СТУПЕНЧАТЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2016 года по МПК H02P13/06 H01F29/04 G05F1/14 G05F1/20 

Изобретение относится к ступенчатому переключателю для регулирования напряжения с полупроводниковыми переключающими элементами.

В DE 2248166 А описан регулируемый трансформатор с полупроводниковыми переключающими элементами. При этом вторичная обмотка состоит из определенного количества частей обмотки регулирования, которые скомпонованы в некоторое количество последовательно включенных групп обмоток, причем каждая группа обмоток содержит две или три параллельно включенные части обмотки регулирования. При этом каждая часть обмотки регулирования снабжена бесконтактным переключающим элементом. В этой публикации также описан другой вариант, в котором вторичная обмотка трансформатора состоит из группы последовательно включенных частей обмотки регулирования, причем каждая часть обмотки регулирования содержит четыре бесконтактных переключающих элемента. Устройство выполнено таким образом, что направление напряжения на клеммах части обмотки регулирования может изменяться на обратное, а также, по выбору, вся часть обмотки регулирования может шунтироваться.

Из DE 2508013 А известно другое устройство для ступенчатого переключения вторичного напряжения трансформатора. И здесь вторичная обмотка сгруппирована в частичные обмотки, причем также могут предусматриваться полупроводниковые переключающие элементы для переключения.

DE 19747712 С2 описывает устройство ступенчатого переключателя подобного типа на трансформаторе со ступенчатым регулированием напряжения, выполненном как резервный трансформатор. При этом также предусмотрены отдельные части обмотки, которые могут подключаться отдельно и независимо друг от друга. Наряду с постоянными отводами обмотки регулирования в этом устройстве могут дополнительно подключаться или отключаться отдельные части обмотки.

Из WO 95/27931 известны различные формы выполнения другого ступенчатого переключателя для бесперебойного переключения нагрузки, причем в качестве переключающих элементов служат также тиристоры. При этом посредством антипараллельно включенных пар тиристоров могут подключаться и отключаться различные части секционированной обмотки в качестве части вторичной обмотки соответствующего трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения. Для реализации по возможности регулирования мелкими ступенями при ограниченном числе имеющихся отводов обмотки в этой публикации, кроме того, предложен способ, названный «дискретной круговой модуляцией», при котором тиристоры управляются таким образом, что получаются промежуточные значения вторичного напряжения.

В решениях, известных из уровня техники, полупроводниковые переключающие элементы фактически берут на себя функцию механического рычага селектора в классических механических ступенчатых переключателях.

Посредством полупроводниковых переключающих элементов отдельные отводы обмоток регулирования могут сами подключаться или отключаться. Также возможно обмотку регулирования трансформатора разделить на частичные обмотки, которые могут подключаться по отдельности.

Недостатками этого уровня техники являются высокие схемные затраты и необходимая специальная настройка полупроводниковых переключающих элементов.

Другой недостаток, присущий уровню техники, состоит в том, что при отказе отдельных полупроводниковых переключающих элементов больше невозможно никакое регулирование или, во всяком случае, никакое удовлетворительное регулирование.

Задачей изобретения является предложить ступенчатый переключатель с полупроводниковыми переключающими элементами, который конструируется простым образом. Кроме того, он должен иметь модульную, расширяемую структуру. Наконец, соответствующий изобретению ступенчатый переключатель должен обеспечивать высокую надежность и точность регулирования также и при отказе отдельных переключающих элементов, в некотором роде как аварийный режим.

Эта задача решается ступенчатым переключателем с признаками первого пункта формулы изобретения. Зависимые пункты относятся к особенно предпочтительным вариантам осуществления изобретения.

Общая идея изобретения состоит в том, чтобы построить ступенчатый переключатель модульным. Отдельные модули соответствующего изобретению ступенчатого переключателя включают в себя соответственно электрическую частичную обмотку обмотки регулирования, которая связана с обмоткой регулирования магнитным способом, то есть помещена на соответствующий стержень сердечника трансформатора. Они содержат, кроме того, по обе стороны параллельно этому соответствующий шунтирующий тракт, который состоит из последовательного соединения соответственно двух полупроводниковых переключающих элементов. Между соответственно включенными последовательно полупроводниковыми переключающими элементами каждого шунтирующего тракта выведен средний отвод.

Средний отвод первого модуля соответствующего изобретению ступенчатого переключателя соединен с нулевой точкой в соединении звездой или нагрузочным выводом.

Средний отвод последнего модуля соответствующего изобретению ступенчатого переключателя соединен с концом обмотки трансформатора, на которой должно осуществляться регулирование.

Другой средний отвод первого модуля соединен со средним отводом второго модуля, другой средний отвод которого соединен со средним отводом третьего модуля, другой средний отвод которого соединен со средним отводом четвертого модуля и т.д. до последнего модуля.

В соответствии с изобретением электрические обмотки в отдельных модулях спроектированы по-разному.

Если в первом модуле имеющаяся там обмотка имеет определенное число витков, то электрическая обмотка во втором модуле имеет число витков, которое представляет кратное значение. То же самое относится к виткам в других модулях.

Особенно предпочтительно, если в трех имеющихся модулях отдельные обмотки в модулях выполнены с соотношением 1:3:6 или 1:3:9.

Если предусмотрено четыре модуля, то особенно предпочтительно рассчитывать их обмотки согласно соотношениям 1:3:6:10.

В рамках изобретения возможно варьировать число отдельных модулей, которые в совокупности образуют соответствующий изобретению ступенчатый переключатель.

Соответствующий изобретению ступенчатый переключатель предоставляет ряд преимуществ: прежде всего не требуется никакого особого выполнения обмотки регулирования, как правило, обмотки высокого напряжения регулируемого трансформатора. Ступенчатый переключатель сам имеет простую модульную структуру и может легко настраиваться на различные ступени напряжения. Тем самым и позже еще возможна подстройка данного регулируемого трансформатора к измененным задачам и диапазонам регулирования. Кроме того, при подключении соответствующего изобретению ступенчатого переключателя требуется лишь немного проводников, ведущих к обмотке трансформатора; отпадает использовавшийся до сих пор набор проводников от каждого отвода обмотки регулирования к ступенчатому переключателю или средствам переключения. Наконец, при соответствующем изобретению ступенчатом переключателе возможно формирование с избыточностью отдельных частичных напряжений; при отказе отдельных переключающих элементов, чего никогда нельзя исключать при практическом функционировании, несмотря на это, регулирование по существу может продолжать выполняться.

Изобретение поясняется далее более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - первая форма выполнения соответствующего изобретению ступенчатого переключателя, включающего в себя частичные модули,

фиг.2 - таблица подключения подобного ступенчатого переключателя,

фиг.3 - другая таблица подключения модифицированного ступенчатого переключателя,

фиг.4 - вторая форма выполнения соответствующего изобретению ступенчатого переключателя,

фиг.5 - таблица коммутации ступенчатого переключателя по фиг.4,

фиг.6 - один модуль первого соответствующего изобретению ступенчатого переключателя,

фиг.7 - один модуль второго соответствующего изобретению ступенчатого переключателя,

фиг.8 - модифицированная конфигурация представленного на фиг.1 ступенчатого переключателя.

Фиг.1 показывает подлежащий регулированию трансформатор, состоящий из обмотки 1 низкого напряжения и обмотки 2 высокого напряжения, здесь с тремя отдельными частичными обмотками В1…В3, к которым подключен соответствующий изобретению ступенчатый переключатель 3. При этом пунктирная линия символизирует объем ступенчатого переключателя 3, который здесь состоит из трех отдельных модулей М1, М2, М3. Первый модуль М1 включает в себя первую частичную обмотку W1, а также по обе стороны от нее два шунтирующих тракта, которые включают в себя соответственно последовательное соединение из двух полупроводниковых переключающих элементов S1.1 и S1.2 или S1.3 и S1.4. Соответственно между обоими последовательно включенными переключающими элементами предусмотрен средний отвод М1.1 или М1.2.

Отдельные полупроводниковые переключающие элементы здесь, как и на последующих фигурах, представлены схематично как простые переключатели. Они включают в себя на практике параллельно включенные пары тиристоров, IGBT или другие полупроводниковые переключающие элементы. Они также могут включать в себя последовательное или параллельное соединение нескольких таких отдельных полупроводниковых переключающих элементов. Средний отвод М1.2 электрически соединен с центральной точкой 4 схемы соединения звездой. Другой средний отвод М1.1 соединен со средним отводом М2.1 второго модуля М2. Этот второй модуль М2 построен идентично; он включает в себя также частичную обмотку W2, а также оба последовательных соединения из соответственно двух полупроводниковых переключающих элементов S2.1 и S2.2 или S2.3 и S2.4. Также между соответствующими последовательными соединениями вновь предусмотрены средний отвод М2.1 и М2.2. Соединение среднего отвода М2.1 с первым модулем М1 уже было пояснено; второй средний отвод М2.2 со своей стороны соединен со средним отводом М3.2 третьего модуля М3.

Этот третий модуль М3 вновь построен идентичным образом. Он включает в себя вновь частичную обмотку W3, а также оба последовательных соединения из полупроводниковых переключающих элементов S3.1 и S3.2 или S3.3 и S3.4, а также лежащие между ними средние отводы М3.1 и М3.2. Еще не упомянутый средний отвод М3.1 третьего и здесь последнего модуля М3 электрически соединен с концом обмотки 2 высокого напряжения.

Описанные здесь три модуля М1…М3 отличаются только размерами соответствующих частичных обмоток W1…W3.

Частичная обмотка W2 во втором модуле М2 имеет здесь трехкратное число витков частичной обмотки W1 в первом модуле М1. Частичная обмотка W3 в третьем модуле М3 имеет здесь шестикратное число витков частичной обмотки W1 в первом модуле М1.

Фиг.2 показывает таблицу подключений представленного на фиг.1 соответствующего изобретению ступенчатого переключателя. Символ «0» означает, что соответствующая частичная обмотка не включена, то есть шунтирована. Символ «+» означает, что соответствующая частичная обмотка к обмотке 2 высокого напряжения подключена в том же направлении. Наконец, символ «-» означает, что соответствующая частичная обмотка подключена к обмотке 2 высокого напряжения противоположно. В таблице подключений представлено десять ступеней напряжения, которые получаются, если к напряжению ступени обмотки 2 высокого напряжения добавить дополнительные частичные напряжения. Эти частичные напряжения получаются за счет различного подключения, противовключения или шунтирования отдельных частей W1…W3 обмотки. Можно видеть, что определенные ступени напряжения могут быть избыточными, то есть создаваться посредством различных состояний переключения. Также возможно, хотя в таблице это не показано, получить в другом направлении соответствующие ступенчатые частичные напряжения из напряжения обмотки 2 высокого напряжения. В целом в этой форме выполнения получается двадцать одна возможная ступень напряжения. В среднем положении, здесь обозначенном как N, ступенчатый переключатель бездействует. Конец обмотки 2 высокого напряжения тогда электрически непосредственно соединен с нулевой точкой 4 схемы соединения звездой. Описанное подключение или противовключение или шунтирование отдельных частей W1…W3 обмоток осуществляется в соответствии с изобретением за счет соответствующего подключения полупроводниковых переключающих элементов S1.1…S3.4.

Фиг.3 показывает другую таблицу подключения. При этом по сравнению с вышеописанной формой выполнения изменен только размер частичной обмотки W3, которая теперь соответствует девятикратной первой частичной обмотке W1. В этом положении получается всего двадцать семь ступеней напряжения.

Фиг.4 показывает другую форму выполнения соответствующего изобретению ступенчатого переключателя, в котором дополнительно имеется четвертый модуль М4. Каскадное подключение между отдельными модулями М1…М4 является неизменным. Добавленный модуль М4 имеет также параллельные полупроводниковые переключающие элементы S4.1 и S4.2, а также S4.3 и S4.4, а также расположенные между ними средние отводы М4.1 и М4.2. Средний отвод М4.1 вновь соединен с обмоткой 2 высокого напряжения, в то время как средний отвод М4.2 соединен со средним отводом М3.2 модуля М3.

Фиг.5 показывает фрагментарно таблицу подключений показанного на фиг.4 расширенного ступенчатого переключателя. Здесь представлены не все ступени напряжения, которые получаются посредством соответствующего подключения отдельных полупроводниковых переключателей. Более того, здесь для примера на основе ступеней 4, 6 и 10 напряжения будет показано, что последние могут быть получены избыточным образом посредством разных подключений и отключений отдельных частичных обмоток W1…W4. При этом новая частичная обмотка W4 модуля М4 рассчитывается таким образом, что она включает в себя десятикратное число витков первой частичной обмотки W1 первого модуля М1.

Фиг.6 показывает отдельный модуль соответствующего изобретению ступенчатого переключателя. Как пояснено, несколько модулей n могут быть объединены в соответствующий изобретению ступенчатый переключатель. Каждый модуль имеет частичную обмотку Wn, а также два параллельных шунтирующих тракта, которые соответственно содержат последовательное соединение из двух полупроводниковых переключающих элементов Sn.1 и Sn.2 или Sn.3 и Sn.4. Между каждым последовательным соединением находятся, как пояснено, средние отводы Mn.1, а также Mn.2. Полупроводниковые переключающие элементы Sn.1…Sn.4 представлены здесь как антипараллельно включенные тиристоры. Но в рамках изобретения также возможны другие полупроводниковые переключающие элементы.

Фиг.7 показывает отдельный модуль другого соответствующего изобретению ступенчатого переключателя. При этом каждый полупроводниковый переключающий элемент S.n1…Sn.4, в свою очередь, состоит из последовательного соединения двух отдельных полупроводниковых переключающих элементов Sn.1a, Sn1.b; Sn.2a, Sn.2b; Sn.3a, Sn.3b; Sn.4a, Sn.4b.

В рамках изобретения также возможно предусмотреть более двух отдельных полупроводниковых переключающих элементов, соответственно последовательных или параллельных друг другу.

Фиг.8 показывает особое применение показанного на фиг.1, уже описанного соответствующего изобретению ступенчатого переключателя. В отличие от того представления, здесь обмотка 2 высокого напряжения имеет отводы St1…St6 обмотки, которые могут подключаться обычным образом. Это может осуществляться с помощью только одного показанного селектора ступеней или, также как фрагментарно показано на фиг.8а, посредством полупроводниковых переключающих элементов, в данном случае антипараллельной парой тиристоров. К такому обычному ступенчатому переключателю, который непосредственно переключает отводы обмотки, может теперь еще дополнительно подключаться соответствующий изобретению ступенчатый переключатель, здесь имеющий три модуля М1…М3. В этой форме выполнения тем самым возможно грубое регулирование напряжения посредством соответствующего выбора и подключения одного из отводов St1…St6 обмотки, а также дополнительное регулирование напряжения более мелкими ступенями посредством соответствующего изобретению ступенчатого переключателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования напряжения трансформатора. Техническим результатом является повышение надежности и точности регулирования даже при отказе отдельных переключающих элементов. Ступенчатый переключатель выполнен модульным, причем каждый модуль включает в себя соответствующую частичную обмотку обмотки регулирования, которая может подключаться или отключаться посредством полупроводниковых переключающих элементов. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ступенчатый переключатель для регулирования напряжения с полупроводниковыми переключающими элементами на регулируемом трансформаторе с обмоткой регулирования,
причем ступенчатый переключатель (3) имеет два или более модуля (М1, М2, М3, М4),
каждый модуль (М1, М2, М3, М4) включает в себя соответственно частичную обмотку (W1, W2, W3, W4) обмотки регулирования, а также по обе стороны от нее два шунтирующих тракта,
каждый шунтирующий тракт включает в себя соответствующее последовательное соединение из двух полупроводниковых переключающих элементов (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4),
соответственно между обоими последовательно включенными переключающими элементами (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) каждого шунтирующего тракта предусмотрен средний отвод (М1.1, М1.2; М2.1, М2.2; М3.1, М3.2; М4.1, М4.2),
частичные обмотки (W1, W2, W3, W4) имеют различное число витков,
соответствующий один из обоих средних отводов (М1.1; М2.1, М2.2; М3.1, М3.2; М4.2) каждого модуля (М1, М2, М3, М4) соединен со средним отводом соседнего модуля, и
оставшийся средний отвод (М1.2) первого модуля (М1) имеет возможность соединения с нагрузочным выводом (4), а оставшийся
средний отвод (М3.1; М4.1) последнего модуля (М3; М4) имеет возможность соединения с обмоткой (2) регулирования регулирующего трансформатора.

2. Ступенчатый переключатель по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрено точно три модуля (М1…М3).

3. Ступенчатый переключатель по п. 2, отличающийся тем, что частичные обмотки (W1…W3) трех модулей (М1…М3) разделены в отношении 1:3:6 или 1:3:9.

4. Ступенчатый переключатель по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрено точно четыре модуля (М1…М4).

5. Ступенчатый переключатель по п. 4, отличающийся тем, что частичные обмотки (W1…W4) четырех модулей (М1…М4) разделены в отношении 1:3:6:10.

6. Ступенчатый переключатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что полупроводниковые переключающие элементы (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) включают в себя соответственно антипараллельно включенную пару тиристоров или IGBT.

7. Ступенчатый переключатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что по меньшей мере один полупроводниковый переключающий элемент (Sn1…Sn4) состоит из последовательного соединения по меньшей мере двух отдельных полупроводниковых переключающих элементов (Sn1a, Sn1b; Sn2a, Sn2b; Sn3a, Sn3b; Sn4a, Sn4b).

8. Ступенчатый переключатель по п. 6, отличающийся тем, что по меньшей мере один полупроводниковый переключающий элемент (Sn1…Sn4) состоит из последовательного соединения по меньшей мере двух отдельных полупроводниковых переключающих элементов (Sn1a, Sn1b; Sn2a, Sn2b; Sn3a, Sn3b; Sn4a, Sn4b).