ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ОТВЕТВЛЕНИЙ Российский патент 2015 года по МПК H01H9/00 

Изобретение относится к переключателю ответвлений с полупроводниковыми коммутирующими элементами для безобрывного переключения между ответвлениями обмотки ступенчатого трансформатора.

Переключатель ответвлений с полупроводниковыми коммутирующими элементами, выполненный в качестве гибридного переключателя, известен из WO 01/22447. Этот известный переключатель ответвлений содержит в качестве гибридного переключателя механическую и электрическую части. Механическая часть, собственно и являющаяся предметом WO 01/22447, имеет механические коммутационные контакты; центральная часть представляет собой подвижный скользящий контакт, перемещаемый посредством привода двигателя вдоль контактной направляющей шины, соединенной с точкой «звезды», и коммутирующие при этом неподвижные контактные элементы. Собственно само переключение нагрузки происходит с помощью двух БТИЗ (биполярных транзисторов с изолированными затворами), каждый с четырьмя диодами, включенными по схеме Греца. Эта известная концепция гибридного переключателя является механически претенциозной для обеспечения необходимого точного переключения нагрузки при прохождении нагрузочного тока через нуль.

Из WO 97/05536 известно другое распределительное устройство на БТИЗ, в котором ответвления регулировочной обмотки силового трансформатора соединяются с отводом нагрузки посредством двух последовательно соединенных БТИЗ. Однако в таком устройстве переключатель ответвлений необходимо специально согласовывать с соответствующим ступенчатым трансформатором, который необходимо подключить.

Задача изобретения заключается в создании переключателя ответвлений вышеупомянутого типа простой конструкции и обладающего высокой эксплуатационной надежностью. Кроме того, задачей изобретения является создание такого переключателя ответвлений, который можно использовать в качестве стандартного устройства для различных ступенчатых трансформаторов, без вынужденного специального согласования с трансформатором.

Эти задачи решаются с помощью переключателя ответвлений с признаками первого пункта формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения раскрывают особенно предпочтительные усовершенствованные варианты выполнения изобретения.

В изобретении используются два полупроводниковых блока переключений, причем каждый блок переключений содержит по два БТИЗ, включенных антипараллельно. Каждому отдельному БТИЗ соотнесен параллельно подключенный варистор. При этом варистор рассчитан таким образом, чтобы напряжение на варисторе было меньше максимального запирающего напряжения на соответствующем параллельно подключенном БТИЗ, но больше максимального мгновенного значения ступенчатого напряжения.

Как принято в случае переключателей ответвлений гибридного типа, полупроводниковые блоки переключений подключаются или отключаются посредством механических контактов и соединяются с отводом нагрузки.

Ниже изобретение еще более подробно поясняется на основе чертежей, на которых показано:

фиг.1 - схематичное изображение переключателя ответвлений согласно изобретению,

фиг.1а - детальное изображение полупроводниковых блоков переключений, показанных на фиг.1, в увеличенном масштабе,

фиг.2 - схематичное изображение переключателя ответвлений согласно изобретению с альтернативным выполнением контактов,

фиг.3 - коммутационная последовательность при переключении с одного ответвления n обмотки на соседнее ответвление n+1 обмотки,

фиг.4 - схематичное изображение аппаратной реализации переключателя ответвлений,

фиг.5 - конструктивное выполнение такого переключателя ответвлений согласно изобретению в перспективе,

фиг.6 - вид сбоку в разрезе,

фиг.7 - подвижный контактодержатель такого переключателя ответвлений в перспективе.

На фиг.1 изображен переключатель ответвлений согласно изобретению. В данном случае показаны две нагрузочные ветви А и В, соединяемые с двумя ответвлениям ступенчатого трансформатора посредством соответственно одного механического контакта. Каждая из обеих нагрузочных ветвей А и В имеет главный механический контакт МСа или MCb, проводящий в стационарном режиме ток соответственно подключенной нагрузочной ветви и устанавливающий непосредственную связь с отводом LA нагрузки. Параллельно соответствующему главному контакту МСа, MCb каждая нагрузочная ветвь А и В содержит последовательно соединенные дополнительный механический контакт ТСа, TCb, а также соответствующий полупроводниковый блок SCSa, SCSb переключений. Со стороны, противоположной соответствующим коммутационным контактам ТСа, TCb, полупроводниковые блоки SCSa, SCSb переключений электрически соединены друг с другом и ведут к механическому переходному контакту ТС, другая сторона которого соединена с отводом LA нагрузки. Таким образом, во время переключения, которое в нижеследующем описании поясняется более подробно, благодаря соответствующему срабатыванию механических контактов ТСа или TCb, а также переходного контакта ТС с помощью соответствующих полупроводниковых блоков SCSa или SCSb переключений возможно установить электрическое соединение каждой из обеих нагрузочных ветвей А или В с отводом LA нагрузки.

На фиг.1а в увеличенном масштабе еще раз показаны электронные узлы, то есть полупроводниковые блоки SCSa, SCSb переключений, изображенные на фиг.1, а также на последующей фиг.2. При этом показаны четыре БТИЗ Т1…Т4, из которых в каждой ветви по два включены последовательно встречно. Кроме того, параллельно каждому БТИЗ Т1…Т4 предусмотрен диод D1…D4, причем диоды (D1, D2; D3, D4) в каждой ветви соединены встречно. В свою очередь, параллельно им подключен соответственно еще варистор Var1…Var4.

Оба полупроводниковых блока SCSa, SCSb переключений представляют собой собственно полупроводниковый переключатель SCS. Он состоит, как пояснялось выше, из следующих компонентов: всего предусмотрено четыре БТИЗ Т1…Т4, из которых в каждой цепи по два. БТИЗ Т1…Т4 управляются попарно. В случае, если нагрузочная ветвь, или цепь, А является отключающей стороной, сначала включаются БТИЗ Т1 и Т2. Поскольку направление тока в момент переключения является случайным, БТИЗ включены последовательно встречно. Во время переключения на другую нагрузочную ветвь, или цепь, В БТИЗ 1 и 2 выключаются, а БТИЗ другой стороны почти одновременно включаются. Параллельно каждому БТИЗ Т1…Т4 предусмотрены диоды D1…D4. В свою очередь, параллельно им включены еще соответствующие варисторы Var1…Var4. Эти варисторы служат для разрядки или соответственно зарядки паразитных импедансов (паразитной индуктивности) ступени трансформатора. Показано, что электрическая схема полупроводниковых переключателей SCS в каждой ветви А или В выполнена идентично и содержит описанные полупроводниковые блоки SCSa и SCSb переключений. В нижней части фиг.1а показано электрическое межкомпонентное соединение, ведущее к не показанному в данном случае переходному контакту ТС, поясненному выше.

На фиг.2 изображен переключатель ответвлений согласно изобретению с двумя нагрузочными ветвями А и В. Поясненные выше механические контакты ТСа, TCb и ТС в данном случае выполнены в качестве двойных прерывающих контактов.

На фиг.3 изображена коммутационная последовательность при переключении переключателя ответвлений с n на n+1. При этом осуществляются следующие этапы:

Фаза 1: Стационарный режим на ответвлении А. Ток протекает через замкнутый контакт МСа к отводу LA нагрузки. Полупроводниковые блоки SCSa, SCSb переключений остаются отключенными, поскольку другие механические переключатели разомкнуты.

Фаза 2: Включение электронного блока. Механические контакты ТСа, TCb и ТС включаются почти одновременно. Таким образом, полупроводниковый переключатель SCS снабжается электрической энергией за счет напряжения ступени.

Фаза 3: Включение полупроводникового коммутационного конструктивного узла SCSa. Поскольку электрическое сопротивление группы механических контактов по сравнению с полупроводниковыми конструктивными элементами и остальными электронными конструктивными элементами является низким, то ток вначале протекает через механический контакт МСа.

Фаза 4: Размыкание главного контакта МСа. Ток в результате протекает через полупроводниковый блок SCSa переключений.

Фаза 5: Электронный блок переключается. Полупроводниковый блок SCSa переключений выключается; полупроводниковый блок SCSb переключений включается и принимает на себя функцию проведения тока.

Фаза 6: Механический контакт MCb другой стороны В включается и после этого принимает на себя функцию проведения тока.

Фаза 7: Выключение полупроводникового блока SCSb переключений. Как только механический контакт MCb замыкается, электронный блок отключает полупроводниковый блок SCSb переключений этой ветви.

Фаза 8: Выключение всего электронного блока. К тому же механические контакты ТСа, TCb и ТС отключаются почти одновременно. Все электронные компоненты отключаются от энергоснабжения, то есть от ступенчатого напряжения. Нагрузочный ток через замкнутый механический главный контакт MCb подается со стороны В прямо на отвод LA нагрузки. Переключение закончено. Достигнуто новое стационарное состояние.

На фиг.4 изображен вариант реализации переключателя ответвлений согласно изобретению, схематически изображенного на фиг.1 или соответственно 2, который при переключении осуществляет коммутационную последовательность, изображенную на фиг.3. При этом, в свою очередь, показаны ответвления обмотки, в данном случае n, n+1, n+2, электрически соединенные с вытянутыми, тонкими, карандашевидными, неподвижными контактными пальцами KF1…KF3. Напротив этих контактных пальцев KF1…KF3 предусмотрены соответствующие, дополнительные, выполненные таким же образом вытянутые контактные пальцы AF1…AF3 в качестве отводящих пальцев, соединенные между собой проводящим образом и образующие отвод LA нагрузки. Над расположенными горизонтально в одной плоскости контактными пальцами KF1…KF3 и AF1…AF3 обеих сторон предусмотрен контактодержатель КТ, обозначенный в данном случае пунктиром, перемещаемый перпендикулярно продольной протяженности контактных пальцев. Направление перемещения, в свою очередь, обозначено стрелкой. На контактодержателе КТ со стороны, обращенной к контактным пальцам KF1…KF3; AF1…AF3, установлены контактные элементы, зафиксированные на контактодержателе КТ и перемещаемые с ним в неизменном геометрическом расположении. При этом речь идет, с одной стороны, о контактном элементе МС, который в стационарном режиме, показанном на фиг.4, непосредственно соединяет соответствующее ответвление обмотки с противолежащим контактным пальцем отвода LA нагрузки. С другой стороны, по бокам от него и симметрично ему предусмотрены два дополнительных отдельных контактных элемента ТСа и TCb. Контактный элемент ТСа электрически соединен с входом первого блока SCSa переключений. Второй контактный элемент TCb электрически соединен с входом второго полупроводникового блока SCSb переключений. Наконец, с другой стороны на контактодержателе КТ предусмотрен дополнительный контактный элемент ТС, электрически соединенный с выходом обоих полупроводниковых блоков SCSa и SCSb переключений. Дополнительные поясненные выше контактные элементы наряду с контактным элементом МС геометрически расположены таким образом, что контактный элемент ТСа или TCb в зависимости от направления коммутации при перемещении контактодержателя КТ кратковременно контактирует с одним из контактных пальцев KF1…KF3. Контактный элемент ТС на другой стороне геометрически расположен таким образом, что во время переключения, то есть при срабатывании контактодержателя КТ, он кратковременно устанавливает контакт с одним из контактных пальцев AF1…AF3. В стационарном режиме все эти контактные элементы ТСа, TCb и ТС не подключены; непосредственное электрическое соединение соответственно подключенного ответвления обмотки, в данном случае n+1, с отводом LA нагрузки осуществляется исключительно посредством контактного элемента МС, в то время как весь блок электроники отключен. Исполнение, показанное в данном примере выполнения, узких в направлении перемещения контактов, выполненных в виде контактных пальцев, в сочетании с широкими в направлении перемещения подвижными контактами, выполненными соответственно в виде контактных элементов, обеспечивает в целом особенно предпочтительную, электрически устойчивую конструкцию переключателя ответвлений согласно изобретению. Обозначение поясненных контактных элементов на этой фигуре соответствует обозначению механических переключателей, представленных на фиг.1 и 2.

Следует отметить, что независимо от конструктивного исполнения схема на фиг.1 или соответственно 2, а также коммутационная последовательность на фиг.3 остаются без изменений.

На фиг.5 показано схематичное изображение конструктивного исполнения в перспективе. Показан корпус 1 с верхней опорой 2 корпуса. Линейно в продольном направлении корпуса 1 с возможностью перемещения изображен контактодержатель 3, обозначенный на фиг.4 как КТ. Детально контактодержатель 3 раскрывается в нижеследующем описании. В первой горизонтальной плоскости е1, показанной штрихпунктирной линией, предусмотрены контактные пальцы 4, обозначенные на фиг.4 как KF. Напротив них в качестве отводящих пальцев расположены соответственно дополнительные контактные пальцы 5; на фиг.4 они обозначены как AF. Все отводящие пальцы 5 посредством соединительного металлического листа 6 электрически соединены друг с другом и ведут к отводу нагрузки. В расположенной параллельно им второй горизонтальной плоскости е2 с одной стороны корпуса 1 расположены контактные пальцы 7, в центре, на отдельной опоре - дополнительные контактные пальцы 8, а с другой стороны, также во второй горизонтальной плоскости е2 расположены дополнительные контактные пальцы 9. Следует отметить, что все контактные пальцы 4, 5; 7, 8, 9 расположены в одном вертикальном растре; соответственно лишь один контактный палец каждого вида обозначен для наглядности позицией. Контактодержатель 3 в своей нижней области содержит состоящий из двух частей главный контакт 10, выполненный в качестве контактного элемента МС, электрически соединяющий соответствующий противолежащий контактный палец 4 с соответствующим отводящим пальцем 5 и устанавливающий тем самым в стационарном режиме непосредственную связь с отводом 5 нагрузки, как это показано на фиг.1 и 2. Контактные пальцы 7, соответственно, электрически соединены с входом первого полупроводникового блока SCSa переключений. Контактные пальцы 8, соответственно, электрически соединены с входом второго полупроводникового блока SCSb переключений. Наконец, контактные пальцы 9 электрически соединены с общим выходом обоих полупроводниковых блоков SCSa, SCSb переключений. Эти электрические соединения, хотя они и показаны на фиг.4, однако в данном случае на фиг.5 для наглядности не показаны так же, как и не показан привод контактодержателя 3.

На фиг.6 изображен вид сбоку этого устройства в разрезе. Показано, что контактные пальцы 4 и 5 расположены в первой горизонтальной плоскости е1, а контактные пальцы 7, 8, 9 - во второй горизонтальной плоскости е2. Кроме того, показано, что контактодержатель 3 наряду с описанным выше главным контактом 10 содержит в верхней области контактные элементы 11, 12 и 13, соотносимые, соответственно, с контактными пальцами 7 или 8 или 9, то есть соединяемые с ними. В своей нижней части контактодержатель 3 содержит дополнительные контактные элементы 14, 15. Контактный элемент 14 может коммутировать соответствующий контактный палец 4; контактный элемент 15 - соответствующий контактный палец 5. Важным для функционирования является то, чтобы контактные элементы 11 и 12 были электрически соединены с контактным элементом 14, в то время как контактный элемент 13 электрически соединен с контактным элементом 15. Следовательно, контактодержатель 3 электрически соединяет контактные элементы 11, 12, 13 верхней плоскости е2 с контактными элементами 14, 15 нижней плоскости е1 весьма специфическим образом. В этом варианте выполнения изобретения контактные пальцы 4, 5; 7, 8, 9, если смотреть в направлении перемещения контактодержателя 3, выполнены в виде узких, карандашевидных контактных пальцев, закрепленных лишь на одном конце, в то время как контактные элементы 11, 12, 13; 14, 15, а также главный контакт 10 в направлении перемещения контактодержателя 3 имеют значительно бόльшую продольную протяженность, предпочтительно по меньшей мере в три раза.

На фиг.7 контактодержатель 3 изображен отдельно в перспективе. В данном случае прежде всего показаны, с одной стороны, боковые контактные элементы 14, 15, расположенные в нижней горизонтальной плоскости, а также главный контакт 10. В верхней горизонтальной плоскости показаны контактные элементы 11, 12 и 13, сдвигаемые в сторону в направлении перемещения, указанном стрелкой. Контактный элемент 11 по своей функции соответствует контакту ТСа: он устанавливает связь с входом первого полупроводникового блока SCSa переключений. Контактный элемент 12 соответствует контакту TCb: он устанавливает связь с входом второго полупроводникового блока SCSb переключений. Контактный элемент 13 соответствует контакту ТС: он устанавливает связь с общим выходом обоих полупроводниковых блоков SCSa, SCSb переключений. Таким образом, в точности реализуется электрическое и механическое конструктивное исполнение, схематически изображенное на фиг.4.

При перемещении контактодержателя 3 в зависимости от направления коммутации первый или второй полупроводниковый блок SCSa или SCSb переключений снабжается электроэнергией с помощью соответствующего контактного элемента 11, соответственно, ТСа, или контактного элемента 12, соответственно, TCb, кратковременно электрически соединяемого, соответственно, с неподвижным контактом ступени. В этом случае общий выход полупроводниковых блоков SCSa или соответственно SCSb переключений посредством контактного элемента 13, соответственно, ТС, снова ведет обратно к отводу нагрузки.

В примере выполнения описываются две горизонтальные плоскости; в рамках изобретения можно также расположить обе проходящие параллельно плоскости вертикально.

Таким образом, в итоге функцию контактодержателя 3 можно описать следующим образом. В стационарном режиме он устанавливает непосредственную связь одного из ответвлений обмотки с отводом нагрузки, для чего соответствующий контактный палец 4 посредством главного контакта 10 электрически соединен с корреспондирующим контактным пальцем 5 отвода нагрузки. В то же время при переключении этот непосредственный контакт прерывается, и с помощью контактных элементов 11 или 12 в другой горизонтальной плоскости кратковременно включается соответствующий полупроводниковый блок SCS1 или SCS2 переключений, а их (общий) выход с помощью дополнительного контактного элемента 13 снова ведет обратно в первую горизонтальную плоскость к контактному элементу 15 и далее к контактному пальцу 5 отвода 6 нагрузки. Характерными для кратковременного включения полупроводниковых блоков переключений во время переключения являются собственно коммутационная плоскость, то есть горизонтальная плоскость е1, а также вспомогательная коммутационная плоскость, то есть плоскость е2.

Переключатель ответвлений с полупроводниковыми коммутирующими элементами предназначен для безобрывного переключения между ответвлениями обмотки ступенчатого трансформатора и представляет собой гибридный переключатель, который содержит неподвижные механические контактные пальцы и противоконтакты, установленные на подвижном контактодержателе. Для переключения нагрузки предусмотрены полупроводниковые блоки переключений, коммутируемые посредством контактов на контактодержателе при переключении нагрузки в предусмотренной коммутационной последовательности. Технический результат - создание переключателя ответвлений, обладающего простой конструкцией и высокой эксплуатационной надежностью, который может быть использован для переключения различных ступенчатых трансформаторов без предварительного вынужденного специального согласования с трансформатором. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Переключатель ответвлений с полупроводниковыми коммутирующими элементами для безобрывного переключения между ответвлениями обмотки ступенчатого трансформатора, причем предусмотрены две нагрузочные ветви (А, В), соединенные с ответвлениями обмоток ступенчатого трансформатора,
причем каждая из обеих нагрузочных ветвей (А, В) имеет главный механический контакт (МСа, MCb), который в стационарном режиме проводит ток соответствующей подключенной нагрузочной ветви (А или В) и устанавливает электрическую связь с отводом (LA) нагрузки,
причем параллельно соответствующему главному контакту (МСа, MCb) каждая нагрузочная ветвь (А, В) содержит последовательно соединенные дополнительный механический контакт (ТСа, TCb), а также соответствующий полупроводниковый блок (SCSa, SCSb) переключений, причем со стороны, противоположной соответствующим контактам (ТСа, TCb), полупроводниковые блоки (SCSa, SCSb) переключений электрически соединены между собой и ведут к механическому переходному контакту (ТС), другая сторона которого соединена с отводом (LA) нагрузки, и
причем посредством подвижного контактодержателя (КТ) осуществляется подключение главных контактов (МСа, MCb), а также дополнительных механических контактов (ТСа, TCb, ТС).

2. Переключатель ответвлений по п.1, отличающийся тем, что
в первой плоскости (е1) предусмотрены расположенные параллельно друг другу неподвижные контактные пальцы (4), соединенные соответственно с ответвлениями (n, n+1, n+2) обмотки переключателя ответвлений,
при этом в той же плоскости предусмотрены противолежащие им дополнительные выполненные таким же образом вытянутые контактные пальцы (5), соединенные друг с другом проводящим образом и ведущие к отводу (LA, 6) нагрузки,
причем над контактными пальцами (4, 5) обеих сторон, расположенными в одной плоскости, предусмотрен контактодержатель (3), перемещаемый перпендикулярно продольной протяженности контактных пальцев (4, 5),
при этом на контактодержателе (3) со стороны, обращенной к контактным пальцам (4, 5), предусмотрены контактные элементы (10, 14, 15), коммутирующие с соответствующими контактными пальцами,
причем контактный элемент (10) в стационарном режиме устанавливает непосредственную электрическую связь с отводом (6) нагрузки,
при этом дополнительный контактный элемент (11) электрически соединен с входом первого полупроводникового блока (SCSa) переключений,
причем дополнительный контактный элемент (12) электрически соединен с входом второго полупроводникового блока (SCSb) переключений, и
при этом еще один дополнительный контактный элемент (13) электрически соединен с общим выходом обоих полупроводниковых блоков (SCSa, SCSb) переключений.

3. Переключатель ответвлений по п.2, отличающийся тем, чтово второй плоскости (е2) соответственно на одной линии предусмотрено несколько дополнительных контактных пальцев (7, 8, 9),
при этом первый ряд контактных пальцев (7) электрически соединен с входом первого полупроводникового блока (SCSa) переключений,
причем второй ряд контактных пальцев (8) электрически соединен с входом второго полупроводникового блока (SCSb) переключений,
при этом третий ряд контактных пальцев (9) электрически соединен с общим выходом обоих полупроводниковых блоков (SCSa, SCSb) переключений,
причем посредством контактодержателя (3) контактные пальцы (7, 8, 9) верхней плоскости (е2) во время переключения кратковременно электрически соединяются посредством дополнительных контактных элементов (14, 15) с соответствующими контактными пальцами (4, 5) в первой плоскости (е1).

4. Переключатель ответвлений по п.2 или 3, отличающийся тем, что
продольная протяженность всех контактных элементов (МС, ТСа, TCb, ТС; 10, 11, 12, 13, 14, 15), если смотреть в направлении перемещения контактодержателя (3), равна по меньшей мере трехкратной толщине контактных пальцев (KF1…KF3, AF1…AF3; 4, 5, 7, 8, 9).