DE202011110140U1 - Schaltelement und Laststufenschalter mit einem solchen Schaltelement - Google Patents
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Abstract
Schaltelement (1), wobei ein erstes festes, aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken (4.1 und 4.2) gebildetes, Kontaktpaar (4) vorgesehen ist, wobei ein in Bezug auf eine Achse (2) um 90 Grad verdreht zu dem ersten Kontaktpaar (4) angeordnetes zweites festes Kontaktpaar (5) vorgesehen ist, das ebenfalls aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken (5.1 und 5.2) gebildet ist, die Achse (2) verschwenkbares, elektrisch leitendes Kontaktstück (3) vorgesehen ist, das in seinen jeweiligen stationären Stellungen eine brückend elektrisch leitende Verbindung zwischen den entsprechenden Kontaktstücken (4.1 und 4.2 bzw. 5.1 und 5.2) der alternativ beschaltbaren festen Kontaktpaare (4, 5) bildet, wobei im Bereich der sich gegenüberliegend zugewandten Stirnseiten der beiden Kontaktstücke (4.1 und 4.2) des ersten festen Kontaktpaares (4) eine mit einer Spannungsversorgungseinrichtung verbindbare elektrische Spule (6) vorgesehen ist, deren unterer Spulenabschnitt (6.1) mit dem einen Ende des beweglichen Kontaktstückes (3) in Wirkverbindung steht,...
Description
- Die vorliegende Neuerung betrifft ein Schaltelement. Weiterhin betrifft die vorliegende Neuerung einen Laststufenschalter mit einem solchen Schaltelement zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators.
- Stufenschalter dienen bekanntermaßen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators und damit zur Spannungsregelung. Sie bestehen üblicherweise aus einem Wähler zur leistungslosen Vorwahl derjenigen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll sowie einem Lastumschalter zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherig beschalteten Wicklungsanzapfung auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung. Der Lastumschalter besitzt dazu die für eine solche unterbrechungslose, schnelle Umschaltung erforderlichen Bauteile, insbesondere einen Energiespeicher, Schaltkontakte – dies können mechanische Schaltkontakte, Vakuumschaltröhren oder auch Thyristoren sein – sowie Mittel zur Betätigung der Schaltkontakte in einer vorgegebenen Schaltsequenz bei jedem Umschaltvorgang.
- Die Verwendung von Vakuumschaltröhren zur Lastumschaltung ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Es existieren zahlreiche auf dem Markt kommerziell erhältliche Produkte mit unterschiedlichen Schaltungen mit 2, 3, 4 oder auch mehr schaltenden Vakuumschaltröhren pro Phase. Eine typische Schaltung, hier mit 3 Vakuumschaltröhren pro Phase, zeigt die
DE 10 2007 004 530 A1 . - In der
DE 42 31 353 A1 erfolgt die Betätigung der einzelnen Vakuumschaltröhren durch eine in beiden Richtungen drehbare Schaltwelle, die nach Auslösung des Kraftspeichers schnell gedreht wird. Dabei ist zur Betätigung der Vakuumschaltröhren auf der Schaltwelle eine Kurvenscheibe fest angeordnet, die an ihrer Stirnseite für jede Vakuumschaltröhre eine Steuerkurve aufweist, in der formschlüssig eine Rolle zwangsgeführt ist, die auf den Betätigungshebel der zugeordneten Vakuumschaltröhre einwirkt. Die Steuerkurve wird hier in Form einer horizontal von der Kreiskontur abweichenden umlaufenden Nut realisiert, in die formschlüssig die jeweilige Rolle eingreift. - Die Ansteuerung der jeweiligen Vakuumschaltröhre oder auch der mechanischen Schaltelemente erfolgt damit mechanisch mittels der Steuerkurve und unter Zuhilfenahme von verschiedenen Betätigungshebeln und die Steuerkurve entlang wälzenden Rollen, so dass letzten Endes ein Öffnen oder Schließen der Vakuumröhren oder der mechanischen Schaltelemente bewirkt wird. Der Bewegungsabgriff für alle Schaltelemente erfolgt dabei von der sich schnell drehenden Abtriebswelle des während des langsamen Wählervorgangs aufgezogenen, d. h. mittels einer Feder gespannten, Kraftspeichers. Für jedes Schaltelement muss eine separate Kurvenscheibe mit einer für die jeweilige Schaltsequenz angepassten Steuerkurve, die für jede einzelne Betätigung des entsprechenden Schaltelementes eine Erhöhung, bzw. Vertiefung aufweist, vorgesehen sein, die mit der Abtriebswelle des Kraftspeichers in Wirkverbindung steht. Wenn die zu Grunde liegende Schaltsequenz ein mehrfaches Öffnen und Schließen des jeweiligen Schaltelementes für eine Umschaltung von der Stufe n auf die Stufe n + 1 erforderlich macht, wird der Kreissektor der Kurvenscheibe für das einzelne Betätigungsmittel während einer Umschaltung immer kleiner, da sich die maximal zur Verfügung stehenden 360 Grad nicht beliebig erweitern lassen. Insgesamt betrachtet ergibt sich aus dieser mechanischen Lösung ein relativ komplexes, aus einer Vielzahl von Einzelbauteilen bestehendes System, mittels dem in einem sehr kleinen zur Verfügung stehenden Zeitfenster von nur wenigen Millisekunden die eigentliche Lastumschaltung durch reibungsloses Ineinandergreifen der einzelnen Bauteile erfolgen muss.
- Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es daher, ein Schaltelement sowie einen Laststufenschalter mit einem solchen Schaltelement zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators anzugeben, der aus nur wenigen Einzelbauteilen besteht, damit weniger Bauraum einnimmt und zudem eine zuverlässige Umschaltung bei gleichzeitig deutlich verringerter Gesamtzeit für den jeweiligen Umschaltvorgang ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird durch ein Schaltelement mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruches sowie einem Laststufenschalter mit einem solchen Schaltelement zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators mit den Merkmalen des nebengeordneten 2 Schutzanspruches gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen dabei besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Neuerung.
- Dem neuerungsgemäße Laststufenschalter liegt die allgemeine Idee zu Grunde, die einzelnen Schaltelemente nicht mehr, wie nach dem Stand der Technik, mit einer einzigen Kurvenscheibe mit separaten Steuerkurven mechanisch anzusteuern bzw. zu betätigen, sondern einzelne Schaltelemente aus der Umschaltsequenz herauszulösen und mittels eines elektrodynamisch angetriebenen, schnellen Schaltelementes separat zu beschalten.
- Dem neuerungsgemäßen Schaltelement liegt die allgemeine Idee zu Grunde, ein um eine Achse rotatorisch gelagertes, bewegliches Kontaktstück in seinen jeweiligen Endlagen elektrisch brückend zwischen zwei festen, jeweils zusammengehörenden Kontaktpaaren verschwenkbar anzuordnen, derart, dass das bewegliche Kontaktstück sowohl mit dem Hauptstromzweig einer ersten beschalteten Wicklungsanzapfung n, als auch einer weiteren, zu beschaltenden, Wicklungsanzapfung n + 1 elektrisch verbindbar ist. Neben der sehr schnellen Schaltzeit von höchstens einigen 100 μs bietet das elektrodynamisch angetriebene Schaltelement den weiteren Vorteil, dass das zwischen den entsprechenden festen Kontaktpaaren brückend ausgebildete, bewegliche Kontaktstück bei jedem Umschaltvorgang eine doppelpolige Unterbrechung bewirkt, was die Schaltstreckenbelastung auf die einzelnen festen Schaltkontakte deutlich reduziert und zudem den jeweiligen, nicht beschalteten Hauptstromzweig vollständig galvanisch von der Lastableitung trennt. Der schnelle Umschaltvorgang mit Hilfe des elektrodynamisch angetriebenen Schaltelementes birgt den weiteren wesentlichen Vorteil, dass im Stromnulldurchgang des sinusförmig oszillierenden Wechselstroms geschaltet werden kann; der Umschaltvorgang findet damit quasi stromfrei statt, was unerwünschte Lichtbogenbildungen deutlich reduziert.
- Zwar ist es beispielsweise aus der
EP 1 180 776 schon grundsätzlich bekannt geworden, eine nach dem elektrodynamischen Schaltprinzip erzeugte Schaltstelle bereitzustellen, nur ist diese Schaltstelle als mechanischer Einschalter oder Ausschalter ausgebildet und ausdrücklich nicht für den neuerungsgemäß vorgesehenen technischen Einsatz in einem Laststufenschalter geeignet. - Die Neuerung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert werden.
- Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines neuerungsgemäßen Schaltelements für einen Laststufenschalters -
2 eine Ausführungsform eines Laststufenschalter mit einem neuerungsgemäßen Schaltelement. - In
1 ist ein neuerungsgemäßes Schaltelement1 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Mittig, um eine Achse2 drehbar, ist ein bewegliches, elektrisch leitendes Kontaktstück3 vorgesehen, das damit zwischen zwei Endlagen schwenkbar mittels der Achse2 gelagert ist. In der hier abgebildeten Darstellung der1 kontaktiert das bewegliche Kontaktstück3 in seiner stationären Stellung, d. h. Endlagen, ein erstes festes Kontaktpaar4 , bestehend aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken4.1 und4.2 . Durch den im Wesentlichen symmetrischen Aufbau des Schaltelements1 kontaktiert das bewegliche Kontaktstück3 im zweiten, hier nicht gezeigten, stationären Zustand durch einfaches Drehen um die Achse2 analog ein zweites festes Kontaktpaar5 , bestehend aus zwei im Wesentlichen ebenfalls gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken5.1 und5.2 . Um diese Drehbewegung auf das bewegliche Kontaktstück3 einzuleiten, stehen in dessen Randbereich, also auf den der Achse2 abgewandten Seiten, elektrische Spulen6 und7 mit dem beweglichen Kontaktstück3 in Wirkverbindung. Die Windungen der elektrischen Spulen6 und7 sind dabei in weiten Grenzen, je nach geometrischer Auslegung des Schaltelementes1 , zu wählen und ausdrücklich nicht auf die in1 gezeigte Anzahl von einer Windung begrenzt. - Zum Einleiten der Drehbewegung auf das bewegliche Kontaktstück
3 , d. h. einem Umschaltvorgang von dem ersten festen Kontaktpaar4 auf das zweite feste Kontaktpaar5 , wird beispielsweise ein mit der Spule6 verbundender, nicht dargestellter, Kondensator entladen. Es ist alternativ auch möglich, auf andere aus dem Stand der Technik für den Fachmann bekannte Spannungsversorgungseinrichtungen zurückzugreifen, die insbesondere mit einer Sicherheitseinrichtung ausgestattet sind, die es verhindert, dass beide elektrischen Spulen6 und7 gleichzeitig mit Spannung beaufschlagt werden, so dass damit das bewegliche Kontaktstück3 letztendlich in eine indifferente Schaltstellung zwischen den beiden festen Kontaktpaaren4 und5 gelangen würde. Wie in1 ersichtlich fließt damit ein Antriebsstrom in dem unteren Spulenabschnitt6.1 der ersten Spule6 nach hinten, also in die Zeichenebene hinein, und zeitgleich in dem oberen Spulenabschnitt6.2 der selben ersten Spule6 nach vorne, also aus der Zeichenebene heraus. Dadurch werden auf das bewegliche Kontaktstück3 Wirbelströme induziert, die im Wesentlichen dem Antriebsstrom entgegengerichtet wirken. Die vom nach hinten gerichteten Antriebsstrom des unteren Spulenabschnitts6.1 der ersten Spule verursachten Wirbelströme fließen also in diesem Bereich des beweglichen Kontaktes3 nach vorne, d. h. aus der Zeicheneben heraus, und die vom nach vorne gerichteten Antriebsstrom des oberen Spulenabschnitts6.2 verursachten Wirbelströme nach hinten, d. h. in die Zeichenebene hinein. Schließlich wird hierdruch eine resultierende Kraft erzeugt, die auf den beweglichen Kontakt3 eine Drehbewegung einleitet, so dass dieser letzten Endes vom ersten festen Kontaktpaar4 auf das zweite feste Kontaktpaar5 umschaltet. Ein Umschaltvorgang von dem zweiten festen Kontaktpaar5 auf das erste feste Kontaktpaar4 erfolgt in identisch umgekehrter Reihenfolge zu dem eben Beschriebenen. - Die
2a bis2f zeigen einen Umschaltvorgang von der Wicklungsanzapfung n auf die Wicklungsanzapfung n + 1 eines Stufentransformators, in dem ein Laststufenschalter mit einem neuerungsgemäßen Schaltelement1 verwendet wird. In allen2a bis2f beziehen sich dabei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile, die nur exemplarisch in der Beschreibung zu2a ausführlich beschrieben werden. Im linken Bereich der2a ist eine Stammwicklung10 eines ansonsten nicht näher dargestellten Stufentransformators gezeigt, an die sich eine Regelwicklung11 , hier abgebildet mit beispielhaften9 Wicklungsanzapfungen, anschließt. Stilisiert angedeutet sind zudem ein erster Wählerarm12 , der in der Schaltungsstellung der2a stromführend ist und auf der Stellung n der Regelwicklung11 steht, und ein zweiter Wählerarm13 , der die Stellung n – 1 der Regelwicklung11 lastlost vorgewählt hat. Bei dem hier verwendeten Wähler kann sich dabei um einen gewöhnlichen, seit vielen Jahrzehnten aus dem Stand der Technik bekannten Wähler handeln. Mit dem Wähler in Wirkverbindung steht ein ebenfalls stilisiert dargestellter Lastumschalter9 , der mit einer Lastableitung14 elektrisch verbunden ist. Der Lastumschalter9 wiederum weist einen ersten Haupt- und Hilfsstromzweig15 und16 sowie einen zweiten Haupt- und Hilfsstromzweig17 und18 auf. Jeder dieser beiden Zweige ist mit einem Wählerarm12 und13 elektrisch verbunden. Neuerungsgemäß weist der Lastumschalter9 zudem ein schnelles Schaltelement1 auf, das zwischen den beiden Hauptstromzweigen15 und17 und damit letztendlich zwischen den jeweiligen, mittels des Wählers vorgewählten, Stufen der Regelwicklung11 umschaltet. Weiterhin besteht jeder der beiden Hilfsstromzweige16 und18 aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes19 ,20 und eines Hilfskontaktes21 ,22 . Bei den Hilfskontakten21 ,22 kann es sich dabei um aus dem Stand der Technik bekannte mechanische Schaltkontakte, Vakuumschaltkontakte, Halbleiterbauelemente oder einem neuerungsgemäßen elektrodynamisch angetrieben, schnellen Schaltelement handeln. - In der Darstellung der
2a sind beide Hilfskontakte21 und22 geöffnet, während das schnelle Schaltelement1 den ersten Hauptstromzweig15 elektrisch beschaltet. Der Strompfad nimmt damit den Weg von der beschalteten Stufe n der Regelwicklung11 über den ersten Wählerarm12 und den ersten Hauptstromzweig15 hin zur Lastableitung14 . - Der in den
2a bis2f dargestellte Umschaltvorgang erfolgt dabei in folgenden Schritten: - – Der Hilfskontakt
21 wird geschlossen; es fließt damit ein Ausgleichsstorm über den ersten Hilfsstromzweig16 - – Der Hilfskontakt
22 wird geschlossen; es fließt nun ein Kreisstrom - – Das schnelle Schaltelement
1 schaltet im Stromnulldurchgang von dem ersten Hauptstromzweig15 auf den zweiten Hauptstromzweig17 um; der wesentliche Anteil des Laststroms liegt damit auf der vorgewählten Stufe n – 1 der Regelwicklung11 . - – Der Hilfskontakt
21 wird geöffnet; die vollständige Kommutierung auf die vorgewählte Stufe n – 1 der Regelwicklung11 ist abgeschlossen. - – Der Hilfskontakt
22 öffnet; der komplette Laststrom fließt nun über den zweiten Hauptstromzweig17 . - Der Umschaltvorgang ist damit abgeschlossen. Ein Umschaltvorgang in die andere Richtung erfolgt in identisch umgekehrter Reihenfolge zu dem eben Beschriebenen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007004530 A1 [0003]
- DE 4231353 A1 [0004]
- EP 1180776 [0010]
Claims (3)
- Schaltelement (
1 ), wobei ein erstes festes, aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken (4.1 und4.2 ) gebildetes, Kontaktpaar (4 ) vorgesehen ist, wobei ein in Bezug auf eine Achse (2 ) um 90 Grad verdreht zu dem ersten Kontaktpaar (4 ) angeordnetes zweites festes Kontaktpaar (5 ) vorgesehen ist, das ebenfalls aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken (5.1 und5.2 ) gebildet ist, wobei ein zwischen zwei stationären Stellungen um die Achse (2 ) verschwenkbares, elektrisch leitendes Kontaktstück (3 ) vorgesehen ist, das in seinen jeweiligen stationären Stellungen eine brückend elektrisch leitende Verbindung zwischen den entsprechenden Kontaktstücken (4.1 und4.2 bzw.5.1 und5.2 ) der alternativ beschaltbaren festen Kontaktpaare (4 ,5 ) bildet, wobei im Bereich der sich gegenüberliegend zugewandten Stirnseiten der beiden Kontaktstücke (4.1 und4.2 ) des ersten festen Kontaktpaares (4 ) eine mit einer Spannungsversorgungseinrichtung verbindbare elektrische Spule (6 ) vorgesehen ist, deren unterer Spulenabschnitt (6.1 ) mit dem einen Ende des beweglichen Kontaktstückes (3 ) in Wirkverbindung steht, während der obere Spulenabschnitt (6.2 ) mit dem gegenüberliegenden Ende des beweglichen Kontaktes (3 ) in der selben stationären Stellung zusammenwirkt. und wobei im Bereich der sich gegenüberliegend zugewandten Stirnseiten der beiden Kontaktstücke (5.1 und5.2 ) des zweiten festen Kontaktpaares (5 ) eine weitere mit einer Spannungsversorgungseinrichtung verbindbare elektrische Spule (7 ) vorgesehen ist, deren unterer Spulenabschnitt (7.1 ) mit dem einen Ende des beweglichen Kontaktstückes (3 ) in Wirkverbindung steht, während der obere Spulenabschnitt (7.2 ) mit dem gegenüberliegenden Ende des beweglichen Kontaktes (3 ) in der selben stationären Stellung zusammenwirkt. - Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators, wobei für jede zu schaltende Phase zwei Hauptstromzweige vorgesehen sind, wobei für jede zu schaltende Phase ein dem entsprechenden Hauptstromzweig parallel schaltbarer Hilfsstromzweig vorgesehen ist, wobei jeder Hilfsstromzweig wenigstens einen Widerstand und in Serie einen als Hilfskontakt wirkenden weiteren Schaltkontakt aufweist und wobei jeder der beiden Haupt- und Hilfsstromzweige mit einer gemeinsamen Lastableitung verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umschaltung zwischen den Wicklungsanzapfungen des Stufentransformators ein Schaltelement (
1 ) wird, wobei ein erstes festes, aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken (4.1 und4.2 ) gebildetes, Kontaktpaar (4 ) vorgesehen ist, wobei ein in Bezug auf eine Achse (2 ) um 90 Grad verdreht zu dem ersten Kontaktpaar (4 ) angeordnetes zweites festes Kontaktpaar (5 ) vorgesehen ist, das ebenfalls aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken (5.1 und5.2 ) gebildet ist, wobei ein zwischen zwei stationären Stellungen um die Achse (2 ) verschwenkbares, elektrisch leitendes Kontaktstück (3 ) vorgesehen ist, das in seinen jeweiligen stationären Stellungen eine brückend elektrisch leitende Verbindung zwischen den entsprechenden Kontaktstücken (4.1 und4.2 bzw.5.1 und5.2 ) der alternativ beschaltbaren festen Kontaktpaare (4 ,5 ) bildet, wobei im Bereich der sich gegenüberliegend zugewandten Stirnseiten der beiden Kontaktstücke (4.1 und4.2 ) des ersten festen Kontaktpaares (4 ) eine mit einer Spannungsversorgungseinrichtung verbindbare elektrische Spule (6 ) vorgesehen ist, deren unterer Spulenabschnitt (6.1 ) mit dem einen Ende des beweglichen Kontaktstückes (3 ) in Wirkverbindung steht, während der obere Spulenabschnitt (6.2 ) mit dem gegenüberliegenden Ende des beweglichen Kontaktes (3 ) in der selben stationären Stellung zusammenwirkt. und wobei im Bereich der sich gegenüberliegend zugewandten Stirnseiten der beiden Kontaktstücke (5.1 und5.2 ) des zweiten festen Kontaktpaares (5 ) eine weitere mit einer Spannungsversorgungseinrichtung verbindbare elektrische Spule (7 ) vorgesehen ist, deren unterer Spulenabschnitt (7.1 ) mit dem einen Ende des beweglichen Kontaktstückes (3 ) in Wirkverbindung steht, während der obere Spulenabschnitt (7.2 ) mit dem gegenüberliegenden Ende des beweglichen Kontaktes (3 ) in der selben stationären Stellung zusammenwirkt. - Laststufenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste feste Kontaktpaar (
4 ) des Schaltelementes (1 ) den Schaltkontakt des ersten Hauptstromzweiges (15 ) bildet, derart, dass damit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem ersten Wählerarm (12 ) und der gemeinsamen Lastableitung (14 ) herstellbar ist, und dass das zweite Kontaktpaar (5 ) des Schaltelementes (1 ) den Schaltkontakt des zweiten Hauptstromzweiges (17 ) bildet, dass damit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem zweiten Wählerarm (13 ) und der gemeinsamen Lastableitung (14 ) herstellbar ist.
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DE202011110140U1 true DE202011110140U1 (de) | 2012-12-07 |
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2011
- 2011-07-09 DE DE201120110140 patent/DE202011110140U1/de not_active Expired - Lifetime
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R207 | Utility model specification |
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