專利名稱：一種電子式無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)容的分接開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電力自動(dòng)化領(lǐng)域，具體涉及一種電壓等級(jí)在10 35kV的電子式無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)容分接開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
目前我國(guó)的農(nóng)網(wǎng)電力變壓器損耗還相當(dāng)嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為用電負(fù)荷季節(jié)性強(qiáng)，用 電集中，而傳統(tǒng)電力變壓器容量不可調(diào)整，沒(méi)有采用有載調(diào)壓變壓器，電網(wǎng)電壓波動(dòng)大、力 率低。在夏、秋兩季農(nóng)忙用電集中季節(jié)，農(nóng)村抗旱、排澇、或農(nóng)產(chǎn)品加工用電等大約占全年用 電量的80%，變壓器過(guò)載運(yùn)行現(xiàn)象嚴(yán)重，有時(shí)甚至出現(xiàn)200%過(guò)負(fù)載運(yùn)行現(xiàn)象，電網(wǎng)電壓偏 低，無(wú)功損耗增加；而另一方面在用電淡季，主要是照明用電，變壓器負(fù)載率又低于30%， 出現(xiàn)了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，電壓偏高，空載損耗相對(duì)增加，嚴(yán)重降低了用電設(shè)備的使用壽 命，造成不必要的大量電力資源浪費(fèi)。為了解決農(nóng)網(wǎng)用電負(fù)荷季節(jié)性強(qiáng)的特殊性問(wèn)題，在農(nóng) 網(wǎng)改造工程初期，采取了三桿兩臺(tái)式母子搭配的“母子變壓器”配變運(yùn)行方式，即用大容量 的“母變壓器”去解決大負(fù)荷季節(jié)的用電問(wèn)題，用小容量的“子變壓器”解決平時(shí)輕載時(shí)的 用電問(wèn)題，以達(dá)到“小馬拉小車”、“大馬拉大車”的降損節(jié)能目的。這種方法配置變壓器所 帶來(lái)的明顯弊端一是由于配備大、小兩臺(tái)配電變壓器，設(shè)備閑置時(shí)間長(zhǎng)，利用率低。二是有 兩套跌落式保險(xiǎn)、避雷器甚至計(jì)量裝置，工程造價(jià)過(guò)高；三是由于控制保護(hù)過(guò)于簡(jiǎn)單，給運(yùn) 行和操作帶來(lái)了安全隱患。要實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電網(wǎng)有效的降損節(jié)能，需要新型有載調(diào)容電力變壓器的出現(xiàn)，使其能 夠根據(jù)負(fù)荷大小，利用特制的調(diào)容開(kāi)關(guān)來(lái)變換繞組的聯(lián)結(jié)方式，帶電進(jìn)行容量調(diào)節(jié)，將變壓 器運(yùn)行時(shí)的空載損耗減至最小，確保最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。有載調(diào)容配電變壓器一般具有大小兩 個(gè)容量等級(jí)，它作為降低配變損耗的新型設(shè)備，比較適用于農(nóng)網(wǎng)季節(jié)性負(fù)荷變化大的特點(diǎn)， 可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷大小季節(jié)性地調(diào)節(jié)容量，有效減少用電低谷期變壓器的空載損耗。但是現(xiàn)有調(diào)容分接開(kāi)關(guān)中，用的大都是純機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)，它主要由分接開(kāi) 關(guān)、切換開(kāi)關(guān)、過(guò)渡電阻三部分組成，其基本原理是改變變壓器的一次側(cè)線圈的連接方式和 變壓器二次側(cè)線圈的連接匝數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)變壓器容量的目的。這種分接開(kāi)關(guān)在分接頭轉(zhuǎn)換 過(guò)程中產(chǎn)生電弧，分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度慢，造成三相繞組分合間的不同期性，產(chǎn)生繞組上電 壓的不對(duì)稱運(yùn)行，而導(dǎo)致變壓器主變保護(hù)的動(dòng)作，而且其故障率高，維護(hù)量大，使調(diào)容時(shí)刻 無(wú)法準(zhǔn)確控制。

實(shí)用新型內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械式有載調(diào)容分接開(kāi)關(guān)，調(diào)容切換速度較慢，容易造成高低 容切換后，三相繞組分合間的不同期性，產(chǎn)生繞組上電壓的不對(duì)稱運(yùn)行的問(wèn)題。本實(shí)用新型 提供一種采用電力電子技術(shù)和微處理器控制技術(shù)，通過(guò)控制電力電子開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)有載調(diào) 容的分接開(kāi)關(guān)。一種電子式無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)容的分接開(kāi)關(guān)，包括控制模塊、開(kāi)關(guān)模塊和電源模 塊，其特征在于，所述控制模塊包括DSP微處理器、輸入電路和光纖觸發(fā)電路，所述開(kāi)關(guān)模塊包括IGBT固體開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路、CPLD控制電路和保護(hù)電路，所述輸入電路連接在DSP微 處理器和IGBT固體開(kāi)關(guān)之間，光纖觸發(fā)電路包括發(fā)送端和接收端，發(fā)送器安裝在DSP微處 理器端，接收端安裝在IGBT固體開(kāi)關(guān)端，DSP微處理器依次通過(guò)CPLD控制電路、驅(qū)動(dòng)電路 與IGBT固體開(kāi)關(guān)連接，所述保護(hù)電路連接在IGBT固體開(kāi)關(guān)上，所述電源單元為控制單元和 和IGBT固體開(kāi)關(guān)單元提供電力。本實(shí)用新型的另一優(yōu)選方式所述保護(hù)電路包括過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路和 緩沖電路，為IGBT固定開(kāi)關(guān)提供過(guò)流、過(guò)熱及IGBT器件串并聯(lián)的均流、均壓電路保護(hù)。本實(shí)用新型的另一優(yōu)選方式，所述IGBT固體開(kāi)關(guān)包括由IGBT構(gòu)成的Kl開(kāi)關(guān)組和 K2開(kāi)關(guān)組，高壓側(cè)的Kl開(kāi)關(guān)和K2開(kāi)關(guān)并聯(lián)后連接到對(duì)應(yīng)繞組的抽頭之間，低壓側(cè)每個(gè)抽 頭上并聯(lián)有兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈串聯(lián)一個(gè)Kl開(kāi)關(guān)，K2開(kāi)關(guān)兩端分別連接在并聯(lián)的線圈和Kl 開(kāi)關(guān)之間的線路上。本實(shí)用新型的另一優(yōu)選方式所述IGBT固定開(kāi)關(guān)兩端連接有關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通 緩沖電路。本實(shí)用新型的另一優(yōu)選方式所述關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路是連接有阻容吸 收電路。本實(shí)用新型的另一優(yōu)選方式所述IGBT固體開(kāi)關(guān)兩端連接有閉環(huán)反饋均壓電路。 本設(shè)計(jì)利用電力電子技術(shù)和微處理器控制技術(shù)，通過(guò)控制電力電子開(kāi)關(guān)器件的通 斷和改變變壓器繞組的連接方式，實(shí)現(xiàn)有載調(diào)容。提高了變壓器有載調(diào)容的響應(yīng)速度和降 低了故障率，本裝置無(wú)需機(jī)械開(kāi)關(guān)的切換，也不會(huì)產(chǎn)生電弧，響應(yīng)速度也得到了提高。同現(xiàn) 有的機(jī)械式有載調(diào)容分接開(kāi)關(guān)相比，本實(shí)用新型具有開(kāi)斷時(shí)間短、無(wú)聲響、無(wú)弧光、無(wú)關(guān)斷 死區(qū)、壽命長(zhǎng)、工作可靠性高等方面的優(yōu)越性，其技術(shù)指標(biāo)可以適應(yīng)不同的使用場(chǎng)合、各種 參數(shù)范圍的需要。

圖1本實(shí)用新型電子式有載調(diào)容分接開(kāi)關(guān)接線圖圖2圖1中Kl開(kāi)關(guān)和K2開(kāi)關(guān)IGBT示意圖圖3本實(shí)用新型電子式有載調(diào)容分接開(kāi)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖圖4本實(shí)用新型IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖圖5本實(shí)用新型CPLD邏輯控制單元的功能框圖圖6本實(shí)用新型IGBT關(guān)斷緩沖圖圖7本實(shí)用新型IGBT開(kāi)通緩沖圖圖8本實(shí)用新型柵極反饋閉環(huán)控制的均壓電路圖圖9本實(shí)用新型柵極反饋閉環(huán)控制的均壓電路工作原理圖圖10本實(shí)用新型耦合取能電路原理圖
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型包括控制模塊、開(kāi)關(guān)模塊和電源模塊，控制模塊包括DSP 微處理器、輸入電路和光纖觸發(fā)電路，DSP微處理器采用高性能32位DSP，輸入電路對(duì)IGBT 固體開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為了能夠保證IGBT通斷的同一性，采用光纖觸發(fā)技術(shù)，降低延時(shí)。開(kāi)關(guān)模塊包括IGBT固體開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路、CPLD控制電路和保護(hù)電路。CPLD控 制電路對(duì)所有IGBT器件的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。輸入電路連接在DSP微處理器和IGBT 固體開(kāi)關(guān)之間，光纖觸發(fā)電路包括發(fā)送端和接收端，發(fā)送器安裝在DSP微處理器端，接收端 安裝在IGBT固體開(kāi)關(guān)端，DSP微處理器依次通過(guò)CPLD控制電路、驅(qū)動(dòng)電路與IGBT固體開(kāi) 關(guān)連接，保護(hù)電路連接在IGBT固體開(kāi)關(guān)上，電源單元為控制單元和和IGBT固體開(kāi)關(guān)單元提 供電力。保護(hù)電路包括IGBT過(guò)流保護(hù)、IGBT緩沖電路、IGBT過(guò)熱保護(hù)以及IGBT器件串并 聯(lián)的均流、均壓電路等。通過(guò)DSP上的PWM輸出端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT器件的高性能控制。如圖2、3所示，圖2為Kl開(kāi)關(guān)組和K2開(kāi)關(guān)組連接示意圖，其中圖2中的Kl開(kāi)關(guān) 和K2開(kāi)關(guān)的組成采用圖3中的IGBT連接方式，根據(jù)IGBT的單向?qū)ㄐ?，利用雙IGBT反并 聯(lián)的形式來(lái)構(gòu)成一組交流動(dòng)態(tài)電力電子開(kāi)關(guān)。針對(duì)10kV/0. 4kV的Sll型配電變壓器，分接 開(kāi)關(guān)包括由IGBT組成的兩組開(kāi)關(guān)Kl開(kāi)關(guān)組和K2開(kāi)關(guān)組，Kl開(kāi)關(guān)組代表變壓器高壓側(cè)的3 只開(kāi)關(guān)和變壓器低壓側(cè)的6只開(kāi)關(guān)，K2開(kāi)關(guān)組代表高壓側(cè)的3只開(kāi)關(guān)和低壓側(cè)的3只開(kāi)關(guān)。 高壓側(cè)的Kl開(kāi)關(guān)和K2開(kāi)關(guān)反向并聯(lián)后連接每個(gè)繞組的抽頭之間，低壓側(cè)每個(gè)抽頭上并聯(lián) 有兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈串聯(lián)一個(gè)Kl開(kāi)關(guān)，K2開(kāi)關(guān)兩端分別連接在并聯(lián)的線圈和Kl開(kāi)關(guān)之間 的線路上。開(kāi)關(guān)中的IGBT需要根據(jù)調(diào)容變壓器的容量進(jìn)行選擇。以SZ11-M-T-315(100)/10 為例，經(jīng)計(jì)算，高壓側(cè)開(kāi)斷開(kāi)關(guān)所承受的最大電壓是5. 77kV，閉合開(kāi)關(guān)流過(guò)的最大電流是 18. 2A。低壓側(cè)開(kāi)斷開(kāi)關(guān)所承受的最大電壓為97. 5V，閉合開(kāi)關(guān)流過(guò)的最大電流是454. 7A。 根據(jù)以上計(jì)算，在選擇IGBT型號(hào)時(shí)，其斷態(tài)峰值電壓和額定通態(tài)有效電流都要超出開(kāi)關(guān)的 最大開(kāi)斷電壓和最大電流。因?yàn)镮GBT的耐壓電壓能夠達(dá)到本設(shè)計(jì)中的電壓要求，因此可 以把兩個(gè)IGBT反向并聯(lián)的IGBT組獨(dú)立地直接連接在變壓器的每個(gè)繞組抽頭之間，作為有 載分接開(kāi)關(guān)的執(zhí)行元件。由于IGBT具有可控關(guān)斷特性，可以在計(jì)算機(jī)的控制下快速轉(zhuǎn)換， 所以分接頭回路中不需串入限制環(huán)流的過(guò)渡電阻。當(dāng)調(diào)容變壓器處于大容量運(yùn)行方式時(shí)， IGBTl組全部導(dǎo)通，其余IGBT組關(guān)斷?，F(xiàn)由于負(fù)荷減小，達(dá)到調(diào)容要求時(shí)，需要改換有載分 接開(kāi)關(guān)的分接頭位置達(dá)到調(diào)容的目的。在變換過(guò)程中，先給IGBT2組正向觸發(fā)電壓，使其導(dǎo) 通，隨之給IGBTl組負(fù)脈沖，使其關(guān)斷。在整個(gè)分接開(kāi)關(guān)的控制裝置中，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路是保證分接開(kāi)關(guān)可靠工作的關(guān)鍵 部分。IGBT柵極的驅(qū)動(dòng)條件與IGBT的特性密切相關(guān)。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，需特別注意開(kāi)通特 性、負(fù)載短路能力和誤觸發(fā)等問(wèn)題。在使用中，IGBT由于過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等原因，損壞的情 況時(shí)有發(fā)生。本發(fā)明在富士公司的高速型EXB841基礎(chǔ)上，對(duì)此電路進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，改 進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，其中(1)針對(duì)EXB841驅(qū)動(dòng)模塊過(guò)流保護(hù)閉值過(guò)高的問(wèn)題，在引腳6后反串穩(wěn)壓值為IV 的穩(wěn)壓二極管VZ1，改變EXB841的過(guò)電流保護(hù)起控點(diǎn)，使得驅(qū)動(dòng)模塊的過(guò)流保護(hù)起控點(diǎn)由 7. 5V左右降至6. 5V左右，避免了 IGBT在過(guò)高的保護(hù)起控點(diǎn)下?lián)p壞。也可以根據(jù)主電路實(shí) 際工作情況，增加一只更大的穩(wěn)壓管進(jìn)一步降低起控點(diǎn)，以提高過(guò)流保護(hù)的可靠性。VD2用 于檢測(cè)IGBT是否出現(xiàn)過(guò)流。(2)針對(duì)保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)題，通過(guò)將VD2換成導(dǎo)通壓降更大的超快速恢復(fù)二極管，使 短路時(shí)實(shí)際過(guò)載電流小于IGBT的極限過(guò)載電流，可在一定程度上減輕保護(hù)盲區(qū)帶來(lái)的可 靠性降低問(wèn)題。(3)針對(duì)負(fù)柵壓不足的問(wèn)題，在引腳2和引腳9之間并上電阻Rl和8V穩(wěn)壓二極管VZ2產(chǎn)生一 8V的偏壓，使IGBT固體開(kāi)關(guān)的關(guān)斷更加可靠。(4)針對(duì)無(wú)過(guò)流保護(hù)自鎖功能的問(wèn)題，利用與引腳5連接的光耦產(chǎn)生的通斷狀態(tài) 來(lái)設(shè)計(jì)一種過(guò)流保護(hù)自鎖電路，引腳5作為過(guò)流保護(hù)信號(hào)輸出與光耦TLP521相連，光耦輸 出接至過(guò)流保護(hù)自鎖電路，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，TLP521導(dǎo)通使得過(guò)流保護(hù)自鎖電路工作，在 EXB841軟關(guān)斷期間封鎖輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證軟關(guān)斷不被中斷。(5)穩(wěn)壓二極管VZS用以防止引腳6出現(xiàn)過(guò)電壓；20V穩(wěn)壓二極管VZ3和IOV穩(wěn)壓 管VZ4用以防止柵射極之間出現(xiàn)過(guò)電壓而損壞IGBT固體開(kāi)關(guān)；大電阻R2用以防止柵射極 之間出現(xiàn)斷路；上拉三極管Vl保證有足夠大的輸入電流使光耦導(dǎo)通；電解電容C1、C2用以 平抑因電源接線阻抗引起的供電電壓變化，并非作為電源濾波。在IGBT固體開(kāi)關(guān)工作時(shí)，極有可能發(fā)生器件兩端過(guò)電壓或功率過(guò)電流以及短路 過(guò)電流的狀況，因此必須對(duì)IGBT采取必要的保護(hù)措施。一般采用緩沖電路來(lái)保護(hù)IGBT器 件，以防器件兩端遭受過(guò)電壓沖擊而損壞，過(guò)電流保護(hù)電路一般集成在驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部，可以 保證過(guò)電流保護(hù)電路工作時(shí)不受外部控制信號(hào)的影響，具有更高的安全性和可靠性。本技術(shù)方案的CPLD控制電路采用ALTERA公司的MAX7000系列CPLD器件完成對(duì) EXB841驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)流保護(hù)自鎖功能。利用MAX7000和4MHz的有源晶振組成CPLD邏輯 控制單元，CPLD芯片的延時(shí)一般在納秒級(jí)，有源晶振的頻率也很穩(wěn)定，故能夠設(shè)計(jì)出延時(shí)非 常精確的過(guò)流保護(hù)自鎖電路。另外由于CPLD的可擦寫性，使得控制邏輯的調(diào)整變得非常靈 活，不需要對(duì)其硬件電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。如圖5所示，在CPLD邏輯控制單元的功能框圖中，CPLD邏輯控制單元的主要功能 是①作為DSP主控板與EXB841驅(qū)動(dòng)電路之間的一個(gè)邏輯接口，在正常工作情況下接受來(lái) 自DSP主控板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將它輸出到相應(yīng)的EXB841驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT固體開(kāi)關(guān)的開(kāi)通 與關(guān)斷。②過(guò)流保護(hù)自鎖功能當(dāng)線路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，EXB841進(jìn)入過(guò)流檢測(cè)，實(shí)施過(guò)流軟 關(guān)斷。此時(shí)利用過(guò)流保護(hù)自鎖功能強(qiáng)行封鎖14腳和76腳的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證軟關(guān)斷的時(shí)間， 防止IGBT固體開(kāi)關(guān)由于短路情況下快速關(guān)斷而損壞。當(dāng)故障清除后，鎖定能夠自動(dòng)解除， 輸入信號(hào)能夠進(jìn)行正常驅(qū)動(dòng)。在分接開(kāi)關(guān)實(shí)際關(guān)斷過(guò)程中，感性負(fù)載或雜散電感的影響會(huì)導(dǎo)致IGBT固體開(kāi)關(guān) 兩端出現(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)大的dv/dt，本技術(shù)方案設(shè)計(jì)了如圖6所示的關(guān)斷緩沖電路，將緩沖電 容Cs直接并聯(lián)于主回路IGBT兩端，能夠降低過(guò)電壓，并有效抑制過(guò)大的dv/dt，防止動(dòng)態(tài)擎 住效應(yīng)的發(fā)生。與主回路器件相并聯(lián)的副回路IGBT與緩沖電容以緩沖電阻Rs構(gòu)成放電回 路，緩沖電路中副回路IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主回路IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持同步，當(dāng)主回路IGBT 關(guān)斷時(shí)，以開(kāi)始充電，此時(shí)副回路IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，對(duì)以充電過(guò)程幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)主回 路IGBT閉合時(shí)，以開(kāi)始放電，同時(shí)副回路IGBT閉合，Cs通過(guò)Rs、副回路IGBT放電。該緩沖 電路振蕩頻率低，不會(huì)對(duì)電路以及IGBT固體開(kāi)關(guān)的功耗產(chǎn)生不良影響，效果比較理想，適 用于電壓等級(jí)中等或者較高的場(chǎng)合。為抑制器件開(kāi)通時(shí)電流過(guò)沖和di/dt，減小器件開(kāi)通損
^^ ο本技術(shù)方案設(shè)計(jì)了如圖7所示的開(kāi)通緩沖電路，在主回路IGBT中使用串聯(lián)電感， 器件開(kāi)通時(shí)，電感吸收能量、抑制di/dt ；器件關(guān)斷時(shí)，電感中能量通過(guò)二極管VDs續(xù)流作 用，消耗在VDs和電感本身電阻上，如果電感儲(chǔ)能較大，也可在續(xù)流支路串入一定電阻，Ls 的值可由器件開(kāi)通前承受的電壓值除以所能承受的di/dt值，再減去線路中電感得到。[0035]IGBT固體開(kāi)關(guān)的特性和安全工作區(qū)與溫度密切相關(guān)，當(dāng)器件結(jié)溫升高時(shí)，其安全工作區(qū)將縮小，如果器件開(kāi)關(guān)軌跡不變，將可能超出安全工作區(qū)而損壞，當(dāng)器件結(jié)溫超過(guò)最 高允許值時(shí)，器件將產(chǎn)生永久性損壞。由于器件在工作過(guò)程中具有導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，本 身就是發(fā)熱源，因此在設(shè)計(jì)和使用時(shí)要非常注意器件的熱保護(hù)，本技術(shù)方案采用結(jié)溫降額 使用方法，器件的結(jié)溫通常指芯片的平均溫度，由于功率器件芯片較大，溫度分布不均勻， 因此，局部可能出現(xiàn)高于允許結(jié)溫的過(guò)熱點(diǎn)，導(dǎo)致器件損壞。使用過(guò)程中，必須降額使用，降 額幅度視環(huán)境溫度和設(shè)備可靠性要求不同而不同。當(dāng)電力電子器件的電壓容量不能滿足要求時(shí)，往往需要將多個(gè)器件串聯(lián)起來(lái)以滿 足需要。電力電子器件串聯(lián)時(shí)，由于它們的伏安特性、開(kāi)通時(shí)間、恢復(fù)電荷等方面的分散性， 影響它們直接串聯(lián)的電壓均衡，因此，為了實(shí)現(xiàn)串聯(lián)器件的均壓，需要在特性的選配、門極 觸發(fā)脈沖、均壓電路等方面采取一定措施。IGBT固體開(kāi)關(guān)串聯(lián)運(yùn)行要面臨靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài) 均壓的問(wèn)題。靜態(tài)均壓是指要使IGBT固體開(kāi)關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)時(shí)電壓均衡，靜態(tài)不均壓 主要是由串聯(lián)器件伏安特性不一致引起的。而影響IGBT固體開(kāi)關(guān)串聯(lián)運(yùn)行動(dòng)態(tài)均壓的因 素比較多，如門檻電壓、輸入電容、密勒電容及柵極電阻、柵極驅(qū)動(dòng)電壓的波形等，這些因素 共同影響了串聯(lián)IGBT固體開(kāi)關(guān)開(kāi)通及關(guān)斷時(shí)間的一致性，使得直接串聯(lián)的動(dòng)態(tài)均壓復(fù)雜 化。串聯(lián)聯(lián)接IGBT固體開(kāi)關(guān)實(shí)行均壓的目的是為了保證在開(kāi)通、關(guān)斷瞬間對(duì)每個(gè)IGBT固 體開(kāi)關(guān)的過(guò)電壓保持均衡，因而要求控制電路的響應(yīng)是快速的，不允許產(chǎn)生更多的損耗和 降低系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)在工程上是經(jīng)濟(jì)有效的。為解決IGBT固體開(kāi)關(guān)串聯(lián)動(dòng)態(tài)不均壓 的現(xiàn)象，本技術(shù)方案采用如下一些基本的均壓措施(1)選用相同型號(hào)的IGBT。(2)選擇合適的緩沖電路，緩沖電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)保持一致。(3)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)盡可能保持同步。(4)柵極電路參數(shù)應(yīng)保持一致。線路中的分布電容、雜散電感和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同步不可避免，因此，必須設(shè)計(jì)合理 的動(dòng)態(tài)均壓方案。本技術(shù)方案提出了在IGBT固體開(kāi)關(guān)兩端設(shè)計(jì)柵極控制的閉環(huán)反饋均壓 電路，如圖8所示，壓控電壓源El E4 :E1、E2增益(即輸出輸入比)為0. 01，E3、E4增益 為4.4。E1、E2用以即時(shí)獲取IGBT1、IGBT2的端電壓Uce，并將其縮小100倍送至比較器的 同相輸入端。比較放大器LT1720/LT (圖中U1、U2)用以比較IGBT端電壓Uce與設(shè)定的參考 電壓Uref (接至反相輸入端)之間大小，若Uce < Uref，輸出為0V，反之若Uce > Uref，輸 出為高電平，可以驅(qū)動(dòng)后級(jí)三極管。三極管V1、V2和V3、V4分別組成了功率放大電路。二 極管VD3、VD4和5. IV穩(wěn)壓二極管VZ1、VZ2是為了保證E3、E4與驅(qū)動(dòng)源VS1、VS2之間正常 工作時(shí)互不影響。如果不加VD3、VD4，IGBT正常導(dǎo)通時(shí)，E3、E4輸出為0V，相當(dāng)于IGBT的 柵、射極之間短路，加上VD3、VD4，VSl、VS2的+15V電平將反向加在VD3、VD4兩端，顯然此 時(shí)E3、E4的輸出不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)源正常工作。同理，加VZ1、VZ2是基于驅(qū)動(dòng)源VS1、VS2正常 關(guān)斷IGBT輸出-5V電平而考慮的，如不加VZ1、VZ2，控制回路不工作，即E3、E4輸出OV時(shí)， 會(huì)為VS1、VS2提供短路通路，將IGBT柵、射極短路。如圖9所示，圖9為圖8閉環(huán)反饋均壓電路的電路示意圖，串聯(lián)IGBT固體開(kāi)關(guān)處 于正常阻斷狀態(tài)時(shí)，每個(gè)器件兩端電壓應(yīng)為直流電源電壓的一半。當(dāng)串聯(lián)的某器件(以 IGBTl為例)因?yàn)殛P(guān)斷信號(hào)提前(此時(shí)IGBTl柵射極之間為-5V電壓)，兩端出現(xiàn)過(guò)電壓即0. OlUcel > Uref (5V)時(shí)，比較器Ul輸出高電平，VI、V2導(dǎo)通，V2集電極輸出電壓UrlO經(jīng)E3放大輸出至IGBTl柵、射極，使得在另一個(gè)器件(IGBT2)關(guān)斷之前，IGBTl柵、射極之間有 正電壓使其繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)，IGBTl導(dǎo)通，Ucel將下降，Ul輸出低電平，VI、V2截止，E3 輸出為0V，此時(shí)若IGBT2的關(guān)斷信號(hào)尚未發(fā)出，IGBTl兩端將再次出現(xiàn)過(guò)電壓而重復(fù)前面的 過(guò)程，直至IGBT2關(guān)斷。本技術(shù)方案采用光纖隔離觸發(fā)的方式控制IGBT固體開(kāi)關(guān)的通斷，光纖是很細(xì)的 玻璃纖維，用光纖傳遞信號(hào)有比較高的工藝技術(shù)要求，特別是其兩端的發(fā)送器和接收器，需 要準(zhǔn)確的聚焦和定位。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，用光纖傳遞信號(hào)越來(lái)越方便。光纖發(fā)送器和 接收器有標(biāo)準(zhǔn)的接口，用起來(lái)很方便，電路中輸入和輸出的信號(hào)都是TTL兼容的。在輸出端 只要按所需的觸發(fā)功率放大信號(hào)，即可直接觸發(fā)IGBT固體開(kāi)關(guān)。為了減小IGBT固體開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的電壓尖峰，晶閘管都配有阻容吸收 電路，如圖10所示，當(dāng)晶閘管截止時(shí)，Rg, Cg不斷地向Cs充電，Cs上的電壓經(jīng)過(guò)一定的限 幅穩(wěn)壓后，即可得到一個(gè)穩(wěn)定直流電源，而且與晶閘管的陰極等電位。主電路處于截止?fàn)顟B(tài) 時(shí)，由Rg，Cg進(jìn)行電壓耦合取能，為觸發(fā)電路提供電源。主電路導(dǎo)通之后，晶閘管上的壓降 很低，不能再進(jìn)行電壓取能，在這種狀態(tài)下耦合取能的任務(wù)由電流變壓器Tc來(lái)接替，進(jìn)行 電流耦合取能。當(dāng)儲(chǔ)能電容器Cs上的電壓達(dá)到一定的幅值，則限幅電路動(dòng)作，三極管VT導(dǎo) 通，儲(chǔ)能過(guò)程停止，以防止Cs上的電壓過(guò)高。晶間管只有導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)在截止 時(shí)由電容進(jìn)行電壓耦合取能；導(dǎo)通時(shí)由電感進(jìn)行電流耦合取能，以此保證觸發(fā)電路在任何 狀態(tài)下都能正常工作，完成觸發(fā)任務(wù)。
權(quán)利要求一種電子式無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)容的分接開(kāi)關(guān)，包括控制模塊、開(kāi)關(guān)模塊和電源模塊，其特征在于，所述控制模塊包括DSP微處理器、輸入電路和光纖觸發(fā)電路，所述開(kāi)關(guān)模塊包括IGBT固體開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路、CPLD控制電路和保護(hù)電路，所述輸入電路連接在DSP微處理器和IGBT固體開(kāi)關(guān)之間，光纖觸發(fā)電路包括發(fā)送端和接收端，發(fā)送器安裝在DSP微處理器端，接收端安裝在IGBT固體開(kāi)關(guān)端，DSP微處理器依次通過(guò)CPLD控制電路、驅(qū)動(dòng)電路與IGBT固體開(kāi)關(guān)連接，所述保護(hù)電路連接在IGBT固體開(kāi)關(guān)上，所述電源單元為控制單元和和IGBT固體開(kāi)關(guān)單元提供電力。
2.如權(quán)利要求1所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述保護(hù)電路包括過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)熱 保護(hù)電路和緩沖電路，為IGBT固定開(kāi)關(guān)提供過(guò)流、過(guò)熱及IGBT器件串并聯(lián)的均流、均壓電 路保護(hù)。
3.如權(quán)利要求2所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述IGBT固體開(kāi)關(guān)包括由IGBT構(gòu)成的 K 1開(kāi)關(guān)組和K 2開(kāi)關(guān)組，高壓側(cè)的Kl開(kāi)關(guān)和K2開(kāi)關(guān)并聯(lián)后連接到對(duì)應(yīng)繞組的抽頭之間， 低壓側(cè)每個(gè)抽頭上并聯(lián)有兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈串聯(lián)一個(gè)Kl開(kāi)關(guān)，K2開(kāi)關(guān)兩端分別連接在并 聯(lián)的線圈和Kl開(kāi)關(guān)之間的線路上。
4.如權(quán)利要求3所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述IGBT固定開(kāi)關(guān)兩端連接有關(guān)斷緩 沖電路和開(kāi)通緩沖電路。
5.如權(quán)利要求4所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路是 連接有阻容吸收電路。
6.如權(quán)利要求3所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述IGBT固體開(kāi)關(guān)兩端連接有閉環(huán)反 饋均壓電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電子式無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)容的分接開(kāi)關(guān)，具體涉及一種電壓等級(jí)在10～35kV的電子式無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)容分接開(kāi)關(guān)。本方案的輸入電路連接在DSP微處理器和IGBT固體開(kāi)關(guān)之間，光纖觸發(fā)電路的發(fā)送器安裝在DSP微處理器端，接收端安裝在IGBT固體開(kāi)關(guān)端，DSP微處理器依次通過(guò)CPLD控制電路、驅(qū)動(dòng)電路與IGBT固體開(kāi)關(guān)連接，保護(hù)電路連接在IGBT固體開(kāi)關(guān)上。本設(shè)計(jì)利用電力電子技術(shù)和微處理器控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有載調(diào)容，提高了變壓器有載調(diào)容的響應(yīng)速度和降低了故障率，本裝置無(wú)需機(jī)械開(kāi)關(guān)的切換，也不會(huì)產(chǎn)生電弧，響應(yīng)速度也得到了提高，具有開(kāi)斷時(shí)間短、無(wú)聲響、無(wú)弧光、無(wú)關(guān)斷死區(qū)、壽命長(zhǎng)、工作可靠性高等。
文檔編號(hào)H01F29/04GK201570360SQ200920277589
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者孫軍平, 張海龍, 盛萬(wàn)興, 范聞博 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院