Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unterbrechungslosen Umschaltung mit Halbleiter- Schaltelementen zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.

Ein solches Verfahren unter Verwendung von Halbleiter-Schaltelementen ist aus der WO 01/22447 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren arbeitet sowohl mit elektrischen Schaltmitteln, den IGBT's, als auch mechanischen Kontakten. Es ist so ausgestaltet, dass die eigentliche Lastumschaltung im Nulldurchgang des Laststromes mit zwei IGBT's mit Dioden in Grätzschal- tung erfolgt. Notwendiger Bestandteil dieses bekannten Verfahrens ist die Erkennung und Erfassung des jeweiligen Stromnulldurchgangs als Voraussetzung für die Einleitung der Lastumschaltung zu diesem Zeitpunkt.

Aus der WO 97/05536 ist ein weiteres Verfahren mit einer IGBT-Schaltvorrichtung bekannt, bei der die Anzapfungen der Regelwicklung eines Leistungstransformators über eine Reihenschaltung zweier IGBT's mit einer gemeinsamen Lastableitung verbunden sind. Dieses bekannte Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation; in einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dabei eine Begrenzung des Kreisstromes durch die transiente reaktive Reaktanz (TER) der Stufenwicklung.

Dieses Verfahren erfordert 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. Dieses bekannte Verfahren ist daher nicht für die Anwendung in einem separaten, universell anwendbaren, nicht auf einen speziellen Transformator zugeschnittenen Stufenschalter geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach aufgebaut ist, eine hohe Funktionalität besitzt und bei dem es nicht erforderlich ist, nur genau im Nulldurchgang des Laststromes schalten zu müssen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren anzugeben, das in jedem Fall, d. h. ohne Abstimmung an den konkreten Stufentransformator, der beschaltet werden soll, funktionsfähig ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Der Unteranspruch betrifft eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.

Diese Aufgabe wird weiterhin durch ein modifiziertes Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten dritten Patentanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäßen Verfahren gehen von der allgemeinen erfinderischen Idee aus, Varistoren nicht, wie aus dem Stand der Technik seit langem bekannt, als Bauelemente zum Überspannungsschutz zu verwenden, sondern zur Kommutierung des Laststromes des Stufenschalters von einer Seite auf die andere, d. h. von der bisher geschalteten Wicklungsanzapfung auf die neu zu beschaltende Wicklungsanzapfung, durch entsprechende Verfahrensschritte zu verwenden.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren üben die besonders dimensionierten parallel zu jedem IGBT geschalteten Varistoren eine neue Funktion aus: 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 werden dabei 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 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 (AU=L _Kom •dildt ).

Es ist ersichtlich, dass die Varistoren im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht wie nach dem Stand der Technik bekannt zur Reduzierung transienter Überspannungen wirken. Beim vorliegenden Verfahren übernehmen die Varistoren folgende für ihre Gattung untypischen und durch den Stand der Technik nicht nahegelegten Funktionen als Bestandteil des Verfahrens:

• 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 Spannungszeitfläche, die den Laststrom von der stromführenden Seite des Stufenschalters über die entgegen gerichtete Stufenspannung auf die übernehmende Stufenschalterseite kommutiert:

Die Bereitstellung der vorstehend aufgelisteten Funktionen durch die Varistoren vereinfacht und entlastet den leistungselektronischen Kommutierungsvorgang in entscheidender Weise: • Sehr geringer Energieeintrag in die hart schaltenden IGBTs

• Die beim Kommutierungsvorgang auf der abschaltenden Seite zwangsläufig anfallende

Verlustenergie

wird insbesondere im Falle hoher Kommutierungsanforderungen (hoher Momentanwert des Laststromes, hoher Momentanwert einer entgegengerichteten Stufenspannung, große Streuinduktivität der geschalteten Stufe) weit überwiegend vom Varistor und nur zu einem kleinen Teil vom abschaltenden IGBT aufgenommen.

Dieser Sachverhalt erlaubt 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. Folgende Schaltmodi sind möglich und zulässig:

o Lückend

Abschaltvorgang der ausschaltenden Seite erfolgt vor dem Einschaltvorgang der übernehmenden Seite. Die Stromflusszeit des Laststromes über einen der beiden Varistoren der abschaltenden Seite verlängert sich entsprechend.

o Gleichzeitig

Abschaltvorgang und Einschaltvorgang der beiden IGBT-Gruppen erfolgt gleichzeitig. Standardfall, keine zusätzliche Laststrom-Belastungszeiten am Varistor.

o Überlappend

Einschaltvorgang der übernehmenden Stufenschalterseite erfolgt schon vor dem Abschaltvorgang der ausschaltenden Seite. Während der Überlappungszeit sind beide IGBT-Gruppen geschlossen, so dass die Stufenspannung in diesem Zeitraum beginnt, einen Zirkulationsstrom aufzubauen. Das di/dt des sich ausbildenden Zirkulationsstromes hängt ab vom Momentanwert der Stufenspannung im Überlappungszeitraum und von der Kreisinduktivität des Zirkulationsstromes. Der Zirkulationsstrom addiert sich auf der abschaltenden Seite zum Laststrom und führt bis zum Moment des Abschaltvorganges zu einem allmählichen Anstieg des in Summe abzukommentierenden Stromes (l _L (t) + I _c (t)). Dies führt zu einer Erhöhung der an der abschaltenden Seite anfallenden Kommutierungs-Verlustenergie und zu einer Verlängerung des Kommutierungsvorganges. Die erfindungsgemäßen Verfahren weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf:

Die geringsten Verluste und kürzesten Kommutierungszeiten werden beim simultanen Aus- und Einschalten der beiden IGBT-Gruppen erreicht.

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.

Die einzigen Folgen sind moderat ansteigende Kommutierungsverluste und eine etwas verlängerte Kommutierungszeit.

• Bei allen 3 vorstehend erläuterten Schaltmodi bewirkt die ohmsch/resistive Energieaufnahme der Varistoren eine ausgezeichnete Dämpfung der Strom- und Spannungsverläufe beim Umschaltvorgang als wichtigem positiven Nebeneffekt. Störende Oszillationen, die bei derart schnellen Kommutierungsvorgängen (Größenordnung 10 μs) in Verbindung mit den Wicklungskapazitäten und Streuinduktivitäten der Stufenwicklung an sich erwartet wurden, können sich infolge der stark dämpfenden Wirkung der Varistoren nicht ausbilden.

Hinzu kommt, dass die sich an den Varistoren als Folge des Laststromflusses ausbildende Spannung relativ konstant ist und infolgedessen ein konstantes di/dt beim Kommutierungsvorgang erzeugt. Infolge dieses Sachverhaltes wird eine starke Schwingungsanregung zusätzlich erschwert.

• Im Falle sehr hoher Lastströme bietet es sich an, in an sich bekannter Weise eine Strom- nulldurchgangsdetektion vorzusehen und den Umschalt- bzw. Kommutierungsvorgang bei sehr kleinen Momentanwerten des Laststromes, in zeitlicher Nähe zum Stromnulldurchgang durchzuführen.

Diese Maßnahme führt zu einer drastischen Reduzierung der Strombelastung von IGBTs und Varistoren sowie der Kommutierungs-Verlustenergie und zu einer Verkürzung der Kommutierungszeit.

Das Umschalten in der Nähe des Stromnulldurchgangs erlaubt eine signifikante Anhebung der Nenn-Schaltleistungsdaten des Stufenschalters bei unveränderter Hardware der leistungselektronischen Komponenten.

Die Verfahren sollen nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 einen schematischen Ablaufplan eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens

Figur 2 eine für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete erste

Schaltung mit IGBT's und zu jedem IGBT parallel geschalteten Varistoren Figur 3 eine weitere, abgewandelte Schaltung zur Durchführung des Verfahrens

Figur 4 einen schematischen Ablaufplan eines zweiten, vereinfachten erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt einen schematischen Ablaufplan eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren geht davon aus, dass bei einem Stufenschalter, bei dem von einer bisherigen Windungsanzapfung eines Stufentransformators auf eine neue Windungsanzapfung umgeschaltet werden soll, zwei Lastzweige vorgesehen werden, die über einen mechanischen Schalter DS ₃ , DS _b und eine in Reihe dazu angeordnete Reihenschaltung aus jeweils zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT's I _3n , l _ap ; Ibn, lb _P mit jeweils einer parallelen Diode d _an , d _ap ; d _bn , d _bp mit einer gemeinsamen Lastableitung elektrisch verbunden werden können und dass parallel zu jedem der genannten IGBT's jeweils ein Varistor V _3n , V _ap ; V _bn , V _bp geschaltet wird. Jeder der beiden Lastzweige soll durch einen Dauerhauptkontakt MC ₃ bzw. MC _b überbrückt werden können.

Als erster Schritt werden die als Freischaltkontakte wirkenden mechanischen Schalter DS ₃ und DS _b beider Seiten geschlossen.

Nachfolgend wird Zündspannung an die Gates der IGBT's I _3n , l _ap der abschaltenden Seite angelegt.

Nachfolgend wird der Dauerhauptkontakt MC ₃ der abschaltenden Seite geöffnet. Wiederum nachfolgend erfolgt die Kommutierung des Laststromes I _L auf die IGBT's der abschaltenden Seite.

Diese IGBT's der abschaltenden Seite I _3n , l _ap erhalten jetzt einen Abschaltbefehl, die IGBT's der aufzuschaltenden Seite l _bn , l _bp hingegen einen Einschaltbefehl. In der Folge schalten die IGBT's I _3n und l _ap der abschaltenden Seite „hart" ab. Der Laststrom wird jetzt erfindungsgemäß auf die Varistoren V _3n und V _ap der abschaltenden Seite kommutiert.

Nachfolgend wird dieser Laststrom auf die IGBT's der übernehmenden, aufzuschaltenden Seite Ibn, lb _P kommutiert.

Wiederum nachfolgend wird der Dauerhauptkontakt MC _b der übernehmenden Seite geschlossen.

Anschließend werden die IGBT's l _bn und l _bp der übernehmenden Seite in den nicht leitenden Zustand geschaltet.

Der letzte Verfahrensschritt besteht in der Öffnung der mechanischen Kontakte DS ₃ und DS _b , die die IGBT's vor dem transienten Spannungsbeanspruchungen schützen, die an der Stufenwicklung wirksam werden können.

Figur 2 zeigt eine zur Realisierung des Verfahrens gemäß Figur 1 besonders geeignete Schaltung. Dabei ist jede der beiden Wicklungsanzapfungen tap n sowie tap n+1 über einen mechanischen Schalter DS ₃ bzw. DS _b mit einer Reihenschaltung aus jeweils zwei entgegengesetzt geschalteten IGBTs I _3n und l _ap auf der Seite n sowie l _bn und l _bp auf der Seit n+1 mit der Stufen- schalterableitung verbunden. Parallel zu jedem IGBT ist eine Diode d _an , d _ap ; d _bn , d _bp vorgesehen, wobei die beiden Dioden in jedem Lastzweig entgegengesetzt zueinander geschaltet sind. Parallel zu jedem einzelnen IGBT ist wiederum 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 ₃ bzw. MC _b dargestellt. Die IGBTs beider Seiten I _3n , l _ap ; 'bn. lb _P werden durch einen gemeinsamen, nur schematisch dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten IGBT-Treiber angesteuert.

Die Varistoren V _3n , V _ap bzw. V _bn , V _bp sind derart dimensioniert, dass ihre Varistorspannung geringer als die maximale Blockierspannung des jeweils parallelen IGBT's aber größer als der maximale Momentanwert der Stufenspannung ist.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren, d. h. eine Umschaltsequenz von beispielsweise tap n auf tap n+1 , an Hand dieser Schaltung noch einmal näher erläutert werden: In der Grundposition fließt der Laststrom über den Dauerhauptkontakt MC ₃ von tap n zur Stu- fenschalterableitung Y.

Als erster Schritt der Umschaltsequenz werden die Freischaltkontakte DS _a und DS _b geschlossen.

Anschließend wird Zündspannung an die Gates der IGBTs I _3n und l _ap gelegt. Jetzt öffnet der Dauerhauptkontakt MC _a und kommutiert den Laststrom I _L auf die IGBT-Gruppe l _an /l _ap . Nach weniger als 10 ms Stromflussdauer von I _L über die IGBT-Gruppe l _an /l _ap erhalten diese IGBTs einen Abschaltbefehl und die IGBT-Gruppe l _bn /lb _P 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 und die Spannung am IGBT teilt sich in zwei Komponenten auf:

— die nur noch geringfügig ansteigende Varistorspannung

— das L» di/dt des kleinen Kommutierungskreises zwischen IGBT und parallelem Varistor.

Infolge der sehr induktivitätsarmen Ankopplung des Varistors an den IGBT erfolgt die Kommutierung des max. Laststromes vom IGBT auf den Varistor innerhalb von 0,1...1 μs.

Der Varistor ist so dimensioniert, dass sich die Spannung des laststromdurchflossenen Varistors einerseits unterhalb der max. Blockierspannung des parallelen IGBTs, andererseits o- berhalb 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 r — σ dt verschwindet und an der IGBT-A/aristor-Gruppe A erscheint die Stufenspannung, die abhängig von der Polarität an einem blockierenden IGBT und dem jeweils 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 IbrAp über die Gateansteuerung in den nichtleitenden Zustand geschaltet.

Die Umschaltsequenz endet mit dem öffnen der mechanischen Freischaltkontakte DS ₃ und DS _b , die die IGBTs vor den transienten Spannungsbeanspruchungen schützen, die an der Stufenwicklung wirksam werden können.

In Figur 3 ist eine abgewandelte geeignete Schaltung für die Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 dargestellt, bei der die beiden Varistoren jeweils einer Seite V _3n , V _ap bzw. V _bn , V _bp zu einem jeweils gemeinsamen Varistor V ₃ bzw. V _b zusammengefasst sind. Dabei bildet der jeweilige mechanische Schalter jeder Seite DS ₃ bzw. DS _b und der jeweilige Varistor der zugehörigen Seite V ₃ bzw. V _b ebenfalls eine Reihenschaltung hin zur gemeinsamen Lastableitung.

In Figur 4 ist ein weiteres, abgewandeltes erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, das von einer Vereinfachung des Ablaufes ausgeht und bei dem keine mechanischen Schalter vorgesehen sind. Die allgemeine erfinderische Idee, Varistoren zur Kommutierung des Laststromes zu verwenden, wird auch bei diesem Verfahren realisiert.

Dieses weitere Verfahren geht davon aus, dass bei einem Stufenschalter wiederum zwei Lastzweige vorgesehen sind, wobei jeder der beiden Lastzweige eine Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT's l _an , l _ap; l _b n, Ibp enthält, zu denen jeweils parallel eine Diode d _an , d _ap ; d _bn> d _bp geschaltet ist. Parallel zu jedem der genannten IGBT's I _3n , l _ap; l _bn , l _bp ist jeweils ein Varistor V _an , V _ap ; V _bn , V _bp geschaltet.

Zu Beginn der Umschaltung führen die IGBT's der abschaltenden Seite l _an und l _ap den Laststrom.

Nachfolgend erhalten diese IGBT's einen Abschaltbefehl, die IGBT's der anschaltenden Seite l _bn und l _bp einen Einschaltbefehl; die IGBT's der abschaltenden Seite schalten „hart" ab. Nachfolgend wird der Laststrom erfindungsgemäß auf die Varistoren V _3n und V _ap der abschaltenden Seite kommutiert.

Wiederum nachfolgend wird der Laststrom auf die IGBT's der übernehmenden Seite l _bn und l _bp kommutiert und von diesen geführt. Wie bereits erläutert, geht dieses vereinfachte Verfahren von einem Stufenschalter aus, der keine mechanischen Freischaltkontakte und keine mechanischen Dauerhauptkontakte aufweist, sondern bei dem der Laststrom im stationären Betrieb von den IGBT's geführt wird. Beide Verfahren, sowohl das in Figur 1 dargestellte, als auch das in Figur 4 dargestellte Verfahren folgen der gleichen erfinderischen Idee und lösen in gleicher Weise die Aufgabe der Erfindung.

Abschließend sollen nach einmal die weiter oben bereits detailliert erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik zusammengefasst werden.

• 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.