DE102021120622B3 - Lastumschalter für einen Laststufenschalter und ein Verfahren zur Herstellung eines Lastumschalters - Google Patents

Lastumschalter für einen Laststufenschalter und ein Verfahren zur Herstellung eines Lastumschalters Download PDF

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Abstract

Lastumschalter (2) für einen Laststufenschalter (1), umfassend:- ein Gehäuse (21);- einen Träger (24) mit Elementen (32) zum Durchführen einer Lastumschaltung; wobei- der Träger (24) und die Elemente (32) in das Gehäuse (21) zumindest teilweise eingegossen sind;- auf dem Träger (24) eine optische Kommunikationsschnittstelle (40) sowie elektrische Kontakte (41) angeordnet sind, die zumindest teilweise eingegossen oder vergossen sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Lastumschalter für einen Laststufenschalter und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lastumschalters.
  • Laststufenschalter sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen üblicherweise einen Lastumschalter und einen Wähler auf. Der Lastumschalter weist Vakuumschaltröhren auf, die in einem, mit Isolieröl gefüllten Gefäß angeordnet sind. Die Vakuumschaltröhren sind in einem Gestell um eine Betätigungsmechanik angeordnet. Die Verwendung von Halbleiterschaltelementen als alternatives Schaltmittel für Vakuumschaltröhren, stellt neue Herausforderungen an den Aufbau und die Montage von Lastumschaltern dar.
  • Die DE 10 2009 017 197 A1 offenbart einen Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufenschalters. Der Lastumschalter weist dabei zwei Halbleiterschalter auf, die jeweils einen elektrischen Eingang und einen gemeinsamen elektrischen Ausgang aufweisen. Die elektrischen Eingänge und der elektrische Ausgang sind mittels Durchführungen in ein mechanisches Kontaktsystem geführt.
  • In der DE 196 18 978 A1 wird ein gepanzertes Gehäuse für eine Leistungshalbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung offenbart. In das Gehäuse kann über ein Einspritzfenster ein Silikonharz und ein Epoxidharz eingespritzt werden, sodass die Leistungshalbleitervorrichtung mit Harz versiegelt wird.
  • Auch die DE 101 23 232 A1 offenbart ein Leistungshalbleiter-Modul mit einem Gehäuse. In dem Gehäuse ist mindestens ein Halbleiterbauelement angeordnet, auf welchem eine Vergussmasse angebracht sein kann. Diese Vergussmasse beinhaltet ein Dämpfungsmaterial zur Isolation und der Passivierung der innerhalb des Gehäuses angeordneten Halbleiterbauelemente.
  • DE 10 2009 035 699 A1 offenbart einen Stufenschalter, welcher oberhalb eines Eisenjochs eines Regeltransformators und damit insgesamt oberhalb am oder im Regeltransformator vorzusehen ist. Der Lastumschalter des Stufenschalters ist dabei als leistungselektronischer Lastumschalter mit elektronischen Schaltmitteln vorgesehen.
  • Die DE 10 2010 008 973 A1 offenbart einen Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen. Der Stufenschalter ist dabei als Hybrid-Schalter ausgestaltet, welcher feststehende mechanische Kontaktfinger und auf einem beweglichen Kontaktträger angeordnete Gegenkontakte aufweist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Lastumschalter für einen Laststufenschalter zu schaffen, der resistent gegen Isoliermittel ist, eine hohe Durchschlagsfestigkeit hat und dabei einfach und kompakt aufgebaut ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Lastumschalter gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche bilden dabei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Lastumschalters zu schaffen, welches schnell, einfach und präzise ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
  • Die Erfindung schlägt gemäß einem ersten Aspekt einen Lastumschalter für einen Laststufenschalter vor, umfassend:
    • - ein Gehäuse;
    • - einen Träger mit Elementen zum Durchführen einer Lastumschaltung;
    wobei
    • - der Träger mit den Elementen in das Gehäuse zumindest teilweise eingegossen sind;
    • - auf dem Träger eine optische Kommunikationsschnittstelle sowie elektrische Kontakte angeordnet sind, die zumindest teilweise eingegossen oder vergossen sind.
  • Durch das Eingießen bzw. Vergießen des Trägers mit den Elementen, die zum Durchführen einer Lastumschaltung verwendet werden, im Gehäuse des Lastumschalters, sind diese vor dem Isolieröl geschützt. Chemische Reaktionen zwischen den Elementen und dem Isolieröl werden unterbunden. Die Elemente und damit der gesamte Lastumschalter haben dadurch eine viel höhere Lebensdauer. Weiterhin sind die Elemente durch das Vergießen gegen Erschütterungen und andere mechanische Belastungen von außen geschützt. Das Vergießen erhöht auch die Isolationsstrecken zwischen den einzelnen Elementen. Überschläge werden vermieden, wobei das Betriebsspannungsniveau gleichzeitig erhöht werden kann.
  • Als zumindest teilweise eingegossen oder vergossen wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass der größte Teil des Trägers und der Elemente von einem Gießharz oder Silgel umschlossen sind. Fertigungsbedingt können jedoch einzelne Kanten oder Flächen der Elemente und des Trägers nach dem Vergießen herausragen, freiliegen oder nicht vom Gießharz oder Silgel umschlossen sein. Dies gilt beispielsweise für die Kontaktflächen zwischen dem Träger und einem Steg im Gehäuse an dem der Träger fixiert wird.
  • Das Gehäuse kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, insbesondere kessel- oder becherförmig. Dabei kann das Gehäuse einen ersten Bereich aufweisen, in dem der Träger angeordnet ist. Vorzugweise ist der erste Bereich so groß, dass der Träger zumindest teilweise oder vollständig im ersten Bereich angeordnet werden kann. Dabei umschließt das Gehäuse den Träger zumindest teilweise oder vollständig. Der Träger ist vorzugseiweise als Platine, Leiterkarte oder gedruckte Schaltung ausgebildet.
  • Der Träger und die Elemente zum Durchführen einer Lastumschaltung sind vorzugsweise mit einem Gießharz oder einem Silgel im Träger zumindest teilweise eingegossen oder vergossen. Das Gießharz ist vorzugsweise ein Polyurethangießharz oder Epoxidharz. Das Silgel ist vorzugsweise als Silikonkautschuk ausgebildet, welches nach dem Aushärten zu einem Silikongel wird.
  • Der Lastumschalter kann außerdem Halbleiterschaltelemente und/oder Varistoren und/oder Controller und/oder Widerstände und/oder Kondensatoren und/oder MOSFETs und/oder Steuereinheiten und/oder Übertrager und/oder Gleichrichter und/oder Stromsensoren umfassen, die als Elemente zum Durchführen einer Lastumschaltung verwendet werden.
  • Der Träger umfasst erfindungsgemäß außerdem eine optische Kommunikationsschnittstelle sowie elektrische Kontakte, die zumindest teilweise eingegossen oder vergossen sind. Die optische Kommunikationsschnittstelle sowie die elektrischen Kontakte sind vorzugsweise an den Schnittstellen zur Steuerung bzw. zum Wähler nur insoweit vergossen, dass eine Kontaktierung dieser Teile möglich ist.
  • Der Lastumschalter ist vorzugsweise über die optische Kommunikationsschnittstelle und die elektrischen Kontakte mit einer Steuerung und einem Wähler verbunden. Der Lastumschalter, der Wähler, die Steuerung und ein Motorantrieb bilden einen Laststufenschalter. Der Laststufenschalter ist im Transformatorgehäuse eines Stufentransformators angeordnet.
  • Die Erfindung schlägt gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Lastumschalters gemäß Anspruch 1 vor, wobei:
    • - in einem ersten Schritt der Träger mit Elementen zum Durchführen einer Lastumschaltung in einem ersten Bereich des Gehäuses platziert bzw. angeordnet wird;
    • - in einem zweiten Schritt der Träger mindestens teilweise im ersten Bereich vergossen und damit mit dem Gehäuse verbunden wird;
    • - in einem dritten Schritt das Gehäuse mit dem vergossenen Träger getrocknet wird.
  • Das Vergießen bzw. Eingießen erfolgt vorzugsweise mit einem Gießharz oder einem Silgel, wobei der Träger zumindest teilweise eingegossen oder vergossen wird. Das Gießharz ist vorzugsweise ein Polyurethangießharz oder Epoxidharz. Das Silgel ist vorzugsweise als Silikonkautschuk ausgebildet, welches nach dem Aushärten zu einem Silikongel wird.
  • Nachfolgend sind die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
    • 1 einen Stufentransformator mit einem Lastumschalter;
    • 2a einen erfindungsgemäßen Lastumschalter;
    • 2b eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Lastumschalters;
    • 3 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Lastumschalters.
  • 1 zeigt einen Laststufenschalter 1 mit einem Lastumschalter 2 und einem Wähler 3, die in einem Stufentransformator 6 angeordnet sind. Weiterhin weist der Laststufenschalter 1 einen Motorantrieb 4 und eine Steuerung 5 auf. Die Steuerung 5 ist im Gegensatz zu den anderen Teilen außerhalb des Transformatorgehäuses 6.1 angeordnet. Der Stufentransformator 6 ist dabei mit einem Isoliermittel 7, wie z.B. einem Isolieröl, gefüllt, welches diejenigen Teile des Laststufenschalters 1 umgibt, die innerhalb des Transformators 6 angeordnet sind. Beim Betätigen des Laststufenschalters 1 wählt der Wähler 3 mit seinen Wählerkontakten eine zu beschaltende Wicklungsanzapfung des Stufentransformators 6 vor. Der Lastumschalter 2 führt die eigentliche Umschaltung unter Last durch, bei der von einer aktuellen Wicklungsanzapfung auf die vorgewählte Wicklungsanzapfung umgeschaltet wird. Die Steuerung 5 steuert die gesamte Umschaltung derart, dass diese auf den Motorantrieb 4 und damit den Wähler 3 wirkt. Weiterhin wirkt die Steuerung 5 auf den Lastumschalter 2 und dessen Elemente 32, die für die Durchführung einer Lastumschaltung notwendig sind.
  • 2a, 2b und 3 zeigen, dass der Lastumschalter 2 ein Gehäuse 21 aufweist, welches kesselförmig ausgestaltet ist. Auf einer ersten Seite 22 des kesselförmigen Gehäuses 21 ist ein erster Bereich 23 ausgebildet, in dem ein Träger 24 angeordnet ist. Der Träger 24 ist vorzugsweise als Platine ausgebildet. Der erste Bereich 23 weist einen Boden 25 und eine kreisförmige, den Boden 25 umlaufende Wand 26 auf. Der Träger 24 ist dabei vorzugsweise vollständig vom ersten Bereich 23 umschlossen bzw. der Träger 24 ist vorzugsweise vollständig, jedoch mindestens teilweise innerhalb des ersten Bereichs verortet. Der Träger 24 ist an definierten Punkten mechanisch im Gehäuse 21 fixiert. Weiterhin ist der Träger 24 im ersten Bereich 23 mittels eines Gießharzes 30 oder eines Silgels 31 vergossen bzw. eingegossen. Das Gießharz 30 kann als ein Epoxidharz oder ein Polyurethangießharz ausgebildet sein. Das Polyurethanharz besteht vorzugsweise aus einem Triisocyanat-Diisocyanat-Gemisch und einem Triol-Diol-Gemisch. Das Gießharz 30 kann außerdem als ein Epoxidharz ausgestaltet, welches ein Kunstharz mit einer Epoxidgruppe ist.
  • Auf dem oder an dem Träger 24 sind unterschiedliche Elemente 32 des Lastumschalters 2 angeordnet. Der Lastumschalter 2 ist ein Schaltgerät, das mit einem Wähler 3 verwendet wird, um Ströme in Zweigen ein- und auszuschalten, die bereits durch den Wähler 3 vorgewählt wurden. Mit anderen Worten ist ein Lastumschalter 2 der Teil eines Laststufenschalters 1, der die eigentliche Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung auf eine benachbarte Wicklungsanzapfung unter Last durchführt. Während dessen ruht der Wähler 3 derart, dass dessen Wählerarme bzw. Wählerkontakte keine Bewegung durchführen.
  • Unter anderem befinden sich auf oder an dem Träger 24 die Elemente 32, die die Lastumschaltung durchführenden bzw. für diese notwendig oder erforderlich sind. Diese Elemente 32 sind z.B. mehrere Halbleiterschaltelemente (IGBTs, TRIAC), Varistoren, Widerstände, Kondensatoren, MOSFETs, Steuereinheiten, Übertrager, Gleichrichter, Stromsensoren und Controller.
  • Weiterhin befinden sich auf oder an dem Träger 24 mindestens eine optische Kommunikationsschnittstelle 40 sowie elektrische Kontakte 41, die als Flachstecker ausgebildet sind. Die optische Kommunikationsschnittstelle 40 und die elektrischen Kontakte 41 sind ebenfalls zumindest teilweise eingegossen bzw. vergossen. Diese können an das Gehäuse 21 unmittelbar angrenzen oder durch dieses hindurch verlaufen. Über die Kommunikationsschnittstelle 40 wird der Lastumschalter 2 mit der Steuerung 5 verbunden. Über die Kontakte 41 ist der Lastumschalter 2 elektrisch leitend mit dem Wähler 3 und dessen Wählerkontakten verbunden. Der Träger 24 weist weiterhin Aussparungen 42 auf, durch die Luft beim Vergießen entweichen kann. Dadurch wird verhindert, dass beim Vergießen zwischen dem Träger 24 und dem Gehäuse 21 Lufteinschlüsse entstehen.
  • Der im kesselförmigen Gehäuse 21 angeordnete Träger 24 liegt zumindest teilweise auf dem Boden 25 des ersten Bereichs 23 auf. Weiterhin können auf dem Boden 25 mehrere Stege 27 angeordnet sein, durch die der Träger 24 zum Boden 25 beabstandet fixiert werden kann. Der Boden 25 weist weiterhin mehrere Erhebungen 28 und Vertiefungen auf, die ebenfalls zum Stützen und Fixieren des Trägers 24 dienen können. Dabei kann der Träger 24 auf den Erhebungen 28 und bzw. Vertiefungen aufliegen. Beim Vergießen sind der Träger 24 und die Elemente 32 vorzugsweise unterhalb der äußeren Wandkante 29 angeordnet, sodass diese im eingebauten Zustand vorzugsweise vollständig vom Gießharz 30 umschlossen bzw. in diesem eingebettet sind.
  • Der Träger 24 und die Elemente 32 auf oder an dem Träger 24 sind vorzugsweise vollständig eingegossen bzw. vom Gießharz 30 oder Silgel 31 umschlossen. Das im Isolieröl 7 des Transformators 6 angeordnete Gehäuse 21 und damit der Träger 24 und die Elemente 32 sind so durch das Vergießen vor chemischen Reaktionen mit dem Isolieröl 7 geschützt. Ein weiterer Vorteil des Vergießens ist, dass mögliche Verschmutzungen im Öl die Isolierstecken nicht mehr verkürzen und es damit nicht mehr zu einer Schwächung der Isolierstecken kommt. Die optische Kommunikationsschnittstelle 40 sowie die elektrischen Kontakte 41 sind vorzugsweise an den Schnittstellen zur Steuerung 5 bzw. zum Wähler 3 nur insoweit vergossen, dass eine Kontaktierung dieser Teile stets möglich ist.
  • Das Verfahren zur Herstellung bzw. Montage des Lastumschalters 2 sieht wie folgt aus. In einem ersten Schritt wird der Träger 24 mit den Elementen 32 zum Durchführen einer Lastumschaltung in einem ersten Bereich 23 des Gehäuses 21 platziert bzw. angeordnet. Hier kann der Träger 24 entweder auf den Boden 25 des Gehäuses 21, auf mindestens eine Erhöhung 28 oder mindestens einen Steg 27 platziert werden. Durch Verschrauben oder einen Formschluss mit einem Steg 27 oder dem Gehäuse 21, kann der Träger im Gehäuse 21 gesichert bzw. fixiert und ausgerichtet werden. Im nächsten Schritt wird der Träger 24 samt den Elementen 32 vorzugsweise vollständig vergossen. Dies erfolgt durch Eingießen eines Gießharzes 30 oder eines Silgels 31. Nach dem Vergießen wird der Lastumschalter 2 in einem Aushärteofen unter vordefinierten Parametern getrocknet. Hierbei müssen eine vorgegebene Zeit, Temperatur sowie Luftfeuchtigkeit eingehalten werden. Beim Trockenen des Gießharzes 30 bzw. das Silgels 31 entsteht dann einerseits eine Verbindung zwischen dem Träger 24 und dem Gehäuse 21 und andererseits ist der Träger 24 vor dem Isolieröl 7 geschützt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laststufenschalter
    2
    Lastumschalter
    3
    Wähler
    4
    Motorantrieb
    5
    Steuerung
    6
    Stufentransformator
    6.1
    Transformatorgehäuse
    7
    Isolieröl
    21
    Gehäuse
    22
    erste Seite von 21
    23
    erster Bereich von 21
    24
    Träger
    25
    Boden
    26
    Wand
    27
    Stege
    28
    Erhebungen
    29
    Wandkante
    30
    Gießharz
    31
    Silgel
    32
    Elemente
    40
    Kommunikationsschnittstelle
    41
    elektrische Kontakte
    42
    Aussparung

Claims (7)

  1. Lastumschalter (2) für einen Laststufenschalter (1), umfassend: - ein Gehäuse (21); - einen Träger (24) mit Elementen (32) zum Durchführen einer Lastumschaltung; wobei - der Träger (24) und die Elemente (32) in das Gehäuse (21) zumindest teilweise eingegossen sind; - auf dem Träger (24) eine optische Kommunikationsschnittstelle (40) sowie elektrische Kontakte (41) angeordnet sind, die zumindest teilweise eingegossen oder vergossen sind.
  2. Lastumschalter (2) nach Anspruch 1, wobei - das Gehäuse (21) kessel- oder becherförmig ausgestaltet ist; - das Gehäuse (21) einen ersten Bereich (23) aufweist; - der Träger (24) zumindest teilweise im ersten Bereich (23) angeordnet ist.
  3. Lastumschalter (2) nach Anspruch 1 bis 2, wobei - der Träger (24) als Platine ausgestaltet ist.
  4. Lastumschalter (2) nach Anspruch 1 bis 3, wobei - der Träger (24) und die Elemente (32) mit einem Gießharz (30) oder einem Silgel (31) im Gehäuse (21) zumindest teilweise oder vollständig eingegossen oder vergossen sind.
  5. Lastumschalter (2) nach Anspruch 1 bis 4, wobei - die Elemente (32) zum Durchführen einer Lastumschaltung mindestens ein Halbleiterschaltelement und/oder einen Varistor und/oder einen Controller umfassen.
  6. Lastumschalter (2) nach Anspruch 1 bis 5, wobei - der Lastumschalter (2) über die optische Kommunikationsschnittstelle (40) mit einer Steuerung (5) und über die elektrischen Kontakte (41) mit einem Wähler (3) verbunden ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Lastumschalters (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: - in einem ersten Schritt der Träger (24) mit Elementen (32) zum Durchführen einer Lastumschaltung in einem ersten Bereich (23) des Gehäuses (21) angeordnet wird; - in einem zweiten Schritt der Träger (24) mit den Elementen (32) mindestens teilweise im ersten Bereich (23) vergossen und damit mit dem Gehäuse (21) verbunden wird; - in einem dritten Schritt das Gehäuse (21) mit dem vergossenen Träger (24) und den Elementen (32) getrocknet wird.
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