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Durch Kraftspeicher angetriebene Stufenschalteinrichtung Die bisher
bekannten Stufenschalteinrichtungen für Anzapftransformatoren bedienen sich zur
unterbrechungslosen Umschaltung des Betriebsstromes von einer Anzapfung zur anderen
außer der Hauptkontakte, die zur betriebsmäßigen Dauerverbindung der Ableitung mit
der gewählten Anzapfung dienen, noch eines oder mehrerer Hilfskontakte, die an Überbrückungswiderstände
angeschlossen werden. Dabei müssen zur Erzielung eines zweckmäßigen Umschaltvorganges,
bei dem weder eine Unterbrechung des Betriebsstromes noch eine direkte Kurzschließung
zweier Anzapfungen erfolgen darf, die Hauptkontakte sowie die Hilfskontakte mit
den Überschaltwiderständen in einer bestimmten Reihenfolge zusammenarbeiten. Bei
der Verwendung von Ohmschen Überschaltwiderständen, die infolge ihrer geringen Wärmekapazität
den während der Überschaltstellung hindurchfließenden Strömen nicht lange ausgesetzt
werden dürfen, ist außerdem häufig Vorsorge getroffen, daß die Umschaltung in der
richtigen Reihenfolge ihrer Einzelschaltungen in einem Zuge möglichst kurzzeitig
vonstatten geht. Die richtige Aufeinanderfolge der Einzelschaltvorgänge wird :entweder
dadurch hervorgebracht, daß man die einzelnen Haupt- und Hilfskontakte in den der
Schaltfolge entsprechenden Abständen auf einem Lastumschalter anbringt, der dann
entlang der Kontaktbahn in einem Zuge von Stufe zu Stufe bewegt wird, oder dadurch,
daß man die ganze Stufenschalteinrichtung in einen lastlos schaltenden Stufenwähler
und einen getrennt angeordnetenLastumschalter teilt, die durch ein entsprechendes
Getriebe bewegt werden.
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Der ersten Ausführungsart entsprechen alle Stufenschalteinrichtungen,
bei denen die auf einem gemeinsamen Lastumschalter angeordneten Haupt- und gilfskontakte
direkt entlang den in einer geraden oder kreisförmigen Bahn angeordneten Transformatoranzapfungen
von Stufe zu Stufe bewegt werden, die aber nur für kleine Leistungen verwandt werden
können. Der zweiten Ausführungsart entsprechen die Stufenschalteinrichtungen, bei
denen getrennte Stufenwähler und Lastschalter angeordnet sind, die sich für die
Bewältigung großer Schaltleistungen eignen. Da sie jedoch ein verhältnismäßig kompliziertes
Getriebe zur Erzielung der richtigen Aufeinanderfolge der Einzelschaltvorgänge benötigen,
war man bisher für kleine und mittlere Leistungen des geringeren Preises wegen auf
Stufenschalteinrichtungen der erstgenannten Ausführungsform angewiesen. Diese Ausführungsart
ist zwar in ihrem Aufbau und ihren Be-vvegungselementen verhältnismäßig einfach,
hat aber einen zu großen Raumbedarf, der ihren Zusammenbau mit den Anzapfungstransformatoren
sehr erschwert und besonders bei Transformatoren
kleiner Eigenleistungen
häufig zu einer unwirtschaftlichen Vergrößerung des Trau.-fortnatorgefäßes führt.
Das liegt daran, daß alle nacheinanderfolgenden Schaltvorgänge während der Bewegung
des gesamten Stufenschalters i-on einer Anzapfung zur anderen vonstatten geheli
müssen. Der Abstand eines Anzapfungskontaktes von dem anderen in der feststehenden
Kontaktbahn kann also nicht so klein bemessen werden, wie es mit alleiniger Rücksicht
auf die Differenzspannung möglich wäre, sondern der Abstand muß so groll sein, daß
er außer dieser Differenzspannung noch der Summe aller erforderlichen Schaltwege,
bei denen Funken auftreten oder Spannungsüberschläge stattfinden können, entspricht.
Infolge der Tatsache, daß bei diesen Stufenschalteinrichtungen die beweglichen Kontakte
in der Richtung der feststehenden Kontaktreihe von Anzapfungskontakt zu Anzapfungskontakt
bewegt werden, muß außerdem der Abstand der Anzapfungskontakte untereinander um
die Breite der bewegten Kontakte vermehrt werden, da bei der Bewegung der letzteren
der elektrische Abstand um diese Kontaktbreiten vermindert wird.
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Der Erfindung entsprechend kann dem erstgenannten Mangel dadurch abgeholfen
werden, daß die insgesamt für den Dauerbetrieb und die Umschaltung , benötigten
Haupt- und Hilfskontakte zusammen finit den 1'berschaltwiderständen auf zwei abwechselnd
nacheinander von Anzapfung zu Anzapfung fortbewegt° Lastumschalterteile verteilt
angeordnet werden.
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Man erreicht hierdurch, daß jeder Haupt-und Hilfskontakt sich bei
der Umschaltung nur so viel und nur in dem Zeitmoment zu bewegen hat, wie es mit
Rücksicht auf die Schaltfolge notwendig ist. Jeder Kontakt bleibt also mit seinem
Kontaktträger stehen, während nicht dieser, sondern ein anderer Kontakt zu schalten
hat. Dadurch wird der Einfluß der Schaltwege auf deal Abstand der Anzapfungskontakte
untereinander auf die Hälfte herabgesetzt, wodurch die Länge der Kontaktbahn bzw.
der Durchmesser des Kontaktkreises entsprechend verkleinert wird.
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Verschiedene Ausführungsarten der Erfindung bieten außerdem -die Möglichkeit,
auch dem zweiten 1langel abzuhelfen, der in der Verhinderung des elektrischen Abstandes
der Anzapfungskontakte durch die Kontaktbreiten der bewegten Kontakte in den Zwischenstellungen
seine Ursache hat. Dies geschieht , durch die Art der Bewegung der Haupt- und Hilfskontakte
mittels eines oder mehrerer Eazentertriebe. Durch diese Exzentertriebe werden die
Haupt- und Hilfskontakte nicht in der Richtung der Kontaktbahn von einem Anzapfungskontakt
zum nächsten verschoben, sondern senkrecht zur Kontaktbahn von dem bisher eingeschalteten
Anzapfungskontakt abgehoben, im Bogen zum nächsten Anzapfungskontakt hingebracht
und dort wieder senkrecht zur Richtung der Kontaktbahn auf den neuen Anzapfungskontakt
aufgesetzt. Dadurch wird in keiner Zwischenstellung der elektrische Abstand der
Anzapfungskontakte untereinander vermindert. Der räumliche Kontaktabstand kann deshalb
entsprechend kleiner gehalten «-erden, und damit wird auch gleichzeitig die Länge
der Kontaktbahn bzw. der Durchmesser des Kontaktkreises erheblich verkleinert.
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Die Abb. i bis 5 stellen verschiedene Ausführungsarten von Stufenschalteinrichtungett
dar, die sämtlich in dem grundsätzlichen Gedanken übereinstimmen. daß die zur Ausführung
der verschiedenen Teilschaltbewegungen erforderlichen beweglichen Haupt-und Hilfskontakte
auf zwei Lastumschalterteilen verteilt angeordnet sind und mit diesen abwechselnd
nacheinander durch eine verschiedenartig gestaltete Kinematik bewegt werden. Die
Ausführungsarten unterscheiden sich in zweierlei Hinsicht, nämlich einmal durch
die verschiedenartig bewirkte Bewegung der beiden Kontaktträger mit den Hilfs-und
Häuptkontakten und zum zweiten durch die je nach dem gewünschten Schaltzweck verschiedenartige
Verteilung der Haupt- und Hilfskontakte auf die beiden Kontaktträger. jede Bewegungsart
und jede Kombination der Haupt- und Hilfskontakte ist in den Abbildungen nur einmal
vorhanden: Es läßt sich jedoch jede Bewegungsart und jede Kontaktkombination miteinander
in der praktischen Ausführung verbinden.
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In Abb. i ist schematisch eine Stufenschalteinrichtung zur Umschaltung
von sechs am Wicklungsende angebrachten Anzapfungen t bis 6 in zwei nebeneinanelergelegten
Schnitten dargestellt. Die Schnitte sind in der praktischen Ausführung übereinanderliegend
zu denken, so daß die feststehenden Kontakte i bis 6 z. B. die Stäbe eines Käfigs,
ähnlich wie in Abb. 5 dargestellt, bilden. Von den beiden mit der Ableitung A verbundenen
Lastumschalterteilen trägt der eine nur den Hauptkontakt H und der andere die beiden
Hilfskontakte hl und h2, die über die Widerstände 1i'1 und l1,2 untereinander und
mit der Ableitung A verbunden sind. In der gezeichneten Dauerstellung I fließt der
Betriebsstrom von der Anzapfung 2 über den Hauptkontakt H zur Ableitung
A. Will man nun die Umschaltung ohne Betriebsunterbrechung von der Anzapfung
2 z. B. zu der benachbarten Anzapfung 3 vornehmen, so
müß man die
Lastumschalterteile mit den Haupt- und Hilfskontakten entsprechend den dargestellten
Stellungen II bis IV mehrmals abwechselnd nacheinander bewegen. Dies kann durch
eine der in den übrigen Abbildungen dargestellten Kinematiken geschehen, die in
der Abb. t zum besseren. Verständnis des Schaltvorganges weggelassen ist. Zunächst
bewegt sich der Lastumschalterteil mit den Hilfskontakten hl und h2 nach links in
die Stellung II und stellt eine Widerstandsverbindung zwischen den zu wechselnden
Anzapfungen 2 und 3 und der Ableitung A her. Während der Dauer dieser Hilfsverbindung
wird dann der Lastumschalterteil mit dem Hauptkontakt H von der Anzapfung 2 zur
Anzapfung 3 bewegt (Stellung III), ohne daß eine Stromunterbrechung hierbei auftreten
kann. Nachdem der Hauptkontakt auf 3 steht, wird die Hilfsverbindung nicht mehr
benötigt, und der Lastumschalterteil mit den Hilfskontakten hl und lt, kann jetzt
von den Anzapfungen 2 und 3 weg in eine neutrale Stellung (IV) bewegt werden. Damit
ist die Umschaltung von- der Anzapfung 2 zur AnzaPfung 3 ohne Stromunterbrechung
vollzogen.
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Durch eine einfache Vermehrung der Haupt- und Hilfskontakte auf den
beiden Lastumschalterteilen lassen sich aus der vorbeschriebenen Stufenschalteinrichtung
zur Umschaltung der am Wicklungsende angebrachten Transformatoranzapfungen zwei
Weitere Stufenschalteinrichtungen zur Umschaltung der an der Wicklungsmitte bzw.
am Wicklungsnullpunkt von Stufentransformatoren angebrachten Anzapfungen entwickeln.
Diese beiden Stufenschalteinrichtungen sind in den Abb. 2 und 3 dargestellt.
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Abb.2 zeigt, wiederum in schematischer Darstellung, eine Stufenschalteinrichtung
für die Umschaltung von Anzapfungen an der Wicklungsmitte. Die gezeichnete Phasenwicklung
besteht aus zwei Hälften, die an den einander zugekehrten Enden in symmetrischer
Weise mit Anzapfungen versehen sind. Die Stufenschalteinrichtung hat den Zweck,
im Dauerbetrieb je zwei Anzapfungen der beiden Wicklungshälften miteinander zu verbinden
und zum Zwecke der Spannungsänderung abwechselnd in je einer Bewegungsrichtung den
Wechsel zweier Anzapfungen vorzunehmen. Die Anzapfungen der beiden Wicklungshälften
sind deshalb ihrer Reihenfolge nach abwechselnd mit den aufeinanderfolgenden Kontakten
der feststehenden Kontaktreihe der 'Stufenschalteinrichtung verbunden. In der gezeichneten
Stellung I fließt der Betriebsstrom aus der unteren Wicklungshälfte über- die Anzapfung
3 durch die beiden Hauptkontakte Hl und H2 über die Anzapfung .4 zur oberen Wicklungshälfte
und weiter zur Ableitung. Soll die Spannung z. B. um eine Stufe erhöht werden,
so, müssen, wie in Stellung IV gezeichnet, die Anzapfungskontakte 2 und 3
statt der bisherigen miteinander verbunden werden. Ohne Stromunterbrechung wird
dies durch die in den Zwischenstellungen II und III dargestellte abwechselnde Bewegung
der beiden Lastumschalterteile erreicht. In Stellung II ist in analoger Weise, wie
bei Abb. i beschrieben, die Widerstandshilfsverbindung zwischen dem in Betrieb bleibenden
Kontakt 3 und den beiden zu wechselnden Kontakten 4 und 2 hergestellt. In Stellung
III ist dann der Wechsel der Verbindung 3-4. nach 3-2 erfolgt, und in Stellung IV
ist die Widerstandshilfsverbindung der Stellung II wieder aufgehoben. Jetzt fließt
also der Betriebsstrom aus der unteren Wicklungshälfte über die Anzapfung 3, die
Hauptkontakte H2 und Hl und über die Anzapfung 2 zur oberen Wicklungshälfte und
weiter zur Ableitung.
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Abb.3 zeigt eine Stufenschalteinrichtüng für die Umschaltung von Anzapfungen
am Wicklungsnullpunkt eines Dreiphasentransformators. Hier ist im Gegensatz zu den
Stufenschalteinrichtungen. der Abb. i und 2 eine der möglichen Bewegungsarten der
beiden Kontaktträger mittels zweier um i8o° gegeneinander versetzter Exzentertriebe
dargestellt. Die in den Stellungen I bis III dargestellten je zwei Schnitte sind
wieder übereinanderliegend zu denken. Als Bewegungselement für den Lastumschalterteil
mit den Hauptkontakten Hl, H2, H3 dient eine elfzähnige Isolierscheibe, deren Zähne
von dem nach links stehenden Exzenter El in die links liegenden Zwischenräume
des zwölfteiligen Käfigs hineingedrückt werden,' Durch dieser. nach links gerichteten
Exzenterdruck werden auch die gefederten Hauptkontakte Hl, H2, Ha auf ihre feststehenden
Gegenkontakte,u3, v3, % gepreßt. Als Bewegungselement für den Lastumschalterteil
mit den Hilfskontakten H, H, lt, h2 dient ebenfalls eine elfzähnige Isolierscheibe,
deren Zähne durch einen zweiten nach rechts gerichteten Exzenter Er in die rechts
liegenden Lücken des zwölfteiligen Käfigs hineingedrückt werden. Durch diesen Druck
nach rechts sind die im linken Teil der Isolierscheibe befindlichen Hilfskontakte
von ihren Gegenkontakten abgehoben.
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Um die für die Umschaltung der Anzapfungen, die ganz _ähnlich wie
an Hand der Abb. i und 2 beschrieben vonstatten geht, erforderliche abwechselnde
Bewegung der beiden Lastumschalterteile zu erzielen, ist in vorliegendem Falle nur
eine Drehung der auf einer gemeinsamen Welle befestigten Exzenter
EI
und I:3- uni etwa 3G0`= in der gezeichneten Pfeilrichtung erforderlich. Da die beiden
Kutitaistträger nur eli Zähne hallen, die in die zwölf Zahnliicken zwischen den
Kontaktstäben des Käfigs eingreifen, bewegt sich jeder Lastumschalterteil nur um
eine Zahnteilung weiter, wenn die zugehörigen Exzenter eine volle Umdrehung innerhalb
der elfzähnigen Isolierscheibe gemacht haben. Das ist bei der Bewegung aus der Stellung
I in die Stellung 1II der Fall. Während in Stellung 1 die Kontakte z(3, v3, w3 durch
die Hauptkontakte zum Nullpunkt miteinander verbunden sind, sind in Stellung III
die Kontakte «t_. iß, v3 durch die Hauptkontakte zum \ ullpunkt vereinigt. Ein Wechsel
ist bei dieser Bewegung nur zwischen den Kotitalzten z(" und zE@; derselben Phasenwicklung
(W) erfolgt, während die Kontakte u3 und v3 der beiden anderen Phasenwicklungen
nach'-,vie vor in Betrieb sind. Damit nun die Hauptkontakte H" II., H3 finit
ihrem Lastuinschalterteil aus der Stellung I in die Stellung III bewegt werden können,
ohne daß hierbei eine Stromunterbrechung auftritt, müssen zunächst die Hilfskontakte
H, H, hl, h. die in der Stellung 1I rechts gezeichnete Hilfsverbindung zwischen
den Anzapfungen tt,1 und vs einerseits und den zu wechselnden Kontakten w_ und zus
andererseits herstellen. Dieser Zustand ist nach einer etwa iSo' betragenden Drehung
der Exzenter EI und Er erreicht. Die Haupt-Icoritalcte II1, II.,
H3 befinden sich hierbei in einer Zwischenstellung. Infolge der stetigen
Bewegung der Exzenter gibt es nach einer Drehung von etwa go° eine zwischen I und
1I liegende, nicht gezeichnete Stellung, bei der die Hilfskontakte des rechten Lastumschalterteils
ihre Gegenkontakte soeben berühren und die Hauptkontakte des linken Lastuinschalterteils
im Begriffe sind, ihre Gegenkontakte ;:u verlassen. Ebenso gibt es zwischen den
Stelhingen 11 und 111 nach etwa 270' Ezzenterbewegung eine nicht gezeichnete
Stellung, in der die Hauptkontakte des linken Lastunischalterteils ihre Gegenkontakte
soeben berühren und die iliifskontakte des rechten Lastumschalterteils im Begritt
sind, ihre Gegenkontakte zti # erlassen.
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1Tan kann, wie in :4bb. d. dargestellt ist, auch mit einem einzigen
Exzenter E eine abwechselnd nacheinander erfolgende Bewegung der beiden Lastuinschalterteile
erreichen. wenn man der Exzenterscheibe F, die auf dem Exzenter E läuft, zwei um
iSo° gegeneinander versetzte Abtriebe a. und b gibt, die in entsprechende
Schlitze der beiden Lastunischal' erteile eingreifen. Die einzelnen Stellungen I
bis 1II geben über die nacheinander erfolgende Bewegung der beiden Lasiurnschalterteile
Aufschluß. Auf die schalttechnische Anordnung der Haupt- und Vorkontakte bei der
Stufenschalteinrichtung nach Abb.4 soll hier nicht eingegangen werden.
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In Abb. -. bewegen sich beide Lastumschalterteile uni die Achse des
Käfigs, so daß also die einzelnen Kontakte Hi, hi, H2, h2 Tangentialbewegungen entlang
der Kontaktbahn ausführen. Die Länge der Kontaktbahn wird zwar durch die abwechselnd
nacheinander erfolgende Bewegung der beiden Lastumschalterteile gegenüber den bisher
bekannten Ausführungsarten etwa auf die Hälfte herabgesetzt; der Einfluß der tangential
bewegten Hauptkontakte im Sinne einer elektrischen Verkleinerung des mechanisch
vorhanden:n Abstandes zwischen den einzelnen festen Kontakten bleibt jedoch bei
dieser Ausführungsart erhalten.
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Die Ausführungsart nach Abb. 3 1)eseitigt auch diesen Einfluß durch
die anders geartete Bewegung der Lastumschalterteile. In Abb. 3 machen die beweglichen
Haupt- und Hilfskontakte mit ihren Exzenterscheiben relativ zu den festen Kontakten
sogenannte Zykloidenbewegungen, indem sie sich bei der Bewegung von einem Kontakt
zum nächsten radial von (lern Kontakt abheben, dann tangential zum nächsten Kontakt
hinübergleiten und dort wieder radial auftreffen. Wie eingangs beschrieben, wird
hierbei der Abstand der festen Kontakte nicht unnötig durch die Breite des beweglichen
Kontaktes vermindert. Die weitestgehende Verkleinerung der Kontaktbahn oder des
Kontaktkreisdurchmessers erreicht man also mit zwei Exzentern, entsprechend Abb.
3. Diese Ausführungsart ist also besonders für große Stufenzahlen in der Herstellung
am billigsten. Für kleine Stufenzahlen reicht die Ausführungsart nach .'ebb. -4
ohne weiteres aus. und für mittlere Stufenzahlen läßt sich noch eine dazwischenliegende
Ausführung herstellen, bei der die Ililfskontakte mit dein einen Lastunischaiterteil
zykloidenförinig bewegt werden, während die Hauptkontakte mit dem anderen Lastuinschaiterteil
durch mir einen uni i8:0° gegen die Hilfskontakte versetzten Abtrieb kreisförmig
uni die Käfigachse bewegt werden.
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Bei den Stufenschalteinrichtungen nach Abb. 4 und 5, die sich besonders
für die beiden Fälle eignen, wo die Anzapfungen an der Wicklungsmitte bzw. am Nullpunkt
angebracht sind, tragen die beiden Lastumschalterteile je einen bzw. zwei Hauptkontakte
und dazu einen Hilfskontakt, der beim einen Lastumschalterteil links und beim anderen
Lastunischalterteil rechts vom Hauptkontakt angeordnet ist. Die Wirkungsweise und
der Schalt%-organg sind durch Vergleich der Abb.4 und 5 finit den Abb. 2 und 3 und
den hierzu gegebenen Erklärungen ohne weiteres
verständlich, wenn
man bedenkt, daß durch die direkte, metallische Verbindung der Stromanschlußpunkte
beider Lästümschalterteile nur eine andere Verteilung der Kontakte auf die beiden
Teile, nicht aber eine Änderung der Schaltfolge bewirkt wurde. In der Abb. 5 ist
des besseren Verständnisses halber die Bewegungseinrichtung weggelassen; die Bewegung
kann jedoch in der gleichen Weise wie in Abb. 4 gezeichnet erfeilgen.
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Bei allen vorbeschriebenen Stufenschalteinrichtungen werden zur Ermöglichung
der Umschaltung der Hauptkontakte von einer Kontaktverbindung zur nächstgewünschten
mit Hilfe der Hilfskontakte und der überschalt-,,viderstände Hilfsverbindungen geschaffen,
bei denen der Betriebsstrom bzw. der Ausgleichsstrom zwischen den zu wechselnden
Anzapfungen durch die Überschaltwiderstände hindurchfließen muß. Um nun die Widerstände
möglichst klein halten zu können, damit sie auf den Lastumschalterteilen zusammen
mit den Hilfskontakten angebracht werden können, ist es erforderlich, durch geeignete
Mittel dafür zu sorgen, daß die Einschaltdauer der Überschaltwiderstände möglichst
kurz gehalten wird. Der gesamte Schaltvorgang muß deshalb sehr schnell ausgeführt
werden. Das kann man durch die Anordnung eines an sich bekannten Federkraftspeichers
an der Hauptwelle erreichen. Dieser Kraftspeicher wird durch den Hand- oder motorischen
Antrieb langsam aufgeladen, während die Hauptwelle durch ein Klinkgesperre in der
Bewegung gehindert wird. Ist der Federkraftspeicher aufgeladen, so wird die Verklinkung
gelöst, und die Hauptwelle kann nun die gesamte Schaltbewegung kurzzeitig ausführen.