EP2319059B1 - Stufenschalter mit halbleiter-schaltelementen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.
• Ein Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen, der als Hybrid-IGBT-Schalter ausgebildet ist, ist aus der WO 01/22447 bekannt. Der dort beschriebene Stufenschalter arbeitet nach dem Prinzip eines Lauflastschalters, bei dem auf einen Kraftspeicher verzichtet werden kann. Er besitzt als Hybrid-Schalter einen mechanischen Teil und einen elektrischen Teil.
• Der mechanische Teil, der der eigentliche Gegenstand der WO 01/22447 ist, besitzt mechanische Schaltkontakte; zentraler Teil ist ein beweglicher Schiebekontakt, der entlang einer mit dem Sternpunkt verbundenen Kontakt-Laufschiene mittels eines Motorantriebes bewegt wird und dabei feststehende Kontaktelemente beschaltet. Die eigentliche Lastumschaltung selbst erfolgt durch zwei IGBT's mit jeweils vier Dioden in Grätzschaltung.
• Dieses bekannte Konzept eines Hybrid-Schalters ist mechanisch aufwändig und anspruchsvoll, um die notwendige Lastumschaltung genau im Nulldurchgang des Laststromes sicherzustellen.
• Aus der WO 97/05536 ist eine weitere IGBT-Schaltvorrichtung bekannt, bei der die Anzapfungen der Regelwicklung eines Leistungstransformators über eine Reihenschaltung zweier IGBT's mit einer gemeinsamen Lastableitung verbunden sind.
• Diese bekannte Schaltvorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation; es erfolgt dabei eine Begrenzung des Kreisstromes durch die transiente reaktive Reaktanz (TER) der Stufenwicklung.
• Diese bekannte Schaltungsanordnung und das zugrunde liegende Schaltprinzip erfordern eine spezifische Anpassung des Stufenschalters an den jeweiligen Stufentransformator, der beschaltet werden soll. Mit anderen Worten: Stufentransformator und Stufenschalter sind aufeinander abgestimmt und wirken elektrisch zusammen. Diese bekannte Schaltvorrichtung ist damit nicht als separates, universell anwendbares Gerät herstellbar. WO 97/05536 offenbart einen Stufenschalter gemäß Oberbergriff des Anspruchs 1.
• Aus der GB-A-2424766 schließlich sind verschiedene Schaltungsanordnungen für einen Stufenschalter bekannt, die verschiedenartig geschaltete Varistoren enthalten. In einer Ausführungsform sind Varistoren parallel zu den jeweiligen Schaltelementen geschaltet und dienen zur Spannungsaufteilung.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach aufgebaut ist, eine hohe Funktionssicherheit besitzt und bei dem es nicht erforderlich ist, nur genau im Nulldurchgang des Laststromes schalten zu müssen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen solchen Stufenschalter anzugeben, der nicht speziell an den jeweiligen Nennlaststrom und die jeweiligen Wicklungen des zu beschaltenden Stufentransformators angepasst werden muss, sondern quasi "von der Stange" als funktionsfähiges Gerät an unterschiedlichsten Stufentransformatoren angeschlossen werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch einen Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
• Die Erfindung geht aus von zwei Schalteinheiten, wobei jede Schalteinheit jeweils aus zwei zusammengehörigen, antiparallelen IGBT's besteht. Jedem einzelnen IGBT ist ein parallel dazu geschalteter Varistor zugeordnet. Der Varistor ist dabei so dimensioniert, dass die Varistorspannung geringer ist als die maximale Blockierspannung des jeweils parallelen IGBT's, aber größer als der maximale Momentanwert der Stufenspannung.
• Besonders vorteilhaft sind die beiden zusammengehörigen IGBT's einer antiparallelen Schalteinheit in Form eines kompakten Stacks zusammengespannt.
• Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, den jeweiligen Varistor im Sinne einer möglichst induktivitätsarmen Parallelstrecke unmittelbar neben jedem IGBT zu positionieren und in den Stack zu integrieren. Auf diese Weise lassen sich extrem kurze Leitungsverbindungen zwischen IGBT und dem parallelliegenden Varistor realisieren. Diese Anordnung ermöglicht auch bei vollem Momentanwert des Laststromes ein sehr schnelles, "hartes" Abschalten des über den IGBT fließenden Laststromes mit Kommutierung innerhalb von 0,1 ... 1 µs auf den extrem induktivitätsarm angeschlossenen Varistor, der selber nur eine extrem kleine Ansprechverzögerung im ns-Bereich aufweist.
• Das "hard-switching" des IGBT reduziert die im IGBT umgesetzte Abschaltverlustenergie entscheidend und ermöglicht erst - wie nachfolgend noch im Detail ausgeführt - das hier vorliegende Schaltkonzept einer Stufenschalter(OLTC)-Umschaltung bei jedem beliebigen Wert des momentanen Laststromes, ohne zusätzliche Überschaltimpedanz im OLTC, ohne Notwendigkeit, die Streureaktanz der Stufenwicklung zu kennen, ohne Notwendigkeit einer Anpassung des OLTC an den jeweiligen Nennlaststrom oder die Stufenspannung und ohne die Notwendigkeit einer µs-genauen zeitlichen Abstimmung der abschaltenden und der übernehmenden IGBT-Schaltgruppe.
• Zwar sind aus der DE 101 18 743 A1 und zahlreichen anderen Veröffentlichungen bereits Varistoren in Verbindung mit IGBT's bekannt. Sie dienen beim Stand der Technik aber ausschließlich dazu, Halbleiter vor Überspannungen zu schützen, besitzen also lediglich eine spannungsbegrenzende Funktion.
• Bei der Erfindung hingegen ist die Funktion des zu jedem IGBT parallel angeordneten Varistors eine andere: Nach Kommutierung des eingeprägten, von der Netzspannung getriebenen Laststromes vom abschaltenden IGBT auf den parallelliegenden Varistor (kleiner Kommutierungskreis), baut der vom Laststrom durchflossene Varistor entsprechend seiner I-U-Kennlinie eine Spannung auf, die eine relativ geringe Abhängigkeit vom Momentanwert des Stromes zeigt und während des Umschaltvorganges des OLTC praktisch konstant bleibt.
• Die Varistoren sind dabei besonders vorteilhaft so dimensioniert, dass die Varistorspannung, die sich bei Belastung mit dem Scheitelwert des maximalen Stromes ergibt, noch einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur maximalen Sperrspannung der IGBTs aufweist.
• Andererseits muss die Clamping Voltage der Varistoren (U_Var bei 1 mA) deutlich oberhalb des Scheitelwertes der maximalen Stufenspannung liegen, damit der Laststrom von der abschaltenden OLTC-Seite über die Stufenspannung hinweg auf die den Laststrom übernehmende Seite kommutieren kann (großer Kommutierungskreis).
• Die Differenz ΔU zwischen Momentanwert des Spannungsabfalls am Varistor und dem Momentanwert der Stufenspannung bewirkt durch die besondere Dimensionierung der Varistoren die Kommutierung des Laststromes über die Streuinduktivität der Stufenwicklung und die Leitungsinduktivitäten auf die übernehmende Seite des Stufenschalters und bestimmt das di/dt des Kommutierungsvorganges (di/dt = ΔU/L_Kom).
• Dies verdeutlicht, dass die Varistoren im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht, wie nach dem Stand der Technik bekannt, zur Reduzierung transienter Überspannungen eingesetzt werden. Bei der vorliegenden Erfindung übernehmen die Varistoren folgende für ihre Gattung untypischen und durch den Stand der Technik nicht nahegelegten Funktionen:
• Übernahme des Laststromes von den hart abschaltenden IGBTs
• Erzeugung eines Spannungsabfalls, der unabhängig vom Momentanwert des Laststromes in einem Spannungsband zwischen der maximalen Sperrspannung der IGBTs und dem Scheitelwert der maximalen Stufenspannung liegen muss
• Bereitstellung einer Spannungs-Zeitfläche, die den Laststrom von der stromführenden Seite des Stufenschalters über die entgegen gerichtete Stufenspannung auf die übernehmende Stufenschalterseite kommutiert.
• Durch die Erfindung ergibt sich eine sehr einfache und kostengünstige Dimensionierung der leistungselektronischen Schaltgruppen, weil das energieaufnehmende Volumen im Falle des Varistors flexibel veränderbar und ungleich größer ist als das viel kleinere, teurere und volumenmäßig nur schwer variierbare Volumen des IGBT-Chips.
• Als weiterer positiver Effekt der Laststromführung durch die Varistoren, der Bereitstellung der erforderlichen Kommutierungs-Spannungs-Zeitfläche durch die Varistoren und der Aufnahme der dabei anfallenden Verlustenergie ebenfalls durch die Varistoren resultiert ein sehr großes Toleranzfeld im Hinblick auf die Synchronisation des Abschaltzeitpunktes der ausschaltenden IGBT-Gruppe und des Einschaltzeitpunktes der übernehmenden IGBT-Gruppe.
• Falls sich im Laufe der Betriebsjahre durch Bauteilalterung und Arbeitspunktverschiebung in der Ansteuerelektronik ein überlappendes oder lückendes Umschaltverhalten in einer Größenordnung von ca. ± 10 µs einstellen sollte, resultiert daraus keine Funktionsgefährdung beim erfindungsgemäßen Schaltkonzept.
• Zusammengefasst weist die Erfindung folgende Vorteile auf:
• Option der Umschaltung bei jedem beliebigen Momentwert des Laststromes ohne thermische Überbeanspruchung der IGBTs
• Außerordentlich schneller Kommutierungsvorgang des Laststromes von Stufenschalterseite A → B oder B → A innerhalb von ca. 10 µs.
• Vermeidung störender Oszillationen
• Eine auftragsspezifische Anpassung jedes Stufenschalters an die konkreten Nenn-Stufendaten des Bestellfalles (Stufenspannung, Nenn-Durchgangsstrom, Streuinduktivität) entfällt, solange die Grenzwerte von Stufenspannung und Nenn-Durchgangsstrom nicht überschritten werden.
• Robustes, eigensicheres Kommutierungskonzept mit einem sehr großen Toleranzbereich in Bezug auf Schaltzeitdrift zwischen den beiden IGBT-Schaltgruppen. Keine Nachjustierung nach längerer Betriebszeit erforderlich.
• Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Figuren beispielhaft noch näher erläutert werden.

Figur 1

zeigt die Schaltung eines ersten erfindungsgemäßen Stufenschalters.

Figur 2

zeigt die Schaltung eines zweiten, im Rahmen der Erfindung abgewandelten Stufenschalters.

• Wie in Figur 1 dargestellt, ist jede der beiden Wicklungsanzapfungen tap n sowie tap n+1 über einen mechanischen Schalter DS_a bzw. DS_b mit einer Reihenschaltung aus jeweils zwei entgegengesetzt geschalteten IGBTs I_an und I_ap auf der Seite n sowie I_bn und I_bp auf der Seite n+1 mit der Stufenschalterableitung verbunden. Parallel zu jedem der beiden in Reihe geschalteten IGBT's I_an und I_ap der einen und I_bn und I_bp der anderen Seite ist jeweils eine Diode d_an, d_ap bzw. d_bn, d_bp geschaltet. Dabei sind die Dioden einer Seite, d. h. d_an und d_ap bzw. d_bn und d_bp entgegengesetzt zueinander, d. h. mit entgegengesetzter Durchlassrichtung, geschaltet.
• Wiederum parallel zu jeder dieser Parallelschaltungen von IGBT und Diode ist jeweils ein Varistor V_an, V_ap bzw. V_bn, V_bp vorgesehen.
• Schließlich sind auch noch die, die gesamte Schalteinrichtung im stationären Betrieb jeweils überbrückenden, Dauerhauptkontakte jeder Seite MC_a bzw. MC_b dargestellt. Die IGBTs beider Seiten I_an, I_ap; I_bn, I_bp werden durch einen gemeinsamen, nur schematisch dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten IGBT-Treiber angesteuert.
• Nachfolgend sei eine Umschaltsequenz von beispielsweise tap n auf tap n+1 näher erläutert: In der Grundposition fließt der Laststrom über den Dauerhauptkontakt MC_a von tap n zur Stufenschalterableitung Y.
• Als erster Schritt der Umschaltsequenz werden die Freischaltkontakte DS_a und DS_b geschlossen.
• Anschließend wird Zündspannung an die Gates der IGBTs I_an und I_ap gelegt. Jetzt öffnet der Dauerhauptkontakt MC_a und kommutiert den Laststrom I_L auf die IGBT-Gruppe I_an/I_ap.
• Nach weniger als 10 ms Stromflussdauer von I_L über die IGBT-Gruppe I_an/I_ap erhalten diese IGBTs einen Abschaltbefehl und die IGBT-Gruppe I_bn/I_bp gleichzeitig (zumindest im Standardfall) einen Einschaltbefehl.
• Die sich am abschaltenden IGBT aufbauende Spannung überträgt sich auf den parallel liegenden Varistor. Wenn nach wenigen 100 ns die Clamping Voltage des Varistors erreicht wird, beginnt der Varistor zu leiten, wodurch die Übernahme des Laststromes von den IGBT's I_an und I_ap einsetzt.
• Der Varistor ist erfindungsgemäß so dimensioniert, dass sich die Spannung des laststromdurchflossenen Varistors einerseits unterhalb der max. Blockierspannung des parallelen IGBTs, andererseits oberhalb des maximalen Momentanwerts der Stufenspannung bewegt.
• Der Überschuss des Momentanwertes der Varistorspannung über den Momentanwert der Stufenspannung bewirkt die Abkommutierung des Laststromes mit etwa konstantem di/dt von Seite A und ein Hinüberschieben über die Stufenspannung und die Streuinduktivität der Stufenwicklung L_σ (großer Kommutierungskreis) mit gleichem di/dt (in diesem Fall positiv) auf die Seite B. Trotz des kontinuierlich abnehmenden Stromes, der den Varistor auf Seite A durchfließt, bleibt die Varistorspannung in erster Näherung konstant.
• Nach etwa 10 µs ist der gesamte Laststrom vom stromdurchflossenen Varistor der Seite A auf die leitenden IGBTs der Seite B hinüberkommutiert. Mit Annäherung des Stromes der Seite A auf den Wert 0 ändert sich die Spannung an der Schaltgruppe A grundlegend:
• Die Varistorspannung bricht zusammen, das transiente $${\mathit{L}}_{\mathit{\sigma }}\frac{\mathit{di}}{\mathit{dt}}$$
  
  verschwindet und an der IGBT-/Varistor-Gruppe A erscheint die Stufenspannung, die abhängig von der Polarität an einem blockierenden IGBT, der dazu parallelliegenden Diode und dem jeweils wiederum parallelliegenden Varistor ansteht. Selbst bei Belastung mit dem Scheitelwert der Stufenspannung lässt der Varistor noch keinen signifikanten Stromfluss zu.
• Weniger als 10 ms nach der leistungselektronischen Kommutierung des Laststromes von Seite A auf Seite B schließt der Dauerhauptkontakt MC_b und shuntet die IGBT-Gruppe B. Anschließend werden die IGBTs I_bn/I_bp über die Gateansteuerung in den nichtleitenden Zustand geschaltet.
• Die Umschaltsequenz endet mit dem Öffnen der mechanischen Freischaltkontakte DS_a und DS_b, die die IGBTs vor den transienten Spannungsbeanspruchungen schützen, die an der Stufenwicklung wirksam werden können.
• In Figur 2 ist eine abgewandelte Schaltung eines erfindungsgemäßen Stufenschalters dargestellt, bei der die beiden Varistoren jeweils einer Seite V_an, V_ap bzw. V_bn, V_bp zu einem jeweils gemeinsamen Varistor V_a bzw. V_b zusammengefasst sind. Dabei bildet der jeweilige mechanische Schalter jeder Seite DS_a bzw. DS_b und der jeweilige Varistor der zugehörigen Seite V_a bzw. V_b ebenfalls eine Reihenschaltung hin zur gemeinsamen Lastableitung.

Claims (4)

1. Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators,
   wobei der Stufenschalter zwei mit den jeweiligen Wicklungsanzapfungen verbindbare Lastzweige aufweist,
   wobei die Halbleiter-Schaltelemente IGBT's (I_an, I_ap; I_bn, I_bp) sind,
   wobei jeder der beiden Lastzweige über eine angeordnete Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT's (I_an, I_ap; I_bn, I_bp) mit einer gemeinsamen Lastableitung elektrisch verbunden ist
   und wobei parallel zu jedem IGBT (I_an, I_ap; I_bn, I_bp) eine Diode (d_an, d_ap, d_bn, d_bp) geschaltet ist, wobei die beiden Dioden in jedem Lastzweig (d_an, d_ap bzw. d_bn, d_bp) entgegengesetzt zueinander geschaltet sind,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass jeweils ein mechanischer Schalter (DS_a, DS_b) mit der Reihenschaltung aus IGBT's (I_an, I_ap; I_bn, I_bp) und parallelen Dioden (d_an, d_ap, d_bn, d_bp) in jedem Lastzweig in Reihe geschaltet ist,
   dass parallel zu jeder Parallelschaltung aus IGBT (I_an, I_ap; I_bn, I_bp) und Diode (d_an, d_ap, d_bn, d_bp) jeweils ein Varistor (V_an, V_ap; V_bn, V_bp) geschaltet ist
   und dass die Varistoren (V_an, V_ap; V_bn, V_bp oder V_a, V_b) derart dimensioniert sind, dass ihre Varistorspannung geringer als die maximale Blockierspannung des jeweils parallelen IGBT's, aber größer als der maximale Momentanwert der Stufenspannung ist.
2. Stufenschalter nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass jeder IGBT (I_an, I_ap; I_bn, I_bp) gemeinsam mit dem parallel zu ihm geschalteten Varistor (V_an, V_ap; V_bn, V_bp) sowie der Diode (d_an, d_ap, d_bn, d_bp) als Stack baulich vereinigt ist.
3. Stufenschalter nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die beiden in einem Lastzweig vorgesehenen Varistoren (V_an, V_ap oder V_bn, V_bp) zu jeweils einem einzigen Varistor (V_a, V_b) zusammengefasst sind.
4. Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass parallel zu jedem der beiden Lastzweige jeweils ein mechanischer Dauerhauptkontakt (MC_a, MC_b) vorgesehen ist.

Images