідного перемикання навантаження точно в момент проходження навантажувального струму через нуль. Із публікації WO 97/05536 відомий інший перемикальний пристрій на БТІЗ в якому відводи регулювальної обмотки силового трансформатора за допомогою двох послідовно включених БТІЗ з'єднані зі спільним силовим відводом. Цей відомий перемикальний пристрій працює за принципом широтно-імпульсної модуляції, при цьому контурний струм обмежується перехідним реактивним опором (ПРО) обмотки з відводами. Цей відомий схемний пристрій і покладений в основу принцип перемикання вимагають спеціального узгодження ступеневого перемикача з відповідним ступеневим трансформатором, відводи обмоток якого необхідно перемикати. Іншими словами: ступеневий перемикач і ступеневий трансформатор узгоджені між собою з можливістю електричної взаємодії між ними. Тому цей відомий перемикальний пристрій не може бути виготовлений в формі окремого універсального пристрою. Насамкінець, із публікації GB-A-2424766 відомі різноманітні ступеневі перемикачі на варисторах, підключених за різними схемами. В одній із форм виконання варистори підключені паралельно відповідним перемикальним елементам і призначені для розподілу напруги. Задачею винаходу є розроблення ступеневого перемикача вищеописаного виду, простої конструкції та високої експлуатаційної надійності, який не має спрацьовувати виключно в момент проходження навантажувального струму через нуль. Окрім цього, задачею винаходу є розроблення такого ступеневого перемикача, який не потребує спеціального узгодження з відповідним номінальним навантажувальним струмом та відповідними обмотками ступеневого трансформатора, для перемикання якого він призначений, а може бути підключений до найрізноманітніших ступеневих трансформаторів практично як вже повністю готовий до експлуатації пристрій. Ця задача вирішена 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 перемикальних блоки, причому кожен перемикальний блок складається з двох комплементарних, 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. В особливо переважному варіанті обидва комплементарних БТІЗ зустрічно-паралельного перемикального блока об'єднані в компактну контактну групу. Особливо переважним є також розміщення відповідного варистора для забезпечення якомога 97211 4 меншої індуктивності паралельної ланки безпосередньо поряд з кожним БТІЗ і його вбудовування в контактну групу. При цьому можна максимально укоротити з'єднувальні проводи між БТІЗ та паралельно підключеним варистором. Така схема дозволяє також при повному миттєвому значенні навантажувального струму здійснювати душе швидке, "жорстке" відключення навантажувального струму, який протікає через БТІЗ, із перемиканням протягом 0,1-1 мкс на підключений з надзвичайно низькою індуктивністю варистор, екстремально мала затримка спрацьовування якого припадає на наносекундний діапазон. "Жорстке перемикання" БТІЗ вирішальним чином зменшує перетворювану в БТІЗ енергію втрат при перемиканні і дозволяє - як ще буде деталізовано описано далі - реалізувати викладену вище концепцію пристрою перемикання відводів трансформатора під навантаженням (ППВН) у формі ступеневого перемикача - перемикання при будьякому значенні миттєвого навантажувального струму, без потреби в додатковому повному перехідному опорі в ППВН при ступеневому перемиканні, без потреби у визначенні реактивного опору розсіяння обмотки з відводами, без потреби в узгодженні ППВН із відповідним номінальним навантажувальним струмом або ступінчастою напругою та без потреби в узгодженні з точністю до мікросекунд моменту спрацьовування перемикальної групи БТІЗ, яка здійснює відключення, з моментом спрацьовування перемикальної групи БТІЗ, яка переймає струм навантаження. Щоправда, з публікації DE 101 18 743 А1 та інших численних публікацій вже відоме застосування варисторів у пристроях із БТІЗ. Проте, згідно з рівнем техніки їх використовують виключно для захисту напівпровідників від перенапруги, отже вони виконують лише функцію обмеження напруги. На відміну від цього згідно з винаходом варистор, підключений паралельно кожному БТІЗ, виконує іншу функцію після перемикання підведеного струму, збуджуваного мережною напругою, від вимикального БТІЗ на паралельно підключений варистор (менший перемикальний контур), на варисторі, через який протікає навантажувальний струм, відповідно до його вольт-амперної характеристики утворюється напруга, яка відносно менше залежить від миттєвого значення струму і під час процесу перемикання ППВН залишається практично постійною. При цьому в особливо переважній формі виконання винаходу параметри варисторів вибирають такими, що напруга на варисторах, яка утворюється при навантаженні піковим значенням максимального струму, забезпечує ще достатній інтервал безпеки до максимальної блокувальної напруги БТІЗ 3 іншого боку, напруга спрацьовування варисторів під дією імпульсної перенапруги (Clamping Voltage) (Uvar при 1 мА) має набагато перевищувати пікове значення максимальної ступінчастої напруги, щоб навантажувальний струм зі сторони вимикального ППВН можна було б перемикати за допомогою ступінчастої напруги на сторону, яка приймає навантажувальний струм (більший перемикальний контур). 5 Різниця U між миттєвим значенням падіння напруги на варисторі та миттєвим значенням ступінчастої напруги внаслідок особливих параметрів варисторів спричиняє перемикання навантажувального струму через індуктивність розсіяння ступеневої обмотки та індуктивність виводів на приймальну сторону ступеневого перемикача і визначає параметр di/dt комутаційного процесу (di/dt=U/LKom). Цим пояснюється те, що варистори в рамках винаходу не застосовують, як це відомо з рівня техніки, для зменшення перехідної перенапруги. Згідно з винаходом варистори виконують описані далі не типові для пристроїв такого виду і не описані в рівні техніки функції: - приймання навантажувального струму від жорстко вимикаючих БТІЗ; - утворення спаду напруги, який незалежно від миттєвого значення навантажувального струму має перебувати в діапазоні від максимальної блокувальної напруги БТІЗ до пікового значення максимальної ступінчастої напруги; - Формування імпульсу перенапруги, який перемикає навантажувальний струм зі струмоведучої сторони ступеневого перемикача через протилежно напрямлену ступінчасту напругу на приймальну сторону ступеневого перемикача. Згідно з винаходом вибирають дуже прості та економічні параметри силових електронних перемикальних груп, оскільки енергоспоживаючий об'єм варистора легко може бути змінений і набагато перевищує важко змінюваний об'єм набагато меншого і дорожчого чіпа БТІЗ. Іншим позитивним ефектом пропускання навантажувального струму через варистори, утворення потрібного для перемикання імпульсу перенапруги за допомогою варисторів і приймання енергії втрат при цьому також за допомогою варисторів є дуже велике поле допуску відносно синхронізації моменту відключення вимикальної групи БТІЗ та моменту вмикання приймальної групи БТІЗ. Якщо з часом у процесі експлуатації внаслідок старіння конструктивного елемента і зміщення робочої точки в електронних керувальних пристроях у перемикальній характеристиці утворюються перекриття або пропуски тривалістю близько ± 10 мкс, це не загрожує функціонуванню пристрою в разі реалізації відповідної винаходові концепції перемикання. У цілому винахід має описані далі переваги: - варіант перемикання при будь-якому миттєвому значенні навантажувального струму без термічного перевантаження БТІЗ; - надзвичайно швидкий процес перемикання навантажувального струму зі сторони ступеневого перемикача А → В або В → А протягом близько 10 мкс; - уникнення завадних осциляцій; - узгодження кожного ступеневого перемикача з номінальними параметрами ступенів залежно від конкретного замовлення (ступінчаста напруга, номінальний прохідний струм, індуктивність розсіяння) не потрібне, поки не перевищуються граничні 97211 6 значення ступінчастої напруги і номінального прохідного струму. - реалізація концепції перемикання в формі надійної самозахищеної конструкції з дуже великим діапазоном допусків відносно розходження моментів перемикання обох перемикальних груп БТІЗ Немає потреби в додатковому регулюванні після тривалого часу експлуатації. Далі винахід пояснюється докладніше на прикладах за допомогою ілюстрацій. Фіг. 1 Схема першого відповідного винаходові ступеневого перемикача Фіг. 2 Схема іншої форми виконання відповідного винаходові ступеневого перемикача Як показано на фіг 1, кожен із обох відводів обмотки tap n та tap n+1 за допомогою механічного перемикача DSa чи DSb із двома зустрічнопослідовно включеними БТІЗ Іаn та Іар на стороні n і lbn та Іbр на стороні n+1 з'єднаний з відповідним відводом ступеневого перемикача Паралельно кожному з обох зустрічно-послідовно включених БТІЗ Іаn й Іар на одній стороні та Іbn й lbp на іншій стороні підключений діод dan, dap та dbn, dbp відповідно При цьому діоди однієї сторони, тобто d an та dap чи dbn та dbp включені назустріч один одному, тобто з протилежним напрямком пропускання. У свою чергу, паралельно кожній із цих схем паралельного включення БТІЗ і діода підключений варистор Van, Vap чи Vbn, Vbp відповідно. Насамкінець на схемі зображені ще головні нормальнозамкнуті контакти на кожній стороні МСа та МСb, які в стаціонарному режимі шунтують весь перемикальний пристрій Для керування БТІЗ на обох сторонах lan, lap, Іbn, lbp передбачений спільний, зображений лише схематично, відомий з рівня техніки БТІЗ-драйвер. Далі докладніше пояснено послідовність перемикання, наприклад, із tap n на tap n+1 у вихідному положенні навантажувальний струм протікає через головні нормальнозамкнуті контакти МСа від tap n до відводу Y ступеневого перемикача. На першому етапі послідовного процесу перемикання замикаються нормальнорозімкнуті контакти DSa та DSb Потім подається напруга відпирання на затвори БТІЗ Іаn та Іар. Тепер розмикається головний нормальнозамкнутий контакт МСа і перемикає навантажувальний струм IL на групу БТІЗ Іаn/Іар Менше ніж через 10 мс часу проходження струму IL через групу БТІЗ Іаn/Іар ці БТІЗ отримують команду на запирання, а група БТІЗ Іbn/Іbр одночасно (принаймні в стандартному випадку) - команду на вмикання. Напруга, утворювана на вимикальному БТІЗ, передається на паралельно підключений варистор Якщо через кілька сотень наносекунд напруга на варисторі під дією імпульсної перенапруги досягає значення, достатнього для його спрацьовування варистор починає пропускати струм, внаслідок чого БТІЗ Іаn та Іар починають приймати навантажувальний струм. Згідно з винаходом вибрані такі параметри варистора, що напруга на варисторі, через який протікає навантажувальний струм, з однієї сторони, не досягає максимального значення блокувальної 7 напруги паралельного БТІЗ, з іншої сторони - перевищує максимальне миттєве значення ступінчастої напруги. Перевищення миттєвого значення напруги на варисторі над миттєвим значенням ступінчастої напруги спричиняє відключення навантажувального струму при приблизно сталому значенні di/dt зі сторони А та його передачу через ступінчасту напругу та індуктивність розсіяння ступеневої обмотки L (великий перемикальний контур) з таким самим значенням di/dt (у цьому випадку позитивним) на сторону В. Попри безперервне зменшення струму, який протікає через варистор на стороні А, напруга на варисторі в першому наближенні залишається постійною. Приблизно через 10 мкс весь навантажувальний струм, що протікає через варистор на стороні А, перемикається на провідні БТІЗ на стороні В. Із наближенням струму на стороні А до нуля напруга на перемикальній групі А змінюється вирішальним чином: Напруга на варисторі спадає, перехідна di зникає, і на групі БТІЗ/варистор А з'являєтьL dt ся ступінчаста напруга, яка залежно від полярності прикладена до одного блокувального БТІЗ, вклю 97211 8 ченого паралельно йому діода та, в свою чергу, паралельно підключеного до них варистора Навіть у разі навантаження піковим значенням навантажувального струму варистор ще не пропускає суттєвого струму. Менше ніж через 10 мс після здійснюваного електронними силовими елементами перемикання навантажувального струму зі сторони А на сторону В замикається головний нормальнозамкнутий контакт МСb і шунтує групу БТІЗ В Потім шляхом керування затвором БТІЗ lbn/lbp перемикаються у непровідний стан. Процес перемикання закінчується розмиканням механічних нормальнорозімкнутих контактів DSa та DSb, які захищають БТІЗ від перехідних перенапруг, що можуть діяти на ступеневу обмотку. На фіг. 2 зображена інша форма виконання відповідного винаходові ступеневого перемикача, в якій обидва варистори однієї сторони Van, Vap чи Vbn, Vbp об'єднані в один варистор Va чи Vb відповідно. При цьому відповідний механічний перемикач кожної сторони DSa чи DSb та відповідний варистор цієї сторони Va чи Vb також послідовно підключені до спільного силового відводу 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 97211 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601