DE102014117810A1

DE102014117810A1 - Laststufenschalter

Info

Publication number: DE102014117810A1
Application number: DE102014117810.6A
Authority: DE
Inventors: Ara Panosyan; Simon Schramm; Malcolm Graham Smith; Eva-Maria Baerthlein; Stefan Schroeder; Piniwan Thiwanka Wijekoon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US20150162144A1; AU2014265130A1

Abstract

Ein Verfahren zum Umschalten von Anzapfungen durch einen Laststufenschalter enthält ein Bereitstellen wenigstens zweier Finger, die jeweils eine Impedanz und einen mechanischen Schalter aufweisen. Wenn der erste und der zweite mechanische Schalter des ersten und des zweiten Fingers geschlossen sind, stellen sie eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Impedanz des ersten und des zweiten Fingers und einem Leistungsanschluss des Laststufenschalters her. Der Laststufenschalter wird angesteuert, um wenigstens einen der Finger von einer ersten Anzapfung zu einer zweiten Anzapfung des Laststufenschalters zu verstellen, wenn ein Anzapfumschaltsignal empfangen wird. Ein Halbleiterschalter, der zwischen der ersten und der zweiten Impedanz angeschlossen ist, wird eingeschaltet, um einen Strom von dem ersten Finger zu dem zweiten Finger während des Anzapfumschaltbetriebs zu kommutieren.

Description

HINTERGRUND
Ausführungsformen des Systems betreffen allgemein ein Gebiet der Spannungsregelung und insbesondere einen Laststufenschalter zur Leistungszuführung.
Herkömmlich wird Elektrizität in Großkraftwerken erzeugt, die über Aufwärtstransformatoren mit einem Übertragungsnetz verbunden sind. Elektrische Leistung wird über ein Übertragungssystem über lange Strecken hinweg bei sehr hohen Spannungen übertragen. An Verteilungs- und Umspannstationen wird die Spannung heruntertransformiert, und es wird Leistung zu verschiedenen Lasten innerhalb eines Verteilungsnetzes geliefert. Eine Spannungsregelung in dem Verteilungsnetz wird gewöhnlich entweder durch Laststufenschalter (OLTC, On-Load Tap Changing)-Transformatoren oder Spannungsregler erreicht. In vielen Versorgungseinrichtungen sind auch Kondensatorbänke weit verbreitet, um die Spannung in Verteilungsnetzen zu stützen, wenn Spannungsschwankungen hauptsächlich durch eine langsame Veränderung der an das Verteilungssystem angeschlossenen Lasten verursacht sind. Der zunehmende Anteil der auf der Verteilungsebene angeschlossenen zeitweiligen und stark variablen regenerativen Energieerzeugung führt zu größeren und häufigeren Spannungsschwankungen in Verteilungsnetzen, was eine größere Flexibilität bei der Regelung der Netzwerkspannung erfordert. Infolgedessen werden Laststufenschalter in Verteilungsnetzen mit einer großen Menge an regenerativer Energieerzeugung intensiver und umfassender eingesetzt.
Laststufenschalter werden für Leistungstransformatoren und Spannungsregler seit vielen Jahren umfangreich verwendet. Es sind auf dem Markt verschiedene Arten von Laststufenschaltern, sowohl mechanische als auch elektronische, verfügbar. Mechanische Laststufenschalter ermöglichen eine Betätigung im Betrieb, haben jedoch anspruchsvolle mechanische Anforderungen. Jeder Anzapfumschaltvorgang von mechanischen Stufenschaltern führt zu einem gewissen Maß an Lichtbogenbildung zwischen den Anzapfungskontakten und den sich bewegenden Fingerkontakten. Eine Lichtbogenbildung führt zu einer langsamen Beeinträchtigung des Transformatoröls und dem Verschleiß der mechanischen Kontakte. Die Lebensdauer eines mechanischen Stufenschalters ist somit durch die Anzahl der Anzapfumschaltvorgänge begrenzt. Herkömmliche Laststufenschalter haben nichtsdestoweniger eine relativ lange Lebensdauer von 15–20 Jahren. Dies ist hauptsächlich auf die relativ geringe Anzahl von Anzapfumschaltvorgängen zurückzuführen, die erforderlich sind, um die Spannungsschwankungen auf Grund von Lastveränderungen zu regeln. Aufgrund größerer und schnellerer Spannungsschwankungen in Verteilungsnetzen, die durch den zunehmenden Anteil an verteilten erneuerbaren Energiequellen hervorgerufen sind, müssen Laststufenschalter häufiger schalten als früher. Dies führt zu höheren Wartungsanforderungen und einer begrenzten Lebensdauer.
Der Hauptnachteil von mechanischen Laststufenschaltern ist die unvermeidbare Störlichtbogenbildung zwischen den Anzapfungskontakten und den bewegbaren Fingerkontakten, wenn eine Anzapfung umgeschaltet wird. Rein elektronische Laststufenschalter haben andererseits keine bewegbare Fingerkontakte. Jeder Anzapfungskontakt ist mit der Last über einen elektronischen Halbleiterschalter verbunden. Die Position der Anzapfung wird durch Einschalten des entsprechenden elektronischen Schalters (d.h. leitend schalten) ausgewählt, während alle anderen Schalter ausgeschaltet (d.h. nicht leitend geschaltet) werden. Ein Wechsel von einer Anzapfungsposition zu der anderen wird durch Kommutierung des Stroms von einem elektronischen Schalter zu dem nächsten durchgeführt. Die Stromkommutierung und der Anzapfungswechsel werden folglich aufgrund der gewöhnlich sehr schnellen Umschaltfähigkeiten von Halbleiterschaltern ohne Störlichtbogenbildung erreicht. Obwohl elektronische Laststufenschalter sehr flexibel sind und frei von Störlichtbögen arbeiten können und folglich im Vergleich zu mechanischen Laststufenschaltern den Wartungsbedarf deutlich reduzieren würden, haben sie auch bestimmte Nachteile. Der Hauptnachteil sind die Kosten der elektronischen Schalter, auch deshalb, weil ein elektronischer Schalter für jede Anzapfungsposition erforderlich ist, was die Kosten weiter erhöht, wenn eine große Anzahl von Anzapfungen benötigt wird. Der zweite Nachteil liegt in den höheren Verlusten elektronischer Schalter im Vergleich zu mechanischen Kontakten.
Folglich besteht ein Bedarf nach wirtschaftlich rentableren und technisch zuverlässigen und effizienten alternativen Lösungen für Laststufenschalter.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technik ist ein Verfahren zum Umschalten von Anzapfungen eines Laststufenschalters geschaffen. Das Verfahren enthält ein Bereitstellen von wenigstens zwei Fingern, die jeweils eine Impedanz und einen mechanischen Schalter aufweisen. Wenn der erste und der zweite mechanische Schalter des ersten und des zweiten Fingers geschlossen sind, stellen sie eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Impedanz des ersten und des zweiten Fingers und einem Leistungsanschluss des Laststufenschalters her. Das Verfahren enthält ferner ein Veranlassen, dass der Laststufenschalter wenigstens einen von den Fingern von einer ersten Anzapfung zu einer zweiten Anzapfung des Laststufenschalters umschaltet, wenn ein Anzapfumschaltsignal empfangen wird; wobei der erste Finger einen Kontakt mit der ersten Anzapfung unterbricht und anschließend einen Kontakt mit der zweiten Anzapfung herstellt. Das Verfahren enthält ferner ein Einschalten eines Halbleiterschalters, der zwischen der ersten und der zweiten Impedanz angeschlossen ist, zur Kommutierung eines Stroms von dem ersten Finger zu dem zweiten Finger während des Anzapfumschaltvorgangs.
Das zuvor erwähnte Verfahren kann ein Ausschalten des ersten mechanischen Schalters, der mit der ersten Impedanz verbunden ist, nachdem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist, aufweisen.
Das zuvor erwähnte Verfahren kann ferner ein Ausschalten des Halbleiterschalters aufweisen, bevor der erste Finger, der der ersten Impedanz zugeordnet ist, eine Verbindung mit der ersten Anzapfung unterbricht.
Noch weiter kann der Halbleiterschalter erneut eingeschaltet werden, nachdem der erste Finger eine Verbindung mit der zweiten Anzapfung herstellt.
Noch weiter kann das Verfahren ein Ausschalten des Halbleiterschalters aufweisen, nachdem der erste mechanische Schalter eingeschaltet ist.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der Halbleiterschalter einen bidirektionalen Schalter oder einen unidirektionalen Schalter aufweisen.
In dem Verfahren der zuvor erwähnten Art kann der bidirektionale Schalter ein Thyristorpaar, das in einer antiparallelen Konfiguration angeschlossen ist, oder eine Triode für Wechselstrom (TRIAC) oder eine Kombination von unidirektionalen Schaltern aufweisen.
Alternativ kann der bidirektionale Schalter eine Kombination aus einem unidirektionalen Schalter und einer Diodenbrücke aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Technik ist ein Laststufenschalter geschaffen. Der Laststufenschalter enthält wenigstens zwei Finger, von denen wenigstens einer veranlasst wird, von einer ersten Anzapfung zu einer zweiten Anzapfung des Laststufenschalters umzuschalten, wenn ein Anzapfumschaltsignal von einer Steuereinrichtung empfangen wird. Jeder Finger enthält eine Impedanz und einen mechanischen Schalter. Wenn der erste und der zweite mechanische Schalter des ersten und des zweiten Fingers eingeschaltet sind, stellen sie eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Impedanz des ersten und des zweiten Fingers und einem Leistungsanschluss des Laststufenschalters her. Der Laststufenschalter enthält ferner einen Halbleiterschalter, der zwischen der ersten und der zweiten Impedanz der beiden Finger angeschlossen ist und zur Kommutierung eines Stroms von dem ersten Finger zu dem zweiten Finger während des Anzapfumschaltvorgangs geschaltet wird.
In dem zuvor erwähnten Laststufenschalter kann der Halbleiterschalter einen bidirektionalen Schalter oder einen unidirektionalen Schalter aufweisen.
Der bidirektionale Schalter des zuvor erwähnten Laststufenschalters kann ein Thyristorpaar, das in einer antiparallelen Konfiguration angeschlossen ist, oder eine Triode für Wechselstrom (TRIAC) oder eine Kombination von unidirektionalen Schaltern aufweisen.
Alternativ kann der bidirektionale Schalter eine Kombination aus einem unidirektionalen Schalter und einer Diodenbrücke aufweisen.
In dem Laststufenschalter einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die Steuereinrichtung ferner konfiguriert sein, um die Anzapfumschaltvorgangsschritte zu steuern, wobei die Schritte aufweisen: a) Ausschalten des ersten mechanischen Schalters, der mit der ersten Impedanz verbunden ist, nachdem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist; b) Ausschalten des Halbleiterschalters, bevor der erste Finger, der der ersten Impedanz zugeordnet ist, eine Verbindung mit der ersten Anzapfung unterbricht, und Einschalten des Halbleiterschalters, nachdem der erste Finger eine Verbindung mit der zweiten Anzapfung herstellt; und c) Ausschalten des Halbleiterschalters, nachdem der erste mechanische Schalter eingeschaltet ist.
Der Laststufenschalter einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Drehmechanismus oder einen linearen Mechanismus aufweisen, um den ersten Finger und den zweiten Finger von der ersten Anzapfung zu der zweiten Anzapfung zu bewegen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung Anzapfumschaltsignale auf der Basis gemessener elektrischer Parameter liefern.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Technik ist ein Verfahren zum Umschalten von Anzapfungen eines Laststufenschalters geschaffen. Das Verfahren enthält ein Übertragen eines elektrischen Stroms, der in einem mechanischen Schalter fließt, der zwischen einer ersten Impedanz und einem Leistungsanschluss des Laststufenschalters angeschlossen ist, zu einem Halbleiterschalter, der zwischen der ersten Impedanz und einer zweiten Impedanz angeschlossen ist. Das Verfahren enthält ferner ein Umleiten des elektrischen Stroms, der in dem Halbleiterschalter fließt, zurück zu dem mechanischen Schalter, wenn die erste Impedanz zu einer neuen Anzapfung versetzt wird.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Übertragen des elektrischen Stroms, der in dem mechanischen Schalter fließt, zu dem Halbleiterschalter ein Ausschalten des mechanischen Schalters, der mit der ersten Impedanz verbunden ist, nachdem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist, aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Umleiten des elektrischen Stroms, der in dem Halbleiterschalter fließt, zurück zu dem Halbleiterschalter ein Ausschalten des Halbleiterschalters aufweisen, bevor ein erster Finger, der eine erste Impedanz enthält, eine Verbindung mit der alten Anzapfung unterbricht.
Das Verfahren der zuvor erwähnten Art kann ferner ein Einschalten des Halbleiterschalters aufweisen, nachdem der erste Finger eine Verbindung mit der neuen Anzapfung herstellt.
Noch weiter kann das Verfahren ein Ausschalten des Halbleiterschalters aufweisen, nachdem der mechanische Schalter eingeschaltet ist.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile überall in den Zeichnungen bezeichnen, worin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Transformators mit einem mechanischen Laststufenschalter;
2 eine schematische Darstellung eines Transformators mit einem hybriden Laststufenschalter gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Systems;
3a bis 3h schematische Darstellungen verschiedener Schritte in einem Betrieb des hybriden Laststufenschalters nach 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technik;
4a bis 4h schematische Darstellungen verschiedener Schritte in einem Betrieb des hybriden Laststufenschalters nach 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technik; und
5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines hybriden Laststufenschalters.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dem hierin verwendeten Sinne bezieht sich der Ausdruck „Steuereinrichtung“ oder „Modul“ auf Software, Hardware oder Firmware oder eine beliebige Kombination von diesen oder ein beliebiges System, Verfahren oder eine beliebige Funktionalität, die die hierin beschriebenen Verfahren durchführt oder ermöglicht.
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen im einschließlichen Sinne verstanden werden und bedeuten, dass außer den aufgeführten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
Die Erfindung enthält Ausführungsformen, die einen Laststufenschalter betreffen, der zur Spannungsregelung durch Umschaltung von Verbindungen von einer Anzapfung zu einer anderen einer Spannungswandlungsvorrichtung verwendet wird. Obwohl die vorliegende Erläuterung Beispiele in dem Zusammenhang mit dem Laststufenschalter für einen Transformator liefert, können diese Laststufenschalter auf eine beliebige andere Spannungswandlungs- oder -regelungsvorrichtung, die Anzapfungen verwendet, angewandt werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung 10 eines Transformators 11 mit einem mechanischen Laststufenschalter 18 nach Art eines Wahlschalters. Der Transformator 11 ist eine Art einer Spannungwandlungsvorrichtung, die eine Spannung von einem Niveau auf ein anderes Niveau umwandelt, und enthält eine Primärwicklung 12 und eine Sekundärwicklung 16 mit mehreren Anzapfungen 14. In einer Ausführungsform können die Anzapfungen 14 an der Primärwicklung 12 oder der Sekundärwicklung 16 oder sowohl an der Primärwicklung 12 als auch an der Sekundärwicklung 16 vorgesehen sein. In einer Ausführungsform liefert die Sekundärwicklung 16 eine Ausgangsspannung Vo auf einem reduzierten Niveau im Vergleich zu einer Eingangsspannung Vin des Transformators 11. Es sollte beachtet werden, dass die Amplitude und Frequenz der Spannungsschwankungen in jedem Punkt in dem Verteilungsnetz in Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren, wie die Änderung von Lasten und Erzeugung, elektrischer Abstand zu der Umspannstation, die Art der elektrischen Leitungen und Spannungsbedingungen an der Hochspannungsseite der Umspannstation, beträchtlich variieren können. Laststufenschalter-Transformatoren und -Spannungsregler werden folglich dazu verwendet, diese Spannungsschwankungen durch Veränderung ihrer Ausgangsspannung Vo zu kompensieren.
Wenn die Spannung oberhalb bestimmter Spannungssollwerte liegt, aktiviert eine (nicht veranschaulichte) Steuereinrichtung einen Anzapfumschaltvorgang, um Fingerkontakte des Laststufenschalters 18 zu der nächst niedrigeren oder höheren Anzapfung zu verstellen. Allgemein ist die Transformatorausgangsspannung Vo gegeben durch: Vo = Vin·(T2/T1) (1) wobei T2 Sekundärwicklungswindungen und T1 Primärwicklungswindungen sind. Die Anzapfposition 14 an der Sekundärwicklung 16 bestimmt die Anzahl von Windungen T2. Falls die Ausgangsspannung Vo erhöht werden muss, werden somit die Anzapfungen 14 derart umgeschaltet, dass die Wicklungswindungen T2 vergrößert werden. Ähnlich werden, wenn die Ausgangsspannung Vo verringert werden muss, die Anzapfungen 14 geeignet umgeschaltet, um die Windungen T2 zu verringern.
Der mechanische Laststufenschalter 18, der drei Fingerkontakte, einschließlich eines mechanischen Schalters 20 und zweier Schaltwiderstände 22, enthält, wird verwendet, um Anzapfungen 14 von einer Position zu einer anderen Position umzuschalten. Zur Umschaltung der Anzapfungen von einer Position zur anderen verwendet der mechanische Laststufenschalter 18 ein (nicht veranschaulichtes) Antriebssystem, und er dreht den mechanischen Schalter 20 und die Schaltwiderstände 22 je nach den Spannungsänderungsanforderungen in eine Richtung im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn. Während der Bewegung stellt zu Beginn einer der Schaltwiderstände 22 einen Kontakt mit der nächsten Anzapfung her, während der mechanische Schalter 20 weiterhin mit der momentanen Anzapfung in Kontakt steht. Anschließend wird der mechanische Schalter 20 in den Leerlauf geschaltet, d.h. der mechanische Schalter 20 ist nicht mit irgendeiner Anzapfung verbunden, während der zweite Schaltwiderstand 22 eine Verbindung mit der momentanen Anzapfung herstellt. Dies ergibt einen Kurzschluss zwischen zwei Anzapfungen 14 durch die beiden Schaltwiderstände 22. Schließlich gelangt der mechanische Schalter 20 mit der nächsten Anzapfung in Kontakt, und dann werden beide Schaltwiderstände 22 in den Leerlauf geschaltet, was den Anzapfumschaltungsvorgang beendet. Der vollständige Anzapfumschaltvorgang hat beträchtliche Energieverluste in den Schaltwiderständen 22 und auch damit verbundene Wärmeerzeugungs- und Wartungsaspekte zur Folge.
2 zeigt eine schematische Darstellung 40 des Transformators 11 mit einem hybriden Laststufenschalter 42 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der hybride Laststufenschalter kann auch als ein elektronisch unterstützter oder halbleiterunterstützter Laststufenschalter bezeichnet werden. Der hybride Laststufenschalter 42 enthält zwei Finger 44, 46, die jeweils eine Impedanz 48, 50 und einen mechanischen Schalter oder ein Schütz 52, 54, die in Reihe verbunden sind, aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Impedanz 48 oder 50 eine Drosselspule oder eine Kombination aus einer Drosselspule und einem Widerstand sein. Beide mechanischen Schalter 52, 54 sind mit einem Leistungsanschluss 55 an einem Ende miteinander verbunden, um einen elektrischen Strom zu führen und eine Verbindung zwischen den Impedanzen 48, 50 und dem Leistungsanschluss 55 zu schaffen. Der Ausdruck „Leistungsanschluss“ bezieht sich auf einen Ausgangsanschluss oder einen Eingangsanschluss des Stufenschalters, abhängig von dem Stromfluss. Die Finger 44, 46 können mit Transformatoranzapfungen über einen Drehschalter oder einen linearen Schalter verbunden sein. Ein Halbleiterschalter 56 ist zwischen den beiden Impedanzen der beiden Finger angeschlossen, um einen Strom von dem ersten Finger zu dem zweiten Finger während des Anzapfumschaltvorgangs zu kommutieren. Der Halbleiterschalter 56 kann ein unidirektionaler Schalter oder ein bidirektionaler Halbleiterschalter, d.h. ein Schalter sein, der einen Durchgang von Strom in jede Richtung ermöglicht. In einer Ausführungsform kann ein bidirektionaler Schalter zwei unidirektionale Schalter aufweisen. Eine Last 58, die für repräsentative Zwecke veranschaulicht ist, ist mit dem Leistungsanschluss 55 über eine Leitung oder ein Kabel 57 verbunden.
In einer Ausführungsform ist der Halbleiterschalter 56 ein bidirektionaler Halbleiterschalter, d.h. ein Schalter, der einen Durchgang von Strom in jede Richtung ermöglicht. Beispiele für den unidirektionalen Halbleiterschalter umfassen einen Thyristor und einen GTO-Thyristor (Gate Turn Off Thyristor), während Beispiele für den bidirektionalen Halbleiterschalter ein Thyristorpaar, das in einer antiparallelen Anordnung angeschlossen ist, und eine Triode für Wechselstrom (TRIAC) umfassen. In einer Ausführungsform, in der der Halbleiterschalter 56 ein unidirektionaler Halbleiterschalter ist, kann dieser während eines Durchlassvorspannungszustands eingeschaltet sein. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen, tritt der Durchlassvorspannungszustand auf, wenn eine Anode des unidirektionalen Halbleiterschalters mit einer positiven Spannung verbunden ist und eine Kathode des unidirektionalen Halbleiterschalters mit einer negativen Spannung verbunden ist. Wenn der Halbleiterschalter 56 ein bidirektionaler Halbleiterschalter ist, kann dieser in einer beliebigen Halbwelle der Wechselspannung eingeschaltet sein.
In einer Ausführungsform wird eine Steuereinrichtung 60 verwendet, um den Betrieb des hybriden Laststufenschalters 42 zu steuern. Die Steuereinrichtung 60 veranlasst den Drehschalter oder linearen Schalter, die Finger 44, 46 von einer Anzapfung zu einer anderen Anzapfung zu bewegen, wenn ein Anzapfumschaltsignal empfangen wird. Das Anzapfumschaltsignal kann von einer anderen Steuereinrichtung empfangen werden oder kann durch die Steuereinrichtung 60 auf der Basis gemessener elektrischer Parameter und/oder bestimmter Spannungsgrenzen an dem Transformatoreingang oder -ausgang oder an anderen Stellen in dem Netz generiert werden. Die Steuereinrichtung 60 steuert ferner die mechanischen Schalter 52, 54 sowie den Halbleiterschalter 56.
Während eines stationären Zustands sind die Finger 44, 46 entweder beide mit derselben Anzapfung des Transformators verbunden, was eine Nicht-Überbrückungsposition ist, oder jeder ist mit einer benachbarten Anzapfung verbunden, was eine Überbrückungsposition ist. Während der Überbrückungsposition sind beide Finger 44, 46 mit zwei benachbarten Transformatoranzapfungen über die Impedanzen 48, 50 verbunden, um ein Kurzschließen der Anzapfwicklung zu verhindern und den zwischen den beiden Anzapfungen umlaufenden Strom zu begrenzen. Die Überbrückungsposition ist folglich eine Betriebsstellung, und jede Spannungsstufenänderung ist die halbe Spannung zwischen benachbarten Anzapfungen. Außerdem sind während eines normalen Betriebs beide mechanische Schalter 52, 54 leitend oder eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 56 ist nicht leitend oder ausgeschaltet. Der Strom fließt dann von der Transformatoranzapfung zu dem Leistungsanschluss 55 über beide Impedanzen 48, 50 und beide mechanische Schalter 52, 54. Wenn das Anzapfumschaltsignal empfangen wird, geht der hybride Laststufenschalter 42 von der Nicht-Überbrückungsposition zu einer Überbrückungsposition über oder umgekehrt. In dem Fall, dass die Überbrückungsposition nicht als eine Betriebsstellung erforderlich ist, könnte die Überbrückungsposition nur als eine kurze Übergangsstellung dienen. In einer derartigen Ausführungsform führt jedes Anzapfumschaltsignal zu einem Übergang von einer Nicht-Überbrückungsposition zu einer anderen Nicht-Überbrückungsposition.
3a bis 3h zeigen eine schematische Darstellung verschiedener Schritte in einem Betrieb des hybriden Laststufenschalters 42 nach 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es sollte beachtet werden, dass zur Erleichterung der Veranschaulichung nur die Anzapfungen A und B anstelle aller Anzapfungen des hybriden Stufenschalters 42 in den 3a bis 3h veranschaulicht sind. In anderen Ausführungsformen kann die Sekundärwicklung 16 (2) von einem beliebigen sonstigen Transformator, wie beispielsweise einem dreiphasigen Transformator, sein, der an das Stromnetz angeschlossen ist, und die Last ist dann durch mehrere Energie verbrauchende Geräte gebildet. 3a bis 3h zeigen speziell den Übergang von einer Nicht-Überbrückungsposition an der Anzapfung A (3a) zu einer Überbrückungsposition zwischen der Anzapfung A und der Anzapfung B (3h). Im Schritt 1 (3a wird ein Anzapfumschaltbefehl entweder durch einen Systembetreiber oder eine Steuereinrichtung festgesetzt. In diesem Schritt befindet sich der hybride Stufenschalter 42, kurz bevor der Anzapfumschaltbefehl empfangen wird, in einer Nicht-Überbrückungsposition, d.h. beide Finger 44, 46 sind mit der Anzapfung A verbunden, beide mechanischen Schalter 52 und 54 sind eingeschaltet und leiten. Der Halbleiterschalter 56 ist ausgeschaltet und somit nicht leitend. Dieser Zustand ergibt zwei gesonderte Strompfade für die Last 58 (2). Der erste Pfad verläuft über die Impedanz 48 und den mechanischen Schalter 52, und der zweite Pfad verläuft über die Impedanz 50 und den mechanischen Schalter 54. Jeder Pfad führt in etwa 50% des Laststroms, wenn beide Impedanzen 48, 50 ähnliche Parameter aufweisen und die mechanischen Schalter 52 und 54 ähnliche Kontaktwiderstandswerte aufweisen.
Im Schritt 2 (3b) wird, nachdem der Anzapfumschaltbefehl empfangen wird, der Halbleiterschalter 56 eingeschaltet. Der Laststrom wird weiter zwischen den beiden vorstehend erwähnten Strompfaden aufgeteilt, wobei der Halbleiterschalter wenig bis keinen Strom führt. Im Schritt 3 (3c) wird der mechanische Schalter 54 ausgeschaltet und hört somit auf zu leiten. Dies ermöglicht einen störlichtbogenfreien Übergang des Stroms von dem mechanischen Schalter 54 zu dem Halbleiterschalter 56. Es sollte beachtet werden, dass die Finger 44, 46 während dieses Vorgangs beginnen könnten, sich von der Anzapfung A zu der Anzapfung B zu bewegen. In einer Ausführungsform kann der Mechanismus zur mechanischen Bewegung der Finger 44, 46 von der Anzapfung A zu der Anzapfung B ein Drehmechanismus wie in 1 sein.
In Schritt 4 (3d) wird der Halbleiterschalter 56 ausgeschaltet, bevor der Finger 46 beginnt, eine Verbinung mit der Anzapfung A zu unterbrechen. Der gesamte Strom wird damit zu dem Pfad über die Impedanz 48 und den mechanischen Schalter 52 umgeleitet. Der Finger 46 unterbricht nun die Verbindung mit der Anzapfung A im stromlosen Zustand und folglich ohne irgendeine Lichtbogenbildung. In ähnlicher Weise stellt der Finger 46 im Schritt 5 (3e) eine Verbindung mit der Anzapfung B ohne Lichtbogenbildung her. 3f zeigt den Schritt 6, in dem die Finger 44 und 46 an einer Überbrückungsposition zwischen den Anzapfungen A bzw. B ankommen. In diesem Schritt ist der mechanische Schalter 54 weiterhin ausgeschaltet, und der Halbleiterschalter 56 wird eingeschaltet, um einen Pfad für einen Strom von der Impedanz 50 zu dem mechanischen Schalter 52 bereitzustellen. Im Schritt 7 (3g) wird der mechanische Schalter 54 eingeschaltet, und im Schritt 8 (3h) wird der Halbleiterschalter 56 ausgeschaltet, womit der Übergang von dem Nicht-Überbrückungszustand an der Anzapfung A zu dem Überbrückungszustand zwischen den Anzapfungen A und B abgeschlossen ist. Während des Überbrückungszustands gibt es einen umlaufenden Strom zwischen den Anzapfungen A und B, der durch die Impedanzen 48, 50 begrenzt ist.
In einer Ausführungsform basiert der Trennzeitpunkt des Halbleiterschalters 56 auf einem Nulldurchgang oder nahezu einem Nulldurchgang einer Signalform eines Stroms, der die Impedanz 50 passiert, um die Spannungsbelastung an dem Halbleiterschalter 56 zu reduzieren. In einer Ausführungsform verwendet die Steuereinrichtung 60 einen Mechanismus zur Erfassung, wann der Halbleiterschalter 56 sich in einem richtigen Modus zur Kommutierung des Stroms befindet, und um entsprechend Ansteuersignale zu senden.
4a bis 4h zeigen schematische Darstellungen verschiedener Schritte in einem Betrieb des hybriden Laststufenschalters 42 nach 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4a bis 4h zeigen insbesondere einen Übergang von einer Überbrückungsposition zwischen der Anzapfung A und der Anzapfung B (4a) zu einer Nicht-Überbrückungsposition an der Anzapfung B (4h). Der hybride Laststufenschalter 42 nach 2 ist in 4a in einer Überbrückungsposition zwischen der Anzapfung A und der Anzapfung B veranschaulicht, d.h. die Finger 44 und 46 sind mit der Anzapfung A bzw. B verbunden. Beide mechanische Schalter 52 und 54 sind eingeschaltet und im leitenden Zustand. Der Halbleiterschalter 56 ist ausgeschaltet und im nicht leitenden Zustand. Im Schritt 1 (4a) wird ein Anzapfumschaltbefehl entweder durch einen Systembetreiber oder eine Steuereinrichtung 60 festgesetzt. Im Schritt 2 (4b) wird, nachdem der Anzapfumschaltbefehl empfangen wird, der Halbleiterschalter 56 eingeschaltet. Im Schritt 3 (4c) wird der mechanische Schalter 52 ausgeschaltet. Der Halbleiterschalter 56 stellt dann einen Pfad für einen Laststrom von der Impedanz 48 zu dem mechanischen Schalter 54 bereit, und es wird ein störlichtbogenfreier Übergang des Stroms von dem mechanischen Schalter 52 zu dem Haltleiterschalter 56 erreicht.
Im Schritt 4 (4d) wird der Halbleiterschalter 56 ausgeschaltet, bevor der Finger 44 beginnt, eine Verbindung mit der Anzapfung A zu unterbrechen. Nachdem der Halbleiterschalter 56 ausgeschaltet ist, wird der gesamte Strom zu dem Pfad über die Impedanz 50 und den mechanischen Schalter 54 umgeleitet. Der Finger 44 unterbricht nun die Verbindung mit der Anzapfung A in ungefähr einem stromlosen Zustand und folglich ohne irgendeine Lichtbogenbildung. In ähnlicher Weise stellt der Finger 44 im Schritt 5 (4e) eine Verbindung mit der Anzapfung B ohne irgendeine Lichtbogenbildung her. 4f zeigt den Schritt 6, in dem der hybride Laststufenschalter sich in einer Nicht-Überbrückungsposition befindet, d.h. beide Finger 44, 46 sind mit der Anzapfung B verbunden. In diesem Schritt ist der mechanische Schalter weiterhin ausgeschaltet, und der Halbleiterschalter 56 wird eingeschaltet, um einen Pfad für einen Strom von der Impedanz 48 zu dem mechanischen Schalter 54 bereitzustellen. Im Schritt 7 (4g) wird der mechanische Schalter 52 eingeschaltet, und im Schritt 8 (4h) wird der Halbleiterschalter 56 ausgeschaltet, womit der Übergang von einem Überbrückungszustand zwischen den Anzapfungen A und B zu dem Nicht-Überbrückungszustand an der Anzapfung B abgeschlossen wird. Somit zeigen 3 und 4 einen vollständigen Anzapfumschaltvorgang von der Anzapfung A zu der Anzapfung B für den hybriden Laststufenschalter 42.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren hybriden Laststufenschalters 70 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der hybride Laststufenschalter 70 ist dem hybriden Laststufenschalter 42 nach 2 ähnlich. Jedoch ist nun der bidirektionale Schalter 56 des hybriden Laststufenschalters 42 durch eine Kombination aus einer Diodenbrücke, die durch Dioden 72, 73, 75, 76 gebildet ist, und einem unidirektionalen Schalter 74 ersetzt. Kurz gesagt, strömt im leitenden Zustand der Strom in dem unidirektionalen Schalter 74 stets in eine einzige Richtung (z.B. von oben nach unten), und irgendeine einzelne von dem linken Paar von Dioden 72, 73 und irgendeine einzelne von dem rechten Paar von Dioden 75, 76 leiten gleichzeitig, um einen bidirektionalen Stromfluss zu erreichen. Zum Beispiel fließt ein Strom von der Impedanz 48 zu der Impedanz 50 über die Diode 73, den unidirektionalen Schalter 74 und die Diode 76, während ein Strom von der Drosselspule 50 zu der Drosselspule 48 über die Diode 75, den unidirektionalen Schalter 74 und die Diode 72 fließt.
Während lediglich bestimmte Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben sind, werden viele Modifikationen und Veränderungen sich Fachleuten auf dem Gebiet erschließen. Es ist deshalb zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche dazu vorgesehen sind, all derartige Modifikationen und Veränderungen zu umfassen, wie sie in den wahren Rahmen der Erfindung fallen.
Ein Verfahren zum Umschalten von Anzapfungen durch einen Laststufenschalter enthält ein Bereitstellen wenigstens zweier Finger, die jeweils eine Impedanz und einen mechanischen Schalter aufweisen. Wenn der erste und der zweite mechanische Schalter des ersten und des zweiten Fingers geschlossen sind, stellen sie eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Impedanz des ersten und des zweiten Fingers und einem Leistungsanschluss des Laststufenschalters her. Der Laststufenschalter wird angesteuert, um wenigstens einen der Finger von einer ersten Anzapfung zu einer zweiten Anzapfung des Laststufenschalters zu verstellen, wenn ein Anzapfumschaltsignal empfangen wird. Ein Halbleiterschalter, der zwischen der ersten und der zweiten Impedanz angeschlossen ist, wird eingeschaltet, um einen Strom von dem ersten Finger zu dem zweiten Finger während des Anzapfumschaltbetriebs zu kommutieren.
Bezugszeichenliste

10: Schematische Darstellung eines Transformators mit einem mechanischen Laststufenschalter nach Art eines Wahlschalters
11: Transformator
12: Primärwicklung
14: Anzapfungen
16: Sekundärwicklung
18: Mechanischer Laststufenschalter nach Art eines Wahlschalters
20: Mechanischer Schalter
22: Schaltwiderstände
40: Schematische Darstellung eines Transformators mit einem hybriden Laststufenschalter
42: Hybrider Laststufenschalter
44, 46: Finger
48, 50: Impedanzen
52, 54: Mechanische Schalter
55: Leistungsanschluss
56: Halbleiterschalter
57: Leitung/Kabel
58: Last
60: Steuereinrichtung
70: Hybrider Laststufenschalter
72, 73, 75, 76: Dioden
74: Unidirektionaler Schalter

Claims

Verfahren zum Umschalten von Anzapfungen durch einen Laststufenschalter 42, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen wenigstens zweier Finger (44, 46), die jeweils eine Impedanz (48, 50) und einen mechanischen Schalter (52, 54) aufweisen, wobei, wenn der erste und der zweite mechanische Schalter (52, 54) des ersten und des zweiten Fingers (44, 46) geschlossen sind, diese eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Impedanz (48, 50) des ersten und des zweiten Fingers (44, 46) und einem Leistungsanschluss (55) des Laststufenschalters (42) herstellen; Ansteuern des Laststufenschalters (42), um wenigstens einen der Finger von einer ersten Anzapfung zu einer zweiten Anzapfung des Laststufenschalters umzuschalten, wenn ein Anzapfumschaltsignal empfangen wird; wobei der erste Finger einen Kontakt mit der ersten Anzapfung unterbricht und anschließend einen Kontakt mit der zweiten Anzapfung herstellt; Einschalten eines Halbleiterschalters (56), der zwischen der ersten und der zweiten Impedanz (48, 50) angeschlossen ist, zur Kommutierung eines Stroms von dem ersten Finger zu dem zweiten Finger während des Anzapfumschaltvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Ausschalten des ersten mechanischen Schalters, der mit der ersten Impedanz verbunden ist, nachdem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner ein Ausschalten des Halbleiterschalters aufweist, bevor der erste Finger, der der ersten Impedanz zugeordnet ist, eine Verbindung mit der ersten Anzapfung unterbricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Halbleiterschalter erneut eingeschaltet wird, nachdem der erste Finger eine Verbindung mit der zweiten Anzapfung herstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, das ein Ausschalten des Halbleiterschalters aufweist, nachdem der erste mechanische Schalter eingeschaltet ist.
Laststufenschalter (42), der aufweist: wenigstens zwei Finger (44, 46), von denen wenigstens einer veranlasst wird, von einer ersten Anzapfung zu einer zweiten Anzapfung umzuschalten, wenn ein Anzapfumschaltsignal von einer Steuereinrichtung (60) empfangen wird, wobei jeder Finger eine Impedanz (48, 50) und einen mechanischen Schalter (52, 54) enthält, wobei, wenn der erste und der zweite mechanische Schalter (52, 54) des ersten und des zweiten Fingers (44, 46) eingeschaltet sind, diese eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Impedanz (48, 50) des ersten und des zweiten Fingers und einem Leistungsanschluss (55) des Laststufenschalters herstellen; und einen Halbleiterschalter (56), der zwischen der ersten und der zweiten Impedanz der beiden Finger angeschlossen ist und zur Kommutierung eines Stroms von dem ersten Finger zu dem zweiten Finger während des Anzapfumschaltbetriebs geschaltet wird.
Laststufenschalter nach Anspruch 6, wobei der Halbleiterschalter einen bidirektionalen Schalter oder einen unidirektionalen Schalter aufweist.
Laststufenschalter nach Anspruch 7, wobei der bidirektionale Schalter ein Thyristorpaar, das in einer antiparallelen Konfniguration angeschlossen ist, oder eine Triode für Wechselstrom (TRIAC) oder eine Kombination von unidirektionalen Schaltern aufweist; und/oder wobei der bidirektionale Schalter eine Kombination aus einem unidirektionalen Schalter und einer Diodenbrücke aufweist.
Laststufenschalter nach einem beliebigen der Ansprüche 6–8, der ferner einen Drehmechanismus oder einen linearen Mechanismus zur mechanischen Bewegung des ersten Fingers (44) und des zweiten Fingers 46 von der ersten Anzapfung zu der zweiten Anzapfung aufweist; und/oder wobei die Steuereinrichtung (60) Anzapfumschaltsignale auf der Basis von gemessenen elektrischen Parametern liefert.
Verfahren zum Umschalten von Anzapfungen durch einen Laststufenschalter (42), wobei das Verfahren aufweist: Übertragen eines elektrischen Stroms, der in einem mechanischen Schalter (52) fließt, der zwischen einer ersten Impedanz (48) und einem Leistungsanschluss (55) des Laststufenschalters (42) angeschlossen ist, zu einem Halbleiterschalter (56), der zwischen der ersten Impedanz (48) und einer zweiten Impedanz (50) angeschlossen ist; und Umleiten des elektrischen Stroms, der in dem Halbleiterschalter (56) fließt, zurück zu dem mechanischen Schalter (52), wenn die erste Impedanz zu einer neuen Anzapfung versetzt wird.