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Stufenschalter
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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In Stufenschaltern solcher Hybridenbauart werden sowohl mechanische
Kontakte wie Thyristoren verwendet, um unter Last Umschaltungen zwischen den Stufenanzapfungen
eines Regeltransformators durchführen zu können. Die Thyristoren entlasten die mechanischen
Kontakte während des Umschaltens, so daß die Ein- und Ausschaltungen der Kontakte
lichtbogenfrei erfolgen. In den stationären Betriebszuständen (Betriebsstellungen)
dagegen führen die mechanischen Kontakte den Strom, und die Thyristoren sind ausgeschaltet,
so daß sie gegen Kurzschlußströme und Überspannungen geschützt sind. Dadurch, daß
die Thyristoren nur wahrend der Umschaltvorgnge eingeschaltet sind, ist es möglich,
verhältnismäßig kleine und somit billige Thyristoren zu verwenden und gleichzeitig
die durch die Durchlaßspannung bei Thyristoren verursachten Leistungsverluste zu
vermeiden. Ein Stufenschalter dieser Art in einer Ausführung mit Stufenwähler und
getrenntem Lastumschalter ist aus der DE-PS 21 20 679 bekannt.
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Stufenschalter mit Thyristor als Schaltelemente erfordern eine Spannungsversorgung
der elektroniscnen Steuerglieder de Thyristoren. Die 3ereitstellung dieser Spannung
durch eine äußere Spannungsquelle, wie beispielsweise die etzspnnung
oder
eine 3atterie, ist mit Schwierigkeiten verbunden und in vielen Fällen kaum durchführbar.
Dies gilt insbesondere für Thyristorstufenschalter des Lastwählertyps, d.h. einem
Stufenschalter mit kombiniertem Wähler und Lastumschalter.
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Hier liegen die Thyristoren und die Steuerelektronik auf einem hohen
Potential und müssen den Bewegungen des Kontaktarms folgen.
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Es ist vorgeschlagen worden, bei Stufenschaltern der Hybridenbauart
die Stufenspannung des Transformators zur Speisung der Steuerelektronik zu verwenden.
Dabei müssen die beweglichen Kontakte derart angeordnet werden, daß die Stufenspannung
der Steuerausrüstung zugeführt wird, bevor die Thyristoren gezündet werden sollen.
Dadurch erfordern die Steuerelektronik und die Thyristoren keine Verbindung mit
Erdpotential. Ein Problem bei einer solchen Ausführung besteht jedoch darin, die
für die Speisung erforderliche abgeflachte Gleichspannung rechtzeitig genug (mehrere
Millisekunden) vor der Zündung des ersten Thyristors zu erhalten. Um schnell genug
eine Speisespannung zu erhalten, dürfen große Filterkondensatoren, bei denen es
sich meistens um Elektrolytkondensatoren handelt, in dem Kreis nicht vorkommen.
Elektrolytkondensatoren können im übrigen auch häufig nicht in dem in einem Stufenschalter
vorliegenden Milieu verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stufenschalter der
eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die obengenannten Schwierigkeiten
auf verhältnismäßig einfache Weise überwunden werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
genannt.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die
Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Figur 1: die prinzipielle Anordnung
für eine Stufenschalterart, bei der die Erfindung bevorzugt anwendbar ist, Figur
2 und 3: zwei verschiedene Anordnungen zur Umwandlung der Stufenspannung des Transformators
in eine abgeflachte Gleichspannung zur Speisung der Steuerelektronik des Stufenschalters,
Figur 4: eine detailliertere Darstellung eines Stufenschalter gemäß der Erfindung.
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Der in Figur 1 gezeigte Stufenschalter ist ein solcher des Lastwählertyps,
was bedeutet, daß der gesamte Schaltverlauf in dem Wähler erfolgt; dieser ist in
einer sog.
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Wimpeischaltung ausgeführt. Der Stufenschalter enthält mehrere längs
einer Bahn 1 angeordnete feste Kontakte, von denen drei Kontakte K1, K2, K3 dargestellt
sind. Die Kontakte sind in gleichem Abstand voneinander angeordnet, sie sind elektrisch
gegeneinander isoliert und sie werden an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators
angeschlossen.
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Der bewegliche Teil des Stufenschalters enthält einen Kontaktträger,
bei dem es sich um einen Hauptkontaktarm 2 handeln kann, der einen Hauptkontakt
H und zwei Hilfskontakt Ml, 12 trägt. Die Hilfskontakte sind mit Hilfe isolierender
Distanzelemente fest an je einer Seite des Hauptkontaktarm 2 montiert. Zwischen
dem Hauptkontakt H einerseits und jedem der beiden Hilfskontakte Ml und M2 andererseits
ist je eine in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnung T1 bzw. T2 angeordnet.
Jede Ventilanordnung kann aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren oder aus
einer anderen Anordnung mit entsprechender Arbeitsweise, wie z.B. einem Triac, bestehen.
Auch die Ventilanordnungen T1, T2 mit zugehöriger Steuereinheit 3 sind auf dem beweglichen
Hauptkontaktarrn 2
montiert. Die Stufenspannung des Transformators
wird zur Speisung der Steuereinheit (Elektronikeinheit) benutzt, wodurch keine zusätzliche
Verbindung zwischen dem beweglichen Teil des Stufenschalters und der festen Umgebung
erforderlich ist. Durch die dargestellte Anordnung kann man beispielsweise bei der
Umschaltung von K2 auf K3 Zugang zu der Stufenspannung zwischen Ml und M2 bekommen,
und zwar beispielsweise von dem Zeitpunkt 40 ms vor dem Zünden des ersten Thyristors
bis beispielsweise 20 ms nach dem Zeitpunkt, in dem der ganze Umschaltvorgang beendet
worden ist.
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Bei einem nach der prinzipielle Anordnung gemäß Figur 1 ausgeführten
wirklichen Stufenschalter werden die festen Kontakte K1, K2, K3 usw. auf einem Kreis
angeordnet, und der bewegliche Teil des Stufenschalters ist an einer Antriebswelle
befestigt, die so gelagert ist, daß ihre Längsachse koaxial durch den Mittelpunkt
des genannten Kreises verläuft. Die abgehende Leitung 4 für den Laststrom ist an
den beweglichen Hauptkontaktarm 2 über nicht dargestellte Schleifkontakte angeschlossen.
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In den Betriebsstellungen führt der Hauptkontakt H den Laststrom,
während die Hilfskontakte M1 und M2 abgeschaltet sind und in den kontaktfreien Räumen
zwischen den festen Kontakte liegen. Bei einer Umschaltung von Kontakt K2 auf Kontakt
K3 (Anstiegsvorgang) ist der Schaltverlauf folgender: a) Die Hilfskontakte M1 und
M2 erreichen ungefähr gleichzeitig die festen Kontakte K2 bzw. K3. Die elektronische
Steuereinheit erhält damit Speisespannung. Die Ventilanordnung T1 erhält ein Zündsignal.
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b) Der Hauptkontakt H schaltet von dem Kontakt K2 lichtbogenfrei ab.
Die Ventilanordnung T1 übernimmt den Laststrom.
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c) Die Ventilanordnung T1 erlischt. Die Ventilanordnung T2 zündet
und übernimmt den Laststrom.
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d) Der Hauptkontakt H erreicht den festen Kontakt K3. Die Ventilanordnung
T2 erlischt. Der Laststrorn wird vom Hauptkontakt H übernommen.
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e) Die Hilfskontakte M1 und M2 schalten von den Kontakte K2 bzw. K3
ab. Auch diese Abschaltungen sind lichtbogenfrei, da beide Ventilanordnungen T1
und T2 vorher gelöscht wurden.
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Das bewegliche Kontaktsystem setzt nun seine 3ewegung fort, bis sich
die Hilfskontakte in ihren Lagen in den kontaktfreien Räumen zwischen den festen
Kontakte befinden, wodurch die neue Betriebsstellung erreicht ist.
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Der Schaltverlauf bei einem Umschalten vom Kontakt K3 auf den Kontakt
K2 (Abstiegsvorgang) ist mit dem vorstehend beschriebenen Schaitverlauf analog,
wobei jedoch die Ventilanordnungen in umgekehrter Reihenfolge gezündet werden.
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Figur 2 zeigt eine Schaltung zur Umwandlung der einphasigen Stufenspannung
u in eine Zweiphasenspannung, die dann in 5 eine abgeflachte Gleichspannung U1 zur
Speisung der elektronischen Steuerkreise des Stufenschalters umgewandelt wird. Die
Schaltung umfaßt zwei Transformatoren 6 und 7, deren Primärwicklungen parallel an
die beweglichen Hilfskontakte Ml und 2 des Stufenschalters angeschlossen sind. In
Reihe mit der Primärwicklung des einen Transformators 6 liegt ein Kondensator 8,
und in Reihe mit der Primärwicklung des anderen Transformators 7 liegt ein Widerstand
9. Die Impedanzen des Kondensators 8 und des Widerstandes 9 sind so bemessen, daß
die Primärströme der beiden Transformatoren wenigstens gleich groß, jedoch um 0
90 gegeneinander phasenverschoben sind. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren
sind an je einen Gleichrichter 10 bzw. 11 in Vol ellenbriic's2n-Sch.llturl¢J
angeschlossen.
Gleichspannungsseitig sind die Gleichrichterbrücken parallelgeschaltet. Mittels
einer Zenerdiode 12 und eines Reihenwiderstandes 13 wird der Oberwellengehalt aus
der Gleichspannung der Gleichrichterbrücken beseitigt.
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Figur 3 zeigt eine andere Schaltung zur Umwandlung der Stufenspannung
in eine abgeflachte Gleichspannung. Diese Schaltung unterscheidet sich von der nach
Figur 2 dadurch, daß die Sekundärwicklungen der Transformatoren zu einer Scott-Schaltung
zusammengeschaltet sind, wodurch man eine Dreiphasenspannung erhält, die eine Dreiphasengleichrichterbrückenschaltung
14 (Sechspulsschaltung) speist. Die Gleichspannung dieser Gleichrichterschaltung
hat einen geringeren Oberwellengehalt als die gemäß Figur 2.
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Figur 4 zeigt die prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter
mit vier Thyristoranordnungen T1 - T4 pro Phase. Jede Thyristoranordnung umfaßt
zwei antiparallel geschaltete Thyristoren.
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Zwischen dem Hauptkontakt H und jedem Hilfskontakt M1 und M2 liegen
je zwei parallelgeschaltete Thyristoranordnungen T1, T3 bzw. T2, T4. Eine Thyristoranordnung
(T1 bzw. T2) in jeder Parallelschaltung liegt in Reihe mit einer Sicherung S, und
die jeweils andere Thyristoranordnung T3, T4 liegt in Reihe mit einem Widerstand
R.
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Parallel zu jeder Thyristoranordnung T1 und T2 liegt eine Reihenschaltung
aus einem Widerstand 15 und einem Kondensator 16, die so bemessen ist, daß sie den
Laststrom während der Stromkommutierung einige Mikrosekunden lang leiten kann. Parallel
zu jeder Thyristoranordnung T3 und T4 liegt ein RC-Glied 17 zum Schutz gegen Überspannungen.
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Zur Steuerung der Thyristoren ist eine Steuereinheit 3 vorgesehen,
die aus einer Startschaltung, einer Eingangsstufe, einer Logikschaltung und einem
Zündimpulsverstärker
besteht. Die Steuereinheit 3 wird von der Stufenspannung des Transformators über
die beweglichen Kontakte M1, M2 des Stufenschalters und eine Gleichrichterschaltung
nach Figur 3 gespeist.
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Der Stufenschalter nach Figur 4 arbeitet bei einer Umschaltung vom
Kontakt K2 auf den Kontakt K3 (Anstiegsvorgang) wie folgt: Die beweglichen Hilfskontakte
Ml und M2 kommen in Kontakt mit den festen Kontakte K2 bzw. K3 Dabei erscheint zwischen
den Hilfskontakte Ml und M2 die Stufenspannung, welche die elektronische Steuereinheit
3 mit Energie versorgt.
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Gleichzeitig erscheint die Stufenspannung zwischen den Kontakte H
und M2, wodurch die Steuerlogik eine Information über die Richtung der Schalterverstellung
erhält. Die Thyristoranordnung T1 erhält ein Zündsignal, führt jedoch keinen Strom.
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Der Hauptkontakt H verläßt den Kontakt K2, und die Thyristoranordnung
T1 übernimmt den Laststrom. Der Kontakt H schaltet lichtbogenfrei ab. Das Zündsignal
wird unmittelbar an die Thyristoranordnung T3 weitergegeben, die den Strom übernimmt,
sobald die Thyristoranordnung beim nächsten Stromnulldurchgang verlöscht. Die Thyristoranordnung
T3 hat ein Zündsignal 11-14 ms lang, wonach die Thyristoranordnung T4 gezündet wird.
Abhängig von der Phasenlage zu Beyinn der Zündfolge kann ein Kreisstrom über die
Thyristoranordnungen T3, T4 und die Überbrückungswiderstände R fließen. Der Kreisstrom
verschwindet, wenn die Thyristoranordnung T3 bei dem nächsten Nulldurchgang verlischt.
Bei kleinem Laststrom kann die Thyristoranordnung T3 auch bereits vor dem Stromnulldurchgang
von dem in entgegengesetzter Richtung fließenden Kreisstrom gelöscht werden, der
damit zugleich verschwindet.
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Die Thyristoranordnung T4 hat ein Zündsignal 11-14 tris lang, wonach
die Thyristoranordnung T4 gezündet wird und aufgrund
der geringeren
Impedanz in dem Zweig unmittelbar Strom zu führen beginnt. Die Thyristoranordnung
T2 leitet, bis der Hauptkontakt H Kontakt mit K3 bildet, wodurch die Umschaltung
vollzogen ist. Die Thyristoranordnung T2 behält ihr Zündsignal, bis der Hilfskontakt
M2 den Kontakt K3 verläßt.
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Bei einer Betätigung des Stufenschalter in entgegengesetzter Richtung
ist der Funktionsablauf zu dem eben beschriebenen analog, jedoch werden die Thyristoranordnungen
in umgekehrter Reihenfolge gezündet.
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Durch die in Figur 4 gezeigte Thyristor- und Widerstandsanordnung
erhält man einen Schutz gegen einen Kurzschluß, falls ein Thyristor rückzündet.
Das einzige, was in einem solchen Falle passiert, ist ein Weiterfließen des Kreisstrom
um eine Halbperiode.
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Eine eventuelle Thyristorbeschädigung, egal ob sie auf Überstrom oder
Überspannung beruht, hat den Kurzschluß eines oder mehrerer Thyristoren zur Folge.
Ein solcher Schaden in einer der Thyristoranordnungen T1 oder T2 hat das Ansprechen
der zugehörigen Sicherung S zur Folge. Die parallele Thyristorgruppe wird dabei
auch ausgeschaltet, wenn sie kein Zündsignal hat. Das Ergebnis besteht darin, daß
der Stufenschalter zwar nicht länger lichtbogenfrei abschaltet, jedoch weiterhin
funktionstüchtig ist.
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Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist nicht auf Thyristorstufenschalter
des Lastwählertyps beschränkt; vielmehr kann die Erfindung vorzugsweise auch für
Thyristorstufenschalter des Typs verwendet werden, bei dem Lastumschalter und Wähler
getrennt sind.
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