DE3416914C2

DE3416914C2 - Stufenschalter

Info

Publication number: DE3416914C2
Application number: DE19843416914
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Mölndal Johansson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1989-10-12
Also published as: SE8302692D0; SE436530B; SE8302692L; DE3416914A1

Abstract

Stufenschalter mit mehreren festen Kontakten (K1, K2, K3), die elektrisch gegeneinander isoliert und zum Anschluß an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators bestimmt sind, mit einem mit den festen Kontakten zusammenwirkenden beweglichen Kontaktsystem (M1, H, M2) und mit mindestens zwei in beiden Richtungen steuerbaren Ventilanordnungen (T1, T2) mit zugehörigen Steuergliedern (3). Gemäß der Erfindung ist eine Anordnung zur Spannungsversorgung der Steuerglieder der Ventilanordnungen (T1, T2) an das bewegliche Kontaktsystem (M1, H, M2) angeschlossen, welche die Stufenspannung des Transformators als Speisespannung ausnutzt. Diese Speisespannungsanordnung enthält Glieder (6, 7, 8, 9) zur Umwandlung der Mehrphasenspannung in eine Gleichspannung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Stufenschalter ist im wesentlichen aus der DE-PS 20 679 bekannt.

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 Oberspannungen geschützt sind. Dadurch, daß die Thyristoren nur während der Umschaltvorgänge 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 Lastum- :xhalter ist aus der genannten DE-PS 21 20 679 bekannt.

Stufenschalter mit Thyristor als Schaltelemente erfordern eine Spannungsversorgung der elektronischen Steuerglieder der Thyristoren. Die Bereitstellung dieser Spannung durch eine äußere Spannungsquelle, wie beispielsweise die Netzspannung oder eine Batterie, ist mit Schwierigkeiten verbunden und in vielen Fällen kaum durchführbar. Dies gilt insbesondere für Thyristorstufenschalter des Lastwählertyps, & h. einem Stufenschalter mit kombiniertem Wähler und Lastumschalter. Hier liegen die Thyristoren und die Steuerelektronik auf einem hohen Potential und müssen den Bewegungen des Kontaktarms folgen.

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.

Aus der DE-OS 14 38 592 ist ein Stufenschalter der Hybridenbauart bekannt, bei welchem zur Übertragung des Stromes auf eine andere Stufe ein erster Hauptstromumschalter vorhanden ist, der mechanisch mit einem zweiten Hilfsumschalter gekoppelt ist Ferner sind zwei Gleichrichtergeräte vorhanden, denen je zwei Transformatoren zur Bereitstellung der Steuerleistung zugeordnet sind. Dabei wird zur Bereitstellung der Steuerenergie für diese Gleichrichtergeräte die Stufenspannung des Transformators verwendet. Neben den beiden bereits genannten Schaltern sind weitere Umschalter für die Transformatoren erforderlich. Während der Umschaltphase führt ein Teil der Transformatoren in seiner Primärwicklung den vcllen Laststrom. Diese bekannte Anordnung ist in ihrem Aufbau außerordentlieh aufwendig.

Aus der AT-PS 2 88 551 ist ein Stufenschalter bekannt, bei dem zwei in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnungen vorhanden sind. Jeweils eine dieser Ventilanordnungen führt stets, also auch im stationären Zustand, den Laststrom. Die Steuerenergie für die Thyristor dieser Ventilanordnungen wird durch Transformatoren zur Verfügung gestellt, die an die Stufenspannung mit Hilfe eines zusätzlichen Hilfskontaktes ange-

schlossen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die Versorgungsspannung für die Steuerglieder der Ventilanordnungen sehr schnell zur Verfügung gestellt werden kann und bei der auf Glättungskondensatoren grundsätzlich verzichtet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es is zeigen

F i g. 1 die prinzipielle Anordnung für eine Stufenschaltersrt, bei der die Erfindung bevorzugt anwendbar ist,

Fig.2 und 3 zwei verschiedene Anordnungen zur Umwandlung der Stufenspannung des Transformators in eine abgeflachte Gleichspannung zur Speisung der Steuerelektronik des Stufenschalters,

Fig.4 eine detailliertere Darstellung eines Stufen-' schalter gemäß der Erfindung.

Der in F i g. 1 gezeigte Stufenschalter ist ein solcher des Lastwählertyps, was bedeutet, daß der gesamte Schaltverlauf in dem Wähler erfolgt; dieser ist in einer sog. Wimpelschaltung ausgeführt Der Stufenschalter enthält mehrere längs einer Bahn 1 angeordnete feste Kontakte, von denen drei Kontakte K\,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. Der bewegliche Teil des Stufenschalters enthält einen Kontaktträger, bei dem es sich um einen Hauptkontaktarm 2 handein kann, der einen Hauptkontakt Wund zwei Hilfskontakte Mi, M2 trägt. Die Hilfskontakte sind mit Hilfe isolierender Distanzelemente fest an je einer Seite des Hauptkontaktarms 2 montiert. Zwischen dem Hauptkontakt //einerseits und jedem der beiden Hilfskontakte AiI und M 2 andererseits ist je eine in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnung 7*1 bzw. T2 angeordnet Jede Ventilanordnung kann aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren oder aus eiser anderen Anordnung mit entsprechender Arbeitsweise, wie z. B. einem Triac, bestehen. Auch die Ventilanordnungen 7*1, 72 mit zugehöriger Steuereinheit 3 sind auf dem beweglichen Hauptkontaktarm ?. 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 K 2 auf K 3 Zugang iu der Stufenspannung zwischen Mi und M 2 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.

Bei einem nach der prinzipiellen Anordnung gemäß Fig. 1 ausgeführten wirklichen Stufenschalter werden die festen Kontakte K 1, K 2, K 3 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.

In den Betriebsstellungen führt der Hauptkontakt H den Laststrom, während die Hilfskontakte M1 und M 2 abgeschaltet sind und in den kontaktfreien Räumen zwischen den festen Kontakten liegen. Bei einer Umschaltung von Kontakt K 2 auf Kontakt K 3 (Anstiegsvorgang) ist der Schaltverlauf folgender:

a) Die Hilfskontakte M1 und M 2 erreichen ungefähr gleichzeitig die festen Kontakte K 2 bzw. K 3. Die elektronische Steuereinheit erhält damit Speisespannung. Die Ventilanordnung 7*1 erhält ein Zündsignal.

b) Der Hauptkontakt H schaltet von dem Kontakt K2 lichtbogenfrei ab. Die Ventilanordnung Ti übernimmt den Laststrom.

c) Die Ventilanordnung Ti erlischt Die Ventilanordnung T2 zündet und übernimmt den Laststrom.

d) Der Hauptkontakt H erreicht ;kn festen Kontakt K 3. Die Ventilanordnung T2 erlitsht Der Laststrom wird vom Hauptkontakt //übernommen.

e) Die Hilfskontakte Mi und M 2 schalten von den Kontakten K 2 bzw. K 3 ab. Auch diese Abschaltungen sind lichtbogenfrei, da beide Ventilanordnungen 7"I und T2 vorher gelöscht wurden.

Das bewegliche Kontaktsystem setzt nun seine Bewegung fort, bis sich die Hilfskontakte in ihren Lagen in den kontaktfreien Räumen zwischen den festen Kontakten befinden, wodurch die neue Betriebsstellung erreicht ist

Der Schaltverlauf bei einem Umschalten vom Kontakt K 3 auf den Kontakt K 2 (Abstiegsvorgang) ist mit dem vorstehend beschriebenen Schaltverlauf analog, wobei jedoch die Ventiianordnungen in umgekehrter Reihenfolge gezündet werden.

F i g. 2 zeigt eine Schaltung zur Umwandlung der einphasigen Stufenspannung u_s in eine Zweiphasenspannupg, die dann in eine abgeflachte Gleichspannung U\ zur Speisung der elektronischen Steuerkreise des Stufenschalters umgewandelt wird. Die Schaltung umfaßt zwei Transformatoren 6 und 7, deren Primärwicklungen parallel an die beweglichen Hilfskontak'e JVfI und M 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 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren sind an je einen Gleichrichter 10 bzw. 11 in Vollwellenbrücken-Schaltung angeschlossen. Gleichspannungsseitig sind die Gleichrichterbrücken parallelgeschaltet. Mittels einer Zenerdiode 12 und eines Reihenwiderstandes 13 wird der Oberwellengehalt aus der Gleichspannung der Gleichrichterbrücken beseitigt.

Fi g. 3 zeigt eine andere Schaltung zur Umwandlung der Stufenspannung in eine abgeflachte Gleichspannung. Diese Schaltung unterscheidet sich von der nach F r g. 2 dadurch, daß die Sekundärwicklungen der Transformatoren zu eir?r Scott-Schaltung zusammengeschaltet sind, wodurch man eine Dreiphasenspannung erhält, die eine Dreiphasengleichrichterbrückenschaltung 14 (Sechspulsschaltung) speist. Die Gleichspan-

nung dieser Gleichrichterschaltung hat einen geringeren Oberwellengehalt als die gemäß F i g. 2.

F i g. 4 zeigt die prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter mit vier Thyristoranordnungen 7"I — 74 pro Phase. Jede Thyristoranordnung umfaßt zwei antiparal-IeI geschaltete Thyristoren.

Zwischen dem Hauptkontakt H und jedem Hilfskontakt M 1 und M 2 liegen je zwei parallelgeschaltete Thyristoranordnungen 7I, 73 bzw. 72, Γ4. Eine Thyristoranordnung (T" 1 bzw. 7~2)in jeder Parallelschaltung liegt in Reihe mit einer Sicherung 5, und die jeweils andere Thyristoranordnung 73, Γ4 liegt in Reihe mit einem Widerstand R.

Parallel zu jeder Thyristoranordnung 71 und 72 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 Thyri-StOr^nordnUP*⁷ 7*3 Und 74 Ii?**! ?'n RC.~Ct\\pc\ 17 711m Schutz gegen Überspannungen.

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 Ml, A/2 des Stufenschalters und eine Gleichrichterschaltung nach F i g. 3 gespeist.

Der Stufenschalter nach F i g. 4 arbeitet bei einer Umschaltung vom Kontakt K 2 auf den Kontakt K 3 (Anstiegsvorgang) wie folgt:

Die beweglichen Hilfskontakte M1 und M 2 kommen in Kontakt mit den festen Kontakten K 2 bzw. K 3. Dabei erscheint zwischen den Hilfskontakten M1 und M2 die Stufenspannung, welche die elektronische Steuereinheit 3 mit Energie versorgt. Gleichzeitig erscheint die Stufenspannung zwischen den Kontakten H und M 2, wodurch die Stouerlogik eine Information über die Richtung der Schalterverstellung erhält. Die Thyristoranordnung 71 erhält ein Zündsignal, führt jedoch keinen Strom.

Der Hauptkontakt H verläßt den Kontakt K 2, und die Thyristoranordnung Tl übernimmt den Laststrom. Der Kontakt H schaltet lichtbogenfrei ab. Das Zündsignal wird unmittelbar an die Thyristoranordnung 73 weitergegeben, die den Strom übernimmt, sobald die Thyristoranordnung beim nächsten Stromnulldurchgang verlöscht Die Thyristoranordnung 73 hat ein Zündsignal 11 —14 ms lang, wonach die Thyristoranordnung 74 gezündet wird. Abhängig von der Phasenlage zu Beginn der Zündfolge kann ein Kreisstrom über die Thyristoranordnunsen 73, 74 und die Uberbrückungswiderstände R fließen. Der Kreisstrom verschwindet, wenn die Thyristoranordnung 73 bei dem nächsten Nulldurchgang verlischt Bei kleinem Laststrom kann die Thyristoranordnung 73 auch bereits vor dem Stromnulldurchgang von dem in entgegengesetzter Richtung fließenden Kreisstrom gelöscht werden, der damit zugleich verschwindet

Die Thyristoranordnung 74 hat ein Zündsignal 11 — 14 ins lang, wonach die Thyristoranordnung 74 gezündet wird und aufgrund der geringeren Impedanz in dem Zweig unmittelbar Strom zu führen beginnt Die Thyristoranordnung 72 leitet, bis der Hauptkontakt H Kontakt mit K 3 bildet, wodurch die Umschaltung vollzogen ist Die Thyristoranordnung 72 behält ihr Zündsignal, bis der Hilfskontakt M 2 den Kontakt K 3 verläßt

Bei einer Betätigung des Stufenschalters in entgegengesetzter Richtung ist der Funktionsablauf zu dem eben beschriebenen analog, jedoch werden die Thyristoranordnungen in umgekehrter Reihenfolge gezündet.

Durch die in Fig.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 Kreisstroms um eine Halbperiode.

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 71 oder 72 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.

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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stufenschalter mit mehreren festen Kontakten (Kl, KZ, K3), die elektrisch gegeneinander isoliert und zum Anschluß an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators bestimmt sind, mit einem mit den festen Kontakten zusammenwirkenden beweglichen Kontaktsystem (M 1, H, M2), mit mindestens zwei in beiden Richtungen steuerbaren Ventilanordnungen (Tl, T2) mit zugehörigen Steuergliedern (3), und mit einer über das bewegliche Kontaktsystem (Mi, H, M2) an die Stufenspannung des Transformators angeschlossene Anordnung zur Spannungsversorgung der Steuerglieder der Ventilanordnungen (Tl, T2), dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Spannungsversorgungsanordnung zur Umwandlung der einphasigen Stufenspannung in eine Mehrphasenspannung zwei Speisetransformatoren (6,7>enthält, deren Primärwicklungen über je ein impedanzgüed (S, 9) parallel an das bewegliche Kontaktsystem angeschlossen sind, daß die beiden Impedanzglieder (8,9) so beschaffen und bemessen sind, daß die Primärströme der Transformatoren eine gegenseitige Phasenverschiebung von vorzugsweise 90 Grad haben, und daß zur Umwandlung der Mehrphasenspannung in eine Gleichspannung Brükkengleichrichter (10,11; 14) vorhanden sind.

2. Stufenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Impedanzglieder aus einem Kondensator (8), der mit der Primärwicklung des einen Transformators in Reihe geschaltet ist, und einem Widerstand (9), der mit der Primärwicklung des anderen Tratüfonr^tors in Reihe geschaltet ist, bestehen.

3. Stufenschalter r.ach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen der Speisetransformatoren (6, T) an je eine von zwei parallelgeschalteten einphasigen Vollwellengleichrichter-Brückenschaltungen (10,11) (Zweipuls-Brückenschaltungen) angeschlossen sind.

4. Stufenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen der Speisetransformatoren (6, 7) zu einer Scott-Schaltung zusammengeschaltet sind, die an eine dreiphasige Vollwellengleichrichterbrückenschaltung (14) (Sechspuls-Brückenschaltung) angeschlossen ist.

5. Stufenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einem kombinierten Wähler und Lastumschalter, einem sog. Lastwähler, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungsversorgung zusammen mit den Ventilanordnungen (Tl, T2) und den Steuergliedern (3) auf einem zum Tragen des beweglichen Kontaktsystems (Mi, H, M2)angeordneten Kontakt(2)montiert ist.