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Stufenschaltung zur Regelung elektrischer Stromkreise Stufenschaltungen
sind für verschiedene Zwecke in Anwendung, insbesondere bedient man sich ihrer zur
Regelung der Motoren von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Es ist bekannt, die
Spannung eines Wechselstromes dadurch zu verändern, daß Umspanner auf der Hoch-
oder auf der Niederspannungsseite in Stufen oder stufenlos geschaltet werden. Dies
geschieht gewöhnlich in der Weise, daß jeder Anzapfung des Umspanners z. B. ein
Nockenschalter oder ein Schütz zugeordnet ist, und diese Einzelschalter werden nacheinander
zu- oder abgeschaltet. Damit unter Last ohne Leistungsunterbrechung geschaltet werden
kann und keine Stufenkurzschlüsse entstehen, werden Drosselspulen oder Ohmsche Widerstände
beim Übergehen von der einen Stufe zu der anderen eingeschaltet.
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Bei den üblichen Schlittensteuerungen laufen zwei Gleitkontakte oder
Kontaktschlitten an den Stufen bzw. Anzapfungen des Umspanners entlang, wobei zwischen
die Kontaktschlitten Drosseln eingeschaltet sind, um auch hier Stufenkurzschlüsse
zu vermeiden. Um die Kontaktbahn sauberzuhalten, ist jedem Kontaktschlitten gewöhnlich
noch ein Leistungsschalter zugeordnet.
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Bei stufenloser Schaltung wird ein Kontaktschlitten entweder unmittelbar
an der blankgemachten Hoch- oder Niederspannungswicklung entlang geschaltet, oder
es werden, insbesondere auf Schienenfahrzeugen, die Spannungen zwischen
je
zwei nebeneinanderliegenden Umspanneranzapfungen durch einen eine Drossel induktiv
beeinflussenden Feinregler feinstufig derart geregelt, daß die den Anzapfungen zugeordneten
Einzelschalter spannungslos ein- und ausgeschaltet werden. Den Schlittensteuerungen
ist wegen der Reibung; die infolge der hohen Kontaktbrücke bei hohen Stromstärken
eintritt, eine Grenze gesetzt. Die Steuerung mit Einzelschaltern in Gestalt von
Nockenschaltern oder magnetisch bzw. elektropneumatisch bedienten Schützen erfordert
einen großen Aufwand an Werkstoff, Arbeit und Unterbringungsraum.
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Es sind außerdem Stufenschalter bekannt, bei denen der Antrieb der
Einzelschalter durch Triebstocke erfolgt und bei denen Kontaktbrücken von kreisförmig
angeordneten Stufenkontaktbahnen und Stromschienen abgehoben, dann umgesetzt und
wieder an die festen Kontakte angelegt werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stufenschalter der zuletzt erwähnten
Art und besteht darin, daß die als Nockenschalter ausgebildeten Einzelschaltzeuge
durch auf einer Antriebswelle angeordnete Treiber zweier Triebstockgetriebe angetrieben
werden und je ein Treiber die Kontaktgabe und je ein anderer Treiber die Bewegung
des gesamten Nockenschalters herbeiführen.
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Die Erfindung ermöglicht es, unbegrenzt hohe Stufenzahlen und Stromstärken
in beliebigen Schaltfolgen mit nur wenigen Einzelschaltern zu beherrschen, wobei
der bewegliche Kontakt unmittelbar nacheinander die benachbarten festen Kontakte
beschaltet. Zum Schalten unter Last ohne Leistungsunterbrechung können Ohmsche Widerstände,
Schaltdrosseln oder induktiv durch Feinregler beeinflußte Drosselspulen, sogenannte
Zusatzumspanner, verwendet werden. Der Antrieb kann von Hand oder durch eine Hilfskraft
erfolgen.
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Den Stufen-Einzelschaltern können Leistungs-Nockenschalter zugeordnet
sein, die von der gleichen Antriebswelle, z. B. über ein Malteserkreuzgetriebe und
Triebstöcke, in Zwangsschaltung abwechselnd eingeschaltet werden, nachdem die Schließung
der Stufenkontakte durch die Nockenschalter stattgefunden hat, und wiederum geöffnet
werden, bevor die Stufen-Nockenschalter ihre Kontakte öffnen. Gegenüber den bekannten
Stufensteuerungen mit Einzelschaltern werden ganz wesentliche Einsparungen erzielt.
Das Gewicht einer Lokomotivsteuerung. für achtzehn Stufen beträgt z. B. etwa io5o
kg. Wird dieselbe Steuerung gemäß der Erfindung ausgebildet, so. beträgt das Gewicht
nur noch etwa 5oo kg. Selbst wenn man die Stufenzahl verdreifachen würde, würde
das Gewicht der ganzen Schaltwerksausrüstung nur unwesentlich erhöht werden, denn
es kommen keine Einzelschalter hinzu, sondern nur Stufenkontakte. Zur Bewältigung
größerer Stufenzahlen können die festen Stufenkontakte auf einer Schraubenlinie
angeordnet werden, und es ist dann möglich, die beweglichen Einzelschalter auf einem
Kreisbogen von mehr als 36o° zu bewegen. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
für die Erfindung und bekannte Schaltungsbeispiele dargestellt, in Verbindung mit
denen die Erfindung anwendbar ist. In Fig: i ist mit i eine Antriebswelle bezeichnet,
auf der die Treiber :2 bis 5 für auf der Welle 18 drehbare Triebstockräder
6 bis 9 undrehbar befestigt sind. Die Treiber haben je drei Treibrollen io. Die
Anzahl der letzteren kann jedoch verschieden sein und sich im einzelnen oder insgesamt
entsprechend den Erfordernissen ändern. Die Triebstockräder 6 und 8 sind mit Nockenscheiben
ii und 12 fest verbunden, während an den Triebstockrädern 7 und 9 Hebel 13 und 14
angebracht sind. Die Triebstockräder 6 bis 9 werden durch Rastenhebel 15 mittels
Federn 16 in den einzelnen Schaltlagen festgehalten. Einfachheitshalber können die
Rasten durch die Triebstockzähne selbst gebildet werden und sind um Bolzen 17 drehbar.
Anden Hebeln 13 und 14 sind bei i9 Doppelhebel angelenkt, deren Hebelarme 2o und
21 mit ihren Rollen auf den Nockenscheiben ii und i2 laufen und durch Federn 22
gegen die Nockenscheiben gezogen werden. Die Hebelarme 23 und 24 tragen in den Gelenken
25 je zwei Kontaktgelenkstücke 26, 27 und 28, 29, die wälzkontaktartig von Federn
gegen Anschläge der Hebelarme 23 und 24 gehalten werden. Diese Federn ergeben den
erforderlichen Kontaktdruck, der bei den in Frage kommenden Stromstärken verhältnismäßig
sehr hoch ist. Die Umspanneranzapfungen sind mit T1, T2, T3 und T4 bezeichnet und
auf Kreisbögen angeordnet. Die beiden kreisbogenförmigen Seitenanschlüsse einer
Schaltdrossel oder eines Zusatzumspanners sind mit U und V bezeichnet.
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Die links der strichpunktierten, senkrechten Linie in Fig. i gezeichneten
Teile bilden einen Nocken-Schalter S1 und die auf der anderen Seite gezeichneten
Teile den Nockenschalter S2. Bei der in Fig. i gezeichneten Lage verbindet der Schalter
S1 die Umspanneranzapfung T2 mit der U-Schiene und der Schalter S2 die Umspanneranzapfung
T1 mit der V-Schiene (Schaltstellung 3 gemäß Fig. 5 und 6). - Beim Weiterschalten
treibt infolge der Drehung der Welle i in Pfeilrichtung die Triebrolle i o des Treibers
4 das Triebstockrad 8 und damit die Nockenscheibe 12. Der doppelarmige Hebel 24:24
wird um den Bolzen i9 durch die Zugfeder 22 in eine Vertiefung der Nockenscheibe
12 gezogen, die Kontakte 28 und 29 wälzen sich ab und beginnen sich zu öffnen. Während
der weiteren Öffnungsbewegung und der anschließenden Schließbewegung der Kontakte
greift der Treiber 5 der Welle i in das Triebstockrad 9 und dreht dieses und den
Hebel 14 so weit, bis der Kontakt 28 unter der Anzapfung T2 liegt. In diesem Augenblick
gelangen die Kontakte wieder in ihre Schließlage, und der Kontakt 28 wird auf die
Anzapfung T2 und der Kontakt 29 auf die Y-Schiene gedrückt. Damit ist die nächste
Schaltstellung erreicht (Stellung 4 in Fig. 5 und 6).
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Während dieser Vorgänge stehen die Triebstockräder 6 und 7 des Nockenschalters
S1 still, weil die Treiber 2 und 3 gegenüber den Treibern 4 und 5
um
eine halbe Triebrollenteilung versetzt sind. Bei weiterer Drehung der Welle i wird
ein gleichartiger Schaltvorgang für den Schalter Si ausgeführt, der von der Anzapfung
T2 auf die Anzapfung T3 umgeschaltet wird. Die Folge des Kontaktöffnens, des Drehens
des Nockenschalterarmes und des Kontaktschließens wird durch verschiedene Durchmesser
der Treib- und Triebstockräder bei gleicher Treibrollenteilung und mittels entsprechender
Ausbildung der Nockenscheiben erreicht.
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In Fig.2 und 3 sind Schnitte für die Seitenansicht der Kontaktgelenke
mit verschiedenartig angeordneten Gelenkkontakten dargestellt.
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In Fig. q. sind auf der rechten Seite dieselben Schalter S1 und S2
wie in Fig. i dargestellt, während auf der linken Seite zwei Schalter Us und hs
für die Leistungsschalter gezeichnet sind, wie sie bei der Schaltung gemäß Fig.
7 und 8 zur Anwendung kommen. Bei Anwendung solcher Leistungsschalter können die
Kontakte der Schalter S1 und S2 aus Sparstoff, z. B. einer Kupfer-Aluminium-Legierung
hergestellt werden, da diese Kontakte nur noch zur Kontaktgebung, nicht jedoch zum
Unterbrechen und Schließen unter Strom benutzt werden. Die erforderliche Teil-Leistungsschaltung
durch zwei besondere Schalter ermöglicht es, die Überwachung und Unterhaltung der
sich abnutzenden Kontakte auf zwei Kontaktpaare herabzusetzen und die Zugänglichkeit
zu diesen baulich besonders zu berücksichtigen.
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Nach Fig. 4. wird die Antriebswelle 30 für die Leistungsschalter
unmittelbar von der Welle i der Schalter S1 und S2 angetrieben, und zwar durch Stirnräder.
Zum abwechselnden Schalten der Leistungsschalter Us und Vs sind auf einer Zwischenwelle
31 Treibräder 32 und 33 aufgekeilt, die die Triebstockräder 34 und 315 antreiben.
Mit den Rädern 34 und 35 sind Doppelnockenscheiben 36 und 37 verbunden, die die.
Leistungsschalter in an sich bekannter Weise im Sinne des Ein- und Ausschaltens
zwangsweise steuern. Bei dieser Steuerung wird ein sicheres Schließen der Kontakte
und beim Festbrennen derselben ein Aufreißen herbeigeführt. Irgendwelche Verriegelungen,
wie sie sonst für-Umspanner-Stufenschaltungen erforderlich sind, können hierbei
entfallen.
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Damit die Schalter S1 und S2 leistungslos schalten, wird die Zwischenwelle
31 von einem Malteserkreuzgetriebe 38, 39 bewegt, durch das eine rasche Anfangs-
und Endbewegung der Welle 31 hervorgerufen wird. Die Reihenfolge der Bewegungen
ist dabei eine solche, daß zunächst der Schalter Vs und dann der Schalter S2 öffnen,
hiernach der Schalter S2 gedreht und wieder geschlossen wird, worauf auch wieder
der Schalter Vs in die Schließlage gelangt. Ebenso verlaufen die Steuerbewegungen
in entsprechender Weise bei den Schaltern Us und Si.
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In Fig. 5 und 7 sind zwei bekannte Wechselstromschaltungen dargestellt
und in Fig. @6 und 8 die zugehörigen Schalttakttabellen. Fig.5 veranschaulicht eine
Feinreglersteuerung mit zwei Zusatzumspannern Z1 und Z2, mit der bei sechzehn Umspanneranschlüssen
zweiunddreißig Spannungsstufen erreichbar sind. Ein Teil der Bezugszeichen ist aus
Fig. i übernommen, und mit F ist der Feinregler bezeichnet. Aus Fig. 6 ist ersichtlich,
an welcher Anzapfung jeweils der Schalter S1 oder S2 liegt. Die Schaltstellungen
sind mit o, i, 2, 3 ... 32 bezeichnet.
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Fig. 7 zeigt eine Schaltung üblicher Art für die Spannungsreglung
.am Umspanner; es sind hier jedoch Leistungsschalter Us und Vs entsprechend der
Fig. q. angewendet, die mit den Nockenschaltern S1 und S2 an den Anzapfungen T1,
T3, T5 ... T35 bzw. T2'7'41 TO . . . T., entlang geschaltet werden.
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Es sind natürlich verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele
möglich, ohne daß der Boden der Erfindung verlassen wird. An Stelle der Nockenschalter
können irgendwelche Schütze oder andere Einzelschalter zur Anwendung kommen. An
Stelle der Nockenscheiben i i und i2 treten dann Kontakteinrichtungen, mit denen
die Steuerstromkreise der Schütze geschlossen und geöffnet werden. Wenn die Möglichkeit
besteht, an Stelle der Nockenscheiben 36 und 37 gemäß Fig. q. Steuerwalzen größeren
Durchmessers anzuwenden, so können die Triebstockgetriebe 32, 34. und 33, 35 gegebenenfalls
fortfallen.