DE102011109272B4

DE102011109272B4 - Linearantrieb in einem Stufenschalter

Info

Publication number: DE102011109272B4
Application number: DE201110109272
Authority: DE
Inventors: Dr. Dohnal Dieter
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: WO2013017512A1; DE102011109272A1

Abstract

Linearantrieb in einem Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators, wobei längs einer Bahn sich erstreckende mechanische Kontakte fest angeordnet sind, wobei ein längsbewegbarer Kontaktschlitten vorgesehen ist, der mindestens einen an ihm angeordneten und mit ihm beweglichen Kontakt trägt und wobei die mechanischen Kontakte durch den mindestens einen längsbewegbaren Kontakt stellungsabhängig kontaktierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktschlitten mit einer Schaltstange (1) mechanisch verbunden ist, dass die Schaltstange (1) in ihrer Bewegungsrichtung alternierend ferromagnetische Abschnitte (m) und nichtmagnetische Abschnitte (n) aufweist, die alle eine identische Länge (a) besitzen, dass in Schaltrichtung, d. h. Bewegungsrichtung der Schaltstange (1), um die Schaltstange (1) herum hintereinander mehrere elektrische Spulen (2 ... 5) konzentrisch angeordnet sind und dass die Spulen (2 ... 5) separat erregbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb in einem Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.
Stufenschalter sind seit vielen Jahren etablierter Stand der Technik. Sie weisen in der Regel ein Isolierstoffgerüst bzw. einen Isolierstoffzylinder auf, an dem in mindestens einer, üblicherweise mehreren, horizontalen Ebenen feste Wählerkontakte, die jeweils mit einer Wicklungsausleitung der Stufenwicklung des zu regelnden Transformators elektrisch in Verbindung stehen, angeordnet sind. Im Zentrum dieser kreisförmigen Anordnung fester Wählerkontakte befindet sich dann eine drehbare Antriebswelle, die bewegliche Kontakte trägt, mittels derer die festen Wählerkontakte betätigbar sind. Es findet bei dieser weit verbreiteten Gattung von Stufenschaltern also eine Drehbewegung statt, die üblicherweise durch einen ausgelösten Kraftspeicher erzeugt wird. Ein typisches Beispiel eines solchen Stufenschalters zeigt die DE 38 33 126 A1 .
Neben diesen Stufenschaltern sind jedoch auch solche mit linearer Kontaktbewegung bekannt. Die DE 42 37 165 C1 , die den Oberbegriff des ersten Patentanspruches der vorliegenden Anmeldung bildet, beschreibt einen einpoligen Stufenschalter mit linearer Kontaktbetätigung, bei dem der Schaltmechanismus aus einem Aufzugsschlitten und einem durch diesen mittels eines Kraftspeichers aufziehbaren Abtriebsteil besteht. Das Abtriebsteil läuft dabei nach der Auslösung des Kraftspeichers sprungartig dem Aufzugsschlitten nach. Der Nachteil dieser Anordnung besteht vor allem darin, dass ein Kraftspeicher, hier ein Federkraftspeicher, notwendig ist, der aufwändig und komplex ausgeführt ist und zuvor aufgezogen werden muss. Nach seiner Auslösung setzt er plötzlich und abrupt eine hohe Energie frei, was durchaus problematisch ist. Die hohe kinetische Energie führt zu einer starken Belastung der bewegten Bauteile und kann auch unerwünschte Stöße oder Schwingungen verursachen, besonders, wenn der Stufenschalter seine Endposition erreicht. Aus der DE 44 02 087 A1 ist bereits eine Dämpfungseinrichtung für einen solchen linear betätigten Stufenschalter mit einem Kraftspeicher bekannt. Durch diese Dämpfungseinrichtung, die hydraulisch arbeitet, soll ein Teil der frei gesetzten Energie des Kraftspeichers „aufgefangen” werden. Diese bekannte Losung beseitigt jedoch nicht die Ursache, sondern versucht, das Symptom zu reduzieren.
Aus der US 200410100152 A1 ist ein Linearantrieb bekannt, wobei eine Schaltstange in ihrer Bewegungsrichtung alternierend ferromagnetische Abschnitte und nichtmagnetische Abschnitte aufweist, die alle eine identische Länge besitzen. Dabei sind in Bewegungsrichtung der Schaltstange um diese herum mehrere elektrische Spulen angeordnet, die unabhängig voneinander erregbar sind.
Aus der US 2011/0084559 A1 ist ein weiterer direkter Linearantrieb bekannt, bei dem ebenfalls alternierend magnetische Abschnitte vorgesehen sind und durch entsprechende Spulenanordnungen eine Längsbewegung einer Schaltstange erzeugt wird. Zusätzlich ist bei dieser Anordnung noch eine Positionserfassungseinrichtung mit einer entsprechenden Messanordnung beschrieben.
Aus der DE 10 2009 017 197 A1 ist ein weiterer linear betätigter Stufenschalter, hier mit Halbleiter-Schaltelementen, bekannt. Bei diesem sogenannten Hybrid-Schalter (Hybrid deswegen, weil sowohl Halbleiter-Schaltelemente als auch mechanische Komponenten vorhanden sind) sind sich auf einer Bahn erstreckende feste Kontaktschienen vorgesehen, die von gemeinsam mittels eines Kontaktschlittens bewegbaren Kontaktbrücken kontaktierbar sind. Für derartige Hybrid-Schalter sind bislang – außer den bekannten Federkraftspeichern – keine befriedigenden Antriebe verfügbar. Die bekannten Kraftspeicher sind jedoch für diese Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen relativ ungeeignet; die Nachteile wurden bereits oben aufgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und einen geeigneten Linearantrieb in einem Stufenschalter anzugeben, der keinen separat aufziehbaren Kraftspeicher mehr erfordert.
Diese Aufgabe wird durch einen Linearantrieb in einem Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Erfindung liegt die allgemeine erfinderische Idee zugrunde, einen elektromagnetischen Direktantrieb zu verwenden. Damit entfällt nicht nur der eigentliche Kraftspeicher, sondern es ist kein mechanischer Antrieb durch einen separaten Motor überhaupt mehr notwendig. Erfindungsgemäß ist eine Antriebsstange vorgesehen, die mit den zu bewegenden Bauteilen des Stufenschalters, die ihrerseits die beweglichen Kontakte tragen, in Verbindung steht. Die Antriebsstange besteht dabei aus sich abwechselnden ferromagnetischen und unmagnetischen Abschnitten. Um die Antriebsstange herum sind in derer Bewegungsrichtung räumlich hintereinander angeordnete Spulen konzentrisch angeordnet, die in beliebiger Reihenfolge kurzzeitig elektrisch gepulst werden können, d. h. kurzfristig stromdurchflossen sind. Dadurch wird eine schnelle, schrittweise Bewegung der Antriebsstange realisiert. Besonders vorteilhaft ist es, durch eine Rastung im stationären Zustand des Stufenschalters eine stabile, definierte Position der Antriebsstange zu gewährleisten. Dies kann vorteilhaft durch mechanische Rastmittel erfolgen, die besonders vorteilhaft auch zusätzlich zur Führung der Antriebsstange bei deren Bewegung in Längsrichtung dienen können.
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Linearantrieb in einem Stufenschalter schematischer Darstellung
2 verschiedene Stellungen, d. h. Betätigungssequenzen, eines derartigen Linearantriebes
3 eine entsprechende Sequenz der jeweils erregten Spulen zur Erzeugung einer beispielhaften Schrittfolge des Linearantriebes
4 eine vorteilhafte Schaltung zur Erregung jeweils einer der Spulen.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Linearantrieb in einem Stufenschalter schematisch gezeigt. Er weist eine Schaltstange 1 auf, die längsverschiebbar ausgebildet ist. Um diese Schaltstange 1 herum sind in deren Längsrichtung gesehen hier vier elektrische Spulen 2, 3, 4, 5 konzentrisch angeordnet. Zwischen jeder der Spulen 2 ... 5 und der Schaltstange 1 verbleibt ein Luftspalt. Jede der Spulen 2 ... 5 ist separat elektrisch an steuerbar; dies wird später noch näher erläutert. Die Schaltstange 1 ist abwechselnd in ferromagnetische Abschnitte m und nicht magnetische Abschnitte n unterteilt. Die einzelnen Abschnitte besitzen, in Bewegungsrichtung gesehen, die jeweils identische Länge a. Diese Länge a entspricht besonders vorteilhaft auch der Höhe der einzelnen, identisch aufgebauten Spulen 2 ... 5. Der Abstand b zwischen den Spulen 2 ... 5, wiederum in Bewegungsrichtung der Schaltstange 1 gesehen, beträgt die Hälfte des Wertes a für die Länge der unterschiedlichen Abschnitte m, n. Im Abstand b sind auf der Schaltstange 1 Rastungen 6 vorgesehen, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine einzige mit Bezugszeichen versehen ist. Oberhalb und unterhalb des Bereiches der Spulen 2 ... 5 befinden sich obere Rastelemente 7 und untere Rastelemente 8, die jeweils gegen die Kraft von Federn 9 mit – stellungsabhängig – unterschiedlichen Rastungen 6 korrespondieren und damit die Schaltstange 1 fixieren können. Durch unterschiedliche Ansteuerung einzelner Spulen lässt sich die Schaltstange 1 jeweils in Längsrichtung um einen bestimmten Weg betätigen, der genau dem Abstand b zwischen zwei Spulen 2 ... 5 und damit auch dem Abstand zwischen zwei benachbarten Rastungen 6 entspricht. In diesen stationären Stellungen ist demnach die Schaltstange 1 fixiert. Mit c ist die Symmetrieachse in Längsrichtung der Schaltstange 1 bezeichnet, c und d bezeichnen zwei beispielhafte horizontale Ebenen für Rastelemente 7, 8.
2 zeigt die möglichen Stellungen der Schaltstange 1 im Stufenschalter bei unterschiedlicher Ansteuerung einzelner Spulen. Dies soll in Verbindung mit der 3 erläutert werden, in der die entsprechende Ansteuersequenz schematisch dargestellt ist. Es ist zu sehen, dass, ausgehend von einer Position 1, durch Erregung der oberen Spule A (die der Spule 2 in 1 entspricht) die Schaltstange 1 nach oben geführt wird, bis sich der entsprechende magnetische Bereich vollständig im Inneren der Spule A befindet. Damit ist die Position 2 erreicht. Zur weiteren Betätigung in derselben Richtung wird jetzt die Spule B (die der Spule 3 in 1 entspricht) ihrerseits erregt, bis wiederum der entsprechende magnetische Bereich sich vollständig innerhalb dieser Spule B befindet. Zum Weiterschalten in derselben Richtung wird dann die Spule 10 erregt (die der Spule 4 in 1 entspricht); der Ablauf wiederholt sich entsprechend, ebenso wie beim nochmaligen Weiterschalten in derselben Richtung durch kurzzeitige Erregung der Spule D (die der Spule 5 in 1 entspricht). Bei einer gewünschten Betätigung der Schaltstange 1 in entgegengesetzter Richtung werden die Spulen jeweils in entgegengesetzter Reihenfolge betätigt. Es ist zu sehen, dass durch unterschiedliche Ansteuerung einzelner Spulen eine Bewegung der Schaltstange 1 in beiden Richtungen jeweils um einen stets gleichen Weg b möglich ist. Der Weg b ergibt sich daraus, dass die nach Ansteuerung der entsprechenden Spule beginnende Bewegung der Schaltstange 1 dann abgeschlossen ist, wenn der jeweilige magnetische Bereich, der sich zu Beginn der Bewegung nur zur Hälfte in dieser Spule befindet, vollständig in sie bewegt worden ist. Die jeweiligen Betriebsstellungen können auf besonders vorteilhafte Weise durch die in 1 gezeigte, in der 2 jedoch nicht dargestellte Fixierung durch die Rastungen 6 und jeweiligen Rastelemente 7, 8 ermöglicht werden. Die erläuterten Rastelemente 7, 8 können vielfältig ausgeführt sein, es kann sich beispielsweise um gefederte Kugeln handeln, die in entsprechende Rastungen 6 eingreifen, es können auch andere, dem Fachmann bekannte Mittel dafür verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, solche Rastmittel auch zur zusätzlichen Führungsunterstützung der Schaltstange 1 zu verwenden und entsprechende Rastungen beispielsweise in jeder horizontalen Ebene d, e mehrmals vorzusehen, beispielsweise um 120 Grad auf der Schaltstange 1 versetzt.
4 zeigt eine vorteilhafte Schaltung zur Gleichspannungserregung der jeweiligen Spulen 2 ... 5. Sie weist eine leistungselektronische Komponente mit leistungselektronischen Schaltelementen, z. B. GTO bzw. Thyristor, auf und wird vorteilhafter Weise gespeist aus einem gepufferten Speicher, beispielsweise einem Kondensator. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die erforderliche Energie über einen Akkumulator, z. B. einem Lithium-Ionen-Akku zu erzeugen. Natürlich ist es auch möglich, die benötigte Spannung extern zuzuführen.
Insgesamt gestattet die Erfindung auf einfache Weise mit nur wenigen Bauteilen eine direkte und genaue Betätigung eines Linearantriebes für einen Stufenschalter. Sowohl herkömmliche Motorantriebe mit einem Elektromotor als auch ein Kraftspeicher, der nach seiner Auslösung die erforderliche Bewegungsenergie bereitstellt, sind überflüssig. Durch entsprechende Dimensionierung der Antriebsstange 1 sowie der Spulen 2 ... 5 und Variierung der Zahl der Spulen lassen sich sowohl die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaltstange 1 als auch die Zahl möglicher Stellungen und die entsprechenden Schaltwege in weiten Grenzen variieren und an die konkreten Verhältnisse anpassen.

Claims

Linearantrieb in einem Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators, wobei längs einer Bahn sich erstreckende mechanische Kontakte fest angeordnet sind, wobei ein längsbewegbarer Kontaktschlitten vorgesehen ist, der mindestens einen an ihm angeordneten und mit ihm beweglichen Kontakt trägt und wobei die mechanischen Kontakte durch den mindestens einen längsbewegbaren Kontakt stellungsabhängig kontaktierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktschlitten mit einer Schaltstange (1) mechanisch verbunden ist, dass die Schaltstange (1) in ihrer Bewegungsrichtung alternierend ferromagnetische Abschnitte (m) und nichtmagnetische Abschnitte (n) aufweist, die alle eine identische Länge (a) besitzen, dass in Schaltrichtung, d. h. Bewegungsrichtung der Schaltstange (1), um die Schaltstange (1) herum hintereinander mehrere elektrische Spulen (2 ... 5) konzentrisch angeordnet sind und dass die Spulen (2 ... 5) separat erregbar sind.
Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) der Spulen (2 ... 5) voneinander der halben Länge (a) der ferromagnetischen sowie nichtmagnetischen Abschnitte (m, n) entspricht.
Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Spulen (2 ... 5) der Länge (a) der ferromagnetischen sowie nicht magnetischen Abschnitte (m, n) entspricht.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spulen (2 ... 5) identisch aufgebaut sind.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zu einer Gleichspannungserregung der jeweiligen Spule (2 ... 5) aus einem gepufferten Speicher oder einem Akkumulator bereitgestellt wird.