CN102077306B - 可调式变压器的绕组分接头之间无中断的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无中断地在可调式变压器的绕组分接头(抽头n，抽头n+1)之间进行转换的方法，其中这两个绕组分接头中每一个分别经由一个机械开关(DS)和与其串联的由两个相反连接的IGBT(Ip，In)构成的串联电路与共同的负载引线连接。

Description

可调式变压器的绕组分接头之间无中断的切换方法

技术领域

本发明涉及一种用于在可调式变压器(Stufentransformator)的绕组分接头之间以半导体开关元件无中断地进行切换的方法。

背景技术

在WO 01/22447中公开了使用半导体开关元件的这样一种方法。在那里所描述的方法既以电气开关装置IGBT、也以机械触点工作。其被设计为使得实际的负载转换在负载电流过零时以具有格列茨电路中的二极管的两个IGBT实现。该已知方法的必要要素是识别和检测相应的电流过零作为对于在该时间点进行负载转换的前提。

WO97/05536公开了另一种利用IGBT开关装置的方法，其中电力变压器的调整线圈的分接头经由两个IGBT的串联电路而与公共的负载引线连接。这种已知的方法根据脉宽调制的原理工作；其中，在另一方法步骤中，通过抽头线圈的暂态无功电抗(transiente reactiveReaktanz：TER)来实现对回路电流的限制。

这种方法要求分接开关对各自的应当连接的可调式变压器的特定匹配。也就是说，可调式变压器和分接开关相互协调并且电气地共同作用。这种已知方法因此不适于应用于单独的、能通用的、不是按照特定可调式变压器设计的分接开关。

发明内容

本发明的一个目的是提供开头所提到的类型的一种方法，其构造简单，具有高的功能性，并且其中不需要必须只有正好在负载电流过零时开关。此外，本发明的另一目的是提供一种相应的方法，其在任何情况下，即在不进行针对应当被连接的具体可调式变压器进行调节的情况下能工作。

该任务通过具有权利要求1特征的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的特别有利的扩展方式。

此外，该任务通过具有权利要求3特征的修改后的一种方法来实现。

根据本发明的方法源自于这样的一般性的具有创造性的想法，即压敏电阻不是如长久以来在现有技术中已知的那样被用作为用于过电压保护的部件，而是用于通过相应的方法步骤将分接开关的负载电流从一侧转换到另一侧，即从迄今接通的绕组分接头转换到要新接通的绕组分接头。

在根据本发明的方法中，特别参数设计的与每个IGBT并联连接的压敏电阻执行新的功能：在附带的、由电网电压驱动的负载电流从进行切断的IGBT转换到并联的压敏电阻(小的转换回路)之后，负载电流所流过的压敏电阻根据其I-U特性曲线而产生一个电压，该电压对电流瞬时值的依赖性相对很小并且在OLTC转换过程期间实际上保持恒定。

其中，压敏电阻被参数设计为使得在加载以最大电流的峰值时所产生的压敏电压还具有对于IGBT最大截止电压足够的安全距离。

另一方面，压敏电阻的钳位电压(在1mA时的U_Var)必须明显高于最大级电压的峰值，因此负载电流可以从切断的OLTC侧经由级电压转换到接收负载电流的侧上(大的转换回路)。

压敏电阻上的电压降的瞬时值与级电压的瞬时值之间的差别ΔU导致负载电流经由导线电感和抽头线圈的漏电感而转换到分接开关的接收侧，并且决定转换过程的di/dt(ΔU＝L_Kom·di/dt)。

显然，在根据本发明的方法的范围中，压敏电阻并不是如根据现有技术已知的那样用于减小瞬间过电压。在本方法中，压敏电阻承担对于其类型非典型的并且现有技术未涉及的以下功能作为本方法的组成部分：

-从硬切断的IGBT接收负载电流

-生成与负载电流瞬时值无关地必须位于IGBT最大截止电压与最大级电压峰值之间的电压降

-提供将负载电流从分接开关的电流传导侧经由相反方向的级电压转换到进行接收的分接开关侧的电压时间面：

${\∫}_{\mathrm{Var}}\mathrm{Udt}=L_{\mathrm{Kom}}\·I_L\left(t\right)+\∫U_{\mathrm{St}}\mathrm{dt}.$

由压敏电阻提供上面列出的功能就以相应的方式简化并减轻了功率电子的转换过程：

-非常小的能量施加到硬连接的IGBT中

-在转换过程中不可避免地在切断侧产生的损耗能量

尤其是在转换要求高(负载电流的瞬时值高，相反方向的级电压的瞬时值高，连接的级的漏电感大)的情况下很大部分由压敏电阻并且只有少部分由切断的IGBT吸收。

-该情形允许实现功率电子开关组的非常简单并且经济的参数设计，因为能量吸收量在压敏电阻的情况下能灵活地改变，并且比IGBT芯片的小得多、贵得多并且在量方面仅能很难地改变的容量大得多。

-作为通过压敏电阻进行负载电流传导、通过压敏电阻提供所必需的转换-电压-时间面、以及同样通过压敏电阻吸收其中所产生的损耗能量的另一有利效果，对于进行切断的IGBT组的切断时刻与进行接收的IGBT组的接通时刻的同步产生非常大的公差范围。以下开关模式是可能的并且是允许的：

-有间隔的

切断侧的切断过程先于接收侧的接通过程。负载电流在切断侧的两个压敏电阻之一上的电流流动时间相应地延长。

-同时的

这两个IGBT组的切断过程和接通过程同时进行。正常情况下，在压敏电阻上没有附加的负载电流负载时间。

-重叠的

进行接收的分接开关侧的接通过程在进行切断的侧的切断过程之前已经进行。在重叠时间期间，两个IGBT组闭合，从而级电压在该时间间隔中开始产生循环电流。所产生的循环电流的di/dt取决于在抄写时间间隔中级电压的瞬时值，并且取决于循环电流的回路电感。循环电流在进行切断的侧上加到负载电流上，并且直到切断过程时导致和电流(I_L(t)+I_C(t))的逐渐上升。这导致在切换侧产生的转换损耗能量的提高，并且导致转换过程的延长。

根据本发明的方法相对于现有技术具有一系列优点：

在两个IGBT组同时切断和接通的情况下实现极小的损耗以及极短的转换时间。

如果随着工作时间的经过，由于控制电子元件中工作点偏移以及部件老化而应当设置数量级为约±10μs的重叠的或有间隔的(lueckend)转换特性，则由此在根据本发明的电路设计中不产生功能危害。

唯一的结果是适当上升的转换损耗以及略微延长的转换时间。

-在前面所提到的所有三个开关模式中，压敏电阻的欧姆/电阻性的能量吸收导致在转换过程的情况下电流和电压变化曲线的明显衰减作为重要的正面副作用。在这样快速的转换过程(10μs数量级)的情况下结合抽头绕组的漏电感和绕组电容而预期的产生干扰的振动可能由于压敏电阻的强衰减效应而不产生。

此外，在压敏电阻处由于负载电流而产生的电压相对恒定，并且因此在转换过程中产生恒定的di/dt。由于该情形，还使强的振荡激发很难进行。

-在非常高的负载电压的情况下，适于以公知的方式设置电流过零检测以及在负载电流非常小的瞬时值的情况下在时间上接近电流过零点时执行转换过程。

该措施导致IGBT和压敏电阻的电流负载以及转换损耗能量显著降低以及导致转换时间缩短。

在电流过零附近的转换使得能够在功率电子部件的硬件不变的情况下实现分接开关的额定开关功率显著提升。

附图说明

以下借助于附图示例性地更详细地介绍本方法。

附图1示出了根据本发明的第一方法的示意流程图。

附图2示出了特别适于执行本方法的第一电路，具有IGBT以及与每个IGBT并联连接的压敏电阻。

附图3示出了用于执行本方法的修改后的另一电路。

附图4示出了根据本发明的简化的第二方法的示意流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一方法的一种示意流程图。该方法涉及：对于其中应当从可调式变压器的迄今的绕组分接头转换到新的绕组分接头的分接开关，设置两个负载支路，这两个负载支路能够经由机械开关DS_a和DS_b和与其串联设置的分别并联有二极管d_an，d_ap；d_bn，d_bp的分别由两个相反连接的IGBT(I_an，I_ap；I_bn，I_bp)构成的串联电路与共同的负载引线电气连接，并且与所述IGBT中每一个并联地分别设置一个压敏电阻V_an、V_ap；V_bn、V_bp。这两个负载支路中每一个应当能够通过长期工作主触头MC_a或MC_b跨接。

作为第一步骤，两侧的作为释放触点(Freischaltkontakt)的机械开关DS_a和DS_b闭合。

然后，启动电压被施加到切断侧的IGBT(I_an，I_ap)的栅极。

然后，切断侧的长期工作主触点MC_a断开。

再然后，负载电流I_L转换到切断侧的IGBT上。

切断侧的这些IGBT(I_an，I_ap)现在获得切断命令，要接通的侧的IGBT(I_bn，I_bp)获得接通命令。

然后，切断侧的IGBT(I_an和I_ap)“硬”切断。

根据本发明，负载电流现在转换到切断侧的压敏电阻V_an和V_ap上。

然后，该负载电流转换到进行接收的、要接通的侧的IGBT(I_bn，I_bp)上。

再然后，接收侧的长期工作主触点MC_b被闭合。

随后，接收侧的IGBT(I_bn和I_bp)转换到非导通状态。

最后一个方法步骤在于断开机械触点DS_a和DS_b，它们针对可能作用于抽头绕组的瞬时电压负荷对IGBT进行保护。

附图2示出了一种特别适于实现根据附图1的方法的电路。其中，两个线圈分接头(抽头n及抽头n+1)中每一个经由机械开关DS_a或DS_b利用由各自的两个相反连接的IGBT(在n侧为I_an和I_ap，以及在n+1侧为I_bn和I_bp)构成的串联电路与分接开关引线连接。与每一个IGBT并联地设置一个二极管d_an、d_ap；d_bn、d_bp，其中每个负载支路中的两个二极管相互相反地连接。

与每个单个IGBT并联地还分别设置一个压敏电阻V_an、V_ap或V_bn、V_bp。

最后还示出了每个侧的分别在固定运行时桥接整个开关装置的长期工作主触头MC_a或MC_b。两个侧的IGBT(I_an、I_ap；I_bn、I_bp)由公共的、仅示意性示出的、现有技术中已知的IGBT驱动器控制。

压敏电阻V_an、V_ap或V_bn、V_bp被参数设置为使得其压敏电压低于各自并联的IGBT的最大阻断电压、但是高于级电压的最大瞬时值地。

以下将借助于该电路更详细地以从抽头n到抽头n+1为例说明根据本发明的方法，即转换过程：

在原位上，负载电流经由抽头n的长期工作主触头MC_a流到分接开关引线Y。

作为转换过程的第一步骤，释放触点DS_a和DS_b被接通。

然后，在IGBT：I_an和I_ap的栅极上施加启动电压。现在，长期工作主触头MC_a断开，并且负载电流I_L转换到IGBT组I_an/I_ap上。

在IGBT组I_an/I_ap上I_L的小于10ms的电流流动持续时间之后这些IGBT获得切断指令，并且IGBT组I_bn/I_bp同时(至少在正常情况下)获得接通指令。

在切断的IGBT上产生的电压传播到并联的压敏电压上。如果在几百ns后达到压敏电阻的钳位电压，则压敏电阻开始导通，并且IGBT处的电压分为两个成分：

-只还略微上升的压敏电压

-IGBT和并联的压敏电阻之间小转换回路的L·di/dt。

由于压敏电阻感应非常低地耦接到IGBT上，所以最大负载电流从IGBT到压敏电阻的转换在0.1到1μs内实现。

压敏电阻被参数设置为使得负载电流流过的压敏电阻的电压一方面低于并联的IGBT的最大阻断电压、另一方面高于级电压的最大瞬时值地变化。

压敏电压的瞬时值超过级电压的瞬时值导致A侧负载电流以几乎恒定的di/dt降低转换(Abkommutierung)以及经由抽头线圈L_σ(大转换回路)的漏电感和级电压以相同的di/dt(在该情况下正值地)转移到B侧上。虽然持续降低的电流流过A侧上的压敏电阻，但是压敏电压在第一近似中保持恒定。

在大约10μs之后，整个负载电流从A侧的电流流过的压敏电阻转换到B侧的导通的IGBT。随着A侧的电流接近值0，开关组A上的电压基本上变化：

压敏电压击穿，瞬态的

变为零，并且在IGBT/压敏电阻组A上出现取决于一个阻断的IGBT上的极性以及各自并联的压敏电阻的级电压。即使在加载以级电压的峰值，压敏电阻也还不允许显著的电流流动。

在负载电流功率电子地从A侧转换到B侧后少于10ms时，长期工作主触头MC_b闭合，并且IGBT组B分流。然后，IGBT：I_bn/I_bp经由栅极控制被转换到未导通状态。

转换过程以机械的释放触点DS_a和DS_b断开结束，这些释放触点可以针对可能作用于抽头线圈上的瞬时电压负载对IGBT进行保护。

在图3中示出了适于执行根据权利要求1的方法的一种进行了改变的电路，其中一侧各自的两个压敏电阻V_an、V_ap或V_bn、V_bp被组合为各自的共同压敏电阻V_a或V_b。其中，每个侧各自的机械开关DS_a或DS_b以及相应侧各自的压敏电阻V_a或V_b同样构成到公共负载引线的串联电路。

在附图4中示出了根据本发明的另一修改后的方法，其源于流程的简化，并且其中不设置机械开关。在该方法中也实现创造性的一般性观点，即使用压敏电阻用于转换负载电流。

该另一方法涉及，对于分接开关，设置两个负载支路，其中这两个负载支路中每一个都包含由两个相反连接的IGBT(I_an，I_ap；I_bn，I_bp)构成的串联电路，与该串联电路分别并联地设置一个二极管d_an，d_ap；d_bn，d_bp。与所述IGBT(I_an，I_ap；I_bn，I_bp)中每一个并联地分别设置一个压敏电阻V_an、V_ap；V_bn、V_bp。

在转换开始时，切断侧的IGBT(I_an和I_ap)传导负载电流。

然后，这些IGBT后的切断命令，接通侧的IGBT(I_bn和I_bp)获得接通命令；切断侧的IGBT“硬”切断。

然后，根据本发明，负载电流转换到切断侧的压敏电阻V_an和V_ap上。

再然后，负载电流转换到接收侧的IGBT(I_bn，I_bp)上并且由其传导。

如已经说明的那样，该简化方法涉及一种分接开关，其不具有机械的释放触点也不具有机械的长期工作主触头，而是其中负载电流在固定运行中由IGBT传导。

这两种方法(附图1中所示的方法以及附图4中所示的方法)遵照相同的创造性思想，并且以相同的方式实现了本发明的目的。

最后应当再次总结一下根据本发明的方法相对于现有技术的上面已经详细说明的优点。

-在没有IGBT热过载的情况下在负载电流的任何每个瞬时值时进行转换的选择可能性

-大约10μs的分接开关侧的负载电流的A→B或B→A的非常快的转换过程

-避免产生干扰的振动

-不需要每个分接开关特定于任务地适配订购情形的具体额定级数据(级电压，额定贯通电流(Nenn-Durchgangsstrom)，漏电感)，只要级电压的极限值和额定贯通电流不被超过的话。

-对于两个IGBT接线组之间的转换时间偏移具有非常大的公差范围的、健壮的本身安全的转换设计。在较长工作时间后不需要再校准。

Claims (2)

1.一种用于无中断地在具有两个负载支路、即一个在抽头n处的负载支路和一个在抽头n+1处的负载支路的可调式变压器的绕组分接头之间进行转换的方法，其中

这两个负载支路中每一个都能经由作为释放触点的机械开关（DS_a，DS_b）和与该机械开关串联设置的由两个相反连接的IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）构成的串联电路与共同的负载引线连接，并且

与每个IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）并联设置一个二极管（d_an，d_ap，d_bn，d_bp），

与每个IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）并联设置一个压敏电阻（V_an，V_ap；V_bn，V_bp），

这两个负载支路中每一个都能被机械的长期工作主触头（MC_a，MC_b）跨接，

其特征在于，所述方法包括以下方法步骤：

闭合切断侧和接通侧的释放触点（DS_a、DS_b），

将启动电压施加到切断侧的IGBT（I_an、I_ap）的栅极上，并且因此接通切断侧的IGBT（I_an、I_ap），

断开切断侧的长期工作主触点（MC_a），

将负载电流I_L转换到切断侧的IGBT上，

切断切断侧的IGBT（I_an、I_ap），接通接通侧的IGBT（I_bn、I_bp），使得切断侧的IGBT（I_an、I_ap）“硬”切断，

负载电流然后被转换到切断侧的压敏电阻（V_an和V_ap）上，

负载电流然后被转换到接通侧的IGBT（I_bn、I_bp）上，

闭合接通侧的长期工作主触点（MC_b），

切断接通侧的IGBT（Ib_n和Ib_p），

断开切断侧和接通侧的释放触点（DS_a和DS_b）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还执行电流过零检测，并且转换过程在时间上在负载电流的电流过零附近进行。

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