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Lastumschalter für Stufentransformatoren Ein Lastumschalter üblicher
Bauart erfüllt seine Aufgabe, den Betriebsstrom von der bisher eingeschalteten Transformatoranzapfung
auf die nächste umzulegen, mittels mehrerer Haupt- und Hilfskontakte und zwischen
diese geschalteter Überschaltwiderstände, die durch einen geeigneten Schaltmechanismus
in der erforderlichen zeitlichen Schaltfolge und mit der erforderlichen Schaltgeschwindigkeit
nacheinander ein- und ausgeschaltet werden. Drei in der Praxis bekannte Ausführungsformen
zeigen beispielsweise die zu den Patenten 474 613, 6q:8 6oo und 707 188 gehörigen
Abbildungen. Es liegt auf der Hand, daß die Zeitfolge der Kontaktein- und -ausschaltungen,
die bei Anwendung Ohmscher Überschaltwiderstände in einer möglichst kleinen Gesamtzeit
ablaufen sollen, und die Ausschaltgeschwindigkeit aller Kontakte, die wegen der
sicheren Lichtbogenlöschung möglichst groß sein soll, wesentlich durch dreierlei
bedingt sind, nämlich einmal durch die räumliche Anordnung der festen und beweglichen
Haupt- und Hilfskontakte, dann durch die Kinematik der beweglichen Kontakte und
schließlich durch den Geschwindigkeitsverlauf des primären Antriebsorgans. Es ist
Sache des Konstrukteurs, diese Voraussetzungen bei der Konstruktion zu berücksichtigen.
Bei den stets wachsenden Leistungen der Stufentransformatoren ergaben sich so Lastumschalterdimensionen,
die schon aus Festigkeitsgründen große zu bewegende Massen und damit eine teuere
Bauart bedingten. Zusätzliche Dimensionsvergrößerungen verlangten zwei bis jetzt
für unvermeidbar gehaltene Erscheinungen, die fabrikatorischen Ungenauigkeiten an
den Lastumschalterkontakten und der Einfluß des Kontaktabbrandes auf den zeitlichen
Ablauf der Einzelschaltvorgänge.
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Die Erfindung vergrößert die Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit durch
eine in den entscheidenden Momenten der stetigen Hauptbewegung der Kontakte
überlagerte
unstetige Zusatzbewegung und verwendet hierzu technische Mittel, die außerdem den
Einfluß fabrikatonischer Ungenauigkeiten an den Lastumschalterkontakten wie auch
ihres stetig zunehmenden Kontaktabbrandes auf die Zeitdauer der gesamten Umschaltbewegung
beseitigen und damit die Gesamtumschaltzeit auf das geringstmögliche Maß reduzieren.
Bezogen auf die gleiche Schaltgeschwindigkeit, die sich bekanntlich aus den Löscherfordernissen
der Schaltlichtbögen zwangsläufig ergibt, bringt die Erfindung kleinere Abmessungen
mit sich, vermindert damit die Masse der bewegten Lastumschalterteile und setzt
dadurch die bei der Schnellumschaltung auftretenden Materialbeanspruchungen herab.
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Der Gegenstand der Erfindung verwirklicht die Vergrößerung der Ein-
und Ausschaltgeschwindigkeit der beweglichen Kontakte dadurch, daß deren Bewegung
von zwei Elementen bestimmt wird. Es sind dies das Antriebsorgan des beweglichen
Lastumschalterteiles und der jeweils eingeschaltete Haupt-oder Hilfskontakt. Das
Antriebsorgan überträgt auf alle ein- oder ausschaltenden Kontakte mit Hilfe der
üblichen, zum Teil bisher schon bei der Konstruktion von Lastumschaltern angewandten
kinematischen Mittel eine stetige Hauptbewegung, die in ihren einzelnen Phasen selbst
beschleunigt bzw. verzögert verläuft. Der jeweils eingeschaltete Kontakt zwingt
den vermöge der vorgenannten stetigen Hauptbewegung in der Ein- bzw. Ausschaltung
befindlichen, mit ihm über einen gemeinsamen Lenker verbundenen Kontakten zusätzlich
eine unstetige Zusatzbewegung auf, die in zeitlicher Addition mit der stetigen Hauptbewegung
die erwünschte und tatsächlich erfolgende kombinierte Bewegung der Schaltkontakte
ergibt. Daß ein ruhender eingeschalteter Kontakt auf andere bewegte Kontakte überhaupt
eine Zusatzbewegung übertragen kann, ist durch die Tatsache bedingt, daß der ruhende
eingeschaltete Kontakt über einen durch das Antriebsorgan direkt oder indirekt bewegten
gemeinsamen Lenker mit den übrigen in der Ein- oder Ausschaltbewegung begriffenen
Kontakten gelenkig verbunden ist und so auf diese je nach der Bewegungsrichtung
des Lenkers geschwindigkeitserhöhend bzw. -erniedrigend einwirken kann. Es handelt
sich also bei der aufgezwungenen unstetigen Zusatzbewegung um eine sogenannte Relativbewegung,
und es ist durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kinematik des Kontaktlenkers
und seiner Verbindung zu den Schaltkontakten möglich, den ein- bzw. ausschaltenden
Kontakten gerade im entscheidenden Moment der Kontaktschließung bzw. Kontaktöffnung
die größte Zusatzbewegung in der gewünschten Richtung zu geben.
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Gleichzeitig werden, mit der ursächlichen Abhängigkeit dieser Zusatzbewegung
von der Tatsache der wirklich erfolgten Einschaltung des die Zusatzbewegung auslösenden
Kontaktes, auch die Auswirkungen fabrikatonischer Ungenauigkeiten an den Lastumschalterkontakten
wie auch ihres zunehmenden Kontaktabbrandes ausgeschaltet. Es brauchen also keine
zusätzlichen Sicherheitswege der Kontakte zwecks zeitlicher Überlappung der Kontaktschlüsse
mehr vorgesehen zu werden; denn es beginnt beispielsweise die Zusatzbewegung beim
ausschaltenden Kontakt in unstetiger Weise plötzlich einsetzend erst in dem Moment,
wo der steuernde Kontakt tatsächlich eingeschaltet ist, und die Zusatzbewegung für
den einschaltenden Kontakt endet ebenso unstetig in dem Moment seiner tatsächlichen
Einschaltung und kommt von da ab dem nächst ausschaltenden Kontakt diesen beschleunigend
zugute. So ist bei der Lastumschaltbewegung aus der Anfangsstellung in die Endstellung
für jeden Lastschaltkontakt eine ständige Abwechslung zwischen Vergrößerung seiner
Einschaltgeschwindigkeit bis zum Moment der tatsächlichen Einschaltung und von da
ab Vergrößerung seiner Ausschaltgeschwindigkeit fortschreitend vom ersten bis zum
letzten über den Lenker gekuppelten Schaltkontakt erreicht.
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Die Anwendung der Erfindung bringt eine besonders erhebliche Dimensionsverkleinerung
bei allen Lastumschaltern mit Anordnung der festen Haupt-und Hilfskontakte auf kreisförmigen
oder kreisbogenförmigen Kontaktträgern. Die Anwendung der Erfindung ist auch besonders
geeignet für Lastumschalter, bei denen mehrere Überschaltwiderstände über entsprechende
Kontaktpaare zu gleicher Zeit eingeschaltet werden sollen, um eine Stromteilung
auf mehrere Widerstandsstromzweige zu erreichen und durch nacheinander erfolgendes
Ein- und Ausschalten solcher paralleler Stromzweige nur kleine Lichtbogenstromstärken
an den Schaltkontakten unterbrechen zu müssen, was der Lebensdauer der Kontakte
in hohem Maße zugute kommt.
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Drei mögliche Ausführungsarten sind in den Abb. i, q. und 5 dargestellt
und im nachstehenden erläutert. Die Abb. 2 und 3 geben Wegkurven und Geschwindigkeitskurven
wieder, aus denen die Auswirkung der überlagerten unstetigen Zusatzbewegung auf
die Ein-und Ausschaltgeschwindigkeit zu ersehen ist.
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Abb. i zeigt beispielsweise für einen Lastumschalter, dessen vier
feste Schaltkontakte Ha, laa, hb, Hb auf einem vollkreisförmigen Kontaktträger Tu
verteilt angeordnet sind, wie die Problemlösung mittels eines sternförmigen Lenkers
L, der mit den beweglichen Kontakten K1, K2, K3 über Stoßstangen L1, L2, L;, verbunden
ist, möglich ist und wie der Umschaltvorgang aus derAnfangsstellung i bis zurEndstellung
13 bei Lastumschaltern mit Ohmscher Spannungsteilerschaltung (Jansenschalter) in
mehreren Phasen vonstatten geht.
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Die beiden zu wechselnden Transformatoranzapfungen A und B gehen an
die festen Hauptkontakte Ha und Hb. Von dort führen Strompfade über
die Überschaltwiderstände Wa bzw. Wb zu den beiden Hilfskontakten ha und
hb. Die Stromableitung Al
geschieht von dem Mittelpunkt des beweglichen Kontaktsystems
K1, If2, K,; aus. Diese Kontakte sind auf einem kreisförmigen Kontaktträger Ti angebracht,
der mit Hilfe einer Außenverzahnung i bis i2 in einer auf dem Kontaktträger Tu der
festen Kontakte angebrachten Innenverzahnung i bis 16 derart abrollt, daß der Kontakt
El sich bei einer vollen Umschaltbewegung von dem einen Hauptkontakt Ha (Stellung
i) im Bogen nach rechts zum anderen Hauptkontakt Hb (Stellung 13) bewegt
(vgl.
Abb. 2). Die Abrollung von Ti in Ta geschieht in bekannter Weise mit Hilfe eines
Antriebsorgans An,
das sich unter dem Einfluß der Antriebskraft um die Mittelachse
M von Ta dreht und die Mittelachse m
von Ti im Kreise herumschwenkt.
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Aus der Betrachtung der Stellungen 1, 5, 9, 13 ist zu ersehen, daß
jeweils derjenige Kontakt zum Tragen kommt, der in der Pfeilrichtung des Antriebsorgans
An
liegt. Da dieser Pfeil infolge des Abrollens von Ti in dem festen Kontaktkreis
Ta nacheinander in Richtung zu jedem der festen Kontakte kommt, ist es verständlich,
daß dadurch die vom Konstrukteur im voraus gewollte Kontaktfolge zustande kommt.
Aus den Stellungen 3, 7, 11 ist jedoch des weiteren zu ersehen, daß bei der Weiterbewegung
von einer Einschaltstellung zur anderen (i nach 5, 5 nach 9, 9 nach 13) jeweils
eine Mittelstellung entsteht, in der der Pfeil mitten zwischen zwei festen Kontakten,
z. B. Ha
und ha in Stellung 3, hindurchgeht und infolgedessen zwei
bewegliche Kontakte, z. B. K1 und K2, zwei feste Kontakte, z. B. Ha und
ha, berühren und mit der Ableitung Al verbinden. Um diese für den
unterbrechungslosen Übergang notwendige gleichzeitige Einschaltung zweier benachbarter
Kontakte zu ermöglichen, können sich die drei beweglichen Lastschaltkontakte K1
bis K3 in Schlitzführungen ihres Kontaktträgers Ti in radialer Richtung bewegen.
Ihre Bewegung ist jedoch nicht frei, sondern zwangsläufig, denn sie sind über Stoßstangen
.41 bis L3 mit den Armen eines um die Mittelachse m des beweglichen Kontaktsystems
drehbaren Lenkersternes L verbunden. Dieser Stern L erzwingt eine gleichzeitige
Bewegung aller drei Lastschaltkontakte K1 bis K3 relativ zur Mittelachse m um das
gleiche radiale Maß. Eine an dem Stern L angreifende Feder F sorgt außerdem dafür,
daß stets eine Tendenz vorhanden ist, die drei Lastschaltkontakte K1 bis K3 möglichst
weit aus ihrem Kontaktträger Ti herauszuschieben. Diese Tendenz findet ihre Begrenzung
nicht durch einen Anschlag innerhalb des Kontaktträgers Ti, sondern nur durch die
solide Auflage eines der Kontakte K1 bis K3 auf einem der zugeordneten festen Gegenkontakte
Ha oder ha oder hb oder Hb.
In den Mittelstellungen, z. B. der
vorbehandelten Stellung 3, liegen kurzzeitig zwei Kontakte, z. B. K1 und K2, auf.
Da rein geometrisch gesehen diese Mittelstellung des Antriebsorgans An zu Ha
und ha nur in einem einzigen Punkt seiner Kreisbahn gegeben ist, kann auch
die Zeit des gleichzeitigen Kontaktschlußes von Ha und ha nach
Al nur einen kurzen Augenblick dauern (oszillographische Messungen ergeben
2 bis 3/100o Sek.).
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Eine genaue Betrachtung der Bewegungsvorgänge in den Zwischenstellungen
3, 7 und ii zeigt, daß die zeitliche Kontaktüberlappung, d. h. die Zeitdauer, während
deren die je zwei Kontaktpaare, z. B. Ha + K1 und ha + K2 in Stellung
3, gleichzeitig eingeschaltet sind, unabhängig von irgendwelchen fabrikatorischen
Ungenauigkeiten und unabhängig von dem Abbrand der einzelnen Schaltkontakte immer
nur einen winzigen Augenblick dauert. Fabrikatorische Ungenauigkeiten und Kontaktabbrand
sind nur imstande, den Zeitpunkt des Kontaktwechsels eine Kleinigkeit früher oder
später zu legen, was aber belanglos ist. Wichtig ist, daß von der Gesamtumschaltdauer,
die möglichst voll der Lichtbogenlöschung zugute kommen sollte, keine Zeitspannen
für die bei früheren Lastumschaltern notwendige Kontaktüberlappung abgezweigt zu
werden brauchen und damit die Gesamtumschaltdauer verkürzt werden kann durch Erhöhung
der Winkelgeschwindigkeit von m um M. Dadurch wächst die Kontaktöffnungsgeschwindigkeit.
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Diese wird aber in noch höherem Maße durch die vom gemeinsamen Lenker
L übertragene unstetige Zusatzbewegung gesteigert. Die Zusatzbewegung kommt wie
folgt zustande Wäre jeder der drei beweglichen Kontakte K1 bis K3, wie bei bisherigen
Lastumschaltern üblich, unabhängig vom anderen für sich gefedert, so würde er vor
der Kontaktabhebung so lange auf seinen Gegenkontakt, z. B. K1 auf Ha von
Stellung i bis 3, liegenbleiben, bis er durch einen Anschlag mitgenommen würde.
Seine Öffnungsgeschwindigkeit wäre dann nur gleich der örtlichen Geschwindigkeit
des Kontaktträgers Ti am Punkt K1, und er würde sich nur so schnell von seinem Gegenkontakt
Ha
entfernen, wie es durch die Bewegung des Kontaktträgers Ti ermöglicht wird.
Durch die Anwendung des gemeinsamen Kontaktlenkers L wird jedoch K1 bei der Weiterbewegung
aus der Stellung 3 nicht nur mit der örtlichen Geschwindigkeit des Kontaktträgers
Ti am Punkt K1 von Ha wegbewegt, sondern K1 erhält außerdem noch von seinem
Bruderkontakt K2, der bei der Weiterbewegung aus Stellung 3 durch die Auflage auf
ha in seinen Kontaktträger Ti zurückgedrückt wird, über den Lenkerstern L
eine zusätzliche, ihn zurückziehende Bewegung. So löst sich K1 infolge der Anwendung
der gemeinsamen Kontaktlenkung durch den Lenkerstern L mit der doppelten Geschwindigkeit
von Ha ab, wie sie im Falle der früher üblichen, einzeln bis zu einem Anschlag
federnden Kontakte vorhanden sein würde. Diese Tatsache der Geschwindigkeitsverdoppelung
der Kontaktöffnung durch die unstetige Zusatzbewegung gestattet gegenüber den bisher
üblichen Konstruktionen mit einzeln bis zu einem Anschlag gefederten Kontakten ohne
unstetige Zusatzbewegung eine wesentliche Verminderung der Lastumschalterdimensionen
und der Masse der bewegten Teile.
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Abb.2 zeigt mit dick ausgezogenen Linien die Bewegungskurven der Fußpunkte
der drei Kontakte K1 bis K3 von der Anfangsstellung i zur Endstellung 13. Die dünn
gezeichneten Kurven geben die stetigen Hauptbewegungen der den Fußpunkten der drei
Kontakte auf dem Kontaktträger Ti entsprechenden drei Punkte i in der Nähe von 1,
5, 9 an. Ein Vergleich der Abstände der auf beiden Kurven angegebenen Zwischenstellungspunkte
2 bis 12 voneinander, wobei insbesondere im Moment der Kontaktausschaltung die gegenseitige
Entfernung zweier benachbarter Punkte jeder Kurve von Bedeutung ist (Stellungen
3 bis q., 5 bis 6, 9 bis io), zeigt die wegverdoppelnde Wirkung der unstetigen Zusatzbewegung.
Noch
besser geht das aus den voll ausgezogenen bzw. gestrichelten Geschwindigkeitskurven
der Abb.3 hervor. Diese beziehen sich auf die Öffnung des Kontaktpaares Ha-KI bei
der in Abb. 2 dargestellten Bewegung des abrollenden Kontaktträgers Ti aus der Stellung
i zur Stellung 13. Da diese von der nach kurzem Anlauf stetig verlaufenden Bewegung
des Antriebsorgans Ara herrührt, kann man die aus den Stellungen i bis 13
der Abb. 2 gewonnenen Kontaktwege unmittelbar mit den Zeiten t1 bis t13 der Abb.
3 in Beziehung bringen. So ist die in Abb. 3 strichpunktiert gezeichnete Weg-Zeit-Kurve
s1= f (t)
aus der Abb. 2 durch Abgreifen der in den einzelnen Stellungen i
bis 13 zwischen den beiden sich öffnenden Kontakten Ha und K1 vorhandene
Entfernungen s$ gewonnen. Zur gestrichelt gezeichneten Geschwindigkeits-Zeit-Kurve
der stetigen Hauptbewegung gelangt man dann durch Differenziation. Es ergibt sich
eine sinusähnliche Kurve, der sich nun die unstetige Zusatzbewegung so überlagert,
daß die senkrecht schraffierten Minuswegflächen und die waagerecht schraffierten
Pluswegflächen entstehen, die sich während der Gesamtbewegung dreimal zu Null ausgleichen.
Die resultierende, tatsächlich auftretende Kontaktgeschwindigkeit ist also durch
die voll ausgezogene unstetige Kurve
dargestellt, die der in Abb. 2 gleich dick ausgezogenen Bewegungskurve entspricht.
Nur die Übergänge von Minus zu Plus in den Kontaktstellungen 3, 7, 1i erfolgen unstetig,
während die Übergänge von Plus zu Minus in den Volleinschaltstellüngen 5 und g (Einschaltung
der Kontakte ha und hb) stetig verlaufen. Der durch die Erfindung angestrebte Effekt
einer Vergrößerung der Einschaltgeschwindigkeit von den Wechselstellungen 3 und
7 und der Ausschaltgeschwindigkeit nach diesen Stellungen ist also voll erreicht.
Das Ausmaß der Geschwindigkeitsvergrößerung weist die voll ausgezogene Kurve der
Abb. 3 an dem für das Hauptkontaktpaar Ha-K1 entscheidend wichtigen Zeitpunkt
t -- 3 als volle Verdoppelung aus (ra bzw. 2 ra in Abb. 3).
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Die Abb. q. und 5 geben Beispiele für eine andersartige Gestaltung
des die unstetige Zusatzbewegung vermittelnden Kontaktlenkers für den Fall der Unterbringung
der festen Kontakte auf einem Drittellz:reis für einen dreiphasigen Sternpunktlastumschalter
statt auf einem Vollkreis wie bei Abb. i. In Abb. q. besteht der Lenker L aus einer
einfachen Achse, mit der die beweglichen Kontakte Iil bis K4 vermittels Lenkerstoßstangen
L1 bis L4 gelenkig verbunden sind. Dieser Lenker L ist radial gleitend in dem um
den Mittelpunkt 31 schwenkenden Antriebsorgan Ara des beweglichen Lastumschalterteils
gelagert. Dadurch bekommt L zunächst durch die Schwenkung des Antriebsorgans Ara
in tangentialer Richtung die stetige Hauptbewegung aufgedrückt. Außerdem aber wird
ihm bei der Schwenkung von Ara seitens des jeweils eingeschalteten Kontaktes (in
der gezeichneten Stellung der Abb. 4. ist es zunächst 1i1) in radialer Richtung
mit Hilfe der zugehörigen Stoßstange L1 die unstetige Zusatzbewegung aufgedrückt.
Die resultierende Bewegung der tangentialen und der radialen überträgt der Lenker
L mit Hilfe der Stoßstangen L2 bis L4 auf die Kontakte K. bis 1i4
und erzielt
damit denselben Weg- und Geschwindigkeitseffekt, wie er an Hand der Abb. 2 und 3
für den Lastumschalter der Abb. i beschrieben wurde. Von einer Zeichnung der einzelnen
Umschaltstellungen des Lastumschalters nach Abb. q. kann deshalb hier abgesehen
werden. Als dritte Funktion hat der Lenker L noch die Übertragung der von einer
Feder F ausgeübten Kontaktdruckkraft auf die Kontakte 1i1 bis K4, die ebenfalls
durch die Stoßstangen L1 bis L4 übertragen wird. Die radiale Anordnung der Feder
F auf dem von Kontakt zu Kontakt schwenkenden Antriebsorgan Aya gestattet es für
alle vier Kontakte, mit einer einzigen Feder auszukommen, die nicht die stetige
Hauptbewegung der Kontakte auszufedern braucht, sondern nur die viel kleineren unstetigen
Zusatzbewegungen. Die Feder F hat dadurch eine lange Lebensdauer wegen geringer
Federungswege.
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Für die Radialführung des Lenkers L kann man sich außer der in Abb.
q. gezeichneten Schlitzführung auch anderer Methoden bedienen. Abb. 5 a zeigt beispielsweise
eine Schwingenführung, wobei die Feder F an einem Arm der Schwingen Sa angreift.
Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut für Großflächenkontakte mit großer
axialer Länge (senkrecht zur Bildebene), weil die oben und unten gelagerte Schwinge
Sa die Kontakte 1i1, 1i3, K5 mittels je zweier paralleler Stoßstangen L1, L3, L5
parallel zu den festen Gegenkontakten führt und damit einen gleichmäßigen Kontaktabbrand
sichert.
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Auch für die Anwendung zweier getrennter Kontaktgruppen gemäß Abb.
5 eignet sich die Schwingenführung des Lenkers L gut. In diesem Falle werden zwei
gesonderte Kontaktsysteme gemäß Abb. 5 a und 5 b mit ihren Lenkern La und
Lb so ineinandergreifend angeordnet, daß die beiden Lenker auf der gleichen radialen
Mittellinie des Antriebsorgans Ara ihre voneinander unabhängige unstetige Zusatzbewegung
machen können, wenn sie in zur Zeichenebene senkrechter Richtung übereinander angeordnet
werden.
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Schalttechnisch ergibt sich hierdurch die Tatsache, daß stets zwei
benachbarte Kontakte, zunächst K1 und 1i2, gleichzeitig eingeschaltet sind und daß
bei der gezeichneten abwechselnden Kontaktanordnung die Ein- und Ausschaltungen
abwechselnd in der einen, i, 3, 5, und anderen, 2, q,, 6, Gruppe erfolgen. Dadurch
verteilt sich die Strombeanspruchung auf zwei parallele Kontakte, die Ein- und Ausschaltstromstärke
am einzelnen Kontakt wird kleiner, und man hat es durch entsprechende Abstufung
der Ohmwerte der unterteilten Überschaltwiderstände in der Hand, einen strom- und
spannungsmäßig ausgeglichenen Übergang von Stufe zu Stufe zu erzielen. Diese Vorteile
werden ohne Raumvergrößerung des Lastumschalters gemäß Abb. 5 gegenüber dem nicht
unterteilten der Abb. q. gewonnen. Damit steigt durch die erfindungsgemäße Gruppenunterteilung
die Leistungsfähigkeit des Lastumschalters weiter an.
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Die Ausführung der Abb. 4 und 5 eignet sich besonders für dreiphasige
Sternpunktlastumschalter,
Nach Abb. i erhält man einen raumgünstigen
Einphasenlastumschalter. Man kann diesen auch durch Hinzufügen weiterer Kontakte
im Kreis zu einem mehrstufigen Lastwähler erweitern, wodurch sich eine sehr günstige
Raumausnutzung ergibt.