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Anordnung zur unterbrechungslosen Lastumschaltung bei Stufentransformatoren
# Die unterbrechungslose Lastumschaltung bei Stufentransformatoren von einer Anzapfung
auf die nächstfolgende wird heute meist mit Stufenwählern und Lastumschaltem unter
Verwendung von Überschaltwiderständen und Drosseln ausgeführt. Zur Vermeidung des
Abbrandes und der komplizierten Mechanik bei den Lastschaltern ist auch schon bekannt,
Gasentladungsröhren oder Transduktoten, als Schalthilfen zu benutzen.
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Die Gasentladungsröhren wurden dabei ohne prinzipelle Änderung des
Schaltverfahrens an die Stelle der mechanischen Kontakte gesetzt, so daß die üblichen
Überschaltwiderstände oder Drosseln beibehalten werden mußten. Bekanntlich hat bei
diesem Verfahren die an den Schaltgliedern auftretende Schaltleistung die mehrfache
Größe der Stufenleistung und bedingt damit einen hohen Aufwand an Schaltelementen.
Besonders kritisch ist das Schalten von überströmen, da diese an den überschaltimpedanzen
und damit auch an den Schaltgliedern hohe überspannungen hervorrufen.
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Bei den Lastumschaltern mit Transduktoren wurden stromsteuernde Transduktoren,
also Bauelemente mit Strombegrenzungscharakteristik eingesetzt. Da in diesen Bauelementen
die Überschaltimpedanz praktisch enthalten ist, kann auf zusätzliche Impedanzen
verzichtet werden. Der Transduktorschalter ist schwer, teuer, und der Raumbedarf
ist groß. Der Steuerungsaufwand ist hoch, da nur Transduktoren mit erheblichen Steuerstromstärken
verwendet werden können. Der Schaltvorgang ist technisch nicht vollkommen, da von
den Wählerkontakten oder zusätzlichen Hilfskontakten erhebliche rush-Ströme ein-
und schwierig zu schaltende Magnetisierungsströme ausgeschaltet werden müssen.
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Es ist auch bereits bekannt, die Lastumschaltung ohne überschaltimpedanzen
mit synchron arbeitenden Kontakten durchzuführen. Die Steuerung erfolgt dabei derart,
daß kurz vor dem Nulldurchgang der Stufänspannung dieUmschaltung durchüberbrücken
der beiden umzuschaltenden Transförmatoranzapfungen durch den beweglichen Lastumschalterkontakt
eingeleitet und innerhalb eines Bruchteils einer Halbwelle beendet wird. Infolge
der stets wechselnden Phasenverschiebung zwischen der Stufenspannung, die zur Synchronsteuei
ung de§ Lastumschalters verwendet wird, und dem Kurzschlußstrom zwischen den Transformatoranzapfungen,
dem der Laststrom teilweise überlagert ist, findet die Kontakttrennung nicht oder
nur unvollkommen im Stromnulldurchgang statt, so daß Lichtbögen an den Kontakten
auftreten, die einen merklichen Abbrand und demzufolge eine begrenzte Lebensdauer
der Kontakte bewirken. Eine genaue Synchronsteuerung auf den jeweiligen Nulldurchgang
des Kurzschlußstromes ist mit einfachen Mitteln schon deshalb nicht möglich, da
dieser Kurzschlußstrom nur sehr kurzzeitig auftritt und für die Synchronsteuerung
nicht rechtzeitig genug meßbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine neue Umschaltmethode mit
neuen Bauelementen die Nachteile der obenerwähnten Verfahren zu beseitigen.
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Bei einer Anordnung zur unterbrechungslosen Lastumschaltung bei Stufentransformatoren,
wobei in den beiden Hauptstromverbindungsleitungen zwischen den zwei beweglichen
Stufenkontakten zweier Wählerarme und der abgehenden Laststromleitung
je
ein steuerbares Schaltelement ohne überschaltmittel, wie Widerstände und/oder
Drosseln, eingeschaltet ist, erreicht man dies erfindungsgemäß dadurch, daß als
Schaltelemente lichtbogenfrei schaltende, in der Weise steuerbare Halbleitergleichrichtergeräte
dienen, daß zur Lastumschaltung das zunächst stromführende Gerät im natürlichen
Nulldurchgang des Laststromes gesperrt und das andere Gerät innerhalb weniger Mikrosekunden
danach zur Stromübernahme gezündet wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt die Abschaltung des zu
unterbrechenden Stromes auf Grund des charakteristischen Verhaltens der Halbleitergleichrichter
in höchst einfacher und sicherer Weise - im Gegensatz zum Synchronschalter
- genau im Stromnulldurchgang und zwar auch dann, wenn das Steuersignal zu
einem beliebigen Zeitpunkt fortgenornmen wird. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung
hat man andererseits formal die Anordnungsweise
des Transduktorschalters.
Da aber die steuerbaren Halbleitergleichrichter etwa die Spannungscharakteristik
einer Gasentladungsröhre oder eines mechanischen Kontaktes haben, kann die Umschaltmethode
des Transduktorschalters bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht übernommen werden.
Andererseits soll aber durch den Wegfall der bei den meisten Anordnungen üblichen
überschaltimpedanzen die zu schaltende Leistung möglichst gering, nämlich gleich
der Stufenleistung gehalten werden. Die dazu notwendige Umschaltmethode einschließlich
der einzusetzenden Bauelemente ist somit Gegenstand der Erfindung.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung an verschiedenen Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die F i g. 1 zeigt eine schematische Schaltskizze für die
Schaltanordnung. In der F i g. 2 sind zwei Ausführungsbeispiele für die Zusammenschaltung
der steuerbaren Gleichrichterelemente wiedergegeben. Die F i g. 3 zeigt eine
Schaltskizze für die Gesamtanordnung, bei der zusätzlich ein Umscbalter verwendet
ist.
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In F i g. 1 ist mit 1 ein Teil der Regelwicklung des
Stufentransformators angedeutet mit den beiden benachbart liegenden Anzapfungen
2 und 3. 11 und 12 sind die beiden beweglichen Stufenkontakte der Wähler,
die an den Anzapfungen der Regelwicklung 1
in üblicher Weise entlang schaltbar
sind. 21 und 22 sind zwei Geräte, die aus steuerbaren Halbleitergleichrichtern bestehen,
die bekanntermaßen die Eigenschaft haben, daß sie einen Strom durchlassen oder eine
Spannung sperren können. Die steuerbaren Gleichrichtergeräte 21 und 22 können verschiedenartig
aufgebaut sein, z. B. je zwei steuerbare Halbleitergleichrichter, wie in
F i g. 1 angedeutet, in der Schaltung nach F i g. 2 a verwendet werden,
nach der die beiden steuerbaren Halbleitergleichrichter 210
und 210' in für
sich bekannter Weise antiparallel geschaltet sind. Statt dessen ist es auch in ebenfalls
für sich bekannter Weise möglich, als steuerbares Gleichrichtergerät eine Anordnung
zu benutzen, bei der nur ein steuerbarer Halbleitergleichrichter 220 vorhanden ist,
der in die Brückendiagonale eines normalen Gleichrichters in Graetzschaltung 221
geschaltet ist. Als gesteuerte und ungesteuerte Gleichrichter sind solche mit einzelnen
Zellen verwendbar, es können aber je nach der erforderlichen Auslegung auch
mehrere Zellen in Reihe oder parallel geschaltet werden.
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Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung wirkt folgendermaßen:
Wird davon ausgegangen, daß das Gleichrichtergerät 21 geöffnet und das Gleichrichtergerät
22 geschlossen ist, dann führt in diesem Schaltzustand der Wähler 11 den
Laststrom f, während der Wähler 12 stromlos ist und am Gleichrichtergerät 22 die
Stufenspannung anliegt. Wird nimmehr umgeschaltet, dinn wird innerhalb einer Halbwelle
des Stromes J
die Erregung des Halbleitergerätes 21 abgeschaltet. Entsprechend
der Wirkungsweise der gesteuerten Halbleitergleichrichter fließt nun der Strom
J noch bis zum nächsten Nulldurchgang. In diesem Augenblick löscht das Gerät
21, und so schnell wie möglich nach diesem Löschzeitpunkt wird das Gerät 22 ge#
zündet. Damit übernimmt dieses den Strom, während das Gerät 21 die Stufenspannung
übernimmt. Die hierzu notwendige Steuerungseinrichtung ist unschwer beispielsweise
mit Hilfe von Transistoren ausführbar. Der jeweils stromlose Wähler kann
bei der beschriebenen Anordnung lichtbogenfrei auf die nächste Wicklungsanzapfung
übergeschaltet werden. Während bei den meisten üblichen Anordnungen zur Lastumschaltung
eine überschaltimpedanz verwendet wird und die Größe der Schaltleistung dadurch
ein Mehrfaches der Stufenleistung beträgt, wird in vorliegendem Fall auf überschaltwiderstände
oder Drosseln verzichtet. Es fließt kein Ausgleichsstrom, und die wiederkehrende
Spannung ist praktisch gleich der Stufenspannung, so daß die Schaltleistung nun
das theoretische Minimum, nämlich die Größe der Stufenleistung erreicht.
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Um ein hohes Maß an Betriebssicherheit gegenüber Kurzschlüssen und
Überspannungen zu erhalten, empfiehlt es sich, die Gleichrichter nicht dauernd
im Hauptstromkreis oder an der Stufenspannung liegen zu lassen. Dieser Forderung
kann mit Hilfe eines mechanisch einfachen Umschalters, der keine Leistung zu schalten
braucht und daher keinen Abbrand hat, entsprochen werden. Eine Schaltanordnung hierfür
zeigt die F i g. 3. In dieser sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen wie in F i g. 1. 30 ist ein Umschalter mit vier festen Kontakten
31 bis 34, von denen der Kontakt 31 mit dem beweglichen Wählerkontakt
11 und der Kontakt 34 mit dem Wählerkontakt 12 unmittelbar verbunden sind.
Der feste Umschalterkontakt 32 ist mit dem Gleichrichtergefät 21 verbunden,
das seinerseits wieder an den beweglichen Wählerkontakt 11 an-, geschlossen
ist. In sinngemäßer Weise ist der feste Umschalterkontakt 33 mit dem Gleichrichtergerät
22 verbunden, das seinerseits an den beweglichen Wählerkontakt 12 angeschlossen
ist. Der bewegliche Umschalterkontakt Y, der in der eingezeichneten Pfeilrichtung
P bewegbar ist, wird während des Umschaltvorganges über die vier festen Kontakte
31
bis 34 geführt.
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Ausgehend von der in der Zeichnung wiedergegebenen Stellung kann der
Kontakt 3' auf den Kontakt 32 auflaufen und von dem Kontakt
31 ohne Lichtbogenbildung ablaufen, wenn das Gerät 21 geöffnet ist und damit
der Strom über den Kontakt 32
fließt. Die geringe Durchlaßspannung der Halbleitergleichrichter
ermöglicht das lichtbogenfreie Schalten. Wenn dann bei der Weiterschaltung der bewegliche
Kontakt 3' die festen Kontakte 32 und 33 miteinander verbindet,
beginnt der bereits bei der Schaltanordnung nach F i g. 1 beschriebene Umsteuervorgang.
Sobald das Gerät 21 geschlossen und das Gerät 22 geöffnet ist, kann der bewegliche,
Umschalterkontakt 3' vom Kontakt 32 und 33 ablaufen und auf
den Kontakt 34 auflaufen. Dadurch ist die Umschaltung abgeschlossen.