專利名稱：帶輔助換流單元的電氣切換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大型變壓器抽頭調(diào)節(jié)控制裝置，特別是一種帶輔助換流單元的電氣切換裝置。
抽頭電壓調(diào)節(jié)裝置(ON LOAD TAP CHANGE)是大容量非連續(xù)帶負(fù)載電壓調(diào)節(jié)的主要設(shè)備。抽頭調(diào)壓裝置分為兩個部分，一部分是空載切換分接頭選擇開關(guān)，用于選擇調(diào)整電壓的量值。另一部分是帶載切換開關(guān)，用于帶負(fù)載的情況下把電氣連接從一個分接頭開關(guān)連接到另一個分接頭開關(guān)。這是調(diào)壓裝置的主要部分。抽頭調(diào)壓裝置的工作過程可大致描述如下假設(shè)要降低輸出電壓的值，此時原邊線圈的部分抽頭繞組要接入原邊主回路中。從圖上來看，如果兩側(cè)的選擇開關(guān)原來分別處在A，B二個位置，切換開關(guān)處于左側(cè)，此時電流流過主繞組和選擇開關(guān)A。為增加初級繞組，先把右側(cè)選擇開關(guān)在空載狀態(tài)下從A轉(zhuǎn)移到C接頭。然后驅(qū)動結(jié)構(gòu)在電機(jī)或彈簧儲能機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，快速地從左向右切換。在此過程中，當(dāng)切換滑片處于2，3兩個端點(diǎn)時，部分抽頭線圈處于短路狀態(tài)。線圈短路電流由限流電阻R來限制。當(dāng)切換開關(guān)完全切向右側(cè)，抽頭線圈已接入初級繞組，切換過程完成。
常規(guī)的抽頭調(diào)壓裝置切換頻率較低，這是由于切換過程是機(jī)械開關(guān)與電氣驅(qū)動儲能機(jī)構(gòu)完成的，因此限制了切換頻率。在切換過程中，由于存在有抽頭線圈的局部短路過程，因此對于頻繁的切換會產(chǎn)生較大的電能損耗，而且對開關(guān)觸頭的電氣腐蝕也較大。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種帶輔助換流單元的電氣切換裝置，包括一由主繞組L和抽頭繞組L1、L2、L3、L4構(gòu)成的多抽頭變壓器T、選擇開關(guān)和切換開關(guān)，其特征在于①該多抽頭變壓器T的一端頭接入主回路O端，中間抽頭和另一端頭分別通過選擇開關(guān)S1、S3和S5后連成節(jié)點(diǎn)e，中間抽頭分別通過選擇開關(guān)S2和S4后連成節(jié)點(diǎn)f；②由真空開關(guān)B1、B2和大功率半導(dǎo)體器件D1、D2組成切換開關(guān)，大功率半導(dǎo)體器件D1和D2正極相連成節(jié)點(diǎn)g，真空開關(guān)B1和B2相連成節(jié)點(diǎn)h，真空開關(guān)B2和大功率半導(dǎo)體器件D2的自由端與節(jié)點(diǎn)e相連，真空開關(guān)B1和大功率半導(dǎo)體器件D1的自由端與節(jié)點(diǎn)f相連，而D1和D2的節(jié)點(diǎn)g直接與主回路的另一端O’端相連；
③輔助換流單元由輔助變壓器T1及其付邊并聯(lián)的付邊電阻R和大功率半導(dǎo)體開關(guān)D3構(gòu)成，該輔助變壓器T1的原邊的一端接真空開關(guān)B1和B2的節(jié)點(diǎn)h，另一端接主回路O’端和大功率半導(dǎo)體器件D1和D2的節(jié)點(diǎn)g；④還設(shè)有一邏輔控制器(PLC)。
所說的選擇開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5為大功率真空器件開關(guān)。
所說的邏輯控制器(PLC)預(yù)先編定程序，根據(jù)輸入信號，按照工作邏輯步驟，依次輸出選擇開關(guān)驅(qū)動信號和切換開關(guān)驅(qū)動信號，控制本電氣切換裝置工作。
該裝置的工作過程及原理特點(diǎn)可表述如下設(shè)該裝置原工作狀態(tài)為S2，B1真空開關(guān)閉合，D1，D2半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷，D3半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通。此時原邊繞組電流經(jīng)過繞組L、S2、B1及換流變壓器T1流通。由于換流變壓器T1副邊半導(dǎo)體器件D3導(dǎo)通，即副邊短路，因此流過原邊繞組的電流幾乎沒有電壓降。
假設(shè)牽引供電系統(tǒng)由于負(fù)載的突然消失，需要降低局域網(wǎng)的電壓，電壓調(diào)節(jié)裝置需要把變壓器原邊接入部分抽頭繞組，如需要把抽頭繞組L2串入原邊，此時調(diào)節(jié)裝置的工作過程為真空開關(guān)S3閉合，半導(dǎo)體開關(guān)D1導(dǎo)通，D3關(guān)斷，此時由于換流變壓器T1副邊接入了一個負(fù)載電阻R，因此在原邊繞組上產(chǎn)生了一個電壓降。在此時刻，主回路電流可經(jīng)過真空開關(guān)B1與換流變壓器T1原邊流通，也可以通過半導(dǎo)體開關(guān)D1流通。由于變壓器T1原邊的電壓降(相當(dāng)于在此電路中串入一個阻抗)，因此電流被強(qiáng)制從D1流過。此時B1上幾乎無電流流通。然后真空開關(guān)B1打開，在下一個電流過零點(diǎn)時，半導(dǎo)體開關(guān)D1關(guān)斷，D2導(dǎo)通，此時主繞組L電流已切換到右側(cè)抽頭S3上，電流經(jīng)L、L1、L2、S3和D2而流通。接下來B2閉合，D3導(dǎo)通，D2關(guān)斷，工作電流經(jīng)真空開關(guān)B2和換流變壓器T1原邊流通，至此工作過程完成。如果是切除抽頭繞組L2，則工作過程與上述過程相反。上述過程的每一個步驟都由可編程邏輯控制器或其他邏輯軟件來控制完成。
本發(fā)明裝置的主要特點(diǎn)①.由于采用了真空開關(guān)，因此選擇開關(guān)和切換開關(guān)的操作時間短，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速調(diào)節(jié)電壓；②.切換開關(guān)實(shí)際為兩個大功率的半導(dǎo)體器件，切換過程是在電流過零點(diǎn)完成，接入和切除抽頭線圈無短路現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了軟切換過程；③.由于在切換裝置的線路中加入了輔助換流單元，使切換裝置中的兩個真空開關(guān)始終工作于空載狀態(tài)，消除了切換過程中電流開通、切斷時產(chǎn)生的電弧對觸頭表面的電腐蝕，大大延長了真空開關(guān)的電氣壽命；④.抽頭調(diào)壓裝置平時工作時，主回路電流經(jīng)過兩只真空開關(guān)閉合，半導(dǎo)體器件只在切換瞬間工作幾個周波。一旦切換結(jié)束，半導(dǎo)體器件立即關(guān)斷。這樣可避免半導(dǎo)體器件在主回路中的管壓降損耗，同時可提高開關(guān)切換系統(tǒng)對過流過壓的承受能力；⑤.切換開關(guān)的原理可應(yīng)用于帶負(fù)載操控的場合，采用大功率半導(dǎo)體器件和真空開關(guān)組合的切換裝置，可實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)的空載切換，使真空開關(guān)的電氣工作次數(shù)增加。
圖2是本發(fā)明帶輔助換流單元的電氣切換裝置原理圖。
圖3是本發(fā)明控制器接口及功能示意圖。
所述的選擇開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5均為大功率真空器件開關(guān)。
本發(fā)明帶輔助換流單元的電氣切換裝置還必須要有一套邏輯控制器來控制真空開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)的開通和關(guān)斷，圖3是該邏輯控制器的接口和功能示意圖。該邏輯控制器PLC的輸入信號包括電壓增加、電壓減少的選擇信號，故障保護(hù)和啟動信號，三相電流過零信號，用于切換時間控制，即當(dāng)電流過零時才進(jìn)行電氣切換。該邏輯控制器PLC預(yù)先編定程序，根據(jù)輸入信號，按照工作邏輯步驟，依次輸出選擇開關(guān)驅(qū)動信號和切換開關(guān)驅(qū)動信號，控制本電氣切換裝置工作，下面舉例說明工作過程。
設(shè)該裝置原工作狀態(tài)為S2，B1真空開關(guān)閉合，D1，D2半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷，D3半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通。此時原邊繞組電流經(jīng)過繞組L、S2、B1及換流變壓器T1而流通。由于換流變壓器T1副邊半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，即副邊短路，因此流過原邊繞組的電流幾乎沒有電壓降。
假設(shè)牽引供電系統(tǒng)由于負(fù)載的突然消失，需要降低局域網(wǎng)的電壓。向邏輯控制器LPC輸入減壓信號，電壓調(diào)節(jié)裝置需要把變壓器原邊接入部分抽頭繞組，如需要把抽頭繞組L2串入原邊，此時調(diào)節(jié)裝置的工作過程為邏輯控制器發(fā)出驅(qū)動信號，使真空開關(guān)S3閉合；半導(dǎo)體開關(guān)D1導(dǎo)通，D3關(guān)斷，此時由于輔助換流變壓器T1副邊接入了一個負(fù)載電阻R，因此在原邊繞組上產(chǎn)生了一個電壓降。在此時刻，主回路電流可經(jīng)過真空開關(guān)B1與輔助換流變壓器T1原邊流通，也可以通過半導(dǎo)體開關(guān)D1流通。由于變壓器原邊的電壓降(相當(dāng)于在此電路中串入一個阻抗)，因此電流被強(qiáng)制從D1流過。此時B1上幾乎無電流流通。然后真空開關(guān)B1打開，在下一個電流過零點(diǎn)時，半導(dǎo)體開關(guān)D1關(guān)斷D2導(dǎo)通，此時主繞組電流已切換到右側(cè)抽頭S3上，電流經(jīng)L、L1、L2、S3和D2流通。接下來B2閉合，D3導(dǎo)通，D2關(guān)斷，工作電流經(jīng)真空開關(guān)B2和換流變壓器T1原邊流通，至此工作過程完成。如果是切除抽頭繞組L2，則工作過程與上述過程相反。上述過程的每一個步驟都是由可編程邏輯控制器PLC來控制完成的。當(dāng)然也可由其他邏輯控制器來控制完成。
綜上所述，本發(fā)明裝置優(yōu)點(diǎn)如下①.采用在變壓器主回路接入輔助換流單元的方法，使切換過程中真空開關(guān)的開通和關(guān)斷完全處于無電流狀態(tài)；②.輔助換流單元由輔助變壓器、副邊阻抗和半導(dǎo)體開關(guān)組成。正常工作時，半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通，變壓器副邊短路，原邊(接入主回路中)流過電流時壓降為零；換流過程中，半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷，副邊接入阻抗，輔助變壓器原邊產(chǎn)生電壓降，使主回路電流由半導(dǎo)體開關(guān)流通。
③.切換開關(guān)為半導(dǎo)體開關(guān)和真空開關(guān)組成，半導(dǎo)體開關(guān)只工作在換流過程，正常工作時電流流過真空開關(guān)，使整套裝置的耐受過流過壓的能力有很大提高，從而也提高了裝置的可靠性；④.采用直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的真空開關(guān)代替機(jī)械觸頭開關(guān)，縮短了開關(guān)的工作時間，提高了開關(guān)重復(fù)頻率，使調(diào)壓裝置的切換速度和頻率有很大的提高。
權(quán)利要求
1.一種帶輔助換流單元的電氣切換裝置，包括一由主繞組L和抽頭繞組L1、L2、L3、L4構(gòu)成的多抽頭變壓器T、選擇開關(guān)和切換開關(guān)，其特征在于①該多抽頭變壓器T的一端頭(1)接入主回路O端，中間抽頭(2、4)和另一端頭(6)分別通過選擇開關(guān)S1、S3和S5后連成節(jié)點(diǎn)e，中間抽頭(3、5)分別通過選擇開關(guān)S2和S4后連成節(jié)點(diǎn)f；②由真空開關(guān)B1、B2和大功率半導(dǎo)體器件D1、D2組成切換開關(guān)，大功率半導(dǎo)體器件D1和D2正極相連成節(jié)點(diǎn)g，真空開關(guān)B1和B2相連成節(jié)點(diǎn)h，真空開關(guān)B2和大功率半導(dǎo)體器件D2的自由端與節(jié)點(diǎn)e相連，真空開關(guān)B1和大功率半導(dǎo)體器件D1的自由端與節(jié)點(diǎn)f相連，而D1和D2的節(jié)點(diǎn)g直接與主回路的另一端O’端相連；③輔助換流單元由輔助變壓器T1及其付邊并聯(lián)的付邊電阻R和大功率半導(dǎo)體開關(guān)D3構(gòu)成，該輔助變壓器T1的原邊的一端接真空開關(guān)B1和B2的節(jié)點(diǎn)h，另一端接主回路O’端和大功率半導(dǎo)體器件D1和D2的節(jié)點(diǎn)g；④還設(shè)有一邏輔控制器(PLC)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶輔助換流單元的電氣切換裝置，其特征在于所述選擇開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5為大功率真空器件開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶輔助換流單元的電氣切換裝置，其特征在于該邏輯控制器(PLC)預(yù)先編定程序，根據(jù)輸入信號，按照工作邏輯步驟，依次輸出選擇開關(guān)驅(qū)動信號和切換開關(guān)驅(qū)動信號，控制本電氣切換裝置工作。
全文摘要
一種帶輔助換流單元的電氣切換裝置，包括由主繞組L和抽頭繞組L1、L2、L3、L4構(gòu)成的多抽頭變壓器；選擇開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5；真空開關(guān)B1、B2和大功率半導(dǎo)體器件D1、D2組成的切換開關(guān)；由輔助變壓器T1及其付邊并聯(lián)的付邊電阻R和大功率半導(dǎo)體開關(guān)D3組成的輔助換流單元，可編程邏輯控制器。本發(fā)明裝置具有切換開關(guān)在電流過零點(diǎn)時切換，切換過程無電弧產(chǎn)生，切換速度快、頻率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02P13/00GK1431767SQ0311526
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月29日
發(fā)明者范承志, 吳祥明, 葉云岳 申請人:國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心