分級開關的製作方法

2023-06-04 02:52:11 2

分級開關的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於電壓調節的分級開關，具有半導體開關元件，這些半導體開關元件在一個具有調節線圈的調節變壓器上。分級開關構成為模塊化的，其中，每個模塊分別包括調節線圈的一個分線圈，該分線圈通過半導體開關元件可接通或可斷開。附加地集成有可變電阻和電容器，以保護半導體開關元件免受高電壓影響。
【專利說明】分級開關

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於電壓調節的分級開關，具有半導體開關元件。

【背景技術】
[0002] DE 2248166 A已描述了一種可調節的具有半導體開關元件的變壓器。在此次級線 圈包括一定數量的調節線圈部分，這些調節線圈部分包括在一定數量的串聯連接的線圈組 中，其中每個線圈組含有兩個或三個並聯連接的調節線圈部分。在此每個調節線圈部分設 有一個非接觸式開關元件。在該文獻中，還描述了另一種變化方案，其中變壓器的次級線圈 包括一組串聯連接的調節線圈部分，其中每個調節線圈部分含有四個非接觸式開關元件。 所述結構如此配置，以致在調節線圈部分的端子上的電壓的方向是可逆的以及按選擇還可 跨接整個調節線圈部分。
[0003] 由DE 2508013 A已知另一種用於逐級接通一個變壓器的次級電壓的裝置。在這 種情況下還以一些分線圈對次級線圈進行編組，其中同樣可以設置有用於轉換的半導體開 關元件。
[0004] DE 19747712 C2描述了一種在構成為自耦變壓器的分級變壓器上的相似類型的 分級開關的結構。在這種情況下，同樣設置有一些單個線圈部分，這些單個線圈部分單個地 且彼此無關地可接通。除了調節線圈的一些固定的抽頭外，在這種結構中，還可接上或可接 通一些附加分開的線圈部分。
[0005] 由W0 95/27931已知另一種用於無中斷地進行負荷轉換的分級開關的一些不同 的實施形式，其中也將晶閘管用作開關元件。在此藉助逆並聯連接的晶閘管對，一個分級線 圈的不同的線圈部分作為相應的分級變壓器的次級線圈的部分是可接通或可斷開的。為了 實現一種儘可能精細分級的電壓調節，在存在的線圈抽頭有限時，在這篇文獻中還建議了 一種稱作"離散循環調製"的方法，其中晶閘管如此被控制，以致得出次級電壓的中值。
[0006] 由出版物"A new approach to solid-state on load tap changing transformers^ (Osman,Demirci ；David,A.,Torrey ；Rober, C. , Degeneff；IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, Issue: 3, Juli 1998)已知一種模塊化構造的 半導體開關分級開關系統。在此調節線圈與多個模塊串聯連接。其中每一個模塊都具有半 導體開關元件以及具有不同線圈匝數的分線圈。通過針對性地操縱半導體開關元件，用於 調節線圈的分線圈可以被接通或斷開。通過不同的線圈匝數，甚至可以相對彼此且相對主 線圈連接分線圈。該出版物構成第一權利要求的前序部分。
[0007] 在由現有技術已知的解決方案中，半導體開關元件在傳統的、機械的分級開關中 實際上承擔機械的選擇器弧刷的功能。藉助半導體開關元件，調節線圈的單個線圈抽頭本 身可以被接通或斷開。也可以將調節線圈分成可以分開接通的分線圈。
[0008] 這些分級開關必須滿足與IEC 60060相結合的不同的IEC標準60214-1的要 求。此外必須實施一種交流電壓試驗（不同來源的交流耐壓試驗（separate source AC withstand voltage test))以及一種雷電衝擊電壓試驗（lightning impulse voltage test)。在交流電壓試驗中，施加頻率為50或60 Hz的單相的交流電壓，持續60秒。在這 裡根據允許使用的平均運行電壓，數值可以在20至325 kV。雷電衝擊電壓試驗必須以標準 化形式1.2/50 μ s實施。在此交流電壓可以上升到直至1.8 MV的值。由於這些交流電壓 直接降落在分級開關上特別是降落在半導體開關元件上，而這些半導體開關元件可能不是 為這些高值設計的或只能以高花費針對這些高值設計的，所以很有可能損壞這些半導體開 關元件。


【發明內容】

[0009] 因此，本發明的任務是，提供一種具有半導體開關元件的分級開關，其中半導體開 關元件受到保護而免受高的根據標準由試驗得出的交流電壓影響。
[0010] 所述任務通過具有第一權利要求的特徵的分級開關得以解決。從屬權利要求涉及 本發明的特別有利的擴展方案。
[0011] 總的發明構思在於，與每個半導體開關元件並聯地連接有串聯的一個與電壓相關 的電阻和一個電容器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 下面要藉助附圖示例性地更進一步闡述本發明。

【具體實施方式】
[0013] 所述附圖示出了一個待調節的變壓器，該變壓器包括一個低壓線圈1和一個高壓 線圈可調線圈（高壓線圈）2,可調線圈在這裡具有三個分開的分線圈Wl、W2和W3, 一個根 據本發明的分級開關3連接到這些分線圈上。虛線在此象徵性表示分級開關3的範圍，該 分級開關在這裡包括三個單個的模塊Ml、M2、M3。但模塊的數量是可自由選擇的。第一模 塊Ml包括第一分線圈W1以及在其兩側的兩個旁路通路，這些旁路通路分別包括一個由兩 個半導體開關元件例如SI. 1和S1. 2或S1. 3和S1. 4構成的串聯電路。在兩個串聯連接的 開關元件之間分別設置有一個中間抽頭Ml. 1或Ml. 2。與每個半導體開關元件SI. 1 - S1. 4 並聯地設置一個帶有串聯連接的與電壓相關的電阻Rl. 1 - R1. 4的電容器Cl. 1 一 C1. 4。
[0014] 單個的半導體開關元件只示意性地作為簡單的開關示出。它們在實踐中包括並聯 連接的晶閘管、IGBT或其他半導體開關元件。它們也可以分別包括多個這樣的單個的半導 體開關元件的串聯或並聯電路。與電壓相關的電阻涉及所謂的可變電阻或抑制二極體。
[0015] 第一模塊Ml的中間抽頭Ml. 1與高壓線圈2的末端電連接。模塊Ml和M2經由中 間抽頭Ml. 2和M2. 2電連接。第二模塊M2同樣地構造；它也包括一個分線圈W2、兩個分別 由兩個半導體開關元件S2. 1和S2. 2或S2. 3和S2. 4構成的串聯電路以及與此並聯地串聯 連接的電容器C2. 1 - C2. 4和電阻R2. 1 - R2. 4。在相應的串聯電路之間也再設置有中間 抽頭M2. 1或M2. 2。其中一個中間抽頭M2. 2與第一模塊Ml的接線已經解釋過了；第二中 間抽頭M2. 1本身與同類的第三模塊M3的一個中間抽頭M3. 1連接。這個模塊也包含其間 具有中間抽頭M3. 1和M3. 2的半導體開關元件S3. 1 - S3. 4,以及電容器C3. 1 - C3. 4、電 阻R3. 1 - R3. 4和一個分線圈W3。第三模塊經由中間抽頭M3. 2與一個負荷引線（星形接 點）4連接。
[0016] 通過測量相應的分線圈W1、W2、W3可以區分所描述的三個模塊Ml、M2、M3。
[0017] 通過針對性地操縱各個模塊M1-M3的單個半導體開關元件Sn. 1-Sn. 4,可以將各 個分線圈W1-W3接通或斷開。在分線圈大小不同的情況下，甚至可以相對彼此連接這些分 線圈。
[0018] 在按IEC標準進行試驗時，巨大的電壓施加在半導體開關元件Sn. η上。為了保護 半導體開關元件Sn.n，在雷電衝擊電壓試驗和交流電壓試驗中，將一個與電壓相關的電阻 Rn. η(例如一個可變電阻或一個充氣的過電壓放電器等等）與其並聯。
[0019] 與電壓相關的電阻Rn. η這樣設計，以致該電阻在交流電壓試驗情況下正好不傳 導或在另一種實施形式中引導如此小的電流，以致在上述時間間隔中產生的功耗不導致構 件的損壞。在雷電衝擊電壓試驗框架中，與電壓相關的電阻Rn. η傳導並限制降落在半導體 開關元件Sn. η上的電壓。由於這一原因，半導體開關元件Sn. η必須這樣設計，以致該半導 體開關元件無損傷地經受住這個降落的電壓。
[0020] 由於雷電衝擊電壓試驗的電壓脈衝的升高與交流電壓試驗相比成倍加快，所以該 升高具有比交流電壓試驗的頻譜（最大60Hz)更高頻率的部分（較大的60Hz)。由於這一 原因，與電壓相關的電阻Rn.n被電容連接。這通過與電容器Cn.n串聯實現。通過這種連 接產生一個高通濾波器。在低頻交流電壓試驗期間，載荷遠離與電壓相關的電阻Rn. η。
[0021] 特別有利的是，在這種結構上事實是，與電容器Cn.n連接的與電壓相關的電阻 Rn.n(可變電阻）現在只須與雷電衝擊電壓試驗的要求相匹配。這些要求與交流電壓試驗 的要求相比要低得多，因為包含的能量較低，這反映到成本和所需的結構空間上。另一個積 極效果是，還可以將半導體開關元件Sn. η的尺寸設計得更小。這本身也帶來成本優勢。
【權利要求】
1. 用於電壓調節的分級開關，具有半導體開關元件，這些半導體開關元件在一個具有 調節線圈的調節變壓器上，其中，分級開關（3)具有至少一個模塊（M1、M2、M3)，每個模塊 (M1、M2、M3)分別包括調節線圈的一個分線圈（W1、W2、W3)以及在其兩側的兩個旁路通路， 每個旁路通路分別包括一個由兩個半導體開關元件（S1. 1、SI. 2 ;S1. 3、SI. 4 ;S2. 1、S2. 2 ; 52. 3、S2. 4 ;S3. 1、S3. 2 ;S3. 3、S3. 4 ;S4. 1、S4. 2 ;S4. 3、S4. 4)構成的串聯電路，在每個旁路 通路的兩個串聯連接的半導體開關元件（S1. 1、SI. 2 ;S1. 3、SI. 4 ;S2. 1、S2. 2 ;S2. 3、S2. 4 ; 53. 1、S3. 2 ;S3. 3、S3. 4 ;S4. 1、S4. 2 ;S4. 3、S4. 4)之間分別設置有一個中間抽頭（ML 1、 Ml. 2 ;M2. 1、M2. 2 ;M3. 1、M3. 2)，每個模塊（M1、M2、M3)的兩個中間抽頭（Ml. 2 ;M2. 1、M2. 2 ; M3. 1)中的其中一個中間抽頭分別與相鄰模塊的一個中間抽頭連接，並且第三模塊（M3)的 剩下的一個中間抽頭（M3. 2)與負荷引線（4)可連接而第一模塊（Ml)的剩下的另一個中 間抽頭（Ml. 1)與調節變壓器的調節線圈（2)可連接，其特徵在於，與每個半導體開關元 件（S1. 1、SI. 2 ;S1. 3、SI. 4 ;S2. 1、S2. 2 ;S2. 3、S2. 4 ;S3. 1、S3. 2 ;S3. 3、S3. 4 ;S4. 1、S4. 2 ; 54. 3、S4. 4)分別並聯地設置有一個與一個電容器（Cl. 1、Cl. 2 ;C1. 3、Cl. 4 ;C2. 1、C2. 2 ; C2. 3、C2. 4 ;C3. 1、C3. 2 ;C3. 3、C3. 4、C4. 1、C4. 2 ;C4. 3、C4. 4)串聯連接的與電壓相關的電 阻（Rl. 1、Rl. 2 ;R1. 3、Rl. 4 ;R2. 1、R2. 2 ;R2. 3、R2. 4 ;R3. 1、R3. 2 ;R3. 3、R3. 4 ;R4. 1、R4. 2 ; R4. 3、R4. 4)。
2. 根據權利要求1所述的分級開關，其特徵在於，分級開關（3)剛好包括三個模塊Ml、 M2 和 M3。
3. 根據權利要求2所述的分級開關，其特徵在於，所述三個模塊（Μ1···Μ3)的分線圈 (W1*"W3)按1:3:6或1:3:9的比例分配。
4. 根據權利要求1至3之一所述的分級開關，其特徵在於，半導體開關元件（S1.1、 SI. 2 ；S1. 3,S1. 4 ；S2. US2. 2 ；S2. 3,S2. 4 ；S3. US3. 2 ；S3. 3,S3. 4 ；S4. US4. 2 ；S4. 3,S4. 4) 每個包括一個逆並聯連接的晶閘管對或逆串聯連接的IGBT對。
5. 根據權利要求1至4之一所述的分級開關，其特徵在於，至少一個半導體開關元件 (Snl…Sn4)包括至少兩個單個半導體開關元件（Snl…Sn4)的串聯電路或並聯電路。
【文檔編號】G05F1/14GK104160351SQ201380012915
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年1月15日 優先權日:2012年3月8日
【發明者】A·賴希, V·卡勒 申請人:賴茵豪森機械製造公司