Спосіб безрозривного перемикання відводів обмоток ступеневого трансформатора

1. Спосіб безрозривного перемикання відводів обмотки ступеневого трансформатора, що містить дві силових ланки (tap n, tap n+1), причому кожну з двох силових ланок (tap n, tap n+1) механічним перемикачем (DSa, DSb) та послідовно підключеною до нього групою з двох включених зустрічно-послідовно біполярних транзисторів з ізольованим затвором (БТІЗ) (Ian, Iap; Ibn, Ibp) з'єднують зі спільним силовим відводом, причому паралельно кожному БТІЗ (Ian, Iap; Ibn, Ibp) включений відповідний діод (dan, dap; dbn, dbp), причому паралельно кожному БТІЗ (Ian, Iap; Ibn, Ibp) включений відповідний варистор (Van, Vap; Vbn, Vbp), і причому кожну з двох силових ланок (tap n, tap n+1) шунтують головним механічним нормальнозамкнутим контактом (МСа, МСb), який відрізняється тим, що включає стадії: - замикання нормальнорозімкнутих контактів (DSa, DSb) на обох сторонах, - подача напруги відпирання на затвори БТІЗ (Ian, Iap) вимикаючої сторони для їх вмикання, - розмикання головного нормальнозамкнутого контакта (МСа) вимикаючої сторони, - перемикання навантажувального струму IL на БТІЗ вимикаючої сторони, - відключення БТІЗ (Іаn, Іар) вимикаючої сторони та підключення БТІЗ (Іbп, Іbр) приймальної сторони таким чином, що БТІЗ (Іаn, Іар) вимикаючої сторони здійснюють "жорстке" відключення, C2 2 (19) 1 3 Такий спосіб із застосуванням напівпровідникових перемикальних елементів відомий із публікації WO 01/22447. В описаному в цій публікації способі застосовані електричні перемикальні засоби, а саме біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ), та механічні контакти. У цьому способі перемикання навантаження здійснюється в момент проходження навантажувального струму через нуль за допомогою двох БТІЗ, до кожного з яких підключені діоди за схемою Греца. Необхідною стадією цього відомого способу є розпізнавання та реєстрація відповідного моменту проходження струму через нуль як умови ініціювання процесу перемикання навантаження в цей момент. Із публікації WO 97/05536 відомий інший спосіб із застосуванням перемикального пристрою на БТІЗ, в якому відводи регулювальної обмотки силового трансформатора з'єднані зі спільним силовим відводом двома послідовно включеними БТІЗ. Цей відомий спосіб працює за принципом широтно-імпульсної модуляції; при цьому на наступній стадії способу контурний струм обмежується перехідним реактивним опором (ПРО) обмотки з відводами. Цей спосіб вимагає спеціального узгодження ступеневого перемикача з відповідним ступеневим трансформатором, відводи обмоток якого необхідно перемикати. Іншими словами: ступеневий трансформатор і ступеневий перемикач узгоджені між собою з можливістю електричної взаємодії між ними. Тому цей відомий спосіб не придатний для реалізації із застосуванням окремого універсального ступеневого перемикача, параметри якого спеціально узгоджені з параметрами конкретного трансформатора. Задачею винаходу було розроблення простого і високофункціонального способу описаного вище виду, який не потребував би здійснення перемикання точно в момент проходження навантажувального струму через нуль. Інша задача винаходу полягала в розробленні відповідного способу, який можна було б здійснювати в будь-якому випадку, тобто без узгодження з конкретним ступеневим трансформатором. Ця задача вирішена в способі з ознаками першого пункту формули винаходу. Залежний пункт формули винаходу стосується особливо переважної вдосконаленої форми виконання винаходу. Ця задача вирішена також у модифікованому способі з ознаками третього залежного пункту формули винаходу. Загальна ідея відповідних винаходові форм виконання винаходу полягає в застосуванні варисторів в рамках винаходу не як елементів схеми для зменшення перехідної перенапруги, як це відомо з рівня техніки, а для перемикання навантажувального струму ступеневого перемикача з однієї сторони на іншу, тобто з підключеного до цього відводу обмотки на інший відвід обмотки, який має бути підключений, шляхом здійснення відповідних стадій способу. У відповідному винаходові способі варистори зі спеціально вибраними параметрами, включені паралельно кожному БТІЗ, виконують нову функ 97210 4 цію: після перемикання підведеного, утворюваного мережною напругою навантажувального струму від вимикаючого БТІЗ на паралельно включений варистор (менший контур перемикання) на варисторі, через який протікає навантажувальний струм, відповідно до його вольт-амперної характеристики утворюється напруга, яка відносно менше залежить від миттєвого значення струму і протягом процесу перемикання залишається практично постійною. При цьому 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. З 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 (пристрою перемикання відводів трансформатора під навантаженням) можна було б перемикати за допомогою ступінчастої напруги на сторону, яка приймає навантажувальний струм (більший перемикальний контур). Різниця U між миттєвим значенням падіння напруги на варисторі та миттєвим значенням ступінчастої напруги спричиняє перемикання навантажувального струму через індуктивність розсіяння обмотки з виводами та індуктивність виводів на приймальну сторону ступеневого перемикача і визначає параметр di/dt комутаційного процесу (ΔU = LKom • di/dt). Очевидно, що варистори в рамках відповідного винаходові способу не застосовують, як відомо з рівня техніки, для зменшення перехідної перенапруги У цьому способі варистори виконують наведені далі, не типові для пристроїв такого виду і не описані в рівні техніки функції як стадії способу: • 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: ∫Var Udt = LKomlL(t)+∫Ustdt Виконання наведених вище функцій варисторами вирішальним чином спрощує і розвантажує процес перемикання за допомогою силових електронних елементів: • дуже низьке споживання енергії жорстко перемикаючими БТІЗ; • енергія неминучих втрат на вимикаючій стороні в процесі перемикання t k di   Wk   UVar   IL ( t )  t dt dt   0 5 насамперед у разі високих вимог до параметрів процесу перемикання (високе миттєве значення навантажувального струму, високе миттєве значення протилежно спрямованої ступінчастої напруги, велика індуктивність розсіяння включеного ступеня) переважно припадає на варистор і лише невелика її частина - на вимикаючий БТІЗ. • Таке співвідношення дозволяє дуже просто та економічно вибирати параметри силових електронних перемикальних груп, оскільки енергоспоживаючий об'єм варистора 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 вимикаючої групи БТІЗ та моменту вмикання приймальної групи БТІЗ. Можливими і допустимими є такі режими перемикання: Переривчастий Процес відключення вимикаючої сторони передує процесу вмикання приймальної сторони. Час протікання навантажувального струму через один із двох варисторів вимикаючої сторони відповідно подовжується. Синхронний Процеси вимикання та вмикання обох груп БТІЗ синхронізовані. У цьому стандартному випадку додатковий час дії навантажувального струму на варистори відсутній. Перекривний Процес вмикання приймальної сторони ступеневого перемикача передує процесу відключення вимикаючої сторони. Протягом інтервалу перекритття обидві групи БТІЗ замкнені, тому під дією ступінчастої напруги протягом цього періоду утворюється циркулюючий струм. Значення di/dt утворюваного циркулюючого струму залежить від миттєвого значення ступінчастої напруги протягом інтервалу перекриття та від індуктивності контуру циркуляції струму. Циркулюючий струм додається до навантажувального струму на вимикаючій стороні, внаслідок чого до моменту вимикання відбувається поступове збільшення сумарного струму (lL(t) + lc(t)), який має бути відключений. Це призводить до зростання енергії втрат при перемиканні на вимикаючій стороні та подовження процесу перемикання. Різні форми виконання відповідного винаходові процесу мають певні переваги порівняно з рівнем техніки: Для забезпечення мінімальних втрат і найкоротшого часу перемикання вимикання та вмикання обох груп БТІЗ здійснюють синхронно. 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 близької 10 мкс, це не загрожує функціонуванню 97210 6 пристрою в разі реалізації відповідної винаходові концепції перемикання. Єдиними наслідками є помірне зростання втрат при перемиканні та дещо подовжена тривалість процесу перемикання. • У всіх 3 описаних вище режимах перемикання важливим позитивним супровідним ефектом споживання варисторами активної/резистивної потужності є ефективне демпфірування змін струму та напруги в процесі перемикання. Завадні осциляції, очікувані при подібних швидких процесах перемикання (тривалістю порядку 10 мкс) у поєднанні з ємностями обмоток та індуктивністю розсіяння, внаслідок сильної демпфірувальної дії варисторів не утворюються. Окрім цього, напруга, утворювана на варисторах при протіканні через них навантажувального струму, є відносно постійною, в результаті чого значення di/dt в процесі перемикання не змінюється. Це додатково ускладнює процес збудження сильних коливань. • При дуже великих значеннях навантажувального струму доцільним видається відомим способом передбачати детектування моменти проходження струму через нуль і здійснювати процес перемикання чи комутації при невеликих миттєвих значеннях навантажувального струму близько у часі до моменту проходження струму через нуль. Цей захід веде до різкого зменшення струмового навантаження на БТІЗ і варистори, а також енергії втрат при перемиканні та скорочення тривалості процесу перемикання. Здійснення перемикання близько у часі до проходження струму через нуль дозволяє значно збільшити номінальну перемикальну здатність ступеневого перемикача при незмінному апаратурному забезпеченні силових електронних компонентів. Далі форми виконання способу згідно з винаходом докладніше пояснюються на прикладах за допомогою ілюстрацій. На фігурах показано: Фіг. 1 Блок-схема першого відповідного винаходові способу Фіг. 2 Особливо придатна для здійснення способу перша схема на БТІЗ і паралельно підключених до кожного БТІЗ варисторах Фіг. 3 Інший варіант схеми для здійснення способу Фіг. 4 Блок-схема другого, спрощеного відповідного винаходові способу. На фіг. 1 наведена блок-схема першого відповідного винаходові способу Основна ідея полягає в тому, що в ступеневому перемикачі, за допомогою якого має бути здійснене перемикання навантаження з одного відводу обмотки ступеневого трансформатора на інший відвід, передбачені дві силові ланки, електрично з'єднані через механічний перемикач DSa, DSb та послідовно включену з ним групу з двох включених зустрічно-паралельно БТІЗ lan, lap Іbn Іbp і паралельних їм діодів dan, dap; dbn, dbP зі спільним силовим відводом, і що паралельно кожному з вищезгаданих БТІЗ підключений відповідний варистор Van, Vap; Vbn, Vbp. Забезпечена можливість шунтування кожної з двох силових 7 ланок відповідним головним нормальнозамкнутим контактом МСа або МСb. На першій стадії замикаються діючі як нормальнорозімкнуті контакти механічні перемикачі DSa та DSb на обох сторонах. Після цього напруга відпирання подається на затвори БТІЗ Іап, Іар вимикаючої сторони. Потім розмикається головний нормальнозамкнутий контакт МСа Далі здійснюється перемикання навантажувального струму IL на групу БТІЗ Іап/Іар вимикаючої сторони. Тепер ці БТІЗ Ian, lap вимикаючої сторони отримують команду на запирання, в той час як група БТІЗ lbn/lbp сторони, яка має бути підключена - команду на вмикання. На наступній стадії БТІЗ Іаn та Іар вимикаючої сторони здійснюють "жорстке" відключення. Потім навантажувальний струм згідно з винаходом перемикається на варистори Van та Vap вимикаючої сторони. На наступній стадії здійснюється перемикання цього навантажувального струму на БТІЗ lbn, lbp приймальної сторони, яка має бути підключена. Після цього замикається головний нормальнозамкнутий контакт МСb приймальної сторони. Потім здійснюється перемикання БТІЗ lbn та Іbр приймальної сторони у непровідний стан. Остання стадія способу полягає у розмиканні механічних контактів DSa та DSb, які захищають БТІЗ від навантаження перехідними перенапруженнями, що можуть діяти на обмотку з відводами. На фіг. 2 наведена схема, яка особливо придатна для реалізації способу згідно з фіг. 1. Згідно зі схемою кожен із обох відводів обмотки tap n та tap n+1 за допомогою механічного перемикача DSa чи DSb, до якого послідовно приєднана група з двох зустрічно-послідовно включених 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 підключений відповідний діод dan, dap та dbn, dbp, причому обидва діоди у кожній силовій ланці включені назустріч один одному, тобто з протилежним напрямком пропускання. Паралельно кожному окремому БТІЗ також включений відповідний варистор Van, Vap чи Vbn, Vbp. 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; lbn, lbp передбачений спільний, зображений лише схематично, відомий з рівня техніки БТІЗ-драйвер. Параметри варисторів Van, Vap та Vbn, Vbp, вибрані такими, що напруга на кожному варисторі не досягає максимального значення блокувальної напруги відповідного підключеного паралельно йому БТІЗ, але перевищує максимальне миттєве значення ступінчастої напруги. Далі за допомогою цієї схеми докладніше пояснений відповідний винаходові спосіб, тобто послідовність перемикання, наприклад, із tap n на tap n+1: у вихідному положенні навантажувальний струм протікає через головний нормальнозамкну 97210 8 тий контакт МСа від tap n до відводу Y ступеневого перемикача. На першій стадії 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 lL на групу БТІЗ Іаn/Іар. Менше ніж через 10 мс часу проходження струму IL через групу БТІЗ Іап/Іар ці БТІЗ отримують команду на запирання, а група БТІЗ lbn/lbp одночасно (принаймні в стандартному випадку) - команду на вмикання. Напруга, утворювана на вимикаючому 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, і напруга на БТІЗ розділяється на два компоненти: - лише незначно зростаючу напругу на варисторі, - Ldi/dt меншого контуру перемикання між БТІЗ та паралельним варистором Завдяки малоіндуктивному зв'язку варистора з БТІЗ перемикання максимального навантажувального струму з БТІЗ на варистор відбувається протягом 0,1...1 мкм. Параметри варистора вибрані такими, що напруга на варисторі, через який протікає навантажувальний струм, з однієї сторони, не досягає максимального значення блокувальної 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 обмотdi ки І (великий перемикальний контур) з таким dt 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: di Напруга на варисторі спадає, перехідна І dt зникає, і на групі БТІЗ/варистор А з'являється ступінчаста напруга, яка залежно від полярності прикладена до одного блокувального БТІЗ, включеного 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. 9 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 нормально розімкнутих контактів DSa та DSb, які захищають БТІЗ від перехідних перенапруг, що можуть діяти на обмотку з відводами. На фіг. 3 зображений інший варіант схеми для здійснення способу за пунктом 1, 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. На фіг. 4 зображена інша, спрощена форма виконання відповідного винаходові способу, в якій не передбачене застосування механічних перемикачів. Загальна ідея винаходу, а саме застосування варисторів для перемикання навантажувального струму, реалізована також і в цій формі виконання відповідного винаходові способу. У цій іншій формі виконання відповідного винаходові способу також передбачено дві силових ланки у ступеневого перемикача, причому кожна з двох силових ланок містить групу з двох включених зустрічно-послідовно БТІЗ Ian, lap; Іbn, Іbp. до яких також послідовно підключений відповідний діод dan, dap; dbn, dbp. Паралельно кожному із вищенаведених БТІЗ І3n. Іаp; Іbn, Іbp підключений відповідний варистор Van, Vap; Vbn, Vbp. На початку процесу перемикання БТІЗ Іап та Іар вимикаючої сторони пропускають навантажувальний струм. Після цього ці БТІЗ одержують команду на вимикання, а БТІЗ Іbn та Іbр приймальної сторони команду на вмикання; БТІЗ вимикаючої сторони 97210 10 здійснюють "жорстке" відключення. Потім згідно з винаходом здійснюється перемикання навантажувального струму на варистори Van та Vap вимикаючої сторони. На наступній стадії здійснюється перемикання навантажувального струму на БТІЗ lbn та Іbр приймальної сторони, які пропускають цей навантажувальний струм. Як вже було описано вище, цей спрощений спосіб ґрунтується на застосуванні ступеневого перемикача, який не містить механічних нормальнорозімкнутих та нормальнозамкнутих контактів; у цьому перемикачі в стаціонарному режимі струм напрямляють через БТІЗ Основою обох форм виконання відповідного винаходові способу, зображених на фіг. 1 та на фіг. 4, є одна і та сама ідея, і вони однаковою мірою виконують задачу винаходу. Далі ще раз наведені переваги деталізовано описаного вище відповідного винаходові способу порівняно з рівнем техніки: • 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 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. 11 97210 12 13 97210 14 15 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 97210 Підписне 16 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