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Anordnung zur Lastumschaltung bei Stufentransformatoren Zur unterbrechungslosen
Lastumschaltung bei Stufentransformatoren von einer Anzapfung auf die nächstfolgenden
benutzte man bisher in der Regel Stufenwähler mit Lastumschalter, insbesondere sprunghaft
betätigte Lastumschalter, die im allgemeinen mit überschaltwiderständen ausgerüstet
waren. Nachteilig hierbei war der dabei unvermeidlich auftretende Kontaktabbrand
und die damit von Zeit zu Zeit notwendig werdende Kontaktauswechslung. Man hat zwar
schon mittels Transduktoren als Schaltelemente versucht, eine lichtbogenarme bzw.
lichtbogenfreie unterbrechungslose Lastumschaltung zu erzielen. Da aber der Magnetisierungsstrom
der Transduktordrosseln zu- und abgeschaltet werden muß, konnte damit nur eine lichtbogenarme
Lastumschaltung erreicht werden. Wegen des hohen Aufwandes bei diesen bekannten
Schaltungen war ihr wirtschaftlicher Einsatz nicht gegeben und beschränkte sich,
obwohl die Transduktoranordnungen den Vorteil haben, daß sie die kontinuierliche
Einstellung von Spannungswerten, die zwischen den Werten von zwei gerade angeschlossenen
Wicklungsanzapfürigen liegen, ermöglichen, auf wenige Fälle. Daneben sind noch lichtbogenfrei
arbeitende Schaltanordnungen mit steuerbaren elektrischen Ventilen bekannt, bei
denen diese Ventile aber nur als Ersatz für mechanische Kontakte dienen und demgemäß
in dem üblichen Schaltverfahren mit überschaltwiderstand oder überschaltdrossel
für eine wesentlich höhere Schaltleistung als die umzuschaltende Stufenleistung
ausgelegt werden müssen. Demgegenüber ist es mit den gleichfalls bereits vorgeschlagenen
Schaltanordnungen, die mit gesteuerten Halbleitergleichrichtern arbeiten, möglich,
eine lichtbogenfreie Lastumschaltung ohne die üblichen überschaltmittel zu erreichen,
wobei aber hier bisher eine kontinuierliche Spannungseinstellung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen
des Transformators nicht gegeben war.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltanordnung anzugeben, die
mit gesteuerten Halbleitergleichrichtern ohne überschaltwiderstände oder Drosseln
arbeitet und die hinsichtlich ihrer kontinuierlichen Lastumschaltung von einer Wicklungsanzapfung
zur benachbarten eine ähnliche Wirkung hat wie die mit Transduktoren arbeitende
Schaltanordnung, jedoch deren; Nachteile vermeidet. Gegenüber den erwähnten bekannten
Anordnungen ist sie also gewichtsmäßig leichter, raumsparender und außerdem auch
noch verhältnismäßig billig. Diese Eigenschaften sind beim Einbau auf elektrischen
Lokomotiven, wo immer sehr enge Gewichts- und Raumbegrenzungen vorliegen und der
Effekt der kontinuierlichen Spannungseinstellung wünschenswert ist, meist von ausschlaggebender
Bedeutung. Daneben ermöglicht die besondere Anordnung der steuerbaren Halbleitergleichrichter
eine Steuerung ohne hohe Genauigkeitsanforderungen. Damit kann die Anordnung robust
und absolut wartungsfrei ausgeführt werden.
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Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, die Schaltanordnung durch den
Verzicht auf überschaltwiderstände oder -Drosseln kurzschlußfest zu gestalten, da
im Kurzschlußfall keine Überspannungen, sondern nur überströme auftreten.
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Bei Anordnungen zur Lastumschaltung bei Stufentransformatoren mit
zweiarmigem Wähler und Halbleitergleichrichtern sind, um dieses Ziel zu erreichen,
gemäß der Erfindung vier Halbleitergleichrichter in Graetzschaltung zusammengeschaltet,
deren zwei Wechselspannungspunkte bei Verwendung von steuerbaren Gleichrichtern
direkt, bei Verwendung von nicht steuerbaren Gleichrichtern dagegen über antiparallelgeschaltete
steuerbare Gleichrichter mit je einem Wählerarm verbunden sind, und ist die abgehende
Lastleitung über zwei weitere steuerbare Halbleitergleichrichter mit den beiden
Gleichspannungspunkten der Brücke verbunden.
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Durch Veränderung des Zündwinkels der Gleichrichter kann die kontinuierliche
Einstellung der Spannungen zwischen zwei Wicklungsanzapfungen erreicht werden.
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An Hand der in den F i g. I und 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung näher erläutert.
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F i g. I zeigt eine schematische Schaltanordnungsskizze, während Fi
g. 2 eine Schaltanordnung wiedergibt, bei der noch Hilfsschalter vorgesehen sind.
In
F i g. 1 ist mit 1 ein Teil der Stufenwicklung des Transformators angedeutet. 2
und 3 sind zwei einander benachbart liegende Anzapfungen dieser Wicklung. 11 und
12 bezeichnen die beiden beweglichen, in üblicher Weise an den Wicklungsanzapfungen
der Regelwicklung 1 entlang schaltbaren Stufenkontakte. Mit G ist eine in Graetzschaltung
aufgebaute Brücke bezeichnet, die aus den steuerbaren Halbleitergleichrichtern 411,
412, 421 und 422 aufgebaut ist. In der Gleichstromdiagonale dieser Brücke liegen
die beiden in Reihe geschalteten gesteuerten Halbleitergleichrichter 431 und 432.
Ihr Verbindungspunkt V ist mit der abgehenden Lastleitung L
verbunden.
Die beiden wechselspannungsseitigen Punkte P1 und P2 der Brücke G sind je mit einem
der beweglichen Stufenkontakte 11 bzw. 12 des Wählers verbunden. Die
im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 oder F i g. 2 dargestellten gesteuerten Gleichrichter,
deren Wirkung bekanntlich ähnlich der einer gittergesteuerten Gasentladungsröhre
ist, brauchen nicht unbedingt aus Einzelzellen zu bestehen. Sie können vielmehr
in an sich bekannter Weise je nach dem Verwendungsfall, d. h. entsprechend den vorkommenden
Spannungen und Strömen auch aus mehreren parallelen und/oder reihengeschalteten
Zellen bestehen. Wichtig ist, daß jeder der zum Brückenaufbau verwendeten Gleichrichter
so ausgelegt ist, daß er mindestens die höchste auftretende Stufenspannung sperren
kann.
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Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung wirkt folgendermaßen: In der
Grundstellung sind die Gleichrichter 421, 422, 431, 432 erregt, während demgegenüber
die Gleichrichter 411 und 412 nicht erregt und damit gesperrt sind. Die positiven
Halbwellen des Laststroms i fließen somit über den Stufenwählerkontakt 11, die Gleichrichter
421 und 431 zur Lastleitung L. Die negativen Halbwellen dagegen fließen von der
Lastleitung L über die Gleichrichter 432 und 422 zum Stufenwählerkontakt
11.
Die Stufenspannung wird von den Gleichrichtern 411 und
412 aufgenommen. Ein Ausgleichsstrom, abgesehen von Sperrströmen in Höhe
von wenigen mA, kann also nicht fließen.
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Soll nun der Laststrom i vom Stufenwählerkontakt 11 auf den
Stufenwählerkontakt 12 umgeschaltet werden, dann wird zunächst der Erregerstrom
der Gleichrichter 431 und 432 auf Null gebracht. Damit können diese nunmehr Spannungen
bis zur Höhe der Stufenspannung sperren. Der Laststrom wird hierbei nicht unterbrochen,
da die gesamte Transformatorspannung nach jedem Stromnulldurchgang ein Durchzünden
der Gleichrichter 431 oder 432 bewirkt. Es erscheint diese Spannung immer an dem
Gleichrichter in Durchlaßrichtung, der die nächste Stromhalbwelle führen muß. Am
anderen Gleichrichter tritt sie in Sperrichtung auf. Es wird also in diesem Augenblick
durch überschreiten der Kippspannung immer nur der Gleichrichter zünden, der für
die Stromführung notwendig ist. Werden nun die Gleichrichter 411 und 412 geöffnet,
dann stellt sich folgende Stromverteilung ein: Die positiven Halbwellen des Laststroms
übernehmen die Gleichrichter 421 und 411, und zwar der Gleichrichter
411, solange die Stufenspannung vom Wählerkontakt 12 nach Wählerkontakt 11
gerichtet ist, und der Gleichrichter 421 dann, wenn die Spannung die umgekehrte
Richtung hat. Entsprechend übernehmen die Gleichrichter 422 und
412 die negativen Halbwellen des Laststroms, und zwar 412, solange
die Stufenspannung vom Wählerkontakt 11 nach Wählerkontakt 12 gerichtet ist,
während der Gleichrichter 422 dies tut, wenn die Spannungsrichtung umgekehrt ist.
Es fließt somit nur der Laststrom, aber kein Ausgleichsstrom. Bei jedem Stromnulldurchgang
müssen die Gleichrichter 431 und 432, die gesperrt sind, durch die Transformatorspannung
neu gezündet werden, doch sollen und können, wie oben erläutert, niemals diese beiden
Zellen gleichzeitig zünden. Ein Stufenkurzschluß ist also ausgeschlossen.
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Durch das Sperren der Gleichrichter 421 und 422
und das
daran anschließende Erregen der Zellen 431 und 432 ist der Schaltvorgang zu Ende
geführt, und der Laststrom fließt nunmehr über den beweglichen Stufenwählerkontakt
12, wobei die positiven Halbwellen über die Gleichrichter 411 und 431 zur Lastleitung
L und die negativen Halbwellen von der Lastleitung über die Gleichrichter
432 und 412 zum Wählerkontakt fließen. Wie gezeigt wurde, ist ein
Arbeiten bei der angegebenen Schaltanordnung in Zwischenstellung möglich, in der
beide Brückenseiten geöffnet sind.
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Wenn man die Erregung der beiden Brückenseiten nicht einfach zu- oder
abschaltet, sondern den Stromflußwinkel von 0 bis 180° kontinuierlich durchsteuert,
ist eine ebenso kontinuierliche Spannungseinstellung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen
möglich. Steuerungen dieser Art sind als sogenannte Horizontal- und Vertikalsteuerungen
bei Gasentladungsröhren allgemein bekannt, so daß sie hier nicht näher erörtert
zu werden brauchen. Derartige Einrichtungen gestatten einen robusten störungssicheren
Aufbau. Es ist auch möglich, die ganze Brücke, d. h. die Gleichrichter
411, 412, 421
und 422, aus normalen Dioden aufzubauen, während steuerbare
Halbleitergleichrichter in Antiparallelschaltung in die zu den beiden beweglichen
Stufenwählerkontakten 11 und 12 führenden Leitungen eingebaut sind.
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Für manche Zwecke kann es vorteilhaft sein, wenn die Gleichrichter
nur während einer Umschaltung im Laststromkreis belassen werden. Diese Maßnahme
ist bei entsprechenden Transduktorschaltungen bereits bekannt. Infolge der niedrigen
Durchlaßspannung der verwendeten Gleichrichter können diese durch Hilfsschalter
lichtbogenfrei überbrückt und abgeschaltet werden. Eine der vielen möglichen Ausführungsformen
zeigt die F i g. 2. Dabei sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen
wie in F i g. 1. Parallel zu den beiden Zweigen der Graetzbrücke G, die in gleicher
Weise wie bei F i g. 1 beschrieben aufgebaut ist, ist je ein Hilfsschalter 6 bzw.
7 angeordnet, und ein Schalter 5 stellt die Verbindung der beiden Brückenzweige
mit den beweglichen Stufenwählerkontakten 11 und 12 her. Soll die Lastumschaltung
von dem zunächst den Laststrom führenden Stufenwählerkontakt 11 auf den Stufenwählerkontakt
12 vorgenommen werden, dann ist zunächst der Hilfsschalter 6 geschlossen. Dadurch
übernimmt dieser den Laststrom, der somit vom Stufenwähler 11 über den Hilfsschalter
6 unmittelbar zur Lastleitung L fließt. Hierauf wird der Schalter 5 in seine
Schließstellung gebracht, wobei er die Kontakte 51 und 52 sowie 53 und 54 überbrückt.
Wird hierauf die linke Seite der Brücke G geöffnet, dann kann der Hilfsschalter
6 mit seinen Kontakten 61 und 62 lichtbogenfrei geöffnet werden,
da
nunmehr die Brücke G den Laststrom, wie bei F i g. 1 beschrieben, übernimmt. Die
weitere Lastumschaltung geschieht gleichfalls wie bei F i g. 1 beschrieben. Ist
die Lastumschaltung zu Ende geführt, dann wird der Hilfsschalter 7 mit seinen Kontakten
63 und 64 geschlossen, während der Schalter 5 geöffnet wird. Dadurch fließt nunmehr
der Laststrom vom Stufenwählerkontakt 12 über den Hilfsschalter 7 zur Lastleitung
L. Die Brücke G ist also nur während der eigentlichen Umschaltung in Betrieb. Infolge
dieser kurzzeitigen Einschaltzeit können die verwendeten Gleichrichter stark überlastet
werden bzw. kann bei einer geeigneten Auslegung die Anordnung absolut kurzschlußfest
gemacht werden. Wenn man auf eine kontinuierliche Spannungseinstellung verzichtet,
sind mit Vorteil die bisher üblichen sprunghaft betätigten Lastschalter als Hilfsschalter
verwendbar.