Трансформатор со ступенчатым переключателем

Трансформатор со ступенчатым переключателем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к трансформатору со ступенчатым переключателем для безразрывного переключения между частями регулировочной обмотки трансформатора.

Устройства для безразрывного переключения между ответвлениями обмоток ступенчатого трансформатора давно известны из уровня техники. Соответствующие ступенчатые трансформаторы, которые должны регулироваться, содержат ступенчатую регулировочную обмотку с первичной или с вторичной стороны. Обмотка с регулируемой стороны трансформатора, в общем, состоит из постоянной части основной обмотки, и собственно регулировочной обмотки, имеющей несколько ответвлений. Это подробно пояснено, например, в публикации «Axel Krдmer: On-Load Tap-Changers for Power Transformers», опубликованной в 2000 г.

Таким образом, к известному уровню техники относится тот факт, что регулируемый ступенчатый трансформатор содержит со своей регулируемой стороны основную обмотку и последовательно включенную с ней ступенчатую регулировочную обмотку.

После того как в предшествующие ступенчатые устройства были введены механические коммутационные элементы для переключения между отдельными ответвлениями регулировочной обмотки, уже много лет назад получили распространение вакуумные коммутационные элементы. Наконец, в последнее время предложены также полупроводниковые коммутационные элементы для безразрывного переключения между такими ответвлениями обмоток. Такие полупроводниковые коммутационные элементы имеют множество преимуществ: возможно переключение без механических конструктивных элементов, однако они относительно чувствительны к перенапряжениям. В уровне техники такие полупроводниковые коммутационные элементы постоянно подвержены большой нагрузке при нагрузке грозовым напряжением во время испытания трансформатора, а также при переходных режимах в сети (например, при переключении элегазовых вакуумных силовых переключателей (SF₆).

Задача изобретения состоит в создании трансформатора, в котором электрическая нагрузка полупроводниковых коммутационных элементов, используемых в ступенчатом переключателе, минимизирована.

Эта задача решается с помощью изобретения согласно пункту 1 формулы изобретения. Дополнительные пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным усовершенствованным вариантам изобретения.

В основу изобретения положена общая идея - основную обмотку, являющуюся единой согласно уровню техники, разделять с регулируемой стороны трансформатора на две одинаковые части и предусмотреть между этими частями обмоток регулировочную обмотку, а на ней, в свою очередь, соответствующий ступенчатый переключатель.

Это изобретение по сравнению с уровнем техники имеет множество преимуществ. Прежде всего, с одной стороны, полупроводниковые коммутационные элементы больше не нагружаются полной амплитудой волны грозового напряжения, поскольку предварительно включен соответствующий импеданс половины основной обмотки. Поскольку квази-предвключенная часть основной обмотки также поглощает энергию волны грозового напряжения, схема защиты коммутационных элементов также может быть упрощена, что ведет к экономии затрат и места. Кроме того, полупроводниковые коммутационные элементы могут использоваться с меньшим блокирующим/запирающим напряжением, поскольку они в первую очередь рассчитываются по нагрузке грозовым напряжением, а не максимальным импульсным переменным напряжением.

Предвключенная часть разделенной основной обмотки согласно изобретению действует как дроссель для быстрых переходов на сетевом проводе, полупроводниковые коммутационные элементы и в этом случае не нагружаются полной амплитудой и крутизной фронта, поскольку отдельные части обмотки оказывают демпфирующее воздействие как предвключенный дроссель.

Особенно предпочтительно, чтобы конструкция обмотки для разделенной основной обмотки была рассчитана симметричной; благодаря этому силовое воздействие в случае короткого замыкания минимизируется.

Изготовление обеих частей разделенной основной обмотки, согласно изобретению, предпочтительно, может быть разделено на отдельные слои.

Ниже изобретение еще более подробно поясняется со ссылкой на чертежи, на которых показано:

фиг. 1 - вариант осуществления трансформатора согласно изобретению со ступенчатым переключателем,

фиг. 2 - другой вариант осуществления изобретения,

фиг. 3 - таблица ступеней напряжения, получаемая при варианте осуществления согласно фиг. 2,

фиг. 4 - третий вариант осуществления изобретения.

На фиг. 1 в первом варианте осуществления изобретения изображен трансформатор, первичная и вторичная стороны которого отделены друг от друга штрихпунктирной линией. С левой стороны изображения показана первичная сторона, на которой должно осуществляться регулирование. Согласно изобретению предусмотрена разделенная обмотка, состоящая из двух идентичных частей 1, 2 основной обмотки. Между ними установлен ступенчатый переключатель 3, выделенный штриховой линией. Ступенчатый переключатель 3 содержит на данной фиг., как простейший случай, регулировочную обмотку 4, окруженную коммутационными элементами S в виде моста. В качестве коммутационных элементов S используются антипараллельные пары тиристоров, IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или тому подобные полупроводниковые коммутационные элементы. В этом простейшем случае изобретения регулировочная обмотка 4 может подключаться и отключаться. На данной фиг. изображен еще один переключатель 5, так называемый переключатель аварийного запуска (Black-Start), обеспечивающий продолжение работы трансформатора даже при выходе из строя регулятора или полупроводниковых коммутационных элементов. С правой стороны изображена вторичная обмотка 6. С помощью ссылочных позиций 7 и 8 обозначены начало и конец всей структуры обмотки с первичной стороны.

На фиг. 2 изображен усовершенствованный вариант изобретения. При этом ступенчатый переключатель 3 состоит из нескольких частей W1, W2, W3 регулировочной обмотки. На данной фиг. ступенчатый переключатель 3 состоит из трех отдельных модулей М1, М2, М3. Первый модуль М1 содержит первую часть W1 обмотки, а также две шунтирующие цепи по обе стороны от нее, содержащие каждая по схеме последовательного соединения, состоящей из двух полупроводниковых коммутационных элементов S1.1 и S1.2, или соответственно S1.3, или соответственно S1.4. Между обоими последовательно включенными коммутационными элементами предусмотрено соответствующее ответвление М1.1 или соответственно М1.2 от середины. Отдельные полупроводниковые коммутационные элементы на данной фиг. и на последующих фигурах показаны лишь схематично как простые переключатели. На практике они содержат параллельно включенные пары тиристоров, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или других полупроводниковых коммутационных элементов. Они могут также содержать, соответственно, схему последовательного или параллельного соединения из нескольких таких отдельных полупроводниковых коммутационных элементов.

Одно ответвление М1.2 от середины электрически соединено с частью 2 основной обмотки. Другое ответвление М1.1 от середины соединено с ответвлением М2.1 от середины второго модуля М2. Этот второй модуль М2 сконструирован идентично, он также содержит часть W2 обмотки, а также обе схемы последовательного соединения, состоящие из двух полупроводниковых коммутационных элементов S2.1 и S2.2 и S2.3, S2.4, соответственно. Точно так же между соответствующими схемами последовательного соединения снова предусмотрены ответвления М2.1 и М2.2 от середины. Коммутация ответвления М2.1 от середины с первым модулем М1 уже была пояснена, второе ответвление М2.2 от середины, со своей стороны, соединено с ответвлением М3.2 от середины третьего модуля М3.

Этот третий модуль М3, в свою очередь, сконструирован идентично. Он, в свою очередь, содержит часть W3 обмотки, а также обе схемы последовательного включения, состоящей из полупроводниковых коммутационных элементов S3.1 и S3.2 или соответственно S3.3 и S3.4, а также расположенные между ними ответвления М3.1 и М3.2 от середины. Еще не упомянутое до сих пор ответвление М3.1 от середины третьего и в данном случае последнего модуля М3 электрически соединено с частью 1 основной обмотки.

Три описанных здесь модуля М1…М3 отличаются лишь размерами соответствующих частей W1…W3 обмоток.

Часть W2 обмотки во втором модуле М2 в данном случае содержит трехкратное число витков части W1 обмотки в первом модуле М1. Часть W3 обмотки в третьем модуле М3 в данном случае содержит шестикратное число витков части W1 обмотки в первом модуле М1.

На фиг. 3 изображена коммутационная таблица ступенчатого переключателя 3 согласно изобретению, показанного на фиг. 2. Символ «0» означает, что соответствующая часть обмотки не включена, то есть шунтирована. Символ «+» означает, что соответствующая часть обмотки подключена к обмотке 2 высшего напряжения в том же направлении. Наконец, символ «-» означает, что соответствующая часть обмотки подключена к обмотке 2 высшего напряжения в противоположном направлении.

В коммутационной таблице изображены десять ступеней напряжения, получающиеся, если к напряжению ступени обмотки 2 высшего напряжения добавить другие частичные напряжения. Эти частичные напряжения получаются из-за различного согласного включения, встречного включения или шунтирования отдельных частей W1…W3 обмоток. Показано, что определенные ступени напряжения являются излишними, то есть генерируются в результате различных коммутационных состояний.

Точно так же возможно, однако в таблице это не показано, из напряжения в обмотке 2 высшего напряжения вычитать соответствующие частичные ступенчатые напряжения в другом направлении. Следовательно, в общей сложности в этом варианте осуществления получается двадцать одна возможная ступень напряжения. Ступенчатый переключатель находится в среднем положении, обозначенном в данном случае через N. В этом случае части 1 и 2 основной обмотки соединены друг с другом непосредственно.

Показанное согласное включение или соответственно встречное включение, или шунтирование отдельных частей W1…W3 обмоток производится соответствующим коммутированием полупроводниковых коммутационных элементов S1.1…S3.4.

На фиг. 4 изображен очередной вариант осуществления изобретения.

Между частями 1 и 2 основной обмотки установлено в данном случае не показанный ступенчатый переключатель 3. Он содержит два последовательно включенных коммутационных узла А и В. Первый коммутационный узел А, со своей стороны, содержит схему параллельного включения из двух ветвей 9 и 10. В первой ветви 9 предусмотрены два полупроводниковых коммутационных блока S1, S2, включенные последовательно друг с другом. Во второй параллельной ветви 10 по схеме последовательного включения друг с другом предусмотрены два других полупроводниковых коммутационных блока S3, S4. Между обоими последовательно включенными полупроводниковыми коммутационными блоками S1, S2 в первой ветви 9 и обоими последовательно включенными полупроводниковыми коммутационными блоками S3, S4 во второй ветви 10 установлена первая часть W1 регулировочной обмотки.

Второй коммутационный узел В содержит схему параллельного включения трех ветвей 11, 12 и 13. В третьей ветви 11 по схеме последовательного включения друг с другом предусмотрены два полупроводниковых коммутационных блока S5, S6, в четвертой ветви 12 по схеме последовательного включения друг с другом - два полупроводниковых коммутационных блока S7, S8 и в пятой ветви 13 по схеме последовательного включения друг с другом - два полупроводниковых коммутационных блока S9, S10. Между обоими последовательно включенными полупроводниковыми коммутационными блоками S5, S6 в третьей ветви 11 и обоими последовательно включенными полупроводниковыми коммутационными блоками S7, S8 в четвертой ветви 12 установлена вторая часть W2 регулировочной обмотки, а между обоими последовательно включенными полупроводниковыми коммутационными блоками S7, S8 в четвертой ветви 12 и обоими последовательно включенными полупроводниковыми коммутационными блоками S9, S10 в пятой ветви 13 - третья часть W3 обмотки. В этом варианте осуществления второй коммутационный узел В электрически соединен с частью 2 основной обмотки.

В рамках изобретения возможны самые разные варианты осуществления ступенчатого переключателя 3 с самым разным числом регулируемых частей обмотки и с самыми разными соединениями посредством полупроводниковых коммутационных элементов. Во всех этих вариантах осуществления важно только, чтобы со стороны трансформатора был предусмотрен соответствующий ступенчатый переключатель 3 между обеими частями 1, 2 разделенной основной обмотки согласно изобретению, подлежащей регулированию.

1. Трансформатор со ступенчатым переключателем (3), первичной стороной и вторичной стороной,

- причем первичная сторона или вторичная стороны по выбору регулируется посредством ступенчатого переключателя (3);

- с регулируемой стороны трансформатора предусмотрены основная обмотка и по меньшей мере одна регулировочная обмотка (W1, W2, W3), коммутируемая ступенчатым переключателем (3),

- основная обмотка разделена на две части (1, 2) основной обмотки;

- по меньшей мере одна регулировочная обмотка (W1, W2, W3) и коммутирующий ее ступенчатый переключатель (3) электрически размещены между обеими частями (1, 2) основной обмотки таким образом, что

- первая часть (1) основной обмотки подсоединена одним концом к первому концу (М3.1) ступенчатого переключателя (3),

- вторая часть (2) основной обмотки подсоединена одним концом ко второму концу (M1.2) ступенчатого переключателя (3),

- каждая регулировочная обмотка (W1, W2, W3) соединена с первым и вторым концом (М3.1, M1.2) ступенчатого переключателя (3) посредством по меньшей мере одного полупроводникового коммутационного элемента (S, S1.1, S1.2, S1.3, S1.4; S2.1, S2.2, S2.3, S2.4; S3.1, S3.2, S3.3, S3.4, S4.1, S4.2, S4.3, S4.4).

2. Трансформатор по п. 1,

в котором

- ступенчатый переключатель (3) содержит по меньшей мере два модуля (M1, М2, М3),

- каждый модуль (M1, М2, М3) имеет соответствующую регулировочную обмотку (W1, W2, W3), а также две шунтирующий цепи по обе стороны от нее,

- каждая шунтирующая цепь содержит соответствующую схему последовательного включения из двух полупроводниковых коммутационных элементов (S, S1.1, S1.2, S1.3, S1.4; S2.1, S2.2, S2.3, S2.4; S3.1, S3.2, S3.3, S3.4, S4.1, S4.2, S4.3, S4.4),

- в каждой шунтирующей цепи между ее полупроводниковыми коммутационными элементами (S, S1.1, S1.2, S1.3, S1.4; S2.1, S2.2, S2.3, S2.4; S3.1, S3.2, S3.3, S3.4, S4.1, S4.2, S4.3, S4.4) предусмотрено ответвление (M1.1, M1.2; М2.1, М2.2; М3.1, М3.2) от середины,

- регулировочная обмотка (W1, W2, W3) имеет разные числа витков,

- в каждом модуле (M1, М2, М3) одно из его ответвлений (M1.1,; М2.1, М2.2; М3.2) от середины соединено с ответвлением от середины (М2.1, M1.1, М3.2, М2.2) соседних модулей (М2; M1, М3; М2),

- одно остающееся ответвление (M1.2) от середины первого модуля (M1) электрически соединено с одной частью (2) основной обмотки, а одно остающееся ответвление (М3.1, М4.1) от середины последнего модуля (М3; М4) - с другой частью (1) основной обмотки.

3. Трансформатор по п. 1,

в котором

- ступенчатый переключатель (3) содержит два последовательно включенных коммутационных узла (А, В),

- первый коммутационный узел (А) содержит схему параллельного включения из первой и второй ветви (9, 10), и второй коммутационный узел (В) содержит схему параллельного включения из третьей, четвертой и пятой ветви (11, 12, 13),

- каждая ветвь (9, 10, 11, 12, 13) содержит два последовательно соединенных полупроводниковых коммутационных элемента (S1, S2; S3, S4; S5, S6; S7, S8; S9, S10),

- между полупроводниковыми коммутационными элементами (S1, S2) первой ветви (9) и полупроводниковыми коммутационными элементами (S3, S4) второй ветви (10) установлена первая регулировочная обмотка (W1),

- между полупроводниковыми коммутационными элементами (S5, S6) третьей ветви (11) и полупроводниковыми коммутационными элементами (S7, S8) четвертой ветви (12) установлена вторая регулировочная обмотка (W2),

- между полупроводниковыми коммутационными элементами (S7, S8) четвертой ветви (12) и полупроводниковыми коммутационными элементами (S9, S10) пятой ветви (13) установлена третья регулировочная обмотка (W3);

- первый коммутационный узел (А) электрически соединен с указанной одной частью (2) основной обмотки и второй коммутационный узел (В) электрически соединен с указанной одной частью (1) основной обмотки.

4. Трансформатор по любому из пп. 1-3,

в котором

- дополнительно предусмотрен механический контакт (5), выполненный с возможностью шунтировать ступенчатый переключатель (3) таким образом, чтобы в случае необходимости между обеими частями (1, 2) основной обмотки устанавливалось непосредственное электрическое соединение.