DE2203176B2

DE2203176B2 - Stufenschalter zum Umschalten eines Laststromes eines Transformators

Info

Publication number: DE2203176B2
Application number: DE2203176A
Authority: DE
Inventors: Sten Dipl.-Ing. Vaesteraas Elvin (Schweden)
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1971-02-05
Filing date: 1972-01-24
Publication date: 1978-06-22
Also published as: SE350143B; FR2124273B1; NO132511B; US3728611A; DE2203176A1; GB1376361A; IT952862B; DE2203176C3; CA935878A; FR2124273A1; NO132511C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stufenschalter zum Umschalten eines Laststromes eines Transformators, wie er im Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben ist. Ein derartiger Stufenschalter ist aus der deutschen Patentschrift 6 74 538 bekannt.

Die Durchführung von Einschaltungen und Unterbrechungen bei Stufenschaltern mit Halbleiterventilen, vorzugsweise Thyristoren, ist ferner bekannt aus IEE-Conf. 1969, part I, S. 185-192.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 18 07 589 ist eine Anordnung zur feinstufigen Spannungsverstellung an Transformatoren bekannt, bei der steuerbare Gleichrichter verwendet werden. Um beim Umschalten von einer Anzapfung auf die andere das Auftreten von Oberwellen zu vermeiden, liegt parallel zu den steuerbaren Gleichrichtern eine ganze Gruppe untereinander paralleler Schaltungen aus einem Widerstand und einem in wechselnder Richtung gepolten steuerbaren Halbleiter. Die einzelnen Parallelschaltungen können auch aus der Reihenschaltung eines Widerstandes mit zwei antiparallelgeschalteten steuerbaren Halbleitern bestehen. Die Widerstände in der Vielzahl von Parallelzweigen sind abgestuft, und bei der Übernahme des Stroms von der einen Anzapfung zur anderen werden die steuerbaren Halbleiter der Vielzahl von Parallelschaltungen allmählich nacheinander gezündet

Die Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Transformators erfolgt entweder ohne Überlappung bei Nulldurchgang des Laststroms (BE-OS 15 63 280, Siemens-Zeitschrift 39 [1965], Heft 4, Seite 270) oder mittels der Methode der natürlichen

ίο Kommutierung (DE-AS 1247 479). Als Schaltelemente werden in beiden Fällen antiparallelgeschaltete Thyristoren verwendet Zwei solche Paare je Phase sind erforderlich. Ein Wähler schließt sich an die leitende bzw. anzuschaltende Wicklungsanzapfung an und Umschaltkontakte sind eingeschaltet, um die Thyristoren zu schützen und Leitverluste zu vermeiden.

Beim Umschalten beim Nulldurchgang des Laststroms läßt man den leitenden Thyristor der abzuschaltenden Anzapfung beim Nulldurchgang des Stroms erlöschen. Nach einer kurzen Pause wird den anzuschaltenden Thyristoren Steuerstrom zugeleitet

Während der Pause werden die Thyristoren der vollen Transformatorspannung U, ausgesetzt die sehr viel große/ ist als die Stufenspannung t/_s. ÄC-Kreise schützen gegen Überspannungen, d. h. sie übernehmen kurzzeitig den Laststrom. Beim Umschalten auf eine niedrigere Windungszahl, womit eine Verminderung der Sekundärspannung (leistungsabgebende Seite) des Transformators gemeint ist erhält der abzuschaltende Thyristor die zurückkehrende Transformator- und Stufenspannung als negative Sperrspannung.

Bei deformierten Nulldurchgängen der Lastspannung kann der abzuschaltende Thyristor zu früh einer positiven Sperrspannung ausgesetzt sein.

Aus der DE-AS 12 80399 ist eine Anordnung zum Hochfahren eines Gleichstrommotors bekannt, bei der ein Transformator mit einer Anzahl von Anzapfungen vorhanden ist, die über zwei Antiparallelschaltungen von Halbleiterventilen auf den Motor schaltbar sind.

Dabei sind diese beiden Antiparallelschaltungen zur Anschaltung an jede beliebige Transformatoranzapfung vorgesehen. Bei dieser Anordnung bestehen die Halbleiterventile der einen Antiparallelschaltung aus kontinuierlich steuerbaren Elementen, während die Halbleiterventile der anderen Antiparallelschaltung aus ein- bzw. ausschaltbaren Elementen bestehen. Über die erstgenannte Antiparallelschaltung wird die Spannung kontinuierlich hochgefahren, dann wird diese Spannung an die andere Antiparallelschaltung abgegeben, und die

so erste Antiparallelschaltung wird auf die nächsthöhere Transformatoranzapfung umgeschaltet usw.

Der eingangs genannte, aus der DE-PS 6 74 538 bekannte Stufenschalter arbeitet nicht mit Halbleiterventilen, sondern mit Entladungsgefäßen, und die

Übertragung des Laststromes erfolgt auch bei induktiver Belastung nach der Methode des Umschaltens beim Nulldurchgang.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stufenschalter nach der eingangs genannten Art unter Verwendung von Thyristoren derart weiterzuentwickeln, daß der abzuschaltende Thyristor gegen ein oberweüenbedingtes vorzeitiges Auftreten einer postiven Sperrspannung geschützt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Stufenschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsge-

genstandes ist in dem Unteranspruch genannt.

Bei der Übertragung des Laststroms nach der Methode des Umschaltens beim Nulldurchgang des Lastroms übernimmt der Widerstand durch Zündung des Thyristors im Hilfskreis kurz vor dem Nulldurchgang einen Kurzschlußstrom. Nach dem Nulldurchgang wird der Hilfskreis kurzgeschlossen und die Spannung über dem Widerstand gibt einen Sperrspannungsbeitrag an den vor dem Nulldurchgang leitenden Thyristor.

Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispifle soll die Erfindung näher erläutert werden:

F i g. 1 zeigt die bekannte Ausführung eines Stufenschalters;

F i g. 2 zeigt einen Stufenschalter mit Hilfskreis;

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stufenschalters nach der Erfindung;

F i g. 4 zeigt abtastende und steuernde Glieder für den Stufenschalter gemäß F i g. 3.

Es folgt eine Beschreibung des Schaltverl ahrens beim Umschalten mittels natürlicher Kommutierung auf eine höhere Windungszahl im Anschluß an F i g. 1.

F i g. 1 zeigt einen Stufenschalter mit zwei antiparallelgeschalteten Thyristorpaaren 1 und 2 bzw. 3 und 4 mit Anschlüssen 8 bzw. 9 an der Wicklungsanzapfung 11 der Wicklung 10 eines Transformators 12. Die beiden anderen Anschlüsse der Thyristorpaare sind an eine Last 7 angeschlossen. Ein Steuerglied 6 gibt Steuerimpulse an die Thyristoren 1,2,3 und 4.

Es wird angenommen, daß der Thyristor 3 an der abzuschaltenden Anzapfung 9 sich im leitenden Zustand befindet Der Thyristor 1, der dieselbe Durchlaßrichtung hat und an die anzuschaltende Anzapfung angeschlossen ist, hat positive Sperrspannung. Er zündet, wobei der Strom wendet, und der abzuschaltende Thyristor 3 bekommt negative Sperrspannung. Das Umschalten auf eine höhere Windungszahl erfolgt, während Strom und Spannung in Phase sind. Das Umschalten auf eine niedrigere Windungszahl erfolgt, während Strom und Spannung in Gegenphase sind. Bei reiner Wirklast kann ein Umschalten auf niedrigere Windungszahl mittels natürlicher Kommutierung nicht erfolgen; vielmehr kommt die Methode mit Wechseln bei Stromnulldurchgang zur Anwendung, die im Anschluß an F i g. 1 beschrieben wird.

Der leitende Thyristor 1 des ersten Thyristorpaares (abzuschaltendes Paar) erlischt beim Nulldurchgang des Laststromes Λ Nach einer kurzen Pause wird dem Thyristor 4 des anderen Thyristorpaares (anzuschaltendes Paar) Steuerstrom zugeleitet. Während der Pause kehrt die volle Transformatorspannung U_p zurück, die viel größer ist als die Stufenspannung U_s. Eventuell kann ein mit den Thyristoren parallelgeschalteter ÄC-Kreis kurzzeitig den Laststrom übernehmen, d. h. gegenÜberspannung schützen. Beim Umschalten auf eine niedrigere Windungszahl bildet die zurückkommende Transformator- und Stufenspannung eine negative Sperrspannung für den abzuschaltenden Thyristor 1. Das bedeutet, daß nur die Zündverzögerung die Länge der Pause bestimmt Beim Umschalten auf eine höhere Windungszahl mittels dieser Methode kehrt die Transformatorspannung als negative Sperrspannung zurück, während die Stufenspannung U₅ als positive Sperrspannung zurückkehrt. Das hat zur Folge, daß die Pause hinsichtlich der Freiwerdezeit der Thyristoren kritisch ist. Die Methode ist also ungeeignet beim Umschalten auf eine höhere Windungszahl, da sie sehr schnelle Thyristoren erfordert.

Wenn die Spannung beim Nulldurchgang deformiert ist, kann der abzuschaltende Thyristor zu früh einer positiven Sperrspannung ausgesetzt werden. Dies führt zu keinen Problemen beim Schalten gemäß der Methode mit natürlicher Kommutierung; im übrigen aber kann die Methode angewendet werden, die in F i g. 2 gezeigt ist, bei der ein Hilfskreis, bestehend aus einem Widerstand 13 in Reihe mit einem Thyristor 5, der mit dem anzuschaltenden Thyristorpaar parallel geschaltet ist und beim Schalten auf eine niedrigere Windungszahl ausgenutzt wird, wenn reine Wirklast vorliegt

Das Schaltverfahren läuft wie folgt ab. Es wird angenommen, daß Thyristor 1 leitend sei. Kurz vor dem Stromnulldurchgang zündet Thyristor 5, wobei der Widerstand 13 vom Kurzschlußstrom UJR durchflossen wird, wobei R der Wirkwiderstandswert des Widerstandes ist Der Strom durch Thyristor 1 ist dabei // + UJR. Kurz nach dem Nulldurchgang zündet Thyristor 4, wobei der Hilfskreis kurzgeschlossen und die Umschaltung vollendet wird. Die Spannung über dem Widerstand 13 gibt einen negativen Sperrspannungszuschuß an Thyristor 1, gleichzeitig wird der Laststrom // von Thyristor 5 übernommen, ehe Thyristor 4 zündet

Fig.3 zeigt einen Teil einer Wicklung 10 des Transformators 12 mit den Wicklungsanzapfungen 111-115. Die Anschlußkontakte 8 und 9 des Stufenschalters sind an ein und dieselbe Wicklungsanzapfung 113 angeschlossen. Der Stufenschalter enthält drei antiparallelgeschaltete Thyristorpaare, 31 und 32, 33 und 34 bzw. 35 und 36. Das Thyristorpaar 31 und 32 ist zwischen dem einen Anschlußkontakt 9 des Stufenschalters und einer Umschalteinheit 29 an den Kontakt 43 dieser Einheit angeschlossen. Von dem Anschlußkontakt 9 geht eine weitere Verbindung 37 zu dem Kontakt 44 der Umschalteinheit 29. Parallel zum Thyristorpaar 31 und 32 ist mittels der Wicklung 21 ein abtastendes Glied 50 angeschlossen, das in Fig.4a gezeig wird. Zwischen dem Thyristorpaar 31 und 32 una dem Kontakt 43 ist das genannte Glied 50 mittels einer Wicklung 25 angeschlossen. Die Thyristoren 31 und 32 werden von einem Steuerglied 14 gesteuert.

Das Thyristorpaar 33 und 34 ist zwischen dem Anschlußkontakt 8 und dem Kontakt 42 der Umschalteinheit 29 angeschlossen. Von dem Anschlußkontakt 8 geht eine weitere Verbindung 38 zu dem Kontakt 41 der Einheit 29. Parallel zu dem Thyristorpaar 33 und 34 ist mittels der Wicklung 23 ein abtastendes Glied 60 angeschlossen, das in F i g. 4b gezeigt ist. Zwischen dem Thyristorpaar 33 und 34 und dem Kontakt 42 ist das genannte Glied 60 mittels einer Wicklung 27 angeschlossen. Parallel zum Thyristorpaar 33 und 34 ist außerdem ein Hilfskreis angeschlossen, der aus einem Widerstand 13 in Reihe mit dem antiparallelgeschalteten Thyristorpaar 35 und 36 besteht. Die Thyristoren 33 und 34 werden von einem Steuerglied 15 und die Thyristoren 35 und 36 von einem Steuerglied 16 gesteuert Von den steuernden Einheiten 45, 46 und 47 gehen Anschlüsse zu den Steuergliedern 14, 15 und 16, wie in F|g.4c und 4d gezeigt ist. Die Anschlüsse a—f und a-r-f zu den steuernden Einheiten 45, 46 und 47 bilden die Ausgänge der abtastenden Glieder 50 bzw. 60, die in Fig.4a bzw. 4b gezeigt sind. Die abtastenden Glieder 50 und 60 sind über ihre Wicklungen 22, 26, 24, 28 an die Wicklungen 21,25,23,27 angeschlossen, die in F i g. 3 gezeigt sind. Die Kontakte 17,18,19,20 können aus Mikroschaltern bestehen, die von dem Kontakt 20 betätigt werden. Der Kontakt 20 ist ein Anschlag, der an

dem beweglichen Kontakt 30 der Umschalteinheit 29 befestigt ist, die an der Last 7 angeschlossen ist. Die Ausgänge der abtastenden Glieder 50 und 60 liefern folgende Informationen:

a: Thyristor 31 ist im Durchlaßzustand;

b: keiner der Thyristoren 31 und 32 ist im Durchlaßzustand;

c. Thyristor 32 ist im Durchlaßzustand;

d: Thyristor 31 hat positive und Thyristor 32 negative Sperrspannung;

e: keine Spannung an den Thyristoren 31 und 32;

/: Thyristor 31 hat negative und Thyristor 32 hat positive Sperrspannung;

ä: Thyristor 33 ist im Durchlaßzustand;

b: keiner der Thyristoren 33 und 34 ist im Durchlaßzustand;

c. Thyristor 34 ist im Durchlaßzustand;

d: Thyristor 33 hat positive und Thyristor 34 hat negative Sperrspannung;

e: keine Spannung über den Thyristoren 33 und 34;

f: Thyristor 33 hat negative und Thyristor 34 hat positive Sperrspannung.

Es folgt eine genaue Beschreibung eines Stufenschalters gemäß der Erfindung in der Ausführung gemäß Fig.3 mit dazugehörigen abtastenden und steuernden Gliedern gemäß F i g. 4, teils beim Umschalten auf eine höhere Windungszahl und teils beim Umschalten auf eine niedrigere Windungszahl mit und ohne eingeschalteten Hilfskreis.

Umschalten auf höhere Windungszahl

Der Kontakt 30 ist in Anfangslage in Kontakt mit den Kontakten 41 und 44, wie es in F i g. 3 gezeigt ist. Die Anschlußkontakte 8 und 9 des Stufenschalters sind an dieselbe Wicklungsanzapfung 113 angeschlossen. Beim Umschalten auf eine höhere Windungszahl wird der Kontakt 30 um seine Achse 39 in positive Richtung (gegen den Uhrzeigersinn) gedreht. Wenn der Kontakt zwischen dem Kontakt 30 und dem Kontakt 44 unterbrochen ist, ist der Anschlußkontakt nicht länger stromführend, da jetzt der ganze Laststrom // durch die Kontakte 41 und 30 zu der Last 7 fließt. Der Anschlußkontakt kann dann stromlos an die gewünschte Wicklungsanzapfung, z.B. 114, angeschlossen werden. Der Kontakt 30 kommt nach 90^c-Drehung in positiver Richtung in Kontakt mit den Kontakten 41 und 42. Und der an Kontakt 30 befestigte Anschlag 20 beeinflußt den Mikroschalter 17. Über den Mikroschalter 17, den Kippschalter 100 und das Steuerorgan 15 erhält man Zündstrom zu den Thyristoren 33 und 34. Wenn der Kontakt 30 noch weiter in positiver Richtung gedreht wird, geht der gesamte Laststrom über die Kontakte 42 und 30. Wenn der Kontakt 30 um 180° gedreht worden ist, hat er Kontakt mit den Kontakten 42 und 43 und der Anschlag 20 beeinflußt den Mikroschalter 18. Der Mikroschalter 18 sperrt über den Kippschalter 100 den Steuerstrom zu den Thyristoren 33 und 34. Glied 101 (alt. 102) schallet um, wenn die Voraussetzungen dafür erfüllt sind, d. h. wenn der Steuerstrom zu den Thyristoren 33 und 34 gesperrt und der Thyristor 33 (alt. 34) leitend ist, Thyristor 31 (alt. 32) positive und Thyristor 32 (alt. 31) negative Sperrspannung hat. Dann kann natürliche Kommutierung stattfinden. Der Kippschalter 103 (alt. 104) zündet Thyristor 31 (alt. 32), wobei die Kommutierung erfolgt.

Das Umschalten wird dann mit Glied 105 (alt. 106 vollendet. Der Kontakt 30 wird danach in positive! Richtung in Ausgangslage zurückgedreht, wobei auch der Anschlußkontakt stromlos an die Wicklungsanzapfung 114 angeschlossen werden kann.

Umschalten auf niedrigere Windungszahl

Der Kontakt 30 befindet sich in Ausgangslage gemäC F i g. 3 und die Anschlußkontakte 8 und 9 befinden sich

ίο an derselben Wicklungsanzapfung 113. Der Kontakt 31 wird in negativer Richtung (im Uhrzeigersinn) gedreht Wenn der Kontakt zwischen den Kontakten 30 und 41 unterbrochen ist, kann der Anschlußkontakt 8 stromlos an eine gewünschte Wicklungsanzapfung, z.B. 112 angeschlossen werden. Der Laststrom //fließt dann übei die Kontakte 44 und 30. Der Kontakt 30 kommt nach 90°-Drehung in Kontakt mit den Kontakten 44 und 43 Der Anschlag 20 beeinflußt dabei den Mikroschalter 19 Über den Mikroschalter 19, den Kippschalter 128 unc das Steuerorgan 14 erhält man Zündstrom zu der Thyristoren 31 und 32. Wenn die Last 7 nicht ein reinei Wirkwiderstand ist, d. h, wenn die Voraussetzunger zum Umschalten des Glieds 120 nicht erfüllt sind, erfolgt das Umschalten mittels natürlicher Kommutierung ir

Übereinstimmung mit dem, was beim Umschalten au! höhere Windungszahl mittels der Glieder 130,131,134 135 sowie der Kippschalter 132 und 133 beschrieber worden ist. Die Voraussetzungen für das Ansprecher des Kippschalters 120 sind, daß die Steuerimpulse zi den Thyristoren 31 und 32 gesperrt sind, keine Spannung an den Thyristoren 31 und 32 liegt und keinei der Thyristoren 32 und 34 im Durchlaßzustand ist. Sine diese Voraussetzungen erfüllt, so bedeutet das, daß eir gemeinsamer Nulldurchgang für den Laststrom /; unc die Lastspannung Ui vorliegt. Die von dem abtastender Glied 60 abgetastete Spannung entspricht der Stufenspannung U₅. Die Stufenspannung U_sist in Phase mit dei Transformatorspannung U_t. Das bedeutet, daß eine Wirklast vorliegt, wenn der Laststrom und die Transformatorspannung, d. h. die Lastspannung, miteinander in Phase sind. Wenn das Glied 120 anspricht erhält man ein Eingangssignal zu der steuernden Einheit 47, und zwar über den Anschluß 129. Das Thyristorpaai 31 und 32 wird über den Kippschalter 122 und da:

Steuerglied 14 wieder gezündet. Kurz vor dem nächster Nulldurchgang bekommen die Thyristoren 35 und 3( über den Zeitverzögerungskreis 125, den Kippschaltei 124 und das Steuerglied 16 einen Zündimpuls. Die Zündverzögerung τ\ ist etwas kürzer als eine Halbpeso riode. Gleichzeitig wird der Steuerstrom zu der Thyristoren 31 und 32 gesperrt, und zwar über der Kippschalter 122. Kurz nach diesem Nulldurchganf bekommen die Thyristoren 33 und 34 mit Hilfe de! Zündverzögerungskreises 123, des Kippschalters 12( und des Steuergliedes 15 Zündstrom. Gleichzeitig wire der Steuerstrom zu den Thyristoren 35 und 36 über der Kippschalter 124 gesperrt. Die Zündverzögerung r₂ is etwas länger als eine Halbperiode. Damit ist da: Umschalten zur Wicklungsanzapfung 112 durchgeführt Wenn kein Hilfskreis vorhanden ist, wird das Wechselr beim Nulldurchgang mittels Einschalten des Glieds 12( über den Anschluß 127 zum Kippschalter 121 durchge führt, der an Steuerorgan 15 angeschlossen ist.

Das Umlegen der Anschlußkontakte 8 und 9 kanr

&5 manuell oder zweckmäßigerweise mit einer Anordnung ausgefürt werden, die von den Stellungen des Kontakte! 30 gesteuert wird.
Durch die Erfindung erhält man einen Stufenschalter

mit dem man in allen Umschaltsituationen, gleichgültig, ob es sich um eine Umschaltung auf eine höhere oder eine niedrigere Windungszahl handelt, und unabhängig von der Beschaffenheit der Last eine schnelle und betriebssichere Umschaltung durchführen kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stufenschalter zum Umschalten eines Laststroms eines Transformators von einer ersten Wicklungsanzapfung an eine zweite Wicklungsanzapfung des Transformators mit einem ersten und einem zweiten Paar antiparallelgeschalteter steuerbarer Gleichrichter, wobei jedes Paar zwischen einer Transformatoranzapfung und einem Anschluß für den Laststrom liegt und der Stufenschalter steuernde Einheiten enthält, die das Umschalten von der ersten Wicklungsanzapfung an die zweite Wicklungsanzapfung durch Übertragung des Laststroms von dem an die erste Anzapfung angeschlossenen Gleichrichterpaar auf das an die zweite Anzapfung angeschlossene Gleichrichterpaar steuern, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Gleichrichter Thyristoren dienen und daß ein Hilfskreis, bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (13) mit mindestens einem Hilfsthyristor (5), parallel zu demjenigen Thyristorpaar (3,4) geschaltet ist, welches an der Transformatoranzapfung mit der niedrigeren Spannung liegt, und daß bei der Umschaltung von der höheren auf die niedrigere Spannung eine steuernde Einheit (6) den Hilfsthyristor (5) kurz vor dem Nulldurchgang derjenigen Halbwelle des Laststromes zündet, in der an dem Hilfsthyristor Durchlaßspannung anliegt (F ig-2).

2. Stufenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Hilfsthyristor (35 in Fig.3) ein weiterer Hilfsthyristor (36) antiparallel geschaltet ist und daß bei der Umschaltung von der höheren auf die niedrigere Spannung eine steuernde Einheit (16) denjenigen Hilfsthyristor (35; 36) kurz vor dem Nulldurchgang des Laststromes zündet, an dem Durchlaßspannung anliegt.