СПОСОБ БЕЗОБРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ МЕЖДУ ОТВОДАМИ ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРА СО СТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD OF BREAKLESS SWITCHING BETWEEN TRANSFORMER WINDING TAPS WITH STEPPED VOLTAGE CONTROL

Изобретение относится к способу безобрывного переключения с помощью полупроводниковых переключающих элементов между отводами обмотки трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения.
Подобный способ с применением полупроводниковых переключающих элементов известен из WO 01/22447. Описанный там способ работает как с электрическими переключающими средствами, такими как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), так и с механическими контактами. Он выполнен таким образом, что собственно коммутация нагрузки осуществляется при переходе через нуль нагрузочного тока с двумя IGBT с диодами в схеме Греца (мостовая схема выпрямления на четырех диодах). Необходимой составной частью этого известного способа является распознавание и определение соответствующего перехода через нуль тока в качестве предпосылки для ввода переключения нагрузки к этому моменту времени.
Из WO 97/05536 известен другой способ с переключающим устройством на IGBT, при котором отводы регулирующей обмотки силового трансформатора связаны через схему последовательного соединения двух IGBT с общим нагрузочным выводом. Этот известный способ работает согласно принципу широтно-импульсной модуляции; на последующем этапе способа при этом осуществляется ограничение контурного тока посредством переходной реактивности обмотки с отводами.
Этот способ требует конкретного согласования переключателя ступеней обмоток трансформатора с соответствующим трансформатором со ступенчатым регулированием напряжения, который должен монтироваться. Иными словами, трансформатор со ступенчатым регулированием напряжения и переключатель ступеней обмоток трансформатора согласованы друг с другом и взаимодействуют электрически. Поэтому этот известный способ не пригоден для применения в отдельном, универсально применимом, не рассчитанном на конкретный трансформатор переключателе ступеней обмоток трансформатора.
Задача изобретения - предложить способ вышеописанного типа, который прост в реализации, обладает высокой функциональностью и в котором не требуется обязательно выполнять переключение только точно при переходе через нуль нагрузочного тока. Другая задача изобретения - предложить соответствующий способ, который является работоспособным в любом случае, то есть без настройки на конкретный трансформатор со ступенчатым регулированием напряжения, который необходимо монтировать.
Эта задача решается способом с признаками первого пункта формулы изобретения. Зависимый пункт касается особенно предпочтительного варианта осуществления изобретения.
Эта задача также решается модифицированным способом с признаками подчиненного третьего пункта формулы изобретения.
Соответствующие изобретению способы исходят из общей изобретательской идеи, состоящей в том, чтобы варисторы применять не так, как давно известно в уровне техники, в качестве компонентов для защиты от перенапряжения, а для коммутации нагрузочного тока переключателя ступеней обмоток трансформатора с одной стороны на другую, то есть от включенного до сих пор отвода обмотки на новый подключаемый отвод обмотки, путем применения соответствующих этапов способа.
В соответствующем изобретению способе особым образом рассчитанные, параллельно каждому IGBT включенные варисторы выполняют новую функцию: после коммутации подводимого, созданного сетевым напряжением нагрузочного тока отключающим IGBT на параллельно включенный варистор (малый контур коммутации), обтекаемый нагрузочным током варистор формирует согласно своей вольтамперной (I-U) характеристике напряжение, которое демонстрирует относительно незначительную зависимость от мгновенного значения тока и во время процесса переключения OLTC остается практически постоянным.
При этом варисторы выбираются таким образом, что варисторное напряжение, которое проявляется при нагрузке пиковым значением максимального тока, еще имеет достаточный безопасный промежуток по отношению к максимальному запирающему напряжению IGBT.
Var
С другой стороны, напряжение фиксации (ограничения) варистора (U при 1 мА) должно быть заметно выше пикового значения максимального напряжения ступени, чтобы нагрузочный ток отключаемой OLTC-стороны через напряжение ступени мог коммутироваться на принимающую нагрузочный ток сторону (большой контур коммутации).
Разность ΔU между мгновенным значением падения напряжения на варисторе и мгновенным значением напряжения ступени обуславливает коммутацию нагрузочного тока через паразитную индуктивность обмотки с отводами и индуктивность линии на принимающую сторону переключателя ступеней и определяет di/dt процесса коммутации
Очевидно, что варисторы в рамках соответствующего изобретению способа действуют не так, как это известно в уровне техники, для снижения переходных перенапряжений. В предложенном способе варисторы берут на себя следующие не типичные для их назначения и не вытекающие из уровня техники функции в качестве составной части способа:
- прием нагрузочного тока от жестко отключаемых IGBT,
- формирование падения напряжения, которое независимо от мгновенного значения нагрузочного тока должно находиться в диапазоне напряжения между максимальным запирающим напряжением IGBT и пиковым значением максимального напряжения ступени,
- предоставление области "напряжение-время", которая нагрузочный ток от токоведущей стороны переключателя ступеней чрез противоположно направленное напряжение ступени коммутирует на принимающую сторону переключателя ступеней:
Предоставление вышеперечисленных функций посредством варисторов упрощает и разгружает силовой электронный процесс коммутации решающим образом:
- Очень незначительный ввод энергии в жестко переключающиеся IGBT.
- Энергия потерь, вынужденным образом переходящая на отключающуюся сторону при процессе коммутации
особенно в случае высоких требований по коммутации (высокое мгновенное значение нагрузочного тока, высокое мгновенное значение противоположно направленного напряжения ступени, большая паразитная индуктивность переключаемой ступени) преимущественно принимается варистором и лишь в малой части отключающимся IGBT.
- Это положение дел обеспечивает очень простое и экономичное проектирование силовых электронных групп соединений, так как принимающий энергию объем в случае варистора является гибко изменяемым и существенно большим, чем намного меньший, дорогостоящий и соразмерно объему лишь с трудом варьируемый объем IGBT-чипа.
- В качестве дополнительного положительного эффекта пропускание нагрузочного тока через варисторы, предоставление требуемой области "напряжение-время" коммутации посредством варисторов и прием причитающейся энергии потерь также варисторами приводит к очень большому полю допусков в отношении синхронизации момента времени отключения выключаемой группы IGBT и момента времени включения принимающей группы IGBT. Возможны и допустимы следующие режимы переключения:
- Неполный (с пропуском)
Процесс отключения выключаемой стороны осуществляется перед процессом включения принимающей стороны. Время протекания тока для нагрузочного тока через один из обоих варисторов отключающей стороны соответственно удлиняется.
- Одновременный
Процесс отключения и процесс включения обеих групп IGBT осуществляется одновременно. Стандартный случай, без дополнительного нагрузочного тока - времени нагрузки на варисторе.
- Перекрывающийся
Процесс включения принимающей стороны переключателя ступеней осуществляется уже перед процессом отключения выключаемой стороны. В течение времени перекрытия обе группы IGBT замкнуты, так что напряжение ступени в этот интервал времени начинает формировать ток циркуляции. di/dt формируемого тока циркуляции зависит от мгновенного значения напряжения ступени в промежутке времени перекрытия и от контурной индуктивности тока циркуляции. Ток циркуляции суммируется на отключающейся стороне с нагрузочным током и приводит в момент процесса отключения к постепенному нарастанию тока, суммарно подлежащего коммутации . Это приводит к повышению приходящейся на отключающуюся сторону энергии потерь коммутации и к затягиванию процесса коммутации.
Соответствующие изобретению способы имеют по сравнению с уровнем техники ряд преимуществ:
Наименьшие потери и кратчайшие времена коммутации достигаются при одновременном выключении и включении обеих групп IGBT.
Если в течение года эксплуатации за счет старения компонентов и смещения рабочей точки в управляющей электронике возникал бы режим переключения с перекрытием или пропусками с порядком величины примерно ±10 мкс, отсюда не возникает никакой угрозы функционированию в случае соответствующего изобретению принципа переключения.
Единственными последствиями являются умеренно возрастающие потери на коммутацию и несколько увеличенное время коммутации.
- При всех трех вышеописанных режимах переключения омически/резистивный прием энергии варисторами обуславливает превосходное ослабление токов и напряжений в процессе переключения в качестве важного положительного побочного эффекта. Помеховые колебания, которые ожидались бы при подобных быстрых процессах коммутации (порядка величины 10 мкс) в связи с емкостями обмоток и паразитными индуктивностями секционированных обмоток, не могут проявляться вследствие сильного ослабляющего действия варисторов. К том же формируемое на варисторах, как следствие протекания нагрузочного тока, напряжение является относительно постоянным и вследствие этого в процессе коммутации формируется постоянное di/dt. Вследствие такого положения дел дополнительно затрудняется сильное колебательное возбуждение.
- В случае очень высоких нагрузочных токов является возможным известным способом предусмотреть детектирование переходов тока через нуль и выполнять процесс переключения или коммутации при очень низких мгновенных значениях нагрузочного тока, во временной близости к переходу через нуль тока.
Эта мера приводит к значительному сокращению токовой нагрузки IGBT и варисторов, а также энергии потерь на коммутацию и к сокращению времени коммутации.
Переключение вблизи переходов через нуль тока обеспечивает значительное повышение номинальных данных по мощности коммутации переключателя ступеней обмоток трансформатора при неизменных аппаратных средствах силовых электронных компонентов.
Способ далее поясняется более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг.1 - схематичное представление выполнения первого способа, соответствующего изобретению,
Фиг.2 - первая схема с IGBT и с параллельно к каждому IGBT включенными варисторами, особенно пригодная для выполнения способа,
Фиг.3 - другая схема для выполнения способа,
Фиг.4 - схематичное представление выполнения второго, упрощенного способа, соответствующего изобретению.
a
b
an
ap
bn
bp
an
ap
bn
bp
an
ap
bn
bp
a
b
Фиг.1 показывает схематичное представление выполнения первого способа, соответствующего изобретению. Способ исходит из того, что в переключателе ступеней обмоток трансформатора, с помощью которого должно выполняться переключение с текущего отвода обмотки трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения на новый отвод обмотки, предусмотрены две нагрузочные ветви, которые посредством механического переключателя DS, DS и последовательно к ним расположенной схемы последовательного соединения из, соответственно, двух противоположно включенных IGBT I, I; I, I, с соответствующим параллельным диодом d, d; d, d могут электрически соединяться с общим нагрузочным выводом, и что параллельно к каждому из названных IGBT включен соответствующий варистор V, V; V, V. Каждая из обеих нагрузочных ветвей должна иметь возможность шунтирования посредством продолжительного главного контакта MC или MC.
a
b
На первом этапе все действующие как свободные коммутационные контакты механические переключатели DS и DS обеих сторон замыкаются.
an
ap
Затем на затворы IGBT I, I отключаемой стороны прикладывается отпирающее напряжение.
a
Затем отпирается продолжительный главный контакт MC отключаемой стороны.
L
Затем вновь осуществляется коммутация нагрузочного тока I на IGBT отключаемой стороны.
an
ap
bn
bp
Эти IGBT отключаемой стороны I, I получают теперь команду отключения, а IGBT подключаемой стороны I, I, напротив, команду включения.
an
ap
В результате, IGBT I и I отключаемой стороны "жестко" отключаются.
an
ap
Нагрузочный ток теперь, в соответствии с изобретением, коммутируется на варисторы V и V отключаемой стороны.
bn
bp
Затем этот нагрузочный ток коммутируется на IGBT принимающей, подключаемой стороны I, I.
b
Вновь затем продолжительный главный контакт MC принимающей стороны замыкается.
bn
bp
Затем IGBT принимающей стороны I, I переключаются в непроводящее состояние.
a
b
Последний этап способа состоит в размыкании механических контактов DS, DS, которые защищают IGBT от переходных нагрузок по напряжению, которые могут действовать на обмотке с отводами.
a
b
an
ap
bn
bp
an
ap
bn
bp
Фиг.2 показывает схему, особенно подходящую для реализации способа по фиг.1. При этом каждый из обоих отводов n, n+1 обмотки через механический переключатель DS, DS соединен со схемой последовательного соединения из соответственно двух противоположно включенных IGBT I и I на стороне n, а также I и I на стороне n+1 с выводом переключателя ступеней обмоток трансформатора. Параллельно к каждому IGBT предусмотрен диод d, d; d, d, причем оба диода в каждой нагрузочной ветви включены противоположно друг к другу.
an
ap
bn
bp
Параллельно к каждому отдельному IGBT вновь предусмотрен соответственно варистор V, V; V, V.
a
b
an
ap
bn
bp
Наконец, также представлены соответствующие шунтирующие все переключающее устройство в стационарном режиме продолжительные главные контакты MC или MC каждой стороны. IGBT обеих сторон I, I; I, I управляются посредством общего, показанного лишь схематично, известного из уровня техники возбудителя IGBT.
an
ap
bn
bp
Варисторы V, V или V, V рассчитаны таким образом, что их варисторное напряжение ниже, чем максимальное блокирующее напряжение соответствующих параллельных IGBT, но больше, чем максимальное мгновенное значение напряжения ступени.
a
Далее соответствующий изобретению способ, то есть последовательность переключения, например, с отвода n на отвод n+1, с помощью этой схемы будет рассмотрен более подробно: в основном положении нагрузочный ток протекает через продолжительный главный контакт MC от отвода n к отводу Y переключателя ступеней обмоток трансформатора.
a
b
На первом этапе последовательности переключения свободные коммутационные контакты DS и DS замыкаются.
an
ap
a
L
an
ap
L
an
ap
bn
bp
Затем на затворы IGBT I и I прикладывается отпирающее напряжение. Теперь отпирается продолжительный главный контакт MC и коммутирует нагрузочный ток I на группу IGBT I/I. Спустя менее чем 10 мс продолжительности протекания тока I через группу IGBT I/I эти IGBT получают команду отключения, и группа IGBT I/I - одновременно (по меньшей мере в стандартном случае) команду включения.
Напряжение, формируемое на отключаемом IGBT, переносится на параллельно расположенный варистор. Если через несколько 100 нс достигается напряжение фиксации варистора, то варистор переходит в проводящее состояние, напряжение на IGBT делится на два компонента:
- еще лишь незначительно повышающееся варисторное напряжение,
-  малого контура коммутации между IGBT и параллельным варистором.
Вследствие очень малоиндукционного соединения варистора с IGBT коммутация максимального нагрузочного тока с IGBT на варистор происходит в течение интервала от 0,1 до 1 мкс.
Варистор рассчитывается таким образом, что напряжение обтекаемого нагрузочным током варистора изменяется, с одной стороны, ниже максимального блокирующего напряжения параллельных IGBT, а с другой стороны - выше максимального мгновенного значения напряжения ступени.
σ
Превышение мгновенного значения варисторного напряжения над мгновенным значением напряжения ступени обуславливает коммутацию нагрузочного тока с почти постоянным di/dt от стороны А и перевод через напряжение ступени и паразитную индуктивность обмотки с отводами L (большой контур коммутации) с одинаковым di/dt (в этом случае положительным) на сторону В. Несмотря на непрерывно снижающийся ток, который протекает через варистор на стороне А, варисторное напряжение в первом приближении остается постоянным.
Спустя примерно 10 мкс весь нагрузочный ток коммутируется от обтекаемого током варистора стороны А на проводящие IGBT стороны В. При приближении тока стороны А к значению 0 напряжение на группе соединений А изменяется следующим образом:
Варисторное напряжение спадает, переходное состояние  исчезает, и на группе А IGBT-варистора появляется напряжение ступени, которое создается в зависимости от полярности на блокированном IGBT и соответствующем параллельно расположенном варисторе. Даже при нагрузке пиковым значением напряжения ступени варистор еще не допускает никакого значительного протекания тока.
b
bn
bp
Спустя менее чем 10 мс после силовой электронной коммутации нагрузочного тока со стороны А на сторону В замыкается продолжительный главный контакт MC и шунтирует группу IGBT В. Затем IGBT I/I через управление затвором переключаются в непроводящее состояние.
a
b
Последовательность переключения заканчивается размыканием механических свободных коммутационных контактов DS и DS, которые защищают IGBT от переходных нагрузок по напряжению, которые могут действовать на обмотке с отводами.
an
ap
bn
bp
a
b
a
b
a
b
На фиг.3 показана видоизмененная схема для выполнения способа согласно пункту 1 формулы изобретения, в которой оба варистора соответствующей одной стороны V, V или V, V сведены к соответствующему общему варистору V или V. При этом соответствующий механический переключатель каждой стороны DS или DS и соответствующий варистор сопоставленной стороны V или V также образуют схему последовательного соединения к общему нагрузочному выводу.
На фиг.4 показан еще один, видоизмененный соответствующий изобретению способ, который исходит из упрощения процесса и при котором не предусмотрены механические переключатели. Общая идея изобретения - применить варисторы для коммутации нагрузочного тока - реализуется и при этом способе.
an
ap
bn
bp
an
ap
bn
bp
an
ap
bn
bp
an
ap
bn
bp
Этот дополнительный способ исходит из того, что в переключателе ступеней обмоток трансформатора вновь предусмотрены две нагрузочные ветви, причем каждая из обеих нагрузочных ветвей содержит схему последовательного соединения из двух противоположно включенных IGBT I, I; I, I, к которым соответственно параллельно включен диод d, d; d, d. Параллельно к каждому из названных IGBT I, I; I, I соответственно включен варистор V, V; V, V.
an
ap
К началу переключения IGBT отключаемой стороны I и I проводят нагрузочный ток.
bn
bp
an
ap
Затем эти IGBT получают команду отключения, IGBT подключаемой стороны I и I получают команду включения; IGBT отключаемой стороны I, I "жестко" отключаются.
an
ap
Затем нагрузочный ток в соответствии с изобретением коммутируется на варисторы V, V отключаемой стороны.
bn
bp
Затем снова нагрузочный ток коммутируется на IGBT принимающей стороны I и I и пропускается ими.
Как уже пояснялось, этот упрощенный способ исходит из переключателя ступеней обмоток трансформатора, который не содержит механических свободных коммутационных контактов и механических продолжительных главных контактов, но в котором нагрузочный ток в стационарном режиме проводится посредством IGBT.
Оба способа, как представленный на фиг.1, так и представленный на фиг.4, следуют одной и той же идее изобретения и решают аналогичным образом задачу изобретения.
В заключение, следует привести еще раз уже поясненные детально выше преимущества соответствующего изобретению способа по отношению к уровню техники:
- Возможность переключения при любом произвольном мгновенном значении нагрузочного тока без термических перегрузок IGBT.
- Чрезвычайно быстрый процесс коммутации нагрузочного тока стороны переключателя ступеней А→B или B→A в течение примерно 10 мкс.
- Исключение помеховых колебаний.
- Отсутствует специальное для задачи согласование каждого переключателя ступеней с конкретными номинальными данными ступеней для заказного случая (напряжение ступени, номинальный ток пропускания, паразитная индуктивность), если предельные значения для напряжения ступени и номинального тока пропускания не превышаются.
- Надежный, безопасный принцип коммутации с очень большим диапазоном допусков по отношению к дрейфу времени переключения обеих групп соединений IGBT. Не требуется дополнительная юстировка спустя длительное время работы.