Ступеневий перемикач із напівпровідниковими перемикальними елементами

Реферат: Винахід стосується ступеневого перемикача з напівпровідниковими перемикальними елементами для безрозривного перемикання стаціонарних контактів ступеневого перемикача, які електрично сполучені з відводами обмотки ступеневого трансформатора. При цьому кожен зі стаціонарних контактів ступеневого перемикача виконаний з можливістю електричного з'єднання з силовим відводом безпосередньо або, в процесі перемикання, через проміжні напівпровідникові перемикальні елементи. Згідно з винаходом силовий відвід має стаціонарні, розділені відвідні контактні деталі для забезпечення гальванічного відокремлення напівпровідникових перемикальних елементів в стаціонарному режимі від обмотки трансформатора. UA 105787 C2 (12) UA 105787 C2 UA 105787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується ступеневого перемикача з напівпровідниковими перемикальними елементами для безрозривного перемикання відводів обмотки ступеневого трансформатора. При цьому основою винаходу є ступеневий перемикач, який функціонує за принципом силового селектора. Відомі різні форми виконання ступеневих перемикачів; принципово їх розділяють на силові селектори та пристрої з окремим шукачем для електроенергонезалежного вибору нового відводу обмотки, на який має бути здійснене перемикання, та окремим перемикачем навантаження для здійснення наступного перемикання. Ґрунтовний огляд різних конструктивних форм пропонує публікація "Axel Krämer: On-Load Tap-Changers for Power Transformers", MRPublikation 2000. На сторінці 7f цієї публікації описані особливості конструкцій. Незалежно від конструкції всі ступеневі перемикачі мають спільний силовий відвід, який незалежно від поточного положення ступеневого перемикача забезпечує з'єднання з трансформатором, як правило з його основною обмоткою. Наприклад, із публікації WO 99/60588 відомий ступеневий перемикач, який, згідно з рівнем техніки, містить такий єдиний силовий відвід. У відомому рішенні цей силовий відвід виконаний у вигляді електропровідного відвідного кільця, яке концентрично оточує перемикальну колонку. По відвідному кільцю переміщується частина контактної перемички, інша частина якої електрично контактує з відповідним стаціонарним контактом ступеневого перемикача. Аналогічна конструкція ступеневого перемикача вже відома з публікації DE 38 33 126 A1. Зокрема, у цій публікації на фігурі 4 лініями схематично зображений прохідний відвід. У ступеневих перемикачах із механічними контактами або вакуумними перемикальними елементами як засобами перемикання ці прохідні відвідні кільця або, при лінійному перемиканні контактів ступеневого перемикача, також відвідні шини, не утворюють проблем; вони дозволяють реалізувати просту конструкцію пристрою. На відміну від цього, ступеневі перемикачі з напівпровідниковими перемикальними елементами мають різні недоліки. Внаслідок довготривалого прикладення робочої напруги і навантаження силової напівпровідникової техніки миттєвою імпульсною напругою необхідно забезпечувати велику ізоляційну відстань, що є небажаним. Окрім цього, необхідно застосовувати дорогі високовольтні прохідні вводи крізь cтінку трансформатора. В цілому, при застосуванні відомих силових відводів силові електронні конструктивні елементи перебувають під дією довготривалого навантаження. Задачею винаходу є усунення цих недоліків і розроблення ступеневого перемикача з напівпровідниковими перемикальними елементами, який дозволяє уникнути великого навантаження цих перемикальних елементів і в стаціонарному режимі забезпечує гальванічне розділення ступеневого перемикача та обмотки трансформатора. Цю задачу вирішено у ступеневому перемикачі цього виду з ознаками згідно з першим пунктом формули винаходу. Залежні пункти формули винаходу стосуються переважних вдосконалених форм виконання винаходу. Особливою перевагою відповідного винаходові рішення є те, що в стаціонарному режимі всі з'єднувальні лінії силових електронних конструктивних елементів гальванічно розділені. Таким чином, силові електронні конструктивні елементи надійно відокремлені від миттєвої імпульсної напруги, а також від довготривалого навантаження робочою напругою. Лише на стадії перемикання, тобто перемикання навантаження, існує гальванічний зв'язок із обмоткою трансформатора. Далі винахід пояснюється докладніше на прикладах виконання за допомогою креслень. На фігурах зображено: Фіг. 1 Схема відповідного винаходові ступеневого перемикача Фіг. 2 Інша форма виконання відповідного винаходовіступеневого перемикача Фіг. 3 Інша схема підключення відповідного винаходові ступеневого перемикача до трансформатора На фіг. 1 зображений ступеневий перемикач, який містить силовий електронний перемикач 1. У ньому передбачені два напівпровідникових перемикачі 2 і 3, які мають окремі електричні входи 4 чи 5, а також спільний електричний вихід 6. Таким чином, силовий перемикач 1 складається з двох ланцюгів: одного для сторони, що відключає навантаження, іншого – для сторони, що приймає навантаження, причому кожен реалізований за допомогою напівпровідникового перемикача 2 або 3. Електричні виходи 4, 5, а також електричний вихід 6 за допомогою прохідних уводів 7 підведені до механічної контактної системи 8. Механічна контактна система 8 містить контактну каретку 9, яка схематично позначена на кресленні штриховою лінію. Контактна каретка 9 має нерухомо зафіксовані на ній контактні 1 UA 105787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перемички 10, 11, 12, 13. Контактні перемички 10-13 електропровідні, але ізольовані одна від одної; на кінцях вони мають схематично позначені на фігурах відомі контактні ролики, ковзні контактні елементи чи аналогічні засоби. Контактні перемички 10 – 13, а також додатково шарнірно приєднаний контактний ролик 14 далі описані докладніше. Кожен із зображених на фіг. 1 контактів 15 ступеневого перемикача відповідає одному відводу n, n+1, … регулювальної обмотки ступеневого трансформатора. Крім цього, у механічній контактній системі передбачені три електропровідні контактні шини 16, 17, 18, одна з яких електрично сполучена з електричним входом 4, інша – з електричним входом 5, а третя – з електричним виходом 6 напівпровідникового перемикача 2, 3. Згідно з винаходом силовий відвід розділений, тобто не передбачено будь-якої відомої з рівня техніки прохідної відвідної шини чи аналогічного елемента. Замість цього тут передбачені окремі відвідні контакти 19.1, 19.2, 19.3, 19.4, 19.5, які, дивлячись у напрямку переміщення контактної каретки 9, розташовані відповідно стаціонарним контактам 15 ступеневого перемикача. Іншими словами: положення і розміри відвідних контактів 19.1-19.5 відповідають – в іншій горизонтальній площині – положенню і розмірам стаціонарних контактів 15 ступеневого перемикача. У зображеній формі виконання винаходу контактні шини 16-18 розміщені паралельно окремим відвідним контактам 19.1-19.5; контактна каретка 9 при цьому виконує лінійне, поступальне переміщення для контактування. Окремі відвідні контакти 19.1-19.5 сполучені між собою шляхом електричного з'єднання з відводом 20 і підведені до основної обмотки 21. З'єднання з відводом 20 може бути здійснене як всередині ступеневого перемикача, так і поза ним. Перша контактна перемичка 10 одним своїм вільним кінцем може підключати контакти 15 ступеневого перемикача; її інший вільний кінець переміщується по контактній шині 16, яка електрично сполучена зі входом 4 першого напівпровідникового перемикача 2. Друга контактна перемичка 11 одним своїм вільним кінцем також може підключати стаціонарні контакти 15 ступеневого перемикача; її інший вільний кінець переміщується по іншій контактній шині 17, яка електрично сполучена зі входом 5 другого напівпровідникового перемикача 3. Третя контактна перемичка 12 одним своїм вільним кінцем переміщується по контактній шині 18, яка електрично сполучена зі спільним електричним виходом 6 силового електронного вимикача. Її інший вільний кінець електрично сполучений з відвідними контактами 19.1-19.5. У просторі між двома описаними вище контактними перемичками 10 та 11 передбачена інша контактна перемичка 13, відвідна контактна перемичка, яка одним вільним кінцем може контактувати зі стаціонарними контактами 15 ступеневого перемикача, а її інший кінець може контактувати з відвідними контактами 19.1-19.5. Симетрично описаній контактній перемичці 12 розміщена ще контактна перемичка 14, яка електрично сполучена з контактною перемичкою 12 і також може підключати відвідні контакти 19.1-19.5. Як видно на схемі, між контактною перемичкою 12, а разом із нею також спільним виходом 6 силового електронного перемикача, а також контактною перемичкою 13 може бути утворене електричне з'єднання з одним із відвідних контактів 19.1-19.5 залежно від положення контактної каретки 9. У стаціонарному режимі контактна перемичка 13 здійснює пряме електричне з'єднання між підключеним у даний момент контактом 15 ступеневого перемикача і відповідним відвідним контактом; залежно від положення перемикання це один із відвідних контактів 19.119.5. На відміну від цього, контактні перемички 10 та 11, які сполучені зі входами силового електронного вимикача 1, не підключені; напівпровідникові перемикачі 2 і 3 відключені. При перемиканні навантаження контактну каретку 9 переміщують ліворуч або праворуч залежно від того, в якому напрямку – "вище" або "нижче" – має бути здійснене перемикання. В результаті одна з двох контактних перемичок 10 або 11 переміщується на наступний контакт 15 ступеневого перемикача, який необхідно підключити, і здійснює таким чином електричне з'єднання з відповідним входом 4 або 5 відповідного напівпровідникового перемикача 2 або 3. Одночасно контактна перемичка 13 виходить із контакту з одним із стаціонарних контактів 15 ступеневого перемикача 15. Перемикання завершується, коли контактна каретка 9 переміщується далі настільки, що обидві контактні перемички 10 та 11 знову виходять із контакту, а контактна перемичка 13 знову починає пропускати сталий струм. На фіг. 2 зображена інша форма виконання винаходу у вигляді концентричної конструкції. У цьому випадку також передбачені напівпровідникові перемикачі 2 та 3, сполучені з окремими електричними входами 4 чи 5 та зі спільним електричним виходом 6. При цьому передбачені контактні ролики 22, 23, 24, кожен із яких переміщується по відповідному контактному кільцю 25, 26, 27. Ці контактні кільця 25-27 за виконуваною ними функцією відповідають контактним шинам 16-18 з фіг. 1. При цьому по концентричному колу розміщені стаціонарні контакти 15 2 UA 105787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ступеневого перемикача. Зображений центральний перемикальний вал 28. Окрім цього, зображені також відвідні контакти 19.1-19.3. Ці відвідні контакти 19.1-19.3 розміщені в іншій горизонтальній площині, ніж стаціонарні контакти 14 ступеневого перемикача. Проте, геометрія та вертикальне розміщення цих відвідних контактів такі самі, що й геометрія та вертикальне розміщення стаціонарних контактів 15 ступеневого перемикача. Окрім цього передбачений також позначений лише штриховою лінією перемикальний сегмент 29 із ізоляційного матеріалу, який для перемикання навантаження виконаний з можливістю обертання за допомогою перемикального вала 28 на кут, який відповідає відстані між двома стаціонарними контактами 14 чи двома відвідними контактами 19.1-19.3. На перемикальному сегменті 29 на першому горизонтальному рівні передбачені контактні ролики 30, 31, 32, які можуть бути введені в контакт зі стаціонарними контактами 15 ступеневого перемикача. Окрім цього, на другому горизонтальному рівні передбачені інші контактні ролики 33, 34, 35, які залежно від положення перемикального сегмента можуть бути введені в контакт із одним із відвідних контактів 19.1-19.3. Контактний ролик 30 через контактне кільце 25 електрично сполучений із входом 4 першого напівпровідникового перемикача 2. Контактний ролик 32 через контактне кільце 26 електрично сполучений зі входом 5 другого напівпровідникового перемикача 3. Обидва нижніх контактних ролика 33 і 35 через контактне кільце 27 сполучені зі спільним виходом 6 обох напівпровідникових перемикачів 2 та 3. Насамкінець, між верхнім контактним роликом 31 і нижнім контактним роликом 34 передбачене електропровідне з'єднання 36, таким чином, що контактний ролик 31, який розміщений у просторі між контактними роликами 30 і 32, безпосередньо через нижній контактний ролик 34 може бути сполучений із одним із відвідних контактів 19.1-19.3. Як пояснено, в цій формі виконання винаходу перемикальний сегмент 29 і разом із ним контактні ролики 30-35 здійснюють обертовий рух при кожному перемиканні. Проте, принцип функціонування є таким самим: у стаціонарному режимі підключений у даний момент стаціонарний контакт 15 ступеневого перемикача безпосередньо електрично сполучений з одним із відвідних контактів 19.1-19.3 через контактний ролик 34, у той час як напівпровідникові перемикачі 2 та 3 не тільки не підключені, але й гальванічно відокремлені від обмотки трансформатора. Лише при перемиканні один із двох входів 4 або 5 силового електронного перемикача, залежно від напрямку обертання, за допомогою відповідного контактного ролика 30 чи 32 короткочасно з'єднується з відповідним стаціонарним контактом 15 ступеневого перемикача, на який має бути здійснене перемикання. Одночасно, тобто лише під час перемикання, один із контактних роликів 33 або 35, залежно від напрямку обертання, здійснює електричне з'єднання з одним із відвідних контактів 19.1-19.3. На фіг. 3 наведена змінена схема підключення відповідного винаходові ступеневого перемикача до трансформатора. При цьому в трансформаторі передбачений також відомий електроенергонезалежний перемикач 37 відводів обмотки трансформатора. За допомогою цього перемикача 37 відводів обмотки трансформатора можна здійснювати різні варіанти підключення частин 38 та 39 обмотки трансформатора для підвищення загальної кількості наявних у розпорядженні ступенів напруги. У всіх формах виконання винаходу описаний вище відповідний винаходові ступеневий перемикач має велику перевагу порівняно зі станом техніки, яка полягає в тому, що всі з'єднувальні лінії, підведені та відведені від силового електронного перемикача, гальванічно відокремлені від обмотки трансформатора. При цьому заповнені маслом проміжки між окремими контактними перемичками і окремими контактними деталями виконують роль ізоляції між цими конструктивними елементами. Таким чином, силовий електронний перемикач згідно з винаходом відокремлений від миттєвої імпульсної напруги, а також від довготривалого навантаження робочою напругою. Лише в процесі перемикання навантаження, на стадії перемикання, що триває близько 100 мс, існує гальванічний зв'язок з обмоткою трансформатора, отже, прикладена робоча напруга. Ізоляція прохідних вводів 7, а також ізоляційна відстань у повітрі можуть бути відповідно зменшені порівняно з рівнем техніки. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Ступеневий перемикач із напівпровідниковими перемикальними елементами для безрозривного перемикання стаціонарних контактів (15) ступеневого перемикача, які електрично сполучені з відводами обмотки ступеневого трансформатора, причому стаціонарні контакти (15) ступеневого перемикача розміщені вздовж лінії, причому контактна каретка (9, 29) виконана з можливістю переміщення вздовж цієї лінії, причому на контактній каретці (9, 29) розміщені електропровідні, ізольовані одна від одної, контактні перемички (10, 11, 13; 30, 32, 36) 3 UA 105787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 та дві також електрично ізольовані від них, але електрично сполучені між собою інші контактні перемички (12, 14; 33, 35), виконані зі здатністю здійснювати електричне сполучення на вибір у стаціонарному режимі безпосередньо між одним із стаціонарних контактів (15) ступеневого перемикача та силовим відводом (20), а під час перемикання - короткочасного електричного сполучення між одним із стаціонарних контактів (15) ступеневого перемикача та входом (4, 5) одного з напівпровідникових перемикачів (2, 3), а також електричного сполучення між виходом (6) відповідного напівпровідникового перемикача (2, 3) та силовим відводом (20), та причому силовий відвід (20) містить стаціонарні, розділені відвідні контактні деталі (19.1-19.5), таким чином, що напівпровідникові перемикальні елементи (2, 3) у стаціонарному режимі гальванічно відокремлені від силового відводу (20) і разом із цим від обмотки трансформатора. 2. Ступеневий перемикач за пунктом 1, який відрізняється тим, що стаціонарні, розділені відвідні контактні деталі (19.1-19.5) розміщені на іншій лінії паралельно лінії розміщення стаціонарних контактів (15) ступеневого перемикача за таким самим просторовим і геометричним зразком. 3. Ступеневий перемикач за пунктом 1 або 2, який відрізняється тим, що стаціонарні контакти (15) ступеневого перемикача і стаціонарні відвідні контактні деталі (19.1-19.5) розміщені вздовж рівної площини, а контактна каретка (9) виконана з можливістю лінійного переміщення. 4. Ступеневий перемикач за пунктом 1 або 2, який відрізняється тим, що стаціонарні контакти (15) ступеневого перемикача і стаціонарні відвідні контактні деталі (19.1-19.5) розміщені на лінії кола концентрично відносно центра обертання контактної каретки (9), виконаної з можливістю обертання. 5. Ступеневий перемикач за будь-яким із пунктів 1-4, який відрізняється тим, що напівпровідникові перемикальні елементи (2, 3) виконані в формі біполярних транзисторів із ізольованим затвором (БТІЗ). 6. Ступеневий перемикач за будь-яким із пунктів 1-5, який відрізняється тим, що обидва напівпровідникових перемикальних елементи (2, 3) мають окремий електричний вхід (4, 5), а також спільний електричний вихід (6). 7. Ступеневий перемикач за будь-яким із пунктів 1-6, який відрізняється тим, що паралельно лінії розміщення стаціонарних контактів (15) ступеневого перемикача прокладені електропровідні, проте ізольовані одна від одної, контактні шини (16, 17, 18; 25, 26, 27), кожна з яких електрично сполучена або з одним із електричних входів (4, 5), або з електричним виходом (6). 8. Ступеневий перемикач за пунктом 7, який відрізняється тим, що паралельно контактним шинам (16, 17, 18; 25, 26, 27) передбачені також електрично від них ізольовані, розміщені вздовж лінії відвідні контактні деталі (19.1-19.5), які в свою чергу електрично сполучені з силовим відводом (20). 9. Ступеневий перемикач за будь-яким із пунктів 1-8, який відрізняється тим, що розміри і просторове розміщення контактних перемичок (10, 11, 12, 13, 14) на контактній каретці (9) вибрані такими, що вони електрично сполучені з контактними шинами (16, 17,18; 25, 26, 27) чи однією з відвідних контактних деталей (19.1-19.5), і через них залежно від перемикання може бути утворене електричне з'єднання на вибір між одним зі стаціонарних контактів (15) ступеневого перемикача, безпосередньо з однією з відвідних контактних деталей (19.1-19.5), або електричне з'єднання між одним зі стаціонарних контактів (15) ступеневого перемикача з одним із електричних входів (4, 5), а також додатково інше електричне з'єднання між електричним виходом (6) і однією з відвідних контактних деталей (19.1-19.5). 4 UA 105787 C2 5 UA 105787 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 6