DE102012107446A1

DE102012107446A1 - Lastumschalter, Laststufenschalter und Verfahren zum Umschalten eines Laststufenschalters

Info

Publication number: DE102012107446A1
Application number: DE102012107446.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Hammer; Andreas Sachsenhauser
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: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: WO2014026805A1; HK1207736A1; US20150179362A1; EP2885797A1; DE102012107446B4; CN104737249A

Abstract

Ein Lastumschalter für einen Laststufenschalter zur Umschaltung von einer beschalteten Wicklungsanzapfung auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators umfasst mindestens einen widerstandslosen Strompfad und mindestens einen Widerstandspfad. Eine Messeinrichtung misst einen Ist-Wert eines Phasenwinkels zwischen einem Laststrom und einer Spannung des Stufentransformators von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Stromabführung. Durch eine Verstelleinrichtung sind die zeitliche Reihenfolge der Beschaltung der Pfade des Lastumschalters abhängig von dem gemessenen Ist-Wert und einem vorgegebenen Grenzwert des Phasenwinkels derart veränderlich einstellbar, dass während einer Lastumschaltung die Spannung stets innerhalb eines Spannungsintervalls zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung und der vorgewählten Wicklungsanzapfung liegt. Es ist auch ein Laststufenschalter mit solch einem Lastumschalter sowie ein Verfahren zum Umschalten eines Lastumschalters von einer beschalteten Wicklungsanzapfung auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lastumschalter, einen Laststufenschalter mit dem erfindungsgemäßen Lastumschalter sowie ein Verfahren zum Umschalten eines Lastumschalters eines Laststufenschalters von einer beschalteten Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung des Stufentransformators.
Laststufenschalter (im Englischen „on-load tap-changers”, abgekürzt OLTC) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen der unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen von Stufentransformatoren. Laststufenschalter umfassen einen Lastumschalter und einen Wähler, bestehend aus einem Feinwähler und eventuell einem Vorwählen. Der Wähler dient zur leistungslosen Anwahl der jeweiligen neuen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll. Der Lastumschalter dient zur nachfolgenden, schnellen und unterbrechungslosen Umschaltung von der bislang beschalteten Wicklungsanzapfung auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung, die zu beschalten ist.
Während der Lastumschaltung führt der Lastumschalter eine spezifische Schaltsequenz (Schaltablauf) aus, bei der verschiedene Schalter in Widerstandsspfaden, sogenannte Widerstandsschalter, und Schalter in widerstandslosen Pfaden (Strompfade) in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge nacheinander bzw. überlappend betätigt werden. Die Schalter dienen dabei zur direkten Verbindung der jeweiligen Wicklungsanzapfung mit der Lastableitung bzw. Stromabführung in ein Energieversorgungsnetz, nachfolgend kurz Netz genannt. Die Widerstandskontakte dienen zur kurzzeitigen Beschaltung mittels eines oder mehrerer Überschaltwiderstände.
Lastumschalter erzeugen im Netz während der Umschaltung Spannungsschwankungen, auch „Flicker” genannt. Spannungsschwankungen im elektrischen Energieversorgungsnetz führen beispielsweise zu Veränderungen der ausgestrahlten Leuchtdichte von Leuchtmitteln, wie zum Beispiel Glühlampen. Solche Leuchtdichteänderungen empfindet der Mensch bei Überschreitung bestimmter Pegel als störend. Die Flickerwirkung nimmt mit der Häufigkeit und mit der Höhe der Spannungsänderungen zu. Zur Gewährleistung der Spannungsqualität im Netz existieren Grenzwerte für den maximalen Flicker (Flickergrenzwerte).
Durch die Zunahme von dezentralen Energieeinspeisern, wie beispielsweise Photovoltaikanlagen, ist es zukünftig erforderlich, auch Transformatoren im Orts-Energieversorgungsnetz mit Laststufenschaltern auszustatten. Bei sonnigem Wetter ohne Wolken wird vergleichsweise viel Strom nahezu konstant in das Netz eingespeist. Bei Bewölkung ohne oder kaum Sonne wird vergleichsweise wenig Strom nahezu konstant in das Netz eingespeist. Dagegen wird bei sonnigem Wetter mit wechselnder Bewölkung in vergleichsweise kurzen Zeitabständen abwechselnd wenig und viel Strom eingespeist. Bei den Transformatoren solch eines Orts-Energieversorgungsnetzes kann der Laststrom (Lastfluss) daher häufig in Abhängigkeit der momentanen Einspeisesituation wechseln, so dass unerwünscht hohe Flickerpegel zu befürchten sind.
Bei bisher bekannten Laststufenschaltern mit zwei Überschaltwiderständen, beispielsweise OILTAP^®M, VACUTAP^®VM und bei bekannten Laststufenschaltern mit einem Überschaltwiderstand, beispielsweise VACUTAP^®VR, ergeben sich während der Lastumschaltung je nach Lastflussrichtung für den Transformator sowie abhängig von der Schaltrichtung unerwünscht hohe Flickerpegel (siehe nachfolgende Beschreibung zu den 1 bis 6).
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Lastumschalter zu schaffen, der unabhängig von der Richtung des Laststroms und der Schaltrichtung, also der Zu- bzw. Abschaltung von Spannungsstufen, stets einen minimalen Flickerpegel erzeugt. Diese Aufgabe wird durch einen Lastumschalter nach Anspruch 1 gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist zudem, einen Laststufenschalter zu schaffen, der unabhängig von der Richtung des Laststroms und der Schaltrichtung stets einen minimalen Flickerpegel erzeugt. Diese Aufgabe wird durch einen Laststufenschalter nach Anspruch 7 gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist ferner, ein Verfahren zum Umschalten eines Lastumschalters eines Laststufenschalters von einer beschalteten Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung des Stufentransformators zu schaffen, wobei unabhängig von der Richtung des Laststroms und der Schaltrichtung stets ein minimaler Flickerpegel erzeugt wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Umschalten eines Lastumschalters eines Laststufenschalters nach Anspruch 8 gelöst.
Der erfindungsgemäße Lastumschalter für einen Laststufenschalter zur Umschaltung von einer beschalteten Wicklungsanzapfung auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators umfasst mindestens einen widerstandslosen Pfad (Strompfad), mindestens einen Pfad mit jeweils mindestens einem Überschaltwiderstand (Widerstandspfad) und eine Stromabführung zur Führung eines Laststroms, der zwischen dem Stufentransformator und der Stromabführung des Lastumschalters fließt. Üblicherweise liegt bei Betrieb des Transformators eine Stufenspannung zwischen den Wicklungsanzapfungen an, zwischen denen umgeschaltet werden soll. Erfindungsgemäß sind zudem eine Messeinrichtung zum Messen eines Ist-Wertes eines Phasenwinkels zwischen dem Laststrom und einer Spannung des Stufentransformators, jeweils bezüglich der Richtung von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Stromabführung (Stromableitung), und eine Verstelleinrichtung vorgesehen. Durch die Verstelleinrichtung ist die zeitliche Reihenfolge der Beschaltung der Pfade (Strom- und Widerstandspfade) bzw. der Schaltstrecken des Lastumschalters abhängig von dem gemessenen Ist-Wert des Phasenwinkels und einem vorgegebenen Grenzwert des Phasenwinkels derart veränderlich einstellbar, dass während einer Lastumschaltung die Ausgangsspannung des Stufentransformators stets innerhalb eines Spannungsintervalls zwischen der beschalteten und der vorgewählten Wicklungsanzapfung liegt. Der Flickerpegel ist proportional zu der Höhe einer Spannungsänderung. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Lastumschalters ergibt sich eine geringere Flickerwirkung als bei Stufenschaltern nach dem Stand der Technik, bei denen die Ausgangsspannung des Stufentransformators während einer Lastumschaltung nicht immer innerhalb des Spannungsintervalls zwischen beschalteter und vorgewählter Wicklungsanzapfung liegt, wodurch sich eine größere dynamische Spannungsänderung ergibt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch geringere Flickerpegel im Netz höhere Schalthäufigkeiten bzw. höhere Schaltzahlen möglich sind, ohne einen vorgegebenen Flickergrenzwert zu überschreiten.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind durch die Verstelleinrichtung mindestens ein Schalter der Strompfade und/oder der Widerstandspfade derart verstellbar, dass während einer Lastumschaltung die Ausgangsspannung des Stufentransformators stets innerhalb des Spannungsintervalls zwischen beschalteter und vorgewählter Wicklungsanzapfung liegt.
Die Verstelleinrichtung kann beispielsweise elektrisch oder elektromechanisch oder magnetisch betrieben werden. Insbesondere kann die Verstelleinrichtung eine Hubvorrichtung sein. Die Verstelleinrichtung kann mehrere Verstellelemente umfassen, beispielsweise einen ersten Satz Nockenscheiben und einen zweiten Satz Nockenscheiben, durch die die Pfade bzw. Schaltstrecken im Sinne der Erfindung veränderlich beschaltbar sind. Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass statt der ersten und/oder zweiten Nockenscheiben auch andere und/oder weitere Mittel verwendet werden können. Insbesondere können die zweiten Nockenscheiben über eine Hubvorrichtung eingestellt werden.
Als vorgegebener Grenzwert des Phasenwinkels kann üblicherweise 90° gewählt werden.
Um den Phasenwinkel nach den bekannten Berechnungsmethoden bestimmen zu können, umfasst die Messeinrichtung üblicherweise Messelemente zum Messen der Spannung und des Stroms im Laststufenschalter. In einer ersten Ausführungsform sind zwei Spannungssensoren und ein Stromsensor vorgesehen. Dabei ist durch einen ersten Spannungssensor die Spannung zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung und der Stromabführung messbar. Durch einen zweiten Spannungssensor ist die Spannung zwischen der vorgewählten Wicklungsanzapfung und der Stromabführung messbar. Durch den Stromsensor ist der Strom in der Stromabführung messbar. In einer zweiten Ausführungsform sind ein Spannungssensor und zwei Stromsensoren vorgesehen. Dabei ist durch den Spannungssensor die Spannung zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung und der vorgewählten Wicklungsanzapfung messbar. Durch einen ersten Stromsensor ist der Strom von der beschalteten Wicklungsanzapfung zur Stromabführung messbar. Durch einen zweiten Stromsensor ist der Strom von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Stromabführung messbar.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Lastumschalters umfassen die Widerstandspfade genau einen gemeinsamen Überschaltwiderstand, und/oder die Widerstandspfade umfassen in Richtung der Stromableitung jeweils einen Überschaltwiderstand vor der Zusammenführung der Widerstandspfade. Im zweiten Fall ist also jeweils ein Überschaltwiderstand auf unterschiedlichen Pfaden vorgesehen. Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass in beiden Fällen je Pfad der jeweilige Widerstand auch aus mehreren in Reihe geschalteten Widerständen aufgebaut sein kann.
Der erfindungsgemäße Laststufenschalter umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Lastumschalter wie oben beschrieben sowie einen Wähler zur Anwahl einer jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umschalten eines Lastumschalters eines Laststufenschalters von einer beschalteten Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung des Stufentransformators umfasst mehrere Schritte, die nachfolgend beschrieben werden.
Zunächst wird ein Grenzwert des Phasenwinkels zwischen dem Laststrom und der Spannung des Stufentransformators von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Ableitung, jeweils bezüglich der Richtung von der Wicklungsanzapfung zur Stromabführung bzw. Ableitung, vorgegeben. Anschließend wird ein Ist-Wert des Phasenwinkels gemessen. Dann wird eine vorgegebene zeitliche Reihenfolge in der Beschaltung von Strompfaden und/oder Widerstandspfaden des Lastumschalters gewählt, abhängig davon, ob der Ist-Wert des Phasenwinkels größer oder kleiner als der Betrag des Grenzwertes des Phasenwinkels ist. Die Beschaltung bzw. Verstellung erfolgt erfindungsgemäß derart, dass während einer Lastumschaltung die Ausgangsspannung des Stufentransformators stets innerhalb des oben beschriebenen Spannungsintervalls zwischen beschalteter und vorgewählter Wicklungsanzapfung liegt. Dazu werden die Schalter jeweils passend geöffnet und/oder geschlossen. Ein enges Spannungsintervall sichert wieder vorteilhafterweise einen niedrigen Flickerpegel, wie oben bereits beschrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden abhängig vom Betrag des gemessenen Ist-Wertes des Phasenwinkels die Schalter in einer unterschiedlichen zeitlichen Reihenfolge beschaltet, wie nachfolgend beschrieben wird. Falls der gemessene Ist-Wert des Phasenwinkels betragsmäßig kleiner als der vorgegebene Grenzwert des Phasenwinkels ist (Fall 1), schließt zunächst der Schalter im Widerstandspfad auf der aufschaltenden Seite. Erst anschließend öffnet der Schalter des widerstandslosen Strompfades auf der abschaltenden Seite. Falls dagegen der gemessene Ist-Wert des Phasenwinkels betragsmäßig größer als der vorgegebene Grenzwert des Phasenwinkels ist (Fall 2), schließt zunächst der Schalter des widerstandslosen Strompfades auf der aufschaltenden Seite. Erst anschließend öffnet der Schalter im Widerstandspfad auf der abschaltenden Seite.
Die jeweiligen Pfade bzw. Schaltstrecken sind also situationsabhängig ansteuerbar, abhängig von der Richtung des Laststroms und ob Spannungsstufen zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Eine entsprechende Steuerung zum Steuern der Verstelleinrichtung ist daher ebenfalls vorgesehen. Die Verstelleinrichtung ist mit der Messeinrichtung gekoppelt. Abhängig von den Ergebnissen der Messeinrichtung ist durch die von der Steuerung angesteuerte Verstelleinrichtung der Schaltablauf des Lastumschalters, das heißt das Beschalten (Öffnen oder Schließen) der Schalter, aus zwei Schaltabläufen so wählbar, dass stets ein minimaler Flickerpegel erreichbar ist.
In den letzten Jahren werden bekanntlich bevorzugt Vakuumschaltröhren als Schaltelemente zur Lastumschaltung eingesetzt. Vorteilhafterweise verhindern Vakuumschaltröhren eine Lichtbogenbildung im Öl und damit die Ölverschmutzung des Lastumschalteröles, wie beispielsweise in den deutschen Patentschriften DE 195 10 809 C1 und DE 40 11 019 C1 sowie den deutschen Offenlegungsschriften DE 42 31 353 A1 und DE 10 2007 004 530 A1 beschrieben. Das allgemeine erfindungsgemäße Prinzip, wie oben beschrieben, ist jedoch für unterschiedliche Arten von Laststufenschaltern geeignet, insbesondere sowohl für mechanische, beispielsweise Ölschalter, als auch für Laststufenschalter mit Vakuumschaltröhren.
Nachfolgend sind die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1a bis 1e einen Schaltablauf für einen Laststufenschalter gemäß dem Stand der Technik mit zwei Überschaltwiderständen, wobei Laststrom und Stufenspannung in der Transformator-Wicklung gegenphasig sind.
1f ein Diagramm der Spannungsstufen der Ausgangsspannung des Stufentransformators für den Laststufenschalter gemäß 1a bis 1e;
2a bis 2e einen Schaltablauf für den Laststufenschalter nach 1a bis 1e, wobei Laststrom und Stufenspannung in der Transformator-Wicklung in Phase sind.
2f ein Diagramm der Spannungsstufen der Ausgangsspannung des Stufentransformators für den Laststufenschalter gemäß 2a bis 2e;
3 bis 6 jeweils einen Schaltablauf bzw. jeweils ein Diagramm der Spannungsstufen der Ausgangsspannung des Stufentransformators für einen anderen Laststufenschalter gemäß dem Stand der Technik mit einem Überschaltwiderstand, wobei Laststrom und Spannung in der Transformator-Wicklung bei den 3 und 4 gegenphasig und bei den 5 und 6 in Phase sind.
7 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststufenschalters mit zwei Spannungssensoren und einem Stromsensor, wobei der Laststufenschalter einen getrennten Lastumschalter und einen Wähler umfasst;
8 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststufenschalters mit einem Spannungssensor und zwei Stromsensoren;
9 den erfindungsgemäßen Laststufenschalter nach 7, wobei jeweils die beiden Schalter des Strompfads bzw. die beiden Widerstandsschalter durch einen Umschalter in Reihe mit einem Ausschalter ersetzt sind;
10 den erfindungsgemäßen Laststufenschalter nach 8, wobei jeweils die beiden Schalter des Strompfads bzw. die beiden Widerstandsschalter durch einen Umschalter in Reihe mit einem Ausschalter ersetzt sind;
11 bis 14 jeweils einen Schaltablauf bzw. jeweils ein Diagramm der Spannungsstufen der Ausgangsspannung des Stufentransformators für die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laststufenschalters nach 7 bis 10 mit einem Überschaltwiderstand;
15a bis 15c Schaltungen für eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststufenschalters mit einem kombinierten Lastumschalter und Wähler; und
16 ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den Figuren sind für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung identische Bezugszeichen verwendet. Ferner sind der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind.
1a bis 1e zeigt einen schematischen Schaltablauf für einen Laststufenschalter 1 gemäß dem Stand der Technik, wobei der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformator-Wicklung gegenphasig sind. Die Abfolge 1a bis 1e stellt die Zuschaltung eines Wicklungsteils dar (von n auf n + 1) und ist durch die untere Pfeilspitze des Pfeils 3 dargestellt. Die Abfolge 1e bis 1a stellt die Abschaltung eines Wicklungsteils dar (von n + 1 auf n) und ist durch die obere Pfeilspitze des Pfeils 3 dargestellt.
Der dargestellte Laststufenschalter 1 umfasst einen Wähler 7 und einen Lastumschalter 5, der auf fünf Stufen schaltbar ist. Der dargestellte Lastumschalter 5 umfasst zwei widerstandslose Schaltstrecken bzw. Strompfade 41, 44 mit jeweils einem Schalter 31, 34 sowie zwei Schaltstrecken bzw. Widerstandspfade 42, 43 mit jeweils einem Überschaltwiderstand R₁ bzw. R₂ und einem Schalter 32 bzw. 33.
Der Wähler 7 dient zur Anwahl einer jeweiligen Wicklungsanzapfung n, n + 1 eines Stufentransformators 9, der ebenfalls nur sehr schematisch in 1a dargestellt ist. Im dargestellten Schaltablauf nach den 1a bis 1e bewirkt der Lastumschalter 5 die Umschaltung von der zunächst beschalteten Wicklungsanzapfung n gemäß 1a auf die vorgewählte Wicklungsanzapfung n + 1 gemäß 1e durch zeitlich aufeinander folgende Beschaltung bzw. Betätigung der Schalter 31, 32, 33, 34. Die Stufenspannung U_St liegt bei 1a–e zwischen den Wicklungsanzapfungen n und n + 1 an.
Gemäß der Abfolge nach 1a bis 1e fließt der Laststrom I_L vom Stufentransformator 9 bis zur Stromabführung 11, so dass Laststrom I_L und Stufenspannung U_St in der Transformatorwicklung gegenphasig sind. Insbesondere fließt gemäß 1a der Laststrom I_L zunächst über den Pfad 41 mit dem geschlossenen Schalter 31 ab, dem die Spannung der Wicklungsanzapfung n zugeordnet ist, nämlich die Grundspannung U₀. Somit liegt als Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 die Grundspannung U₀ an. Die Pfade 43 und 44 sind unterbrochen, da deren Schalter 33 bzw. 34 geöffnet sind, so dass hier kein Strom fließt. Der Schalter 32 des Pfades 42 ist zwar geschlossen, es fließt jedoch auch hier kein bzw. vergleichsweise wenig Strom, da der Widerstand des Pfades 41 ohne Überschaltwiderstand geringer ist als der des Pfades 42 mit dem Überschaltwiderstand R₁ und der elektrische Strom bevorzugt den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes geht.
Bei 1b fließt der Laststrom I_L über den Pfad 42 ab, also über den Überschaltwiderstand R₁ und den geschlossenen Schalter 32, da die Pfade bzw. Schaltstrecken 41, 43, 44 durch die geöffneten Schalter 31, 33, 34 unterbrochen sind. Der Spannungsabfall am Überschaltwiderstand R₁ bewirkt ein Absinken der Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 unterhalb der Grundspannung U₀ auf insgesamt U₀ – I_L·R₁.
Bei 1c fließt der Laststrom I_L über die Widerstandspfade 42 und 43 und somit über die Überschaltwiderstände R₁ und R₂ ab. Die Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 erhöht sich auf insgesamt U₀ – ½I_L·R₁ + ½U_St, vorausgesetzt die Widerstände R₁ und R₂ sind gleich hoch, ansonsten ergibt sich ein anderes proportionales Verhältnis als ½ zu ½.
Anschließend wird gemäß 1d der Schalter 32 geöffnet mit der Folge, dass der Laststrom I_L nur über den Widerstandspfad 43 und somit über den Überschaltwiderstand R₂ abfließt. Die Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 erhöht sich somit weiterhin auf insgesamt U₀ + U_St – I_L·R₂.
Zuletzt wird gemäß 1e der Schalter 34 geschlossen, so dass der Laststrom I_L nur über den Strompfad 44 und somit über den geschlossenen Schalter 34 abfließt. Der Schalter 33 des Widerstandspfades 43 kann weiterhin geschlossen bleiben wie bei der vorherigen Spannungsstufe nach 1c, es fließt jedoch kein bzw. nur wenig Strom über den Widerstandspfad 43, da der Widerstand des Strompfades 44 ohne Überschaltwiderstand geringer ist als bei dem Widerstandspfad 43 mit dem Überschaltwiderstand R₂ und der elektrische Strom bevorzugt den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes geht. Die Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 erhöht sich zuletzt weiterhin auf insgesamt U₀ + U_St. Die Umschaltung von der Wicklungsanzapfung n des Stufentransformators 9 auf die Wicklungsanzapfung n + 1 des Stufentransformators 9 ist nun abgeschlossen, da der Laststrom I_L nun von der Wicklungsanzapfung n + 1 über den Strompfad 44 zur Stromabführung 11 fließt.
1f zeigt ein Diagramm aller fünf zuvor beschriebenen Spannungsstufen der Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9, die sich gemäß den 1a–e bei der Umschaltung von der Wicklungsanzapfung n des Stufentransformators 9 auf die Wicklungsanzapfung n + 1 des Stufentransformators 9 einstellen, wenn der Laststrom I_L vom Stufentransformator 9 bis zur Stromabführung 11 fließt. In diesem Fall bewirkt beim Zuschalten einer Spannungsstufe der Spannungsabfall am Überschaltwiderstand R₁ zunächst ein Absinken der Ausgangsspannung U (von 1a nach 1b), bevor die Ausgangsspannung U durch Spannungsabfälle an den Widerständen R₁ bzw. R₂ sukzessive erhöht wird (1b bis 1e). Dadurch ergibt sich für die Spannungsschwankung der Ausgangsspannung U ein Spannungsintervall A, dessen Breite größer als die Stufenspannung U_St ist. Dies bedeutet, dass der hervorgerufene Flickerpegel bei dem Laststufenschalter 1 des Stands der Technik zu groß und daher nicht optimal ist.
Wie durch die obere Pfeilspitze des Pfeils 3 angedeutet, wird bei einer Lastumschaltung von der Wicklungsanzapfung n + 1 nach n durch den Laststufenschalter 1 nach Stand der Technik die Schaltsequenz in umgekehrter Richtung durchlaufen. Zur Verdeutlichung sei zudem darauf hingewiesen, dass an der Lastumschaltung generell stets nur eine Spannungsstufe des Transformators 9 beteiligt ist, nämlich die zwischen U₀ und U₀ + U_St. Die anderen Spannungsniveaus der Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 ergeben sich durch Spannungsabfälle an den Widerständen R₁ und R₂.
2e bis 2a zeigen einen Schaltablauf für den Laststufenschalter 1 nach 1a bis 1e aus dem Stand der Technik, wobei der Laststrom I_L nun in der umgekehrten Richtung von der Stromabführung 11 zur Wicklungsanzapfung n + 1 fließt und damit der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformatorwicklung in Phase sind. Die Umkehrung der Fließrichtung des Laststroms I_L in Bezug auf die Stromabführung 11 kann sowohl durch eine Umkehr des Laststroms I_L als auch durch das Wenden der Regelwicklung durch einen Vorwähler (nicht dargestellt) erfolgen. Das Bezugszeichen 9 stellt einen Teil des Stufentransformators dar und zwar zwei Anzapfungen n, n + 1 der Regelwicklung. Analog zu 1 stellt die Abfolge 2a bis 2e die Zuschaltung eines Wicklungsteils dar von n auf n + 1 und die Abfolge 2e bis 2a die Abschaltung eines Wicklungsteils von n + 1 auf n.
Im Vergleich zu 1a–e ergibt sich für 2e–a durch nacheinander erfolgende Beschaltung bzw. Betätigung der Schalter 31, 32, 33, 34 ein bereichsweise anderer Verlauf der Ausgangsspannung (siehe 2f), wie kurz nachfolgend dargelegt wird. Dabei sind die Schalter 31, 32, 33, 34 in 2a–e wie in den jeweils entsprechenden 1a–e geschlossen oder geöffnet.
Bei 2e ist die Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 völlig analog zu 1e U₀ + U_St. Nach Schließen bzw. Öffnen der Schalter 31, 32, 33, 34 beträgt die Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 bei 2d U₀ + U_St + I_L·R₂, bei 2c U₀ + ½I_L·R₁ + ½U_St, bei 2b U₀ + I_L·R₁ und bei 2a völlig analog zu 1a U₀. 2f zeigt ein Diagramm aller fünf zuvor beschriebenen Spannungsstufen der Ausgangsspannung U, die sich gemäß den 2e–a einstellen, wenn der Laststrom I_L von der Stromabführung 11 bis zum Stufentransformator 9 fließt. Das Öffnen des Schalters 34 bewirkt zunächst einen Spannungsabfall am Überschaltwiderstand R₂ und somit zunächst ein Ansteigen der Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 (von 2e nach 2d). Danach wird die Ausgangsspannung U durch weiteres entsprechendes Beschalten bzw. Betätigen der Schalter 31, 32, 33 sukzessive verringert (2d bis 2a). Wie bei 1f ist auch bei 2f das Spannungsintervall A der Spannungsschwankung der Ausgangsspannung U breiter als die Stufenspannung U_St zwischen den Wicklungsanzapfungen n, n + 1. Der hervorgerufene Flickerpegel ist bei dem Laststufenschalter 1 des Stands der Technik nach den 1a bis 2f somit unabhängig von der Richtung des Laststroms I_L nicht optimal.
3a bis 6f zeigen einen Schaltablauf und die Verläufe der Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 für einen anderen Laststufenschalter 1 gemäß dem Stand der Technik mit nur einem Überschaltwiderstand R. Der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformator-Wicklung sind bei den 3 und 4 gegenphasig und bei den 5 und 6 in Phase. 3 und 5 stellen die Zuschaltung eines Wicklungsteils von n auf n + 1 dar und 4 und 6 die Abschaltung eines Wicklungsteils von n + 1 auf n.
Der dargestellte Laststufenschalter 1 umfasst einen Wähler 7 und einen Lastumschalter 5, dessen Lastumschaltung in fünf Schritten abläuft. Der Lastumschalter 5 umfasst zwei widerstandslose Schaltstrecken bzw. Strompfade 41, 44 mit jeweils einem Schalter 31, 34 sowie zwei Schaltstrecken bzw. Widerstandspfade 42, 43 mit einem gemeinsamen Überschaltwiderstand R und jeweils einem getrennten Schalter 32 bzw. 33.
Der Laststufenschalter 1 umfasst zudem eine Vorrichtung (nicht dargestellt), die sichergestellt, dass unabhängig von der Schaltrichtung, von der Wicklungsanzapfung n auf die Wicklungsanzapfung n + 1 oder umgekehrt, immer der Schalter 31 bzw. 34 im widerstandslosen Pfad 41 bzw. 44 in 3 bis 6 vor dem Schalter 32 bzw. 32 im parallelen Widerstandspfad 42 bzw. 43 öffnet und schließt. Dadurch ergeben sich vier Fälle A bis D mit unterschiedlichen Verläufen der Ausgangsspannung U, wie nachfolgend beschrieben wird.
3a bis 3e (Fall A) zeigen einen Schaltablauf für den anderen Laststufenschalter 1, wobei der Laststrom I_L in Richtung der Lastableitung 11 fließt, so dass der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformator-Wicklung gegenphasig sind. Es wird von der Wicklungsanzapfung n auf n + 1 geschaltet. Durch das nacheinander erfolgende Beschalten bzw. Betätigen der Schalter 31, 32, 33, 34 ergibt sich als Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 insgesamt U₀ bei 3a, U₀ – I_L·R bei 3b, U₀ + U_St bei 3c–e, dargestellt auch im Diagramm nach 3f. Beim Laststrom I_L in Richtung der Lastableitung 11 tritt durch das Öffnen des Schalters 31 (3a nach 3b) durch den Spannungsabfall des Laststroms I_L am Überschaltwiderstand R ein vorübergehendes Absinken der Ausgangsspannung U auf U₀ – I_L·R auf. Daraus resultiert ein Spannungsintervall A während der Lastumschaltung, dessen Breite größer als die Stufenspannung U_St ist, so dass der hervorgerufene Flickerpegel nicht optimal ist.
4e bis 4a (Fall B) zeigen einen Schaltablauf für den anderen Laststufenschalter 1 nach 3a–e, wobei der Laststrom I_L ebenfalls in Richtung der Lastableitung 11 fließt, also der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformator-Wicklung gegenphasig sind, jedoch von der Wicklungsanzapfung n + 1 auf n abgeschaltet wird. Durch das nacheinander erfolgende Beschalten bzw. Betätigen der Schalter 31, 32, 33, 34 ergibt sich als Ausgangsspannung U an der Stromabführung 11 insgesamt U₀ + U_St bei 4e, U₀ + U_St – I_L·R bei 4d, U₀ bei 4c–a, auch dargestellt im Diagramm nach 4f. Das Spannungsintervall A der Spannungsschwankung der Ausgangsspannung U während der Lastumschaltung ist gleich der Stufenspannung U_St, so dass der hervorgerufene Flickerpegel in diesem Fall optimal ist.
5a bis 5e (Fall C) zeigen einen Schaltablauf für den anderen Laststufenschalter 1 nach 3a bis 3e, wobei der Laststrom I_L in der umgekehrten Richtung entgegen der Lastableitung 11 fließt, so dass der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformator-Wicklung in Phase sind. Es wird von der Wicklungsanzapfung n auf n + 1 zugeschaltet. Durch das nacheinander erfolgende Betätigen der Schalter 31, 32, 33, 34 ergibt sich als Ausgangsspannung U insgesamt U₀ bei 5a, U₀ + I_L·R bei 5b, U₀ + U_St bei 5c–e, auch dargestellt im Diagramm nach 5f. In diesem Fall ist das Spannungsintervall A der Spannungsschwankung der Ausgangsspannung U während der Lastumschaltung ebenfalls gleich der Stufenspannung U_St, so dass der hervorgerufene Flickerpegel wie bei 4e–a optimal ist.
6e bis 6a (Fall D) zeigen einen Schaltablauf für den anderen Laststufenschalter 1 nach 3a bis 3e, wobei der Laststrom I_L in der umgekehrten Richtung entgegen der Lastableitung 11 fließt, also der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformator-Wicklung in Phase sind, und von der Wicklungsanzapfung n + 1 auf n abgeschaltet wird. Durch das nacheinander erfolgende Beschalten bzw. Betätigen der Schalter 31, 32, 33, 34 ergibt sich als Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 insgesamt U₀ + U_St bei 6e, U₀ + U_St + I_L·R bei 6d, U₀ bei 6c–e, auch dargestellt im Diagramm nach 6f. Durch Betätigen (Schließen) des Schalters 31 bei 6d nach 6c kommt es zu einem Kreisstrom I_C über den Überschaltwiderstand R und dadurch zu einem vorübergehenden starken Abfall der Ausgangsspannung U von U₀ + U_St + I_L·R auf U₀. Daraus resultiert während der Lastumschaltung für die Spannungsschwankung der Ausgangsspannung U ein Spannungsintervall A, dessen breite größer als die Stufenspannung U_St ist, so dass der hervorgerufene Flickerpegel nicht optimal ist.
7 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststufenschalters 1, der einen getrennten Lastumschalter 5 und einen Wähler 7 umfasst. Erfindungsgemäß umfasst der Lastumschalter 5 über die bereits vorher ausführlich beschriebenen üblichen Elemente (Pfade 41, 42, 43, 44, Stromabführung 11, Schalter 31, 32, 33, 34) hinaus zusätzlich eine Messeinrichtung zum Messen eines Ist-Wertes φ_Real eines Phasenwinkels φ zwischen dem Laststrom I_L und der Spannung des Stufentransformators 9 von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Ableitung 11 des Stufentransformators 9. In der dargestellten Ausführungsform nach 7 umfasst die Messeinrichtung zwei Spannungssensoren 131, 132 und einen Stromsensor 15. Durch den ersten Spannungssensor 131 ist die Spannung zwischen der Wicklungsanzapfung n und der Stromabführung 11 messbar. Durch den zweiten Spannungssensor 132 ist die Spannung zwischen der Wicklungsanzapfung n + 1 und der Stromabführung 11 messbar. Durch den Stromsensor 15 ist der Strom in der Stromabführung 11 messbar.
Fließt der Laststrom I_L beispielsweise über die Anzapfung n ab, so kann der Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ zwischen dem Laststrom I_L und der Spannung des Stufentransformators 9 von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Ableitung 11 bekanntlich aus der von dem zweiten Spannungssensor 132 gemessenen Spannung und von dem Stromsensor 15 gemessenen Strom bestimmt werden. Fließt dagegen der Laststrom I_L über die Anzapfung n + 1 ab, so kann der Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ bekanntlich aus der von dem ersten Spannungssensor 131 gemessenen Spannung und von dem Stromsensor 15 gemessenen Strom bestimmt werden.
Vor der Umschaltung von der Wicklungsanzapfung n auf die Wicklungsanzapfung n + 1 misst der erste Spannungssensor 131 keine Spannung, da er durch den geschlossenen Schalter 31 kurzgeschlossen ist, und der zweite Spannungssensor 132 die Stufenspannung U_St.
Der erfindungsgemäße Lastumschalter 5 umfasst zusätzlich eine Verstelleinrichtung (nicht dargestellt), durch die die Pfade 41, 42, 43, 44 bzw. deren Schalter 31, 32, 33, 34 abhängig von dem gemessenen Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ und einem vorgegebenen Grenzwert φ_Limit des Phasenwinkels φ derart veränderlich einstellbar bzw. beschaltbar sind, dass während aller Schritte einer Lastumschaltung die Ausgangsspannung U des Transformators 9 stets innerhalb eines Spannungsintervalls A liegt. Dabei ist das Spannungsintervall durch die Grundspannung U₀ und die um die Stufenspannung U_St vermehrte Grundspannung U₀ definiert.
8 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lastumschalters 5 des erfindungsgemäßen Laststufenschalters 1, bei der eine andere Messeinrichtung mit einem Spannungssensor 13 und zwei Stromsensoren 151, 152 vorgesehen ist. Durch den Spannungssensor 13 ist die Stufenspannung U_St zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung n und der vorgewählten Wicklungsanzapfung n + 1 messbar. Durch den ersten Stromsensor 151 ist der Strom von der beschalteten Wicklungsanzapfung n zur Stromabführung 11 messbar. Durch den zweiten Stromsensor 152 ist der Strom von der vorgewählten Wicklungsanzapfung n + 1 zur Stromabführung 11 messbar.
Fließt der Laststrom I_L über die Anzapfung n ab, so kann der Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ zwischen dem Laststrom I_L und der Spannung U des Stufentransformators 9 von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Stromableitung 11 bekanntlich aus der von dem Spannungssensor 13 gemessenen Spannung und von dem ersten Stromsensor 151 gemessenen Strom bestimmt werden. Fließt dagegen der Laststrom I_L über die Anzapfung n + 1 ab, so kann der Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ bekanntlich aus der von dem Spannungssensor 13 gemessenen Spannung und von dem zweiten Stromsensor 152 gemessenen Strom bestimmt werden.
Vor der Umschaltung von der Wicklungsanzapfung n auf die Wicklungsanzapfung n + 1 misst der erste Stromsensor 151 den Laststrom I_L und der zweite Stromsensor 152 keinen Strom. Nach der Umschaltung misst der erste Stromsensor 151 keinen Strom und der zweite Stromsensor 152 den Laststrom I_L.
Bis auf die Sensoren 13, 151, 152 sind der Aufbau und die Funktionsweise des Lastumschalters 5 wie bei 7.
9 zeigt den erfindungsgemäßen Laststufenschalter 1 mit dem erfindungsgemäßen Lastumschalter 5 nach 7, wobei die beiden Schalter 31 bzw. 34 im Strompfad 41 bzw. 44 sowie sowie die beiden Schalter 32, 33 im Widerstandspfad 42 bzw. 43 durch jeweils einen Umschalter 35 bzw. 36 in Reihe mit einem Ausschalter 37 bzw. 38 ersetzt sind. Der Umschalter 35 schaltet zwischen den Pfaden 41 und 44 um. Der Umschalter 36 schaltet zwischen den Pfaden 42 und 43 um. Die Widerstandspfade 42, 43 umfassen einen gemeinsamen Überschaltwiderstand R. Dabei sind die Schalter 35–38 der Pfade 41 bis 44 derart beschaltet, also geöffnet oder geschlossen, dass die Ausgangsspannung U des Stufentransformators 9 die Grundspannung U₀ beträgt.
10 zeigt den erfindungsgemäßen Laststufenschalter 1 mit dem erfindungsgemäßen Lastumschalter 5 nach 8 mit der anderen Messeinrichtung. Ansonsten sind die Umschalter 35, 36 und die Ausschalter 37, 38 wie bei 9 angeordnet. 10 zeigt, wie bei dieser anderen Schaltweise mit Um- und Ausschaltern die Messeinrichtung 13, 151, 152 angeordnet ist.
Über den gesamten Umschaltungsprozess von der beschalteten Wicklungsanzapfung n auf die vorgewählte Wicklungsanzapfung n + 1 (bzw. umgekehrt) ergeben sich gemäß den 11–14 andere, und zwar flickerreduzierte Schaltabläufe im Vergleich zu den 3–6, wie an späterer Stelle ausführlich beschrieben wird.
11 bis 14 zeigen jeweils einen Schaltablauf bzw. jeweils ein Diagramm der Spannungsstufen der Ausgangsspannung U für die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laststufenschalters 1 nach 7 bis 10 mit einem Überschaltwiderstand R, wie nachfolgend beschrieben wird. Bei 11 und 12 sind der Laststrom I_L und die Stufenspannung U_St in der Transformator-Wicklung gegenphasig und bei 13 und 14 in Phase. 11 und 13 stellen die Zuschaltung eines Wicklungsteils dar (von n auf n + 1) und 12 und 14 die Abschaltung eines Wicklungsteils (von n + 1 auf n).
In 11a bis 11e sind die Pfade 41 bis 44 für den Fall geschaltet, dass der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ kleiner als der Betrag des vorgegebenen Grenzwertes φ_Limit des Phasenwinkels φ ist (Fall 1).
Im Vergleich zu 3a–e ist der Schaltablauf anders, nämlich so dass sich ein minimaler Flicker ergibt, also die Ausgangsspannung U das Spannungsintervall A zwischen den Wicklungsanzapfungen n, n + 1 nicht verlässt (siehe 11f). Dazu sind die Schalter 31 bis 34 so beschaltet, dass die Ausgangsspannung U in den 11a–c U₀, in 11d U₀ + U_St – I_L·R und in 11e U₀ + U_St ist. 11f zeigt ein Diagramm der Spannungsstufen der Ausgangsspannung U für den erfindungsgemäßen Laststufenschalter 1 gemäß 11a–e.
Generell gilt für die Erfindung, dass wenn die Phasenlage der gemessenen Spannung des Stufentransformators 9 von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Stromableitung 11 mit der des gemessenen Stroms (Laststrom I_L) übereinstimmt bzw. der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ betragsmäßig kleiner als der vorgegebene Grenzwert φ_Limit des Phasenwinkels φ ist, dann der Schaltablauf so zu wählen ist, dass zunächst der Schalter im Widerstandspfad mit dem Überschaltwiderstand R auf der aufschaltenden Seite schließt. Bei der Ausführungsform und den Bedingungen nach 11 schließt also zuerst der Schalter 33 des Widerstandspfads 43 bei der Wicklungsanzapfung n + 1 (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 11b nach 11c). Erst anschließend öffnet generell der Schalter des widerstandslosen Strompfads auf der abschaltenden Seite. Bei der Ausführungsform und den Bedingungen nach 11 öffnet also erst später der Schalter 31 des Strompfads 41 bei der Wicklungsanzapfung n (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 11c nach 11d).
Insbesondere sind die Schaltungen der 3a und 11a identisch. Ebenfalls sind die Schaltungen der 3e und 11e identisch. Die Schaltungen der 3b und 11b sind jedoch unterschiedlich. Ebenso sind die Schaltungen der 3c und 11c unterschiedlich sowie die der 3d und 11d. Die Unterschiede beruhen auf der unterschiedlichen Reihenfolge bei der Betätigung der Schalter, wie oben bereits beschrieben.
In 12e bis 12a sind die Pfade 41 bis 44 für den Fall geschaltet, dass der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ größer als der Betrag des vorgegebenen Grenzwertes φ_Limit des Phasenwinkels φ ist (Fall 2).
Im Vergleich zu 4e–a ist der Schaltablauf identisch, denn da sich bereits bei 4e–a ein minimaler Flicker ergibt, also die Ausgangsspannung U stets innerhalb des Spannungsintervalls A zwischen den Wicklungsanzapfungen n, n + 1 liegt (siehe 12f), sind im Vergleich zum Stand der Technik auch bei dem erfindungsgemäßen Lastumschalter 5 bzw. Laststufenschalter 1 kein anderer Schaltablauf und keine andere Anordnung der Schalter 31–34 und der Pfade 41–44 notwendig.
Generell gilt für die Erfindung weiter, dass wenn die Phasenlage der gemessenen Ausgangsstufenspannung U mit der des gemessenen Stroms nicht übereinstimmt bzw. der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ betragsmäßig größer als der vorgegebene Grenzwert φ_Limit des Phasenwinkels φ ist, dann der Schaltablauf so zu wählen ist, dass zunächst der Schalter im widerstandslosen Strompfad auf der aufschaltenden Seite schließt. Bei der Ausführungsform und den Bedingungen nach 12 schließt also zuerst der Schalter 31 des Strompfads 41 bei der Wicklungsanzapfung n (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 12d nach 12c). Erst anschließend öffnet generell der Schalter im Widerstandspfad mit dem Überschaltwiderstand R auf der abschaltenden Seite. Bei der Ausführungsform nach 12 und den Bedingungen öffnet also erst später der Schalter 33 des Widerstandspfads 43 bei der Wicklungsanzapfung n + 1 (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 12c nach 12b).
In 13a bis 13e sind die Pfade 41 bis 44 für den Fall geschaltet, dass der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ größer als der Betrag des vorgegebenen Grenzwertes φ_Limit des Phasenwinkels φ ist (Fall 2).
Im Vergleich zu 5a–e ist der Schaltablauf identisch, denn da sich bereits bei 5a–e ein minimaler Flicker ergibt, also die Ausgangsspannung U stets innerhalb des Spannungsintervalls A zwischen den Wicklungsanzapfungen n, n + 1 liegt (siehe 13f), ist im Vergleich zum Stand der Technik auch bei dem erfindungsgemäßen Lastumschalter 5 bzw. Laststufenschalter 1 kein anderer Schaltablauf notwendig.
Völlig analog zu 12 gilt generell für die Erfindung auch bei 13, dass wenn die Phasenlage der gemessenen Ausgangsstufenspannung U mit der des gemessenen Stroms nicht übereinstimmt bzw. der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ betragsmäßig größer als der vorgegebene Grenzwert φ_Limit des Phasenwinkels φ ist, dann der Schaltablauf so zu wählen ist, dass zunächst der Schalter im widerstandslosen Strompfad auf der aufschaltenden Seite schließt. Bei der Ausführungsform und den Bedingungen nach 13 schließt also zuerst der Schalter 34 des Strompfads 44 bei der Wicklungsanzapfung n + 1 (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 13b nach 13c). Erst anschließend öffnet generell der Schalter im Widerstandspfad mit dem Überschaltwiderstand R auf der abschaltenden Seite. Bei der Ausführungsform und den Bedingungen nach 13 öffnet also erst später der Schalter 32 des Widerstandspfads 42 bei der Wicklungsanzapfung n (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 13c nach 13d).
In 14e bis 14a sind die Pfade 41 bis 44 sind für den Fall geschaltet, dass der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ kleiner als der Betrag des vorgegebenen Grenzwertes φ_Limit des Phasenwinkels φ ist (Fall 1).
Im Vergleich zu 6a–e ist der Schaltablauf anders, nämlich so, dass sich ein minimaler Flicker ergibt, also die Ausgangsspannung U stets innerhalb des Spannungsintervalls A zwischen den Wicklungsanzapfungen n, n + 1 liegt (siehe 14f). Dazu sind die Schalter 31 bis 34 so geschaltet, dass die Ausgangsspannung U in den 14e–c U₀ + U_St, in 11b U₀ + I_L·R und in 11a U₀ beträgt. 14f zeigt ein Diagramm der Spannungsstufen der Ausgangsspannung U für den erfindungsgemäßen Laststufenschalter gemäß 14e–a.
Völlig analog zu 11 gilt generell für die Erfindung auch bei 14, dass wenn die Phasenlage der gemessenen Stufenspannung U_St mit der des gemessenen Stroms übereinstimmt bzw. der gemessene Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ betragsmäßig kleiner als der vorgegebene Grenzwert φ_Limit des Phasenwinkels φ ist, dann der Schaltablauf so zu wählen ist, dass zunächst der Schalter im Widerstandspfad auf der aufschaltenden Seite schließt. Bei der Ausführungsform und den Bedingungen nach 14 schließt also zuerst der Schalter 32 im Widerstandspfad 42 bei der Wicklungsanzapfung n (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 14d nach 14c). Erst anschließend öffnet generell der Schalter des widerstandslosen Strompfads auf der abschaltenden Seite. Bei der Ausführungsform und den Bedingungen nach 14 öffnet also erst später der Schalter 34 des Strompfads 44 bei der Wicklungsanzapfung n + 1 (siehe insbesondere die Veränderung im Schaltablauf von 14c nach 14b).
15a bis 15c zeigen Schaltungen für eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststufenschalters 1 mit jeweils kombiniertem Lastumschalter 5 und Wähler 7. Dabei umfasst der Wähler 7 die Enden der Pfade 411, 421 des Lastumschalters 5 in Richtung der Wicklungsanzapfungen n, n + 1. Die Verstelleinrichtung 2 umfasst in der hier dargestellten Ausführungsform einen Doppelwender nach Stand der Technik bekannt wie beispielsweise aus DE 10 2007 023 124 B3 . Diese Anordnung ist jedoch beispielhaft und es sind auch andere Anordnungen denkbar, so dass die Ausgangsspannung U den Betrag U₀ ergibt und insbesondere die Ausgangsspannung U stets innerhalb des Spannungsintervalls A zwischen den Wicklungsanzapfungen n, n + 1 liegt, um den Flicker minimal zu halten.
Mit der Messeinrichtung 131, 132, 15 wird, wie bei 7 bereits beschrieben, der Phasenwinkel φ zwischen dem Laststrom I_L und der Spannung des Stufentransformators 9 von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Ableitung 11 gemessen. In Abhängigkeit des gemessenen Phasenwinkels ist für eine Schaltung erfindungsgemäß entweder die Endstellung nach 15a oder 15c zu verwenden. Falls der gemessene Ist-Wert φ betragsmäßig kleiner als der Grenzwert φ_Limit ist, dann wird eine erste Endstellung der Verstelleinrichtung 2 gemäß 15a verwendet bzw. darauf umgeschaltet. Ansonsten wird auf eine zweite Endstellung der Verstelleinrichtung 2 gemäß 15c umgeschaltet. Dabei stellt 15b eine Zwischenstellung während der jeweiligen Umschaltung dar, bei der alle Pfade kurzgeschlossen sind und der Laststrom I_L über den Pfad 415 zur Lastableitung 11 abfließt.
Bei der Endstellung nach 15a schließt bei der Schaltung der Wicklungsanzapfung n nach n + 1 zunächst der Schalter 38 im Widerstandspfad 424, 425 auf der aufschaltenden Seite. Erst anschließend öffnet der Schalter 37 des widerstandslosen Strompfades 414, 415 auf der abschaltenden Seite (Fall 1). Bei der Schaltung der Wicklungsanzapfung n + 1 auf n ist es umgekehrt (Fall 2).
Bei der Endstellung nach 15c verhält es sich genau umgekehrt zu 15a. Alternativ können als Messeinrichtung auch die in 8 beschriebenen Sensoren 13, 151, 152 verwendet werden. Es sei noch angemerkt, dass lediglich aus Gründen der Anschaulichkeit die Messeinrichtung 131, 132, 15 nur in 15a dargestellt ist, nicht in 15b–c.
Die erfindungsgemäße Betätigung der Verstelleinrichtung 2 in Abhängigkeit des Vergleichs von gemessenem Ist-Wert φ_Real und Grenzwert φ_Limit sorgt dafür, dass analog wie bei den 7–14 auch bei der Ausführungsform des Laststufenschalters 1 bzw. des Lastumschalters 5 nach 15a–c die Ausgangsspannung U stets innerhalb des Spannungsintervalls A zwischen den Anzapfungen n, n + 1 liegt, der Flickerpegel also minimal ist. Die Ausgangsspannung U kann zu Beginn der Schaltung, wie in den 1 bis 14, sowohl U₀ als auch U₀ + U_St betragen.
16 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Umschalten eines Lastumschalters 5 eines Laststufenschalters 1 von einer beschalteten Wicklungsanzapfung n eines Stufentransformators 9 auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung n + 1 des Stufentransformators 9. Es wird ein Grenzwert φ_Limit eines Phasenwinkels φ zwischen dem Laststrom I_L und der Spannung U von der vorgewählten Wicklungsanzapfung zur Stromableitung 11 vorgegeben. In üblicherweise regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere vor jeder Umschaltung des Lastumschalters 5 (Schritt S1), wird gemäß Schritt S2 ein Ist-Wert φ_Real des Phasenwinkels φ gemessen. Falls der gemessene Ist-Wert des Phasenwinkels betragsmäßig kleiner als der vorgegebene Grenzwert des Phasenwinkels ist (Schritt S3, Verstelleinrichtung 2 in Position 1), schließt zunächst der Schalter im Widerstandspfad auf der aufschaltenden Seite. Erst anschließend öffnet der Schalter des widerstandslosen Strompfades auf der abschaltenden Seite. Falls dagegen der gemessene Ist-Wert des Phasenwinkels betragsmäßig größer als der vorgegebene Grenzwert des Phasenwinkels ist (Schritt S4, Verstelleinrichtung 2 in Position 2), schließt zunächst der Schalter des widerstandslosen Strompfades auf der aufschaltenden Seite. Erst anschließend öffnet der Schalter im Widerstandspfad auf der abschaltenden Seite. Nach durchgeführter Verstellung wird die Lastumschaltung ausgeführt (Schritt S5).
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch für jeden Fachmann selbstverständlich, dass Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden können; ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. So kann beispielsweise die Verstelleinrichtung 2 statt durch Drehen auch durch Schieben oder durch eine andere Bewegungsform verstellt werden, und das Erfindungsprinzip funktioniert unabhängig von der Anzahl der Spannungsstufen des Laststufenschalters 1. Die voran stehend erörterten Ausführungsbeispiele dienen lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre, schränken diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele ein.
Bezugszeichenliste

1: Laststufenschalter
2: Verstelleinrichtung
3, 4: Schaltreihenfolge
5: Lastumschalter
7: (Fein)Wähler
9: Stufentransformator
11: Stromabführung bzw. Lastableitung
13, 131, 132: Spannungssensor
15, 151, 152: Stromsensor
21: erstes Verstellelement (Nockenscheibe)
22: zweites Verstellelement (Nockenscheibe)
31–38: Schalter
41–44, 411–425: Pfad
ω: Drehbewegung
n, n + 1: Wicklungsanzapfung
A: Spannungsintervall
R, R₁, R₂: Überschaltwiderstand
I_C: Kreisstrom
I_L: Laststrom
U_St: Stufenspannung
U: Ausgangsspannung des Stufentransformators

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19510809 C1 [0021]
DE 4011019 C1 [0021]
DE 4231353 A1 [0021]
DE 102007004530 A1 [0021]
DE 102007023124 B3 [0081]

Claims

Lastumschalter (5) für einen Laststufenschalter (1) zur Umschaltung von einer beschalteten Wicklungsanzapfung (n) auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung (n + 1) eines Stufentransformators (9), umfassend mindestens einen widerstandslosen Strompfad (41, 44, 411, 412, 413, 414, 415), mindestens einen Widerstandspfad (42, 43, 421, 422, 423, 424, 425) mit jeweils mindestens einem Überschaltwiderstand (R, R₁, R₂) und eine Stromabführung (11) zur Führung eines Laststroms (I_L), der zwischen dem Stufentransformator (9) und der Stromabführung (11) fließt, wobei eine Stufenspannung (U_St) zwischen den Wicklungsanzapfungen (n, n + 1) anliegt, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (13, 131, 132, 15, 151, 152) zum Messen eines Ist-Wertes (φ_Real) eines Phasenwinkels (φ) zwischen dem Laststrom (I_L) und einer Spannung (U) des Stufentransformators (9) von der vorgewählten Wicklungsanzapfung (n + 1) zur Stromabführung (11), und eine Verstelleinrichtung (2), durch die die zeitliche Reihenfolge der Beschaltung der Pfade (41, 42, 43, 44, 411, 412, 413, 414, 415, 421, 422, 423, 424, 425) des Lastumschalters (5) abhängig von dem gemessenen Ist-Wert (φ_Real) des Phasenwinkels (φ) und einem vorgegebenen Grenzwert (φ_Limit) des Phasenwinkels (φ) derart veränderlich einstellbar sind, dass während einer Lastumschaltung die Spannung (U) stets innerhalb eines Spannungsintervalls (A) zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung (n) und der vorgewählten Wicklungsanzapfung (n + 1) liegt.
Lastumschalter (5) nach Anspruch 1, wobei durch die Verstelleinrichtung (2) mindestens ein Schalter (31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38) der Pfade (41, 42, 43, 44, 411, 412, 413, 414, 415, 421, 422, 423, 424, 425) beschaltbar ist.
Lastumschalter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Grenzwert (φ_Limit) des Phasenwinkels (φ) 90° beträgt.
Lastumschalter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung zwei Spannungssensoren (131, 132) und einen Stromsensor (15) umfasst, wobei durch einen ersten Spannungssensor (131) die Spannung zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung (n) und der Stromabführung (11) messbar ist, durch einen zweiten Spannungssensor (132) die Spannung zwischen der vorgewählten Wicklungsanzapfung (n + 1) und der Stromabführung (11) messbar ist, und durch den Stromsensor (15) der Strom in der Stromabführung (11) messbar ist.
Lastumschalter (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messeinrichtung einen Spannungssensor (13) und zwei Stromsensoren (151, 152) umfasst, wobei durch den Spannungssensor (13) die Spannung zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung (n) und der vorgewählten Wicklungsanzapfung (n + 1) messbar ist, durch einen ersten Stromsensor (151) der Strom von der beschalteten Wicklungsanzapfung (n) zur Stromabführung (11) messbar ist, und durch einen zweiten Stromsensor (152) der Strom von der vorgewählten Wicklungsanzapfung (n + 1) zur Stromabführung (11) messbar ist.
Lastumschalter (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Widerstandspfade (42, 43) genau einen gemeinsamen Überschaltwiderstand (R) umfassen, und/oder die Widerstandspfade (42, 43) umfassen in Richtung der Stromabführung (11) jeweils einen Überschaltwiderstand vor der Zusammenführung der Widerstandspfade (42, 43).
Laststufenschalter (1) mit mindestens einem Lastumschalter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche und einem Wähler (7) zur Anwahl einer jeweiligen Wicklungsanzapfung (n, n + 1) des Stufentransformators (9).
Verfahren zum Umschalten eines Lastumschalters (5) eines Laststufenschalters (1) von einer beschalteten Wicklungsanzapfung (n) eines Stufentransformators (9) auf eine vorgewählte Wicklungsanzapfung (n + 1) des Stufentransformators (9), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Vorgeben (S1) eines Grenzwertes (φ_Limit) eines Phasenwinkels (φ) zwischen einem Laststrom (I_L), der zwischen dem Stufentransformator (9) und einer Stromabführung (11) des Lastumschalters (5) fließt, und einer Spannung (U) von der vorgewählten Wicklungsanzapfung (n + 1) zur Stromabführung (11); Messen (S2) eines Ist-Wertes (φ_Real) des Phasenwinkels (φ); und Beschalten (S3) von mindestens zwei Schaltern (31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38) von Pfaden (41, 42, 43, 44, 411, 412, 413, 414, 415, 421, 422, 423, 424, 425) in einer vorgegebenen zeitlichen Reihenfolge abhängig davon, ob der Ist-Wert (φ_Real) des Phasenwinkels (φ) größer oder kleiner als der Betrag des Grenzwertes (φ_Limit) des Phasenwinkels (φ) ist, derart, dass während einer Lastumschaltung die Spannung (U) des Stufentransformators (9) stets innerhalb eines Spannungsintervalls (A) zwischen der beschalteten Wicklungsanzapfung (n) und der vorgewählten Wicklungsanzapfung (n + 1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, mit den folgenden Schritten: falls der gemessene Ist-Wert (φ_Real) des Phasenwinkels (φ) betragsmäßig kleiner als der vorgegebene Grenzwert (φ_Limit) des Phasenwinkels (φ) ist, zunächst der Schalter (33, 32, 38) eines Widerstandspfades (43, 42, 424, 425) auf der aufschaltenden Seite schließt, und anschließend der Schalter (31, 34, 37) eines widerstandslosen Strompfades (41, 44, 414, 415) auf der abschaltenden Seite öffnet; und falls der gemessene Ist-Wert (φ_Real) des Phasenwinkels (φ) betragsmäßig größer als der vorgegebene Grenzwert (φ_Limit) des Phasenwinkels (φ) ist, zunächst der Schalter (31, 34, 37) des widerstandslosen Strompfades (41, 44, 414, 415) auf der aufschaltenden Seite schließt, und anschließend der Schalter (33, 32, 38) des Widerstandspfades (43, 42, 424, 425) auf der abschaltenden Seite öffnet.