RU2460163C1 - Method of breakless switching between transformer winding taps with stepped voltage control - Google Patents

Method of breakless switching between transformer winding taps with stepped voltage control Download PDF

Info

Publication number
RU2460163C1
RU2460163C1 RU2011111403/07A RU2011111403A RU2460163C1 RU 2460163 C1 RU2460163 C1 RU 2460163C1 RU 2011111403/07 A RU2011111403/07 A RU 2011111403/07A RU 2011111403 A RU2011111403 A RU 2011111403A RU 2460163 C1 RU2460163 C1 RU 2460163C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
igbt
switching
branch
load
load current
Prior art date
Application number
RU2011111403/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Оливер БРЮКЛЬ (DE)
Оливер БРЮКЛЬ
Дитер ДОНАЛЬ (DE)
Дитер ДОНАЛЬ
Ханс-Хеннинг ЛЕССМАНН-МИСКЕ (DE)
Ханс-Хеннинг ЛЕССМАНН-МИСКЕ
Original Assignee
Машиненфабрик Райнхаузен Гмбх
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Машиненфабрик Райнхаузен Гмбх filed Critical Машиненфабрик Райнхаузен Гмбх
Priority to RU2011111403/07A priority Critical patent/RU2460163C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2460163C1 publication Critical patent/RU2460163C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention relates to the method of breakless switching between two taps (tap n, tap n+1) of a transformer winding with stepped voltage control, besides, each of both winding taps via an appropriate mechanical switch (DS) and a circuit arranged subsequently with it from two opposite IGBT (Ip, In) may be connected with a common loading outlet.
EFFECT: higher functionality.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способу безобрывного переключения с помощью полупроводниковых переключающих элементов между отводами обмотки трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения.The invention relates to a method for seamless switching using semiconductor switching elements between the taps of the transformer winding with step voltage regulation.

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.A similar method using semiconductor switching elements is known from WO 01/22447. The method described there works with both electrical switching means, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and with mechanical contacts. It is designed in such a way that the load switching itself is carried out when the load current passes through zero with two IGBTs with diodes in the Graetz circuit (bridge rectification circuit on four diodes). A necessary component of this known method is the recognition and determination of the corresponding transition through zero current as a prerequisite for the introduction of load switching at this point in time.

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.Another method is known from WO 97/05536 with an IGBT switching device, in which the taps of the control winding of a power transformer are connected via a series connection of two IGBTs to a common load terminal. This known method works according to the principle of pulse width modulation; at the next stage of the method, the loop current is limited by means of transient reactivity of the winding with taps.

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.This method requires specific coordination of the step switch of the transformer windings with the corresponding transformer with step voltage regulation, which must be mounted. In other words, a transformer with step voltage regulation and a step switch of the transformer windings are matched to each other and interact electrically. Therefore, this known method is not suitable for use in a separate, universally applicable, not designed for a particular transformer switch of the steps of the transformer windings.

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.The objective of the invention is to propose a method of the type described above, which is simple to implement, has high functionality and in which it is not necessary to carry out switching only precisely when the load current passes through zero. Another objective of the invention is to propose an appropriate method that is workable in any case, that is, without tuning to a specific transformer with step voltage regulation, which must be mounted.

Эта задача решается способом с признаками первого пункта формулы изобретения. Зависимый пункт касается особенно предпочтительного варианта осуществления изобретения.This problem is solved by a method with the features of the first claim. The dependent clause relates to a particularly preferred embodiment of the invention.

Эта задача также решается модифицированным способом с признаками подчиненного третьего пункта формулы изобретения.This problem is also solved in a modified way with the signs of a subordinate third claim.

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.Corresponding to the invention, the methods proceed from the general inventive idea that varistors should not be used, as has long been known in the prior art, as components for overvoltage protection, but for switching the load current of the transformer winding stage switch from one side to the other, there is from the winding tap turned on so far to a new connected tap of the winding, by applying the corresponding steps of the method.

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.In the method according to the invention, the varistors which are specially calculated parallel to each IGBT and which are turned on, perform a new function: after switching the supplied, created by the mains voltage of the load current disconnecting IGBT to the parallel-connected varistor (small switching circuit), the varistor streamlined by the load current forms according to its current-voltage (IU) characteristic voltage that shows a relatively insignificant dependence on the instantaneous current value and remains during the OLTC switching process Xia is almost constant.

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.In this case, the varistors are selected in such a way that the varistor voltage, which manifests itself under load with the peak value of the maximum current, still has a sufficient safe gap with respect to the maximum blocking voltage IGBT.

С другой стороны, напряжение фиксации (ограничения) варистора (UVar 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).On the other hand, the clamping voltage (limitation) of the varistor (U Var at 1 mA) should be noticeably higher than the peak value of the maximum step voltage so that the load current of the disconnected OLTC side can be switched via the step voltage to the side receiving the load current (large switching circuit).

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

Figure 00000001
The difference ΔU between the instantaneous value of the voltage drop across the varistor and the instantaneous value of the voltage of the stage causes the switching of the load current through the stray inductance of the winding with taps and the line inductance to the receiving side of the stage switch and determines the di / dt of the switching process
Figure 00000001

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:It is obvious that the varistors in the framework of the corresponding invention of the method do not act, as is known in the prior art, to reduce transient overvoltages. In the proposed method, varistors take on the following functions not typical of their purpose and not arising from the prior art as part of the method:

- прием нагрузочного тока от жестко отключаемых IGBT,- reception of load current from hard-off IGBTs,

- 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,- the formation of a voltage drop, which regardless of the instantaneous value of the load current should be in the voltage range between the maximum blocking voltage IGBT and the peak value of the maximum voltage of the stage,

- предоставление области "напряжение-время", которая нагрузочный ток от токоведущей стороны переключателя ступеней чрез противоположно направленное напряжение ступени коммутирует на принимающую сторону переключателя ступеней:- providing a voltage-time region, which the load current from the current-carrying side of the stage switch through the oppositely directed voltage of the stage commutes to the receiving side of the stage switch:

Figure 00000002
Figure 00000002

Предоставление вышеперечисленных функций посредством варисторов упрощает и разгружает силовой электронный процесс коммутации решающим образом:The provision of the above functions by means of varistors simplifies and offloads the power electronic switching process in a crucial way:

- Очень незначительный ввод энергии в жестко переключающиеся IGBT.- Very little energy input to hard-switched IGBTs.

- Энергия потерь, вынужденным образом переходящая на отключающуюся сторону при процессе коммутации- Loss energy, forcibly transferred to the disconnecting side during the switching process

Figure 00000003
Figure 00000003

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.especially in the case of high switching requirements (high instantaneous value of the load current, high instantaneous value of the oppositely directed voltage of the stage, large parasitic inductance of the switched stage), it is predominantly accepted by the varistor and only in a small part of the disconnected 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.- This state of affairs provides a very simple and economical design of power electronic groups of compounds, since the energy-receiving volume in the case of a varistor is flexibly variable and significantly larger than a much smaller, expensive and commensurate with the volume only hardly-varied volume of the IGBT chip.

- 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:- As an additional positive effect, passing the load current through the varistors, providing the required voltage-time switching region by means of the varistors and receiving the loss energy due to it also by the varistors leads to a very large tolerance field regarding the synchronization of the turn-off time of the switched-off IGBT group and the turn-on time of the receiving IGBT groups. The following switching modes are possible and valid:

- Неполный (с пропуском)- Incomplete (with a pass)

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.The process of switching off the switched side is carried out before the switching process of the receiving side. The current flow time for the load current through one of both varistors of the disconnecting side is accordingly extended.

- Одновременный- simultaneous

Процесс отключения и процесс включения обеих групп IGBT осуществляется одновременно. Стандартный случай, без дополнительного нагрузочного тока - времени нагрузки на варисторе.The disconnection process and the inclusion process of both IGBT groups is carried out simultaneously. The standard case, without additional load current - the load time on the varistor.

- Перекрывающийся- overlapping

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

Figure 00000004
. Это приводит к повышению приходящейся на отключающуюся сторону энергии потерь коммутации и к затягиванию процесса коммутации.The process of switching on the receiving side of the step switch is carried out before the process of switching off the switched side. During the overlap time, both IGBT groups are closed, so that the voltage of the stage begins to form a circulation current in this time interval. di / dt of the generated circulation current depends on the instantaneous value of the step voltage in the time interval of the overlap and on the loop inductance of the circulation current. The circulation current is summed up on the disconnecting side with the load current and, at the time of the shutdown process, leads to a gradual increase in the current, which must be switched in total
Figure 00000004
. This leads to an increase in switching losses per switching side energy and to a delay in the switching process.

Соответствующие изобретению способы имеют по сравнению с уровнем техники ряд преимуществ:Compared to the prior art, the methods of the invention have several advantages:

Наименьшие потери и кратчайшие времена коммутации достигаются при одновременном выключении и включении обеих групп IGBT.The smallest losses and the shortest switching times are achieved when both IGBT groups are turned off and on.

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.If, during the year of operation, due to the aging of the components and the displacement of the operating point in the control electronics, a switching mode with overlapping or gaps with an order of magnitude of approximately ± 10 μs arises, this does not pose a threat to functioning in the case of the switching principle in accordance with the invention.

Единственными последствиями являются умеренно возрастающие потери на коммутацию и несколько увеличенное время коммутации.The only consequences are moderately increasing switching losses and a slightly longer switching time.

- 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.- With all three of the switching modes described above, ohmic / resistive energy reception by varistors causes excellent attenuation of currents and voltages during the switching process as an important positive side effect. The interference oscillations that would be expected with such fast switching processes (of the order of 10 μs) in connection with the capacitances of the windings and the parasitic inductances of the sectioned windings cannot occur due to the strong attenuating effect of the varistors. In addition, the voltage formed on the varistors, as a result of the flow of the load current, is relatively constant and, as a result, a constant di / dt is formed during the switching process. Due to this state of affairs, strong vibrational excitation is additionally impeded.

- 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.- In the case of very high load currents, it is a possible known method to foresee the detection of current transitions through zero and to carry out the switching or switching process at very low instantaneous values of the load current, in the time proximity to the transition through zero current.

Эта мера приводит к значительному сокращению токовой нагрузки IGBT и варисторов, а также энергии потерь на коммутацию и к сокращению времени коммутации.This measure leads to a significant reduction in the current load of IGBTs and varistors, as well as the energy of switching losses and to a reduction in switching time.

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.Switching near the transitions through zero current provides a significant increase in the nominal data on the switching power of the switch of the steps of the transformer windings with the same hardware of power electronic components.

Способ далее поясняется более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:The method is further explained in more detail with reference to the drawings, which show the following:

Фиг.1 - схематичное представление выполнения первого способа, соответствующего изобретению,Figure 1 - schematic representation of the implementation of the first method corresponding to the invention,

Фиг.2 - первая схема с IGBT и с параллельно к каждому IGBT включенными варисторами, особенно пригодная для выполнения способа,Figure 2 - the first circuit with IGBT and with parallel to each IGBT enabled varistors, especially suitable for performing the method,

Фиг.3 - другая схема для выполнения способа,Figure 3 is another diagram for performing the method,

Фиг.4 - схематичное представление выполнения второго, упрощенного способа, соответствующего изобретению.4 is a schematic representation of the implementation of the second, simplified method corresponding to the invention.

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 DSa, DSb и последовательно к ним расположенной схемы последовательного соединения из, соответственно, двух противоположно включенных IGBT Ian, Iap; Ibn, Ibp, с соответствующим параллельным диодом dan, dap; dbn, dbp могут электрически соединяться с общим нагрузочным выводом, и что параллельно к каждому из названных IGBT включен соответствующий варистор Van, Vap; Vbn, Vbp. Каждая из обеих нагрузочных ветвей должна иметь возможность шунтирования посредством продолжительного главного контакта MCa или MCb.Figure 1 shows a schematic representation of the implementation of the first method corresponding to the invention. The method proceeds from the fact that in the switch of steps of the transformer windings, by means of which switching from the current tap of the transformer winding with step voltage regulation to the new tap of the winding is carried out, there are two load branches, which are connected through the mechanical switch DS a , DS b and sequentially to them an arrangement of a serial connection from, respectively, two oppositely connected IGBTs I an , I ap ; I bn , I bp , with the corresponding parallel diode d an , d ap ; d bn , d bp can be electrically connected to a common load terminal, and that in parallel to each of the named IGBTs a corresponding varistor V an , V ap is connected; V bn , V bp . Each of the two load branches should be able to be bypassed through the continuous main contact MC a or MC b .

На первом этапе все действующие как свободные коммутационные контакты механические переключатели DSa и DSb обеих сторон замыкаются.At the first stage, all mechanical switches DS a and DS b acting as free switching contacts on both sides are closed.

Затем на затворы IGBT Ian, Iap отключаемой стороны прикладывается отпирающее напряжение.Then, the gate voltage IGBT I an , I ap of the disconnected side is applied.

Затем отпирается продолжительный главный контакт MCa отключаемой стороны.Then the continuous main contact MC a of the disconnected side is unlocked.

Затем вновь осуществляется коммутация нагрузочного тока IL на IGBT отключаемой стороны.Then, the load current I L is switched again to the IGBT of the disconnected side.

Эти IGBT отключаемой стороны Ian, Iap получают теперь команду отключения, а IGBT подключаемой стороны Ibn, Ibp, напротив, команду включения.These IGBTs of the disconnected side I an , I ap now receive a shutdown command, and the IGBTs of the disconnected side I bn , I bp , on the contrary, receive a shutdown command.

В результате, IGBT Ian и Iap отключаемой стороны "жестко" отключаются.As a result, the IGBT I an and I ap of the disconnected side are hard-disconnected.

Нагрузочный ток теперь, в соответствии с изобретением, коммутируется на варисторы Van и Vap отключаемой стороны.The load current is now, in accordance with the invention, switched on the varistors V an and V ap of the disconnected side.

Затем этот нагрузочный ток коммутируется на IGBT принимающей, подключаемой стороны Ibn, Ibp.Then this load current is switched to the IGBT of the receiving, connected side I bn , I bp .

Вновь затем продолжительный главный контакт MCb принимающей стороны замыкается.Once again, the continuous main contact MC b of the receiving side closes.

Затем IGBT принимающей стороны Ibn, Ibp переключаются в непроводящее состояние.Then, the IGBTs of the receiving side I bn , I bp switch to a non-conductive state.

Последний этап способа состоит в размыкании механических контактов DSa, DSb, которые защищают IGBT от переходных нагрузок по напряжению, которые могут действовать на обмотке с отводами.The last step of the method consists in opening the mechanical contacts DS a , DS b , which protect the IGBT from transient voltage loads that can act on the winding with taps.

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 DSa, DSb соединен со схемой последовательного соединения из соответственно двух противоположно включенных IGBT Ian и Iap на стороне n, а также Ibn и Ibp на стороне n+1 с выводом переключателя ступеней обмоток трансформатора. Параллельно к каждому IGBT предусмотрен диод dan, dap; dbn, dbp, причем оба диода в каждой нагрузочной ветви включены противоположно друг к другу.Figure 2 shows a diagram particularly suitable for implementing the method of figure 1. Moreover, each of both taps n, n + 1 of the winding through a mechanical switch DS a , DS b is connected to the serial circuit of respectively two oppositely connected IGBTs I an and I ap on the side n, as well as I bn and I bp on the side n +1 with the output of the step switch of the transformer windings. In parallel to each IGBT, a diode d an , d ap is provided; d bn , d bp , and both diodes in each load branch are connected oppositely to each other.

Параллельно к каждому отдельному IGBT вновь предусмотрен соответственно варистор Van, Vap; Vbn, Vbp.In parallel to each individual IGBT, a varistor V an , V ap is again respectively provided; V bn , V bp .

Наконец, также представлены соответствующие шунтирующие все переключающее устройство в стационарном режиме продолжительные главные контакты MCa или MCb каждой стороны. IGBT обеих сторон Ian, Iap; Ibn, Ibp управляются посредством общего, показанного лишь схематично, известного из уровня техники возбудителя IGBT.Finally, the corresponding continuous main contacts MC a or MC b on each side are also shown shunting the entire switching device in stationary mode. IGBT of both sides I an , I ap ; I bn , I bp are controlled by a common, only schematically known, prior art IGBT pathogen.

Варисторы Van, Vap или Vbn, Vbp рассчитаны таким образом, что их варисторное напряжение ниже, чем максимальное блокирующее напряжение соответствующих параллельных IGBT, но больше, чем максимальное мгновенное значение напряжения ступени.The varistors V an , V ap or V bn , V bp are designed in such a way that their varistor voltage is lower than the maximum blocking voltage of the corresponding parallel IGBTs, but greater than the maximum instantaneous voltage value of the stage.

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 MCa от отвода n к отводу Y переключателя ступеней обмоток трансформатора.Further, the method according to the invention, that is, the switching sequence, for example, from branch n to branch n + 1, will be considered in more detail using this scheme: in the main position, the load current flows through the long main contact MC a from branch n to branch Y of the stage switch transformer windings.

На первом этапе последовательности переключения свободные коммутационные контакты DSa и DSb замыкаются.At the first stage of the switching sequence, the free switching contacts DS a and DS b close.

Затем на затворы IGBT Ian и Iap прикладывается отпирающее напряжение. Теперь отпирается продолжительный главный контакт MCa и коммутирует нагрузочный ток IL на группу IGBT Ian/Iap. Спустя менее чем 10 мс продолжительности протекания тока IL через группу IGBT Ian/Iap эти IGBT получают команду отключения, и группа IGBT Ibn/Ibp - одновременно (по меньшей мере в стандартном случае) команду включения.Then, a gate voltage is applied to the IGBT gates I an and I ap . The continuous main contact MC a is now unlocked and the load current I L switches to the IGBT group I an / I ap . After less than 10 ms of the current I L flowing through the IGBT group I an / I ap, these IGBTs receive a shutdown command, and the IGBT group I bn / I bp receive a turn-on command simultaneously (at least in the standard case).

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:The voltage generated on the disconnected IGBT is transferred to a parallel varistor. If after several 100 ns the varistor fixing voltage is reached, then the varistor goes into a conducting state, the voltage on the IGBT is divided into two components:

- еще лишь незначительно повышающееся варисторное напряжение,- still slightly increasing varistor voltage,

-

Figure 00000005
малого контура коммутации между IGBT и параллельным варистором.-
Figure 00000005
small switching circuit between the IGBT and the parallel varistor.

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.Due to the very low-induction connection of the varistor with IGBT, the switching of the maximum load current from IGBT to the varistor occurs during the interval from 0.1 to 1 μs.

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.The varistor is calculated in such a way that the voltage of the varistor streamlined by the load current changes, on the one hand, below the maximum blocking voltage of the parallel IGBTs, and on the other hand, above the maximum instantaneous value of the stage voltage.

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 Lσ (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.The excess of the instantaneous value of the varistor voltage over the instantaneous value of the voltage of the stage causes the switching of the load current with an almost constant di / dt from side A and transfer through the voltage of the stage and the stray inductance of the winding with taps L σ (large switching circuit) with the same di / dt (in this case positive) to side B. Despite the continuously decreasing current that flows through the varistor on side A, the varistor voltage, to a first approximation, remains constant.

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:After approximately 10 μs, the entire load current is switched from the side A streamlined by the varistor to the side B conductive IGBTs. When the side A current approaches 0, the voltage at connection group A changes as follows:

Варисторное напряжение спадает, переходное состояние

Figure 00000006
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.Varistor voltage drops, transient state
Figure 00000006
disappears, and a step voltage appears on group A of the IGBT varistor, which is created depending on the polarity on the blocked IGBT and the corresponding parallel varistor. Even with a peak load of the step voltage, the varistor still does not allow any significant current flow.

Спустя менее чем 10 мс после силовой электронной коммутации нагрузочного тока со стороны А на сторону В замыкается продолжительный главный контакт MCb и шунтирует группу IGBT В. Затем IGBT Ibn/Ibp через управление затвором переключаются в непроводящее состояние.Less than 10 ms after the power electronic switching of the load current from side A to side B, the continuous main contact MC b closes and shunts the IGBT group B. Then, IGBT I bn / I bp are switched to a non-conducting state through the gate control.

Последовательность переключения заканчивается размыканием механических свободных коммутационных контактов DSa и DSb, которые защищают IGBT от переходных нагрузок по напряжению, которые могут действовать на обмотке с отводами.The switching sequence ends with the opening of the mechanical free switching contacts DS a and DS b , which protect the IGBT from transient voltage loads that can act on the tapped winding.

На фиг.3 показана видоизмененная схема для выполнения способа согласно пункту 1 формулы изобретения, в которой оба варистора соответствующей одной стороны Van, Vap или Vbn, Vbp сведены к соответствующему общему варистору Va или Vb. При этом соответствующий механический переключатель каждой стороны DSa или DSb и соответствующий варистор сопоставленной стороны Va или Vb также образуют схему последовательного соединения к общему нагрузочному выводу.Figure 3 shows a modified circuit for performing the method according to paragraph 1 of the claims, in which both varistors of the corresponding one side V an , V ap or V bn , V bp are reduced to the corresponding common varistor V a or V b . In this case, the corresponding mechanical switch on each side of DS a or DS b and the corresponding varistor of the associated side V a or V b also form a series connection to a common load terminal.

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.Figure 4 shows another modified method according to the invention, which proceeds from the simplification of the process and in which mechanical switches are not provided. The general idea of the invention — to apply varistors for switching the load current — is also realized with this method.

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 Ian, Iap; Ibn, Ibp, к которым соответственно параллельно включен диод dan, dap; dbn, dbp. Параллельно к каждому из названных IGBT Ian, Iap; Ibn, Ibp соответственно включен варистор Van, Vap; Vbn, Vbp.This additional method proceeds from the fact that two load branches are again provided in the transformer winding stage switch, each of both load branches comprising a series connection circuit of two oppositely connected IGBTs I an , I ap ; I bn , I bp , to which respectively a diode d an , d ap is connected in parallel; d bn , d bp . In parallel to each of the named IGBTs I an , I ap ; I bn , I bp respectively included varistor V an , V ap ; V bn , V bp .

К началу переключения IGBT отключаемой стороны Ian и Iap проводят нагрузочный ток.To the beginning of the switching of the IGBT of the disconnected side, I an and I ap conduct a load current.

Затем эти IGBT получают команду отключения, IGBT подключаемой стороны Ibn и Ibp получают команду включения; IGBT отключаемой стороны Ian, Iap "жестко" отключаются.Then these IGBTs receive a shutdown command, the IGBTs of the connected side I bn and I bp receive a turn-on command; The IGBTs of the disconnected side I an , I ap are hard disconnected.

Затем нагрузочный ток в соответствии с изобретением коммутируется на варисторы Van, Vap отключаемой стороны.Then, the load current in accordance with the invention is switched to the varistors V an , V ap of the disconnected side.

Затем снова нагрузочный ток коммутируется на IGBT принимающей стороны Ibn и Ibp и пропускается ими.Then again, the load current is switched on the IGBT of the receiving side I bn and I bp and passed by them.

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.As already explained, this simplified method proceeds from the step switch of the transformer windings, which does not contain mechanical free switching contacts and mechanical continuous main contacts, but in which the load current in stationary mode is carried out by means of 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.Both methods, both presented in figure 1 and presented in figure 4, follow the same idea of the invention and solve the problem of the invention in the same way.

В заключение, следует привести еще раз уже поясненные детально выше преимущества соответствующего изобретению способа по отношению к уровню техники:In conclusion, it should be cited once again already explained in detail above the advantages of the method according to the invention in relation to the prior art:

- Возможность переключения при любом произвольном мгновенном значении нагрузочного тока без термических перегрузок IGBT.- Ability to switch at any arbitrary instantaneous value of the load current without thermal overload IGBT.

- Чрезвычайно быстрый процесс коммутации нагрузочного тока стороны переключателя ступеней А→B или B→A в течение примерно 10 мкс.- Extremely fast process of switching the load current of the side of the stage switch A → B or B → A for about 10 μs.

- Исключение помеховых колебаний.- Elimination of interfering vibrations.

- 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.- There is no task-specific matching of each stage switch with the specific nominal stage data for a custom case (stage voltage, rated transmittance, spurious inductance) if the limit values for the step voltage and rated transmittance are not exceeded.

- 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.- Reliable, safe switching principle with a very large tolerance range with respect to the switching time drift of both groups of IGBT connections. No additional adjustment is required after a long working time.

Claims (3)

1. Способ безобрывного переключения между отводами обмотки трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения с двумя нагрузочными ветвями (отвод n, отвод n+1), причем каждая из обеих нагрузочных ветвей (отвод n, отвод n+1) через механический переключатель (DSa, DSb) и последовательно с ним расположенную схему последовательного соединения из двух противоположно включенных IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) могут соединяться с общим нагрузочным выводом,
причем параллельно каждому IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) предусмотрен диод (dan, dap; dbn, dbp), причем параллельно каждому IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) предусмотрен варистор (Van, Vap; Vbn, Vbp), и причем каждая из обеих нагрузочных ветвей (отвод n, отвод n+1) может шунтироваться посредством механического продолжительного главного контакта (МСа, MCb), отличающийся следующими этапами способа: замыкание свободных коммутационных контактов DSa и DSb обеих сторон, приложение отпирающего напряжения к затворам IGBT Ian, Iap отключаемой стороны и тем самым их включение, отпирание продолжительного главного контакта МСа отключаемой стороны, коммутация нагрузочного тока IL на IGBT отключаемой стороны, отключение IGBT отключаемой стороны Ian, Iap и включение IGBT подключаемой стороны Ibn, Ibp таким образом, что IGBT Ian и Iap отключаемой стороны "жестко" отключаются,
коммутация затем нагрузочного тока на варисторы Van и Vap отключаемой стороны,
коммутация затем нагрузочного тока вновь на IGBT принимающей стороны Ibn, Ibp,
замыкание продолжительного главного контакта MCb принимающей стороны,
отключение IGBT принимающей стороны Ibn, Ibp, и размыкание механических контактов DSa, DSb обеих сторон.
1. A method of seamless switching between the taps of a transformer winding with step-wise voltage regulation with two load branches (branch n, branch n + 1), each of both load branches (branch n, branch n + 1) through a mechanical switch (DS a , DS b ) and a series-connected series circuit of two oppositely connected IGBTs (I an , I ap ; I bn , I bp ) can be connected to a common load terminal,
and in parallel to each IGBT (I an , I ap ; I bn , I bp ) a diode is provided (d an , d ap ; d bn , d bp ), and in parallel to each IGBT (I an , I ap ; I bn , I bp ) a varistor (V an , V ap ; V bn , V bp ) is provided, and each of both load branches (branch n, branch n + 1) can be bridged by means of a mechanical continuous main contact (MC a , MC b ), characterized in the following steps of the method: closing the free switching contacts DS a and DS b on both sides, applying the unlocking voltage to the gate IGBT I an , I ap of the disconnected side and thereby turning them on, unlocking rodolzhitelnogo main contact MS and disconnectable hand, switching the load current I L on the IGBT switchable side IGBT off switchable side I an, I ap and switch IGBT plug-side I bn, I bp so that IGBT I an and I ap switchable hand " hard off
then switching the load current to the varistors V an and V ap of the disconnected side,
switching then the load current again on the IGBT of the receiving side I bn , I bp ,
closing the long main contact MC b of the receiving side,
disconnecting the IGBT of the receiving side I bn , I bp , and opening the mechanical contacts DS a , DS b on both sides.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно выполняется детектирование переходов через нуль тока и осуществляется процесс переключения или коммутации во временной близости к переходу через нуль нагрузочного тока.2. The method according to claim 1, characterized in that it additionally detects the transitions through zero current and the process of switching or switching in time proximity to the transition through zero load current. 3. Способ безобрывного переключения между отводами обмотки трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения с двумя нагрузочными ветвями (отвод n, отвод n+1), причем каждая из обеих нагрузочных ветвей (отвод n, отвод n+1) содержит схему последовательного соединения из двух противоположно включенных IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp), причем параллельно каждому IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) включен диод (dan, dap; dbn, dbp), и причем параллельно каждому IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) включен варистор (Van, Vap; Vbn, Vbp), отличающийся следующими этапами способа: пропускание нагрузочного тока сначала через IGBT отключаемой стороны Ian и Iap, последующее отключение IGBT отключаемой стороны и включение IGBT подключаемой стороны Ibn и Ibp таким образом, что IGBT отключаемой стороны Ian, Iap "жестко" отключаются, последующая коммутация нагрузочного тока на варисторы Van, Vap отключаемой стороны, последующая коммутация вновь нагрузочного тока на IGBT принимающей стороны Ibn и Ibp и пропускание нагрузочного тока через них. 3. A method for seamless switching between the taps of a transformer winding with stepwise voltage regulation with two load branches (branch n, branch n + 1), each of both load branches (branch n, branch n + 1) contains a series connection circuit of two oppositely connected IGBT (I an , I ap ; I bn , I bp ), and in parallel with each IGBT (I an , I ap ; I bn , I bp ) a diode (d an , d ap ; d bn , d bp ) is turned on, and parallel to each IGBT (I an, I ap; I bn, I bp) included varistor (V an, V ap; V bn, V bp), characterized by the following method steps: passing nagruzoch th current first through IGBT switchable side I an and I ap, subsequent disconnection IGBT switchable side and switch IGBT plug-side I bn and I bp so that IGBT switchable side I an, I ap "rigidly" deactivated, the subsequent switching of the load current varistors V an , V ap of the disconnected side, subsequent switching again of the load current to the IGBT of the receiving side I bn and I bp and passing the load current through them.
RU2011111403/07A 2008-08-27 2008-08-27 Method of breakless switching between transformer winding taps with stepped voltage control RU2460163C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011111403/07A RU2460163C1 (en) 2008-08-27 2008-08-27 Method of breakless switching between transformer winding taps with stepped voltage control

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011111403/07A RU2460163C1 (en) 2008-08-27 2008-08-27 Method of breakless switching between transformer winding taps with stepped voltage control

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2460163C1 true RU2460163C1 (en) 2012-08-27

Family

ID=46937948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011111403/07A RU2460163C1 (en) 2008-08-27 2008-08-27 Method of breakless switching between transformer winding taps with stepped voltage control

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2460163C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU697061A3 (en) * 1972-06-20 1979-11-05 Машиненфабрик Рейнхаузен Гебрюдер Шойбек Кг (Фирма) Device for switching-over loaded transformer taps
GB2307567A (en) * 1994-10-27 1997-05-28 Seec Densetsu Kk Load tap changing AC voltage regulator

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU697061A3 (en) * 1972-06-20 1979-11-05 Машиненфабрик Рейнхаузен Гебрюдер Шойбек Кг (Фирма) Device for switching-over loaded transformer taps
GB2307567A (en) * 1994-10-27 1997-05-28 Seec Densetsu Kk Load tap changing AC voltage regulator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2479058C2 (en) Transformer winding stages switch with semiconductor switching elements
KR101416787B1 (en) Method for switching without any interruption between winding taps on a tap-changing transformer
CN107070191B (en) Device for temporarily taking over the current of an energy transmission or distribution system as required
US10354820B2 (en) Device for switching a direct current
CN111937110B (en) Switching device
US20150372474A1 (en) Circuit interruption device
CN109950866B (en) Current breaker
CN108141210B (en) Semiconductor switch string
WO2019086058A1 (en) The method of connection to limit the value of voltage between the neutral point and ground in an alternating current electric network
RU2321945C2 (en) Switching device for reliably switching current circuits
US7245031B2 (en) Generator with integrated powerswitch
CN107005146B (en) Semiconductor switch circuit
RU2460163C1 (en) Method of breakless switching between transformer winding taps with stepped voltage control
JP6444719B2 (en) Semiconductor circuit breaker
Fourie et al. Development of a MV IGBT based solid-state tap changer
EP3982539B1 (en) Switching arrangement
Dahmen et al. Ultra Low Loss-MMC Submodules favorable for SiC-FET enabling High Functional Safety
Vats et al. Design of Thyristor Stack for Compulsator-Based Pulsed Power Supply to EML
KR20230144663A (en) transformer device
RU2298249C2 (en) Electric circuit arcless switching device
CN115735325A (en) Rectifier, energy supply equipment and system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160828