WO2010022751A1 - Verfahren zur unterbrechungslosen umschaltung zwischen wicklungsanzapfungen eines stufentransformators - Google Patents

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WO2010022751A1
WO2010022751A1 PCT/EP2008/007003 EP2008007003W WO2010022751A1 WO 2010022751 A1 WO2010022751 A1 WO 2010022751A1 EP 2008007003 W EP2008007003 W EP 2008007003W WO 2010022751 A1 WO2010022751 A1 WO 2010022751A1
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tap
switching
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load
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PCT/EP2008/007003
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Oliver Brueckl
Dieter Dohnal
Hans-Henning Lessmann-Mieske
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Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
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Priority to PCT/EP2008/007003 priority patent/WO2010022751A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings
    • H01F29/04—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings having provision for tap-changing without interrupting the load current

Definitions

  • the invention relates to a method for uninterrupted switching with semiconductor switching elements between winding taps of a tapped transformer.
  • Such a method using semiconductor switching elements is known from WO 01/22447.
  • the method described there works both with electrical switching means, the IGBTs, as well as mechanical contacts. It is designed in such a way that the actual load changeover takes place at the zero crossing of the load current with two IGBTs with diodes in Gritz connection. Necessary part of this known method is the detection and detection of the respective current zero crossing as a prerequisite for the initiation of load switching at this time.
  • This method requires a specific adaptation of the tap changer to the respective tap transformer, which is to be connected.
  • tapped transformer and tap changer are coordinated and act together electrically.
  • This known method is therefore not suitable for use in a separate, universally applicable, not tailored to a specific transformer tap changer.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned above, which is simple in construction, has a high functionality and in which it is not necessary to have to switch only exactly at the zero crossing of the load current.
  • Another object of the invention is to provide a corresponding method which in each case, i. H. without coordination to the concrete tapped transformer, which is to be wired, is functional.
  • the inventive method is based on the general inventive idea, not varistors, as known from the prior art for a long time to use as components for overvoltage protection, but for commutation of the load current of the tap changer from one side to the other, ie from the previously switched Winding tap on the newly connected winding tap to use by appropriate process steps.
  • the particularly dimensioned varistors connected in parallel with each IGBT exert a new function: after commutation of the impressed load current driven by the mains voltage from the disconnecting IGBT to the parallel-lying varistor (small commutation circuit), the varistor flowing through the load current builds according to its IU Characteristic a voltage which shows a relatively small dependence on the instantaneous value of the current and during the switching operation of the OLTC remains practically constant.
  • the varistors are dimensioned such that the varistor voltage, which results when loaded with the peak value of the maximum current, still has a sufficient safety margin to the maximum blocking voltage of the IGBTs.
  • the clamping voltage of the varistors (U Var at 1 mA) must be well above the peak value of the maximum step voltage so that the load current can commute from the disconnecting OLTC side over the step voltage to the side taking over the load current (large commutation circuit).
  • the varistors in the context of the method according to the invention do not act as known from the prior art for reducing transient overvoltages.
  • the varistors take over the following functions which are atypical of their type and which are not suggested by the prior art as part of the method:
  • Switching off the off-switching side is done before the switch-on of the receiving side.
  • the current flow time of the load current via one of the two varistors of the disconnecting side is extended accordingly.
  • the switching-on of the receiving tap changer side takes place before the switch-off process of the switching-off side.
  • both IGBT groups are closed so that the step voltage starts to build up a circulating current during this period.
  • the di / dt of the forming circulating current depends on the instantaneous value of the step voltage in the overlapping period and on the circulating inductance of the circulating current.
  • the circulation current is added to the load current on the switch-off side and leads to a gradual increase of the total current to be commented out (l L (t) + I c (t)) until the moment of the switch-off process. This leads to an increase in the commutation loss energy occurring at the disconnecting side and to an extension of the commutation process.
  • the processes of the invention have a number of advantages over the prior art:
  • the resistive / resistive energy absorption of the varistors produces an excellent damping of the current and voltage curves during the switching process as an important positive side effect.
  • Disturbing oscillations which were expected in such rapid commutation processes (order of magnitude 10 microseconds) in connection with the winding capacitances and stray inductances of the step winding per se, can not be formed due to the strong damping effect of the varistors.
  • This measure leads to a drastic reduction of the current load of IGBTs and varistors as well as the commutation loss energy and to a shortening of the commutation time.
  • FIG. 1 shows a schematic flowchart of a first method according to the invention
  • Figure 2 is a particularly suitable for carrying out the method first
  • Circuit with IGBTs and varistors connected in parallel to each IGBT 3 shows a further, modified circuit for carrying out the method
  • FIG. 4 shows a schematic flowchart of a second, simplified method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic flowchart of a first method according to the invention.
  • the method assumes that in a tap changer, in which is to be switched from a previous winding tap of a tapped transformer to a new Windungsanzapfung, two load branches are provided, which via a mechanical switch DS 3 , DS b and arranged in series therebetween two oppositely connected IGBTs I 3n , l ap ; Ibn, lb P each with a parallel diode d an , d ap ; d bn , d bp can be electrically connected to a common load dissipation and that parallel to each of said IGBT's a varistor V 3n , V ap ; V bn , V bp is switched.
  • Each of the two load branches should be able to be bridged by a permanent main contact MC 3 or MC b .
  • the mechanical switches DS 3 and DS b acting as release contacts are closed on both sides.
  • ignition voltage is applied to the gates of the IGBTs I 3n , l ap of the turn-off side.
  • IGBTs of the disconnecting side I 3n , l ap now receive a switch-off command, while the IGBTs of the side l bn to be switched on and l bp a turn-on command.
  • the IGBTs I 3n and I ap turn off the off-switching side "hard.”
  • the load current is now commutated to the varistors V 3n and V ap of the disconnecting side.
  • the IGBT's l bn and l bp of the receiving side are switched to the non-conductive state.
  • the last step in the process consists in the opening of the mechanical contacts DS 3 and DS b , which protect the IGBTs from the transient voltage stresses that can be effective at the step winding.
  • FIG. 2 shows a circuit which is particularly suitable for implementing the method according to FIG.
  • Parallel to each IGBT is a diode d an , d ap ; d bn , d bp provided, wherein the two diodes are connected in each load branch opposite to each other.
  • a varistor V an , V ap or V bn , V bp is provided in parallel with each individual IGBT.
  • each bridging, permanent main contacts each side MC 3 or MC b are shown.
  • the IGBTs of both sides I 3n , l ap ; 'Bn. lb P are driven by a common, only schematically illustrated, known from the prior art IGBT driver.
  • the varistors V 3n , V ap and V bn , V bp are dimensioned such that their varistor voltage is less than the maximum blocking voltage of each parallel IGBT but greater than the maximum instantaneous value of the step voltage.
  • the enable contacts DS a and DS b are closed.
  • ignition voltage is applied to the gates of the IGBTs I 3n and I ap .
  • a MC commutates the load current I L on the IGBT Group I to / l ap.
  • these IGBTs receive a switch-off command and the IGBT group I bn / I b P simultaneously (at least in the standard case) a switch-on command.
  • the voltage that builds up on the disconnecting IGBT is transferred to the parallel varistor. If after a few 100 ns the clamping voltage of the varistor is reached, the varistor begins to conduct and the voltage across the IGBT is divided into two components:
  • the varistor is dimensioned so that the voltage of the load current-carrying varistor on the one hand below the max.
  • the blocking voltage of the parallel IGBT is moved above or beyond the maximum instantaneous value of the step voltage.
  • the excess of the instantaneous value of the varistor voltage over the instantaneous value of the step voltage causes the commutation of the load current with approximately constant di / dt from side A and a shifting over the step voltage and the leakage inductance of the step winding L ⁇ (large commutation) with the same di / dt (in this Case positive) on the side B.
  • the varistor voltage remains constant in a first approximation. After about 10 ⁇ s, the entire load current from the current-carrying side A varistor is commutated over to the side B conductive IGBTs. As the current of side A approaches 0, the voltage on switch group A changes fundamentally:
  • the main permanent contact MC b closes and shunts the IGBT group B. Subsequently, the IGBTs IbrAp are switched to the non-conducting state via the gate drive.
  • the switching sequence ends with the opening of the mechanical release contacts DS 3 and DS b , which protect the IGBTs from the transient voltage stresses that can be effective at the tap winding.
  • FIG. 3 shows a modified suitable circuit for carrying out the method according to claim 1, in which the two varistors of each side V 3n , V ap and V bn , V bp are combined to form a respective common varistor V 3 or V b are.
  • the respective mechanical switch of each side DS 3 or DS b and the respective varistor of the associated side V 3 or V b also forms a series connection to the common load dissipation.
  • FIG. 4 shows a further, modified method according to the invention, which starts from a simplification of the sequence and in which no mechanical switches are provided.
  • the general inventive idea to use varistors for commutation of the load current is also realized in this method.
  • This further method assumes that two load branches are provided with a tap changer in turn, each of the two load branches opposite to a series circuit of two serially connected IGBTs to l, l ap; l b n, Ibp, to each of which a diode d an , d ap ; d bn> d bp is switched.
  • Parallel to each of the IGBTs I 3n , l ap; l bn , l bp is each a varistor V an , V ap ; V bn , V bp switched.
  • these IGBTs receive a turn-off command, the IGBT's the turn-on side l bn, and l bp a turn-on command;
  • the load current is commutated according to the invention to the varistors V 3n and V ap of the disconnecting side.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen (tap n, tap n+1) eines Stufentransformators, wobei jede der beiden Wicklungsanzapfungen über jeweils einen mechanischen Schalter (Ds) und eine in Reihe dazu angeordnete Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT' s (Ip, In) mit der gemeinsamen Lastableitung verbunden ist.

Description

Verfahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unterbrechungslosen Umschaltung mit Halbleiter- Schaltelementen zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.
Ein solches Verfahren unter Verwendung von Halbleiter-Schaltelementen ist aus der WO 01/22447 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren arbeitet sowohl mit elektrischen Schaltmitteln, den IGBT's, als auch mechanischen Kontakten. Es ist so ausgestaltet, dass die eigentliche Lastumschaltung im Nulldurchgang des Laststromes mit zwei IGBT's mit Dioden in Grätzschal- tung erfolgt. Notwendiger Bestandteil dieses bekannten Verfahrens ist die Erkennung und Erfassung des jeweiligen Stromnulldurchgangs als Voraussetzung für die Einleitung der Lastumschaltung zu diesem Zeitpunkt.
Aus der WO 97/05536 ist ein weiteres Verfahren mit einer IGBT-Schaltvorrichtung bekannt, bei der die Anzapfungen der Regelwicklung eines Leistungstransformators über eine Reihenschaltung zweier IGBT's mit einer gemeinsamen Lastableitung verbunden sind. Dieses bekannte Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation; in einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dabei eine Begrenzung des Kreisstromes durch die transiente reaktive Reaktanz (TER) der Stufenwicklung.
Dieses Verfahren erfordert eine spezifische Anpassung des Stufenschalters an den jeweiligen Stufentransformator, der beschaltet werden soll. Mit anderen Worten: Stufentransformator und Stufenschalter sind aufeinander abgestimmt und wirken elektrisch zusammen. Dieses bekannte Verfahren ist daher nicht für die Anwendung in einem separaten, universell anwendbaren, nicht auf einen speziellen Transformator zugeschnittenen Stufenschalter geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach aufgebaut ist, eine hohe Funktionalität besitzt und bei dem es nicht erforderlich ist, nur genau im Nulldurchgang des Laststromes schalten zu müssen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren anzugeben, das in jedem Fall, d. h. ohne Abstimmung an den konkreten Stufentransformator, der beschaltet werden soll, funktionsfähig ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Der Unteranspruch betrifft eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
Diese Aufgabe wird weiterhin durch ein modifiziertes Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten dritten Patentanspruchs gelöst.
Die erfindungsgemäßen Verfahren gehen von der allgemeinen erfinderischen Idee aus, Varistoren nicht, wie aus dem Stand der Technik seit langem bekannt, als Bauelemente zum Überspannungsschutz zu verwenden, sondern zur Kommutierung des Laststromes des Stufenschalters von einer Seite auf die andere, d. h. von der bisher geschalteten Wicklungsanzapfung auf die neu zu beschaltende Wicklungsanzapfung, durch entsprechende Verfahrensschritte zu verwenden.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren üben die besonders dimensionierten parallel zu jedem IGBT geschalteten Varistoren eine neue Funktion aus: Nach Kommutierung des eingeprägten, von der Netzspannung getriebenen Laststromes vom abschaltenden IGBT auf den parallelliegenden Varistor (kleiner Kommutierungskreis) baut der vom Laststrom durchflossene Varistor entsprechend seiner I-U-Kennlinie eine Spannung auf, die eine relativ geringe Abhängigkeit vom Momentanwert des Stromes zeigt und während des Umschaltvorganges des OLTC praktisch konstant bleibt.
Die Varistoren werden dabei so dimensioniert, dass die Varistorspannung, die sich bei Belastung mit dem Scheitelwert des maximalen Stromes ergibt, noch einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur maximalen Sperrspannung der IGBTs aufweist.
Andererseits muss die Clamping Voltage der Varistoren (UVar bei 1 mA) deutlich oberhalb des Scheitelwertes der maximalen Stufenspannung liegen, damit der Laststrom von der abschaltenden OLTC-Seite über die Stufenspannung hinweg auf die den Laststrom übernehmende Seite kommutieren kann (großer Kommutierungskreis).
Die Differenz ΔU zwischen Momentanwert des Spannungsabfalls am Varistor und dem Momentanwert der Stufenspannung bewirkt die Kommutierung des Laststromes über die Streuinduktivität der Stufenwicklung und die Leitungsinduktivitäten auf die übernehmende Seite des Stufenschalters und bestimmt das di/dt des Kommutierungsvorganges (AU=LKom •dildt ).
Es ist ersichtlich, dass die Varistoren im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht wie nach dem Stand der Technik bekannt zur Reduzierung transienter Überspannungen wirken. Beim vorliegenden Verfahren übernehmen die Varistoren folgende für ihre Gattung untypischen und durch den Stand der Technik nicht nahegelegten Funktionen als Bestandteil des Verfahrens:
• Übernahme des Laststromes von den hart abschaltenden IGBTs
• Erzeugung eines Spannungsabfalls, der unabhängig vom Momentanwert des Laststromes in einem Spannungsband zwischen der maximalen Sperrspannung der IGBTs und dem Scheitelwert der maximalen Stufenspannung liegen muss
• Bereitstellung einer Spannungszeitfläche, die den Laststrom von der stromführenden Seite des Stufenschalters über die entgegen gerichtete Stufenspannung auf die übernehmende Stufenschalterseite kommutiert:
Figure imgf000004_0001
Die Bereitstellung der vorstehend aufgelisteten Funktionen durch die Varistoren vereinfacht und entlastet den leistungselektronischen Kommutierungsvorgang in entscheidender Weise: • Sehr geringer Energieeintrag in die hart schaltenden IGBTs
• Die beim Kommutierungsvorgang auf der abschaltenden Seite zwangsläufig anfallende
Verlustenergie
Figure imgf000005_0001
wird insbesondere im Falle hoher Kommutierungsanforderungen (hoher Momentanwert des Laststromes, hoher Momentanwert einer entgegengerichteten Stufenspannung, große Streuinduktivität der geschalteten Stufe) weit überwiegend vom Varistor und nur zu einem kleinen Teil vom abschaltenden IGBT aufgenommen.
Dieser Sachverhalt erlaubt eine sehr einfache und kostengünstige Dimensionierung der leistungselektronischen Schaltgruppen, weil das energieaufnehmende Volumen im Falle des Varistors flexibel veränderbar und ungleich größer ist als das viel kleinere, teurere und volumenmäßig nur schwer variierbare Volumen des IGBT-Chips. Als weiterer positiver Effekt der Laststromführung durch die Varistoren, der Bereitstellung der erforderlichen Kommutierungs-Spannungs-Zeitfläche durch die Varistoren und der Aufnahme der dabei anfallenden Verlustenergie ebenfalls durch die Varistoren resultiert ein sehr großes Toleranzfeld im Hinblick auf die Synchronisation des Abschaltzeitpunktes der ausschaltenden IGBT-Gruppe und des Einschaltzeitpunktes der übernehmenden IGBT- Gruppe. Folgende Schaltmodi sind möglich und zulässig:
o Lückend
Abschaltvorgang der ausschaltenden Seite erfolgt vor dem Einschaltvorgang der übernehmenden Seite. Die Stromflusszeit des Laststromes über einen der beiden Varistoren der abschaltenden Seite verlängert sich entsprechend.
o Gleichzeitig
Abschaltvorgang und Einschaltvorgang der beiden IGBT-Gruppen erfolgt gleichzeitig. Standardfall, keine zusätzliche Laststrom-Belastungszeiten am Varistor.
o Überlappend
Einschaltvorgang der übernehmenden Stufenschalterseite erfolgt schon vor dem Abschaltvorgang der ausschaltenden Seite. Während der Überlappungszeit sind beide IGBT-Gruppen geschlossen, so dass die Stufenspannung in diesem Zeitraum beginnt, einen Zirkulationsstrom aufzubauen. Das di/dt des sich ausbildenden Zirkulationsstromes hängt ab vom Momentanwert der Stufenspannung im Überlappungszeitraum und von der Kreisinduktivität des Zirkulationsstromes. Der Zirkulationsstrom addiert sich auf der abschaltenden Seite zum Laststrom und führt bis zum Moment des Abschaltvorganges zu einem allmählichen Anstieg des in Summe abzukommentierenden Stromes (lL(t) + Ic(t)). Dies führt zu einer Erhöhung der an der abschaltenden Seite anfallenden Kommutierungs-Verlustenergie und zu einer Verlängerung des Kommutierungsvorganges. Die erfindungsgemäßen Verfahren weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf:
Die geringsten Verluste und kürzesten Kommutierungszeiten werden beim simultanen Aus- und Einschalten der beiden IGBT-Gruppen erreicht.
Falls sich im Laufe der Betriebsjahre durch Bauteilalterung und Arbeitspunktverschiebung in der Ansteuerelektronik ein überlappendes oder lückendes Umschaltverhalten in einer Größenordnung von ca. ± 10 μs einstellen sollte, resultiert daraus keine Funktionsgefährdung beim erfindungsgemäßen Schaltkonzept.
Die einzigen Folgen sind moderat ansteigende Kommutierungsverluste und eine etwas verlängerte Kommutierungszeit.
• Bei allen 3 vorstehend erläuterten Schaltmodi bewirkt die ohmsch/resistive Energieaufnahme der Varistoren eine ausgezeichnete Dämpfung der Strom- und Spannungsverläufe beim Umschaltvorgang als wichtigem positiven Nebeneffekt. Störende Oszillationen, die bei derart schnellen Kommutierungsvorgängen (Größenordnung 10 μs) in Verbindung mit den Wicklungskapazitäten und Streuinduktivitäten der Stufenwicklung an sich erwartet wurden, können sich infolge der stark dämpfenden Wirkung der Varistoren nicht ausbilden.
Hinzu kommt, dass die sich an den Varistoren als Folge des Laststromflusses ausbildende Spannung relativ konstant ist und infolgedessen ein konstantes di/dt beim Kommutierungsvorgang erzeugt. Infolge dieses Sachverhaltes wird eine starke Schwingungsanregung zusätzlich erschwert.
• Im Falle sehr hoher Lastströme bietet es sich an, in an sich bekannter Weise eine Strom- nulldurchgangsdetektion vorzusehen und den Umschalt- bzw. Kommutierungsvorgang bei sehr kleinen Momentanwerten des Laststromes, in zeitlicher Nähe zum Stromnulldurchgang durchzuführen.
Diese Maßnahme führt zu einer drastischen Reduzierung der Strombelastung von IGBTs und Varistoren sowie der Kommutierungs-Verlustenergie und zu einer Verkürzung der Kommutierungszeit.
Das Umschalten in der Nähe des Stromnulldurchgangs erlaubt eine signifikante Anhebung der Nenn-Schaltleistungsdaten des Stufenschalters bei unveränderter Hardware der leistungselektronischen Komponenten.
Die Verfahren sollen nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Ablaufplan eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 2 eine für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete erste
Schaltung mit IGBT's und zu jedem IGBT parallel geschalteten Varistoren Figur 3 eine weitere, abgewandelte Schaltung zur Durchführung des Verfahrens
Figur 4 einen schematischen Ablaufplan eines zweiten, vereinfachten erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt einen schematischen Ablaufplan eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren geht davon aus, dass bei einem Stufenschalter, bei dem von einer bisherigen Windungsanzapfung eines Stufentransformators auf eine neue Windungsanzapfung umgeschaltet werden soll, zwei Lastzweige vorgesehen werden, die über einen mechanischen Schalter DS3, DSb und eine in Reihe dazu angeordnete Reihenschaltung aus jeweils zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT's I3n, lap; Ibn, lbP mit jeweils einer parallelen Diode dan, dap; dbn, dbp mit einer gemeinsamen Lastableitung elektrisch verbunden werden können und dass parallel zu jedem der genannten IGBT's jeweils ein Varistor V3n, Vap; Vbn, Vbp geschaltet wird. Jeder der beiden Lastzweige soll durch einen Dauerhauptkontakt MC3 bzw. MCb überbrückt werden können.
Als erster Schritt werden die als Freischaltkontakte wirkenden mechanischen Schalter DS3 und DSb beider Seiten geschlossen.
Nachfolgend wird Zündspannung an die Gates der IGBT's I3n, lap der abschaltenden Seite angelegt.
Nachfolgend wird der Dauerhauptkontakt MC3 der abschaltenden Seite geöffnet. Wiederum nachfolgend erfolgt die Kommutierung des Laststromes IL auf die IGBT's der abschaltenden Seite.
Diese IGBT's der abschaltenden Seite I3n, lap erhalten jetzt einen Abschaltbefehl, die IGBT's der aufzuschaltenden Seite lbn, lbp hingegen einen Einschaltbefehl. In der Folge schalten die IGBT's I3n und lap der abschaltenden Seite „hart" ab. Der Laststrom wird jetzt erfindungsgemäß auf die Varistoren V3n und Vap der abschaltenden Seite kommutiert.
Nachfolgend wird dieser Laststrom auf die IGBT's der übernehmenden, aufzuschaltenden Seite Ibn, lbP kommutiert.
Wiederum nachfolgend wird der Dauerhauptkontakt MCb der übernehmenden Seite geschlossen.
Anschließend werden die IGBT's lbn und lbp der übernehmenden Seite in den nicht leitenden Zustand geschaltet.
Der letzte Verfahrensschritt besteht in der Öffnung der mechanischen Kontakte DS3 und DSb, die die IGBT's vor dem transienten Spannungsbeanspruchungen schützen, die an der Stufenwicklung wirksam werden können.
Figur 2 zeigt eine zur Realisierung des Verfahrens gemäß Figur 1 besonders geeignete Schaltung. Dabei ist jede der beiden Wicklungsanzapfungen tap n sowie tap n+1 über einen mechanischen Schalter DS3 bzw. DSb mit einer Reihenschaltung aus jeweils zwei entgegengesetzt geschalteten IGBTs I3n und lap auf der Seite n sowie lbn und lbp auf der Seit n+1 mit der Stufen- schalterableitung verbunden. Parallel zu jedem IGBT ist eine Diode dan, dap; dbn, dbp vorgesehen, wobei die beiden Dioden in jedem Lastzweig entgegengesetzt zueinander geschaltet sind. Parallel zu jedem einzelnen IGBT ist wiederum jeweils ein Varistor Van, Vap bzw. Vbn, Vbp vorgesehen.
Schließlich sind auch noch die, die gesamte Schalteinrichtung im stationären Betrieb jeweils überbrückenden, Dauerhauptkontakte jeder Seite MC3 bzw. MCb dargestellt. Die IGBTs beider Seiten I3n, lap; 'bn. lbP werden durch einen gemeinsamen, nur schematisch dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten IGBT-Treiber angesteuert.
Die Varistoren V3n, Vap bzw. Vbn, Vbp sind derart dimensioniert, dass ihre Varistorspannung geringer als die maximale Blockierspannung des jeweils parallelen IGBT's aber größer als der maximale Momentanwert der Stufenspannung ist.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren, d. h. eine Umschaltsequenz von beispielsweise tap n auf tap n+1 , an Hand dieser Schaltung noch einmal näher erläutert werden: In der Grundposition fließt der Laststrom über den Dauerhauptkontakt MC3 von tap n zur Stu- fenschalterableitung Y.
Als erster Schritt der Umschaltsequenz werden die Freischaltkontakte DSa und DSb geschlossen.
Anschließend wird Zündspannung an die Gates der IGBTs I3n und lap gelegt. Jetzt öffnet der Dauerhauptkontakt MCa und kommutiert den Laststrom IL auf die IGBT-Gruppe lan/lap. Nach weniger als 10 ms Stromflussdauer von IL über die IGBT-Gruppe lan/lap erhalten diese IGBTs einen Abschaltbefehl und die IGBT-Gruppe lbn/lbP gleichzeitig (zumindest im Standardfall) einen Einschaltbefehl.
Die sich am abschaltenden IGBT aufbauende Spannung überträgt sich auf den parallel liegenden Varistor. Wenn nach wenigen 100 ns die Clamping Voltage des Varistors erreicht wird, beginnt der Varistor zu leiten und die Spannung am IGBT teilt sich in zwei Komponenten auf:
— die nur noch geringfügig ansteigende Varistorspannung
— das L» di/dt des kleinen Kommutierungskreises zwischen IGBT und parallelem Varistor.
Infolge der sehr induktivitätsarmen Ankopplung des Varistors an den IGBT erfolgt die Kommutierung des max. Laststromes vom IGBT auf den Varistor innerhalb von 0,1...1 μs.
Der Varistor ist so dimensioniert, dass sich die Spannung des laststromdurchflossenen Varistors einerseits unterhalb der max. Blockierspannung des parallelen IGBTs, andererseits o- berhalb des maximalen Momentanwerts der Stufenspannung bewegt. Der Überschuss des Momentanwertes der Varistorspannung über den Momentanwert der Stufenspannung bewirkt die Abkommutierung des Laststromes mit etwa konstantem di/dt von Seite A und ein Hinüberschieben über die Stufenspannung und die Streuinduktivität der Stufenwicklung Lσ (großer Kommutierungskreis) mit gleichem di/dt (in diesem Fall positiv) auf die Seite B. Trotz des kontinuierlich abnehmenden Stromes, der den Varistor auf Seite A durchfließt, bleibt die Varistorspannung in erster Näherung konstant. Nach etwa 10 μs ist der gesamte Laststrom vom stromdurchflossenen Varistor der Seite A auf die leitenden IGBTs der Seite B hinüberkommutiert. Mit Annäherung des Stromes der Seite A auf den Wert 0 ändert sich die Spannung an der Schaltgruppe A grundlegend:
Die Varistorspannung bricht zusammen, das transiente r — σ dt verschwindet und an der IGBT-A/aristor-Gruppe A erscheint die Stufenspannung, die abhängig von der Polarität an einem blockierenden IGBT und dem jeweils parallelliegenden Varistor ansteht. Selbst bei Belastung mit dem Scheitelwert der Stufenspannung lässt der Varistor noch keinen signifikanten Stromfluss zu.
Weniger als 10 ms nach der leistungselektronischen Kommutierung des Laststromes von Seite A auf Seite B schließt der Dauerhauptkontakt MCb und shuntet die IGBT-Gruppe B. Anschließend werden die IGBTs IbrAp über die Gateansteuerung in den nichtleitenden Zustand geschaltet.
Die Umschaltsequenz endet mit dem öffnen der mechanischen Freischaltkontakte DS3 und DSb, die die IGBTs vor den transienten Spannungsbeanspruchungen schützen, die an der Stufenwicklung wirksam werden können.
In Figur 3 ist eine abgewandelte geeignete Schaltung für die Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 dargestellt, bei der die beiden Varistoren jeweils einer Seite V3n, Vap bzw. Vbn, Vbp zu einem jeweils gemeinsamen Varistor V3 bzw. Vb zusammengefasst sind. Dabei bildet der jeweilige mechanische Schalter jeder Seite DS3 bzw. DSb und der jeweilige Varistor der zugehörigen Seite V3 bzw. Vb ebenfalls eine Reihenschaltung hin zur gemeinsamen Lastableitung.
In Figur 4 ist ein weiteres, abgewandeltes erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, das von einer Vereinfachung des Ablaufes ausgeht und bei dem keine mechanischen Schalter vorgesehen sind. Die allgemeine erfinderische Idee, Varistoren zur Kommutierung des Laststromes zu verwenden, wird auch bei diesem Verfahren realisiert.
Dieses weitere Verfahren geht davon aus, dass bei einem Stufenschalter wiederum zwei Lastzweige vorgesehen sind, wobei jeder der beiden Lastzweige eine Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT's lan, lap; lbn, Ibp enthält, zu denen jeweils parallel eine Diode dan, dap; dbn> dbp geschaltet ist. Parallel zu jedem der genannten IGBT's I3n, lap; lbn, lbp ist jeweils ein Varistor Van, Vap; Vbn, Vbp geschaltet.
Zu Beginn der Umschaltung führen die IGBT's der abschaltenden Seite lan und lap den Laststrom.
Nachfolgend erhalten diese IGBT's einen Abschaltbefehl, die IGBT's der anschaltenden Seite lbn und lbp einen Einschaltbefehl; die IGBT's der abschaltenden Seite schalten „hart" ab. Nachfolgend wird der Laststrom erfindungsgemäß auf die Varistoren V3n und Vap der abschaltenden Seite kommutiert.
Wiederum nachfolgend wird der Laststrom auf die IGBT's der übernehmenden Seite lbn und lbp kommutiert und von diesen geführt. Wie bereits erläutert, geht dieses vereinfachte Verfahren von einem Stufenschalter aus, der keine mechanischen Freischaltkontakte und keine mechanischen Dauerhauptkontakte aufweist, sondern bei dem der Laststrom im stationären Betrieb von den IGBT's geführt wird. Beide Verfahren, sowohl das in Figur 1 dargestellte, als auch das in Figur 4 dargestellte Verfahren folgen der gleichen erfinderischen Idee und lösen in gleicher Weise die Aufgabe der Erfindung.
Abschließend sollen nach einmal die weiter oben bereits detailliert erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik zusammengefasst werden.
• Option der Umschaltung bei jedem beliebigen Momentwert des Laststromes ohne thermische Überbeanspruchung der IGBTs
• Außerordentlich schneller Kommutierungsvorgang des Laststromes von Stufenschalterseite A → B oder B -> A innerhalb von ca. 10 μs.
• Vermeidung störender Oszillationen
• Eine auftragsspezifische Anpassung jedes Stufenschalters an die konkreten Nenn- Stufendaten des Bestellfalles (Stufenspannung, Nenn-Durchgangsstrom, Streuinduktivität) entfällt, solange die Grenzwerte von Stufenspannung und Nenn-Durchgangsstrom nicht überschritten werden.
• Robustes, eigensicheres Kommutierungskonzept mit einem sehr großen Toleranzbereich in Bezug auf Schaltzeitdrift zwischen den beiden IGBT-Schaltgruppen. Keine Nachjustierung nach längerer Betriebszeit erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit zwei Lastzweigen (tap n, tap n +1), wobei jeder der beiden Lastzweige (tap n, tap n + 1) über einen mechanischen Schalter (DS3, DSb) und eine in Reihe dazu angeordnete Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT's (I3n, lap; lbn, lbp) mit einer gemeinsamen Lastableitung verbindbar sind, wobei parallel zu jedem IGBT (lan, lap; lbn, lbp) eine Diode (dan, dap; dbn, dbp) vorgesehen ist, wobei parallel zu jedem IGBT (laπ, UpI lt>n. lbP) ein Varistor (V3n, Vap; Vbn, Vbp) vorgesehen ist und wobei jeder der beiden Lastzweige (tap n, tap n +1) mit einem mechanischen Dauerhauptkontakt (MCa, MCb) überbrückt werden kann, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Schließen der Freischaltkontakte DS3, DSb beider Seiten
- Anlegen von Zündspannung an die Gates der IGBT's lan, lap der abschaltenden Seite und damit deren Einschalten
— öffnen des Dauerhauptkontaktes MC3 der abschaltenden Seite
— Kommutierung des Laststromes IL auf die IGBT's der abschaltenden Seite
— Abschalten der IGBT's I3n, lap der abschaltenden Seite und Einschalten der IGBT's der anschaltenden Seite lbn, 'bp, derart, dass die IGBT's lan, lap der abschaltenden Seite „hart" abschalten
- der Laststrom wird nachfolgend auf die Varistoren V3n, Vap der abschaltenden Seite kommutiert
— der Laststrom wird wiederum nachfolgend auf die IGBT's der übernehmenden Seite lbn, Ibp kommutiert
— Schließen des Dauerhauptkontaktes MCb der übernehmenden Seite
- Abschalten der IGBT's lbn und lbp der übernehmenden Seite
- öffnen der mechanischen Kontakte DS3 und DSb beider Seiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Stromnulldurchgangsdetektion durchgeführt wird und der Umschalt- bzw. Kommutierungsvorgang in zeitlicher Nähe zum Stromnulldurchgang des Laststromes erfolgt.
3. Verfahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit zwei Lastzweigen (tap n, tap n+1), wobei jeder der beiden Lastzweige (tap n, tap n+1) eine Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT's (lan, lap; lbn, Ibp) enthält, wobei parallel zu jedem IGBT (I3n, lap; Ibn. Ibp) eine Diode (dan, dap; dbn, dbp) geschaltet ist und wobei parallel zu jedem IGBT (lan, lap; lbn, Ibp) ein Varistor (Van, Vap; Vbn, Vbp) geschaltet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Führen des Laststromes zunächst durch die IGBT's der abschaltenden Seite lan und l3p nachfolgendes Abschalten der IGBT's der abschaltenden Seite und Einschalten der IGBT's der einschaltenden Seite lbn und lbp derart, dass die IGBT's der abschaltenden Seite „hart" abschalten nachfolgende Kommutierung des Laststromes auf die Varistoren der abschaltenden Seite Vgn und Vap wieder nachfolgende Kommutierung des Laststromes auf die IGBT's der übernehmenden Seite und Führung des Laststromes durch diese.
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