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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus der
DE 20 21 575 A ist ein Stufenschalter bekannt, der insgesamt vier Vakuumschaltröhren pro Phase aufweist. In jedem der beiden vorhandenen Lastzweige sind jeweils eine Vakuumschaltröhre als Hauptkontakt und jeweils eine weitere Vakuumschaltröhre, in Reihenschaltung mit einem Überschaltwiderstand, als Widerstandskontakt vorgesehen.
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Bei einer unterbrechungslosen Lastumschaltung von der bisherigen Wicklungsanzapfung n auf eine neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung n + 1 wird zunächst der Hauptkontakt der abschaltenden Seite geöffnet, wonach der Widerstandskontakt der übernehmenden Seite geschlossen wird, so dass zwischen den beiden Stufen n und n + 1 ein durch die Überschaltwiderstände begrenzter Ausgleichsstrom fließt. Nachdem der bisher geschlossene Widerstandskontakt der abschaltenden Seite geöffnet hat, schließt der Hauptkontakt der übernehmenden Seite, so dass der gesamte Laststrom von der neuen Wicklungsanzapfung n + 1 zur Lastableitung führt, womit die Umschaltung beendet ist.
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Die bei diesem bekannten Stufenschalter und zahlreichen ähnlichen bekannten Ausführungsformen verwendeten Vakuumschaltröhren, die anstelle von herkömmlichen mechanischen Kontakten zur Lastumschaltung verwendet werden, besitzen eine Reihe von Vorteilen. Da die Kontakte selbst im Vakuum gekapselt sind, lassen sich hohe Schaltleistungen realisieren. Die gekapselten, hermetisch abgeschlossenen Kontakte können außerdem nicht zur Verrußung und Verschmutzung des sie umgebenden Isolieröls im Stufenschalter durch Kontaktabbrand oder Lichtbögen führen. Weiterhin sind Vakuumschaltröhren inzwischen als sehr kompakte Bauteile verfügbar; sie weisen einen geringen Platzbedarf auf und erfordern nur relativ geringe Betätigungskräfte.
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Bei verschiedenen Anwendungsfällen solcher bekannter Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren zur Regelung von Leistungstransformatoren ist jedoch eine hohe Stoßspannungsfestigkeit von vorzugsweise bis zu Spannungen von 100 kV und deutlicher darüber hinaus erforderlich. Solche unerwünschte Stoßspannungen, deren Höhe wesentlich durch den Aufbau des Stufentransformators und der Wicklungsteile zwischen den einzelnen Anzapfstufen bedingt ist, sind zum einen Blitzstoßspannungen, die sich durch das Einschlagen von Blitzen im Netz ergeben. Zum anderen können auch Schaltstoßspannungen auftreten, die durch nicht vorhersehbare Schaltstöße im zu regelnden Netz verursacht sind. Bei nicht ausreichender Stoßspannungsfestigkeit des Stufenschalters kann es zu kurzzeitigem Stufenkurzschluss bzw. unerwünschtem Durchschlag an der Keramik bzw. dem Dampfschirm betroffener Vakuumschaltröhren im nicht den Laststrom führenden Lastzweig kommen, was nicht nur deren Langzeitschädigung verursachen kann, sondern generell unerwünscht ist.
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Aus der
DE 23 57 209 B1 und der
DE 26 04 344 A1 ist es bereits bekannt, zur Bekämpfung zu hoher Stoßspannungsbeanspruchungen zwischen den Lastzweigen Schutzfunkenstrecken oder auch spannungsabhängige Widerstände oder auch beides vorzusehen; diese Mittel sind jedoch in verschiedenen Fällen unzureichend und können schädliche Stoßspannungsbeanspruchungen in ihrer Wirkung nicht oder nicht vollständig ausschließen.
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Aus der
DE 1 638 575 A ist eine Lastumschaltanordnung für Stufentransformatoren zum unterbrechungslosen Umschalten unter Last bekannt. Diese weist eine Lastableitung auf, die über zwei unterschiedliche Zweige mit unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen verbunden werden kann. Einer dieser Zweige besteht aus einem Umschalter, welcher mit einer Vakuumschaltröhre in Reihe geschaltet ist. Der zweite Zweig besteht aus einem Überschaltwiderstand und einem Wender, welche ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Mit Hilfe eines Umkehrgetriebes wird der Wender unabhängig von der Drehrichtung der Antriebswelle stets an erster Stelle betätigt. Durch diese Lösung kommt der Lastumschalter mit nur einer Vakuumschaltröhre aus.
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Aus der
DE 1 683 580 A1 ist eine Anordnung zur Lastumschaltung für Stufentransformatoren bekannt. Diese besteht aus einer Lastleitung, die über zwei unterschiedliche Zweige mit unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen verbunden werden kann. Beide Zweige bestehen aus je einem Vakuumschalter und einem dazu in Reihe geschalteten mechanischen Kontakt. Die mechanischen Kontakte werden im Dokument als Umschalter und Wender bezeichnet. Zwischen dem Wender und dem dazugehörigen Vakuumschalter ist ein Überschaltwiderstand zwischengeschaltet. Beim Umschalten von einer Wicklungsanzapfung zur nächsten der Wender stets als erstes und letztes Schaltelement betätigt. Unmittelbar nach dem Wender wird der mit diesem und dem Überschaltwiderstand in Reihe geschaltete Vakuumschalter geschlossen. Unmittelbar danach wird der Vakuumschalter des anderen Zweiges geöffnet, so dass der Stromfluss zur Lastleitung über diesen Zweig unterbrochen wird. Kurz nach dem der Umschalter umschaltet wird der zuvor geöffnete Vakuumkontakt wider geschlossen. Folglich werden im Zweig mit dem Überschaltwiderstand der Vakuumschalter und im Anschluss der Wender geöffnet.
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Aus der
WO 2006/004 527 A1 ist ein Lastumschalter eines Laststufenschalters bekannt, der zwei Lastzweige, nämlich Hauptzweig und Widerstandszweig, aufweist. Der Hauptzweig besteht aus einer Vakuumschaltröhre und einem Hauptschaltkontakt, wobei beide Teile in Reihe geschaltet sind. Der Widerstandszweig besteht aus einer Vakuumschaltröhre, einem Widerstandsschalkontakt und einem Widerstand, wobei auch hier alle Teile in Reihe geschaltet sind. Die Umschaltung im Lastumschalter erfolgt stets nach dem der Wähler die Wicklung auf die umgeschaltet werden soll vorgewählt hat. Sowohl der Hauptschaltkontakt als auch der Widerstandskontakt sind derart ausgebildet, dass die Umschaltung durch eine Drehbewegung in die immer gleiche Richtung erfolgt. Bei jeder Umschaltung wird stets der Hauptschaltkontakt vor dem Widerstandsschaltkontakt betätigt. Der Lastumschalter gestaltet sich dadurch kompakter und weniger wartungsintensiv.
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Aus der
JP 55-132 021 A ist ein Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators bekannt. Dieser weist einen Lastzweig mit zwei parallelen Pfaden auf, die jeweils ein in Reihe mit einer Vakuumschaltröhre geschaltetes mechanisches Schaltelement aufweisen. Bei einem der Pfade ist zwischen der Vakuumschaltröhre und dem mechanischen Schaltelement ein Widerstand zwischengeschaltet. Über die Pfade können die Wicklungsanzapfungen mit dem Lastzweig verbunden werden. Dies geschieht über einen definierten zeitlichen Versatz der Betätigung der Vakuumschaltröhren und der mechanischen Schaltelemente. Von der Schaltrichtung unabhängig, schaltet ein mechanisches Schaltelement vor dem anderen mechanischen Schaltelement und den Vakuumschaltröhren. Die Merkmale dieses Dokuments bilden den nächstliegenden Stand der Technik zum ersten Patentanspruch.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art mit hoher Stoßspannungsfestigkeit, auch als a0-Festigkeit bezeichnet, vorzuschlagen.
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Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Zur Erreichung des Ziels der Erfindung wird ein Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bei diesem Stufenschalter ist ein Lastzweig mit wenigstens zwei parallelen Pfaden vorgesehen. Jeder dieser Pfade umfasst eine Serienanordnung aus wenigstens einer Vakuumschaltröhre und wenigstens einem mechanischen Schaltelement, der im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Einem der wenigstens zwei Pfade ist ein in Serie mit der jeweiligen Vakuumschaltröhre und dem mechanischen Schaltelement angeordneter Widerstand zugeordnet. Auf diese Weise können die wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer Lastableitung beaufschlagt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die insgesamt wenigstens zwei Vakuumschaltröhren und wenigstens zwei mechanischen Schaltelemente mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen gemeinsam schaltbar. Zudem weist wenigstens eines der mechanischen Schaltelemente einen gegenüber den übrigen Schaltelementen bzw. Vakuumschaltröhren und von der Schaltrichtung unabhängigen zeitlich vorveriagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt auf, wodurch bestimmte Schaltzustände auf einfache, zuverlässige und exakt reproduzierbare Weise mit Hilfe mechanischer Mittel realisiert werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Stufenschalters weist der vorverlagerte Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt einen definierten zeitlichen Abstand zu den übrigen Schalt- bzw. Auslösezeitpunkten der weiteren mechanischen Schaltelemente und Vakuumschaltröhren auf. Zudem schaltet das einen zeitlich vorverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweisende mechanische Schaltelement vor allen übrigen Schaltelementen und Vakuumschaltröhren, d. h. diesen zeitlich vorgeordnet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stufenschalters sieht eine drehbare Schaltwelle vor, der Betätigungselemente für jede Betätigungsphase für die mechanischen Schaltelemente bzw. Vakuumschaltröhren zugeordnet sind, wobei die Betätigungselemente jeweils von der Schaltwelle drehbaren, konzentrischen Kurvenscheiben mit stirnseitigen Konturen zugeordnet sind. Diese stirnseitigen Konturen können insbesondere durch Vorsprünge, Nocken o. dgl. gebildet sein, die zur Betätigung der Schaltelemente und/oder Vakuumschaltröhren geeignet sind. Zudem sind die von der wenigstens einen mit dem zeitlich vorverlagert zu schaltenden mechanischen Schaltelement korrespondierenden Kurvenscheibe ausgelösten Schaltzeitpunkte unabhängig von ihrer Drehrichtung bzw. von der Drehrichtung der Schaltwelle gegenüber den Drehbewegungen der übrigen Kurvenscheiben bzw. der übrigen Betätigungselemente zeitlich vorverlagert.
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Weiterhin kann ein zusätzlicher Dauerhauptkontakt am Stufenschalter vorgesehen und/oder mit diesem gekoppelt sein. Bei einem solchen Stufenschalter kann zusätzlich auf der ab- und/oder aufschaltenden Seite jeweils ein mechanischer Kontakt (MC) vorhanden sein, der einen Dauerstrom führt. Der mechanische Kontakt MC eines solchen Dauerhauptkontaktschalters öffnet vorzugsweise auf der abschaltenden Seite vor dem Schaltelement MSV, während der weitere mechanische Kontakt MC auf der aufschaltenden Seite nach dem Schaltelement MSV schließt.
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Das in jeder Schaltrichtung vorverlagerte Schalten bzw. Auslösen des wenigstens einen mechanischen Schaltelements kann bei dem Stufenschalter dadurch realisiert sein, dass dem wenigstens einen Schaltmittel und der diesem zugeordneten Kurvenscheibe ein Getriebeelement zur Phasenverschiebung des Schaltzeitpunkts je nach Drehrichtung der Schaltwelle zugeordnet ist. Dieses Getriebeelement kann insbesondere durch eine Planetenstufe gebildet sein, die sich zwischen der Schaltwelle und der konzentrisch zu dieser angeordneten Kurvenscheibe befindet. Die Kurvenscheibe kann dabei mit einem Hohlrad verbunden oder als solches ausgebildet sein, das eine Innenverzahnung aufweist, die in Verzahnungseingriff mit mehreren Planetenrädern steht, die wiederum in einem Verzahnungseingriff mit einem zentralen Sonnenrad stehen, das drehfest mit der Schaltwelle verbunden oder auf dieser befestigt ist. Bei einer Drehbewegung der Schaltwelle wird mittels der Übersetzungsstufe des Planetengetriebes eine beschleunigte oder definiert zeitlich vorverlagerte Drehbewegung der entsprechend gekoppelten Kurvenscheibe ausgelöst, unabhängig von der gewählten Schaltrichtung.
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Der Erfindung liegt die allgemeine Idee zu Grunde, durch jeweils vorverlagertes Schalten eines mechanischen Schaltelements eines von mehreren Lastzweigen unabhängig von der jeweiligen Schaltrichtung die gewünschte Stoßspannungsfestigkeit bzw. a0-Festigkeit realisieren zu können. Auf diese Weise belasten eventuell auftretende Stoßspannungen die Vakuumschaltröhren im jeweils nicht den Laststrom führenden Lastzweig nicht und bleiben damit für die Vakuumschaltröhren unschädlich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Schaltabläufe eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen.
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2 zeigt in mehreren Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des Stufenschalters in einer ersten Schaltrichtung.
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3 zeigt in mehreren Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des Stufenschalters in einer zweiten Schaltrichtung.
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4 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine Variante eines um zwei zusätzliche Dauerhauptkontakte ergänzten Stufenschalters.
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5 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines Stufenschalters, bestehend aus einer Schaltwelle mit daran angeordneten Betätigungselementen und damit gekoppelten Schaltelementen.
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Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel ist nicht einschränkend zu verstehen, sondern dient zur Erläuterung der Funktion und der Schaltmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Stufenschalters. Die Darstellung der 1 soll in einem Ablaufdiagramm die Schaltabläufe eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stufenschalters während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedlichen Schaltrichtungen verdeutlichen. Das obere Diagramm verdeutlicht die Schaltfolge eines aus insgesamt vier einzelnen Schalteinheiten bestehenden Stufenschalters in eine erste Schaltrichtung, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von links nach rechts, während das untere Diagramm die Schaltfolge in entgegen gesetzte Schaltrichtung zeigt, gekennzeichnet durch eine Antriebsrichtung im Diagramm von rechts nach links.
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Die schematischen Darstellungen der 2 (2a bis 2g) zeigen in insgesamt sieben Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des Stufenschalters in einer ersten Schaltrichtung, was in 2a gekennzeichnet ist durch die Schaltrichtung n → n + 1.
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Der in 2 anhand eines Prinzipschaltbildes dargestellte Stufenschalter 10 dient zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen 12 und 14 eines Stufentransformators 16. Der Stufenschalter 10 bildet einen Lastzweig mit zwei parallelen Pfaden 18 und 20. Jeder dieser Pfade 18 und 20 umfasst jeweils eine Serienanordnung aus einer Vakuumschaltröhre MSV, TTV und einem mechanischen Schaltelement MTF, TTF, der im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Der erste Pfad 18 ist durch die in Serie geschaltete erste Vakuumschaltröhre MSV und das erste mechanische Schaltelement MTF gebildet. Der zweite Pfad 20 ist durch eine Serienschaltung aus der zweiten Vakuumschaltröhre TTV, dem zweiten mechanischen Schaltelement TTF sowie einem Widerstand R gebildet. Durch Umschalten der beiden mechanischen Schaltelemente MTF und TTF und durch Öffnen und Schließen der beiden Vakuumschaltröhren können die beiden Wicklungsanzapfungen 12 und 14 des Stufentransformators 16 variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer Lastableitung LA beaufschlagt werden.
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Die beiden Vakuumschaltröhren MSV und TTV und die beiden mechanischen Schaltelemente MTF und TTF sind gemäß 1 mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen (n → n + 1 oder n + 1 → n) gemeinsam schaltbar, d. h. es ist nicht möglich nur eine Vakuumschaltröhre MSV oder TTV oder ein mechanisches Schaltelement MTF oder TTF unabhängig voneinander zu betätigen. Bei einer Umschaltung werden stets alle Schaltelemente MSV, TTV, MTF und TTF mit definiertem zeitlichen Versatz betätigt. Wie anhand der 1 zu erkennen ist, weist das zweite mechanische Schaltelement TTF einen gegenüber dem ersten Schaltelement MTF und den beiden Vakuumschaltröhren MSV und TTV sowie von der Schaltrichtung unabhängigen zeitlich vorverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt auf. Das zweite mechanische Schaltelement TTF schaltet somit unabhängig von der gewählten Schaltrichtung vor allen anderen Schaltelementen MTF bzw. Vakuumschaltröhren MSV und TTV, wodurch bestimmte Schaltzustände auf einfache, zuverlässige und exakt reproduzierbare Weise mit Hilfe mechanischer Mittel realisiert werden können. Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, schaltet das einen zeitlich vorverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweisende zweite mechanische Schaltelement TTF allen übrigen Schaltelementen und Vakuumröhren vorgeordnet.
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Das Diagramm der 1 zeigt die Abläufe bei einem kompletten Schaltvorgang, beginnend vom Zeitpunkt Null, oben für eine Antriebsrichtung von links nach rechts (n → n + 1), d. h. endend zu einem definierbaren Zeitpunkt (vgl. 2) und unten für eine Antriebsrichtung von rechts nach links (n + 1 → n), d. h. beginnend bei einem definierbaren Zeitpunkt entsprechend der unteren Skala und endend ganz links bei Null. Die Schaltstellung des Stufenschalters 10 zum Schaltbeginn ist in 2a verdeutlicht. Die erste Vakuumschaltröhre MSV ist hierbei geschlossen, während der Schaltkontakt der zweiten Vakuumschaltröhre TTV geöffnet ist. Das erste mechanische Schaltelement MTF befindet sich in einer ersten Schaltstellung, bei welcher der Laststrom IL von der ersten Wicklungsanzapfung 12 des Stufentransformators 16 über das erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste Vakuumschaltröhre MSV zur Lastableitung LA fließen kann. Entsprechend dem Schaltbild der 1 wird das zweite mechanische Schaltelement TTF sehr früh umgeschaltet, was bereits in 2a durch den Umschaltpfeil angedeutet ist. In der in 2a noch geschalteten Stellung bildet das zweite mechanische Schaltelement TTF eine Verbindung von der ersten Wicklungsanzapfung 12 zur zweiten Vakuumschaltröhre TTV, deren Schaltkontakt jedoch zu diesem Zeitpunkt noch geöffnet ist, so dass hierüber kein zusätzlicher oder paralleler Strom zur Lastableitung LA fließen kann.
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Nachdem das zweite mechanische Schaltelement TTF auf die zweite Wicklungsanzapfung 14 umgeschaltet ist, erfolgt nach einer kurzen Zeit eine Schließung des Schaltkontaktes der zweiten Vakuumschaltröhre TTV (vgl. 2b), so dass bei noch geschlossener erster Vakuumschaltröhre MSV ein Kreisstrom Ic im rechten Kreis fließt, wie dies in 2c durch den Ringpfeil um die Lastableitung LA angedeutet ist. Kurz danach wird die erste Vakuumschaltröhre MSV geöffnet (vgl. 2c). Diese geöffnete Schaltstellung in relativ kurzer Zeit nach dem Schaltbeginn ist in 2d verdeutlicht. Bei diesem Schaltzustand des Stufenschalters 10 mit der geöffneten ersten Vakuumschaltröhre MSV und der geschlossenen zweiten Vakuumschaltröhre TTV und bei der in den 2b bis 2g gezeigten ersten Schaltstellung des zweiten mechanischen Schaltelements TTF fließt der Laststom IL in der in den 2d und 2e gezeigten Weise von der zweiten Wicklungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 durch den zweiten Lastzweig bzw. zweiten Pfad 20, der auch als Widerstandszweig bzw. R-Zweig bezeichnet werden kann, zur Lastableitung LA.
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Nach einer weiteren kurzen Zeit wird das erste mechanische Schaltelement MTF umgeschaltet (2d, 2e), womit das Schließen der ersten Vakuumschaltröhre MSV (2e, 2f) und das anschließend erfolgende Öffnen der zweiten Vakuumschaltröhre TTV (2f, 2g) vorbereitet wird. Der Laststrom IL fließt in der in 2g gezeigten Weise von der zweiten Wicklungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 durch das entsprechend geschaltete erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste Vakuumschaltröhre MSV zur Lastableitung LA. Es sei darauf hingewiesen, dass bei diesem gezeigten Schaltzyklus das zweite mechanische Schaltelement TTF nicht mehr auf die erste Wicklungsanzapfung 12 umgeschaltet wird, sondern in der Stellung zur aufgeschalteten Seite (Wicklungsanzapfung 14) verbleibt.
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Anhand der Darstellung der einzelnen Schaltvorgänge des in 2 dargestellten Schaltzyklus (n → n + 1; 1 oben) wird deutlich, dass das zweite mechanische Schaltelement TTF in der erwähnten Weise zuerst umgeschaltet und dann im Laufe des Schaltzyklus nicht mehr zurückgeschaltet wird. Da dies gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei der entgegen gesetzten Schaltrichtung der Fall sein soll, sind geeignete Vorkehrungen zu treffen, um das zweite mechanische Schaltelement TTF bei ansonsten in umgekehrter Reihenfolge schaltenden übrigen Komponenten MTF, MSV und TTV wiederum zuerst schalten zu lassen. Dies kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bspw. mittels eines Getriebeelements gewährleistet werden, wie dies anhand der 5 beispielhaft verdeutlicht werden soll.
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Die Darstellungen der 3 zeigen in mehreren Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des Stufenschalters in einer zweiten Schaltrichtung. So zeigt das untere Diagramm der 1 die Abläufe bei einem kompletten Rückschaltvorgang, für eine Antriebsrichtung von rechts nach links (n + 1 → n), d. h. beginnend bei einem Zeitpunkt entsprechend der unteren Skala im rechten Bereich und endend ganz links bei Null. Die Schaltstellung des Stufenschalters 10 zum Schaltbeginn innerhalb eines ersten Zeitraums ist in 3a verdeutlicht. Die erste Vakuumschaltröhre MSV ist hierbei geschlossen, während der Schaltkontakt der zweiten Vakuumschaltröhre TTV geöffnet ist. Das erste mechanische Schaltelement MTF befindet sich in seiner zweiten Schaltstellung, bei welcher der Laststrom IL von der zweiten Wicklungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 über das erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste Vakuumschaltröhre MSV zur Lastableitung LA fließen kann. Dies ist gleichzeitig die Schaltstellung entsprechend 2g, mit welcher der erste Schaltzyklus entsprechend dem oberen Diagramm der 1 beendigt wurde.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht hierbei vor, dass das zweite mechanische Schaltelement TTF bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt umgeschaltet wird, was durch den gekrümmten Schaltpfeil im Bereich des Schalters TTF angedeutet ist. Das vorrangige Schalten des zweiten mechanischen Schaltelements TTF erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung bei beiden Schaltrichtungen, was beim Rückschaltvorgang entsprechend 3 insbesondere dadurch zu realisieren ist, dass die Schaltbewegung des zweiten mechanischen Schaltelements TTF zumindest teilweise von den Schaltbewegungen der übrigen Schaltelemente bzw. Vakuumschaltröhren entkoppelt wird, beispielsweise mittels des Getriebeelements entsprechend der 5.
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Nach der erfolgten frühen Umschaltung des zweiten mechanischen Schaltelements TTF wird nach einer definierbaren Zeit die zweite Vakuumschaltröhre TTV geschlossen (3b; 3c), wonach die erste Vakuumschaltröhre MSV geöffnet wird (vgl. 3c und 3d). Dieses Öffnen der ersten Vakuumschaltröhre MSV erfolgt innerhalb eines definierbaren Zeitraums nach dem Schaltbeginn, was in 3c (Öffnen) und in 3d (MSV geöffnet) verdeutlicht ist. Bei diesem Schaltzustand des Stufenschalters 10 mit der geöffneten ersten Vakuumschaltröhre MSV und der geschlossenen zweiten Vakuumschaltröhre TTV und bei der in den 3b bis 3g gezeigten zweiten Schaltstellung des zweiten mechanischen Schaltelements TTF fließt der Laststom IL in der in den 3c und 3d gezeigten Weise von der ersten Wicklungsanzapfung 12 des Stufentransformators 16 durch den zweiten Lastzweig bzw. zweiten Pfad 20, der auch als Widerstandszweig bzw. R-Zweig bezeichnet werden kann, zur Lastableitung LA (vgl. bspw. 3d). Zuvor fließt der Laststom IL in der in den 3a bis 3c dargestellten Weise von der zweiten Wicklungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 durch den ersten Lastzweig bzw. ersten Pfad 18 zur Lastableitung LA (vgl. bspw. 3a oder 3b).
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Nach einem weiteren kurzen Zeitraum wird das erste mechanische Schaltelement MTF umgeschaltet (3d, 3e), womit das Schließen der ersten Vakuumschaltröhre MSV (3e, 3f) und das anschließend erfolgende Öffnen der zweiten Vakuumschaltröhre TTV (3f, 3g) vorbereitet wird. Der Laststrom IL fließt damit wieder in der in 3g gezeigten Weise von der ersten Wicklungsanzapfung 12 des Stufentransformators 16 durch das entsprechend geschaltete erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste Vakuumschaltröhre MSV zur Lastableitung LA, womit der Schaltzyklus beendet ist. Auf diese Weise wird anhand der Darstellung der einzelnen Schaltvorgänge des in 3 dargestellten Schaltzyklus (n + 1 → n; 1 unten) wiederum deutlich, dass das zweite mechanische Schaltelement TTF in der erwähnten Weise zuerst umgeschaltet wird.
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Die dargestellten Schaltzeitpunkte des zweiten mechanischen Schaltelements TTF bilden eine Umsetzung der allgemeinen Idee der Erfindung, durch jeweils vorverlagertes Schalten des mechanischen Schaltelements TTF in einem von zwei Lastzweigen unabhängig von der jeweiligen Schaltrichtung die gewünschte Stoßspannungsfestigkeit bzw. a0-Festigkeit realisieren zu können. Auf diese Weise belasten eventuell auftretende Stoßspannungen die Vakuumschaltröhren MSV und TTV im jeweils nicht den Laststrom führenden Lastzweig nicht und bleiben damit für die Vakuumschaltröhren unschädlich.
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Die Darstellung der 4 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine Variante eines um zwei zusätzliche Schalter bzw. Dauerhauptkontakte MC (MC1 und MC2) ergänzten Stufenschalters 10. Bei dieser alternativen bzw. optional ergänzbaren Variante des Stufenschalters 10 sind zusätzlich auf der ab- und aufschaltenden Seite jeweils mechanische Kontakte MC, d. h. MC1 bzw. MC2, vorgesehen. Diese sog. Dauerhauptkontakte MC bzw. zusätzlichen Schalter führen jeweils einen Dauerstrom. Zudem sind sie vorzugsweise so geschaltet, dass der Kontakt MC1 auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF) öffnet und der Kontakt MC2 auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen Schaltelementen schließt.
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Die schematische Perspektivdarstellung der 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stufenschalters 10, umfassend eine Schaltwelle 22 mit daran angeordneten Betätigungselementen 24 und damit gekoppelten Schaltelementen 26. Wie anhand der 1 bis 3 bereits erläutert wurde, weist der vorverlagerte Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt des zweiten mechanischen Schaltelements TTF einen definierten zeitlichen Abstand zu den übrigen Schalt- bzw. Auslösezeitpunkten des ersten mechanischen Schaltelements MTF und der beiden Vakuumschaltröhren MSV und TTV auf. Zudem schaltet das einen zeitlich vorverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweisende mechanische Schaltelement TTF zeitlich vor allen übrigen Schaltelementen und Vakuumschaltröhren, unabhängig von der Schaltrichtung, d. h. von der Drehrichtung der Schaltwelle 22.
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Die in der 5 gezeigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Stufenschalters 10 sieht eine um ihre Achse in beide Richtungen drehbare Schaltwelle 22 vor, der vier parallel angeordnete, scheibenförmige Betätigungselemente 24 für jede Betätigungsphase für die mechanischen Schaltelemente 26 bzw. Vakuumschaltröhren zugeordnet sind, wobei die Betätigungselemente 24 jeweils durch von der Schaltwelle 22 drehbaren, konzentrischen Kurvenscheiben 28 mit umfangsseitigen Konturen bzw. Vorsprüngen 30 gebildet sind. Wahlweise könnten solche Konturen und/oder Vorsprünge auch stirnseitig an den Kurvenscheiben angeordnet sein. Diese Vorsprünge 30 lösen die jeweiligen Schaltelemente 26 bzw. Vakuumschaltröhren über hier nicht dargestellten Nockenscheiben aus.
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Wie in der 5 erkennbar, kann jede der vier vorhandenen Kurvenscheiben 28 an ihrem Außenumfang jeweils mehrere gleichmäßig voneinander beabstandete Vorsprünge bzw. Nocken 30 aufweisen, so dass für einen vollständigen Schaltzyklus des Stufenschalters 10 keine vollständige Drehung der Schaltwelle 22 um 360 Grad erforderlich ist, sondern dass bspw. bereits eine 120°-Drehung hierfür ausreichen kann. Zudem ermöglichen es die Außenkonturen der Vorsprünge bzw. Nocken 30 der Kurvenscheiben 28 und ein zwischen der Schaltwelle 22 und der untersten Kurvenscheibe 28 angeordnetes Getriebeelement 34, dass die von der wenigstens einen mit dem zeitlich vorverlagert zu schaltenden mechanischen Schaltelement TTF korrespondierenden Kurvenscheibe 28 ausgelösten Schaltzeitpunkte unabhängig von ihrer Drehrichtung bzw. von der Drehrichtung der Schaltwelle 22 gegenüber den Drehbewegungen der übrigen Kurvenscheiben 28 bzw. der übrigen Betätigungselemente 24 zeitlich vorverlagert sind.
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Das in jeder Schaltrichtung vorverlagerte Schalten bzw. Auslösen des zweiten mechanischen Schaltelements TTF (2 und 3), in der 5 mit der Bezugsziffer 32 bezeichnet, ist bei dem dargestellten Stufenschalter 10 dadurch realisiert, dass dem betreffenden Schaltmittel bzw. Betätigungselement 24 und der diesem zugeordneten Kurvenscheibe 28 ein Getriebeelement 34 zur Phasenverschiebung. des Schaltzeitpunkts je nach Drehrichtung der Schaltwelle 22 zugeordnet ist. Dieses Getriebeelement 34 ist als kompaktes, flach bauendes Planetengetriebe 36 ausgebildet, dessen Sonnenrad 38 drehfest mit der Schaltwelle 22 verbunden ist. Das Sonnenrad 38 befindet sich im Verzahnungseingriff mit drei kleinen Planetenrädern 40, die wiederum im Verzahnungseingriff mit einem Hohlrad 42 mit Innenverzahnung 44 stehen, das drehfest mit der entsprechend dem zweiten mechanischen Schaltelement TTF zugeordneten Kurvenscheibe 28 verbunden ist. Diese zusammenwirkenden Verzahnungselemente definieren durch ihre Übersetzungen und Anordnungen die Schaltzeiten des Schaltelements TTF, d. h., die Schaltverschiebung, die in jeder Drehrichtung der Schaltwelle 22 einen exakt gleichgroßen zeitlichen Abstand zum Schaltbeginn aufweist. Somit wird nochmals durch die 5 die allgemeine Idee der Erfindung anschaulich verdeutlicht, durch jeweils vorverlagertes Schalten des mechanischen Schaltelements TTF bzw. 32 einen von mehreren Lastzweigen unabhängig von der jeweiligen Schaltrichtung der Schaltwelle 22 eine gewünschte Stollspannungsfestigkeit bzw. a0-Festigkeit zu gewährleisten. Auf diese Weise belasten eventuell auftretende Stoßspannungen die Vakuumschaltröhren im jeweils nicht den Laststrom führenden Lastzweig nicht und bleiben damit für die Vakuumschaltröhren unschädlich.
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Weiterhin kann ein – hier nicht dargestellter – zusätzlicher Dauerhauptkontakt am Stufenschalter vorgesehen und/oder mit diesem gekoppelt sein. Bei einem solcherart modifizierten Stufenschalter kann zusätzlich auf der ab- und/oder aufschaltenden Seite jeweils ein mechanischer Kontakt (MC) vorhanden sein, der einen Dauerstrom führt. Der Kontakt eines solchen Dauerhauptkontaktschalters öffnet vorzugsweise auf der abschaltenden Seite vor der MSV, während der Kontakt auf der aufschaltenden Seite nach der MSV schließt.
