EP1609162B1 - Stufenschalter - Google Patents

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Publication number
EP1609162B1
EP1609162B1 EP04713013A EP04713013A EP1609162B1 EP 1609162 B1 EP1609162 B1 EP 1609162B1 EP 04713013 A EP04713013 A EP 04713013A EP 04713013 A EP04713013 A EP 04713013A EP 1609162 B1 EP1609162 B1 EP 1609162B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuates
preselector
switching
tap changer
torque motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP04713013A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1609162A1 (de
Inventor
Dieter Dohnal
Albert Schmidbauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE2003115206 external-priority patent/DE10315206A1/de
Priority claimed from DE2003115207 external-priority patent/DE10315207A1/de
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Publication of EP1609162A1 publication Critical patent/EP1609162A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1609162B1 publication Critical patent/EP1609162B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings
    • H01F29/04—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings having provision for tap-changing without interrupting the load current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0027—Operating mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0038—Tap change devices making use of vacuum switches

Definitions

  • the invention relates to a tap changer for uninterrupted switching between different winding taps of a control transformer.
  • Tap changers have been known devices for voltage regulation and ensuring a high quality of electrical energy for decades. Their basic mode of operation allows them to be subdivided into resistance quick switches and reactor switches.
  • this on-load tap-changer is carried out by a motor drive with an electric motor, which, when put into operation, puts it on the one hand the fine selector and possibly a preselector continuously
  • the motor drive sits laterally outside of the transformer, and the linkage, angle drive, gear stages and mechanical Geneva gearbox turn the energy into a tap-changer Itet. Has the energy storage reaches its end position, d. H. when fully raised, its hitherto fixed detent is released, and it makes a sudden movement with which it actuates the diverter switch.
  • the drive trains of this known on-load tap-changer are shown schematically.
  • a modified such on-load tap-changer is shown, which has a multiple coarse selector instead of a conventional preselector; this arrangement is also known to the person skilled in the art.
  • a tap changer of the type of reactor switch is z. B. from DE-PS 40 11 019 and DE-PS 41 26 824 and the company publication "Load Tap Changer Type RMV-I" of Reinhausen Manufacturing Inc., Alamo, Tennessee, USA known. They have two load branches preselectable by a tap selector, between which a switch, in this case a vacuum switch cell, is arranged in each phase to be switched. Each vacuum switching cell can be bridged by a bypass contact, which in turn connects at least one of the two load branches to the load discharge. The actuation of the vacuum switching cells is carried out by a respective energy storage, which is wound up by the movement of a drive shaft.
  • a double-sided cam is spatially arranged between the bypass contact and the energy storage, which is rotated by the drive shaft at each switching step by 180 degrees.
  • On the side facing the bypass contact side of the double-sided cam there is a groove for controlling the bypass contact and on the other side another groove for controlling the vacuum switching cells driving force accumulator.
  • the control of the force accumulator is such that it is tensioned once each switching step and then triggered and thereby actuates the vacuum switching cells.
  • the operation of this tap changer is done by a motor drive with an electric motor, which, it is set at an intended switching in operation, on the one hand, the selector contacts continuously actuated and on the other hand via the cam described both the bypass contact also continuously actuated and raises the described energy storage. Has the energy storage reaches its end position, d. H. when fully raised, its hitherto fixed detent is released, and it makes a sudden movement with which it actuates the diverter switch.
  • the drive trains of this known tap changer are shown schematically.
  • the drive is effected by an electric motor drive.
  • a drive is described for example in WO 98/38661.
  • Important mechanical assemblies are the load gear and the control gear.
  • the load gearbox directly actuates the tap changer; It has a correspondingly dimensioned electric motor.
  • the control gear includes a cam which rotates one full turn each time the tap changer is changed over.
  • the cam disk in turn has a plurality of switching cams for the mechanical actuation of numerous cam switches or cam-actuated contacts.
  • the control gear further includes means for displaying the tap position or the switching step.
  • the electrical components in the motor drive include different circuits.
  • a motor circuit through which the terminals of the electric drive motor via motor contactors, brake contactors and other switching means are connected to the power supply line. Furthermore, a control circuit and various signaling circuits and trip circuits for a motor protection switch are available.
  • the control of the motor drive itself takes place according to the principle of stepping, d. H. an adjustment by a switching step is initiated by a one-time control pulse and then inevitably completed; the output shaft of the motor drive, which is coupled to a drive shaft of the tap changer, doing so in advance a precisely defined number of revolutions.
  • the known motor drive in addition to other safety devices, also a continuous protection device, which prevents the failure of the described step control of the motor drive passes through to the end position.
  • the object of the invention is to simplify the basic structure of tap changers, as it has been established for decades and solidified in the prior art, drastically.
  • the invention is based on the general inventive idea of using at least one known per se torque motor as part of the drive train or strand of a tap changer.
  • Such torque motors are known, for example, from the company publication "Brushless Torque Motors” from ETEL. Such a known torque motor works on the same physical basis as a linear drive, except that the here lying flat stator is wound into a circle. A torque motor is therefore a high torque optimized servo drive; Modern versions are 3-phase brushless synchronous motors with permanent excitation. They are currently used in the machine tool industry. It has not yet been attempted to implement them in tap changer or to make it usable in principle for the drive of a tap changer.
  • EP 996 135 relates to a magnetic traveling-field drive for a switching device
  • WO 99/60591 and WO 00/05735 describe drives in the manner of a stepping motor for switching devices.
  • such a torque motor can be provided as part of a tap changer at different locations. It can be arranged outside the transformer room, on top of the transformer or on the side of the transformer. It can also be arranged within the transformer room and there replace the power storage of the diverter switch, the fine-vote drive or a preselector drive or even more of these modules.
  • each containing a torque motor respectively referred to as "positioning unit” and highlighted in gray. Italics in the respective field the concrete function is listed, the respective Torque engine, d. H. the respective positioning unit, executes.
  • FIG. 4a is shown for the location of a tap changer outside the transformer that here according to the invention a torque motor replaced the previous motor drive and the downstream transmission and acts directly on the energy storage of the diverter switch, the Maltese transmission of the fine selector and possibly also the preselector.
  • a torque motor in addition to the previous power storage of the prior art and the associated gearbox replaced, such that this new positioning with torque motor directly to the Geneva drive of the fine vote and, if necessary
  • the preselector acts as well as the diverter switch is operated directly.
  • This second embodiment can also be arranged overall within the transformer, as shown in FIG. 4b.
  • FIG. 5a further embodiments of the invention are shown schematically.
  • Figure 5a is shown for a location of the tap changer outside the transformer that a first torque motor according to the invention directly actuates the diverter switch, by making the previous power storage superfluous (left positioning unit);
  • Another torque motor (right positioning unit) directly actuates the Geneva transmission of the fine selector and, if necessary, the preselector.
  • Figure 4a and 4b in each of which only a single torque motor is provided, so here are several such positioning units with torque motor shown.
  • a modified embodiment of the invention which provides a total of three such torque motors: a first positioning unit according to the invention (left) actuates directly - while avoiding a previous force accumulator - the diverter switch, a second positioning unit (middle) directly actuates the fine selector, and a third positioning unit (right) directly actuates the selection, if any.
  • a first positioning unit according to the invention (left) actuates directly - while avoiding a previous force accumulator - the diverter switch
  • a second positioning unit (middle) directly actuates the fine selector
  • a third positioning unit (right) directly actuates the selection, if any.
  • these embodiments of the invention are shown at a mounting location of the tap changer within the transformer.
  • FIGS. 6a and 6b show, in the same schematic representation, possible embodiments of the invention in the case of a tap changer of the load selector type.
  • FIG. 6a again relates to the arrangement of the tap-changer outside the transformer, FIG. 6b for one inside the transformer.
  • the upper illustration in each case illustrates an embodiment in which a torque motor directly actuates the energy storage, which in turn rotates in a known manner, the switching column jumped and also optionally actuates the preselector.
  • the middle diagram shows an embodiment of the invention, in which the torque motor also takes over the function of the previous energy storage and directly rotates the switching column jump.
  • the lower illustration shows an embodiment with two separate torque motors, such that the first of these novel positioning units jumps directly over the switching column and the second positioning unit actuates an existing preselector separately.
  • FIG. 9a is shown for an arrangement of the tap changer outside the transformer in the upper half of the illustration that here according to the invention a torque motor replaces the previous motor drive and acts directly on the drive shaft and the reversing gear. The drive shaft in turn then actuates in each phase again selection, fine selector, bypass contact and the energy storage device (not shown), the vacuum switching cell.
  • a torque motor in each phase in each case a new positioning, which also includes the previous deflection gear, forms.
  • FIG. 9b shows the corresponding arrangements for a tap changer arranged in the transformer.
  • FIGS. 10a and 10b again schematically illustrate further embodiments of the invention.
  • a first torque motor means a gearbox at the same time preselector and fine selector operated and in each case a second torque motor the bypass contact and - again operated by the windable energy storage - the vacuum switching cell.
  • a further embodiment of the invention is shown, which has a total of three such torque motors in each phase, which together with the corresponding gear form a separate positioning and directly each on the preselector or the fine or both the bypass switch and the energy storage of the vacuum switch cell Act.
  • FIG. 10b again shows these embodiments for an arrangement of the tap changer in the transformer.
  • FIGS. 11a and 11b modified embodiments of the invention are shown again.
  • a first torque motor actuates the preselection of all three phases
  • a second torque motor controls the fine-tuning of all two phases
  • a third torque motor actuates both the bypass contacts and the energy storage and thus vacuum switching cells of all three phases.
  • FIGS. 12a and 12b in the same schematic representation, possible embodiments of the invention are shown in a further known generic tap changer whose known prior art gear train has been illustrated in FIG. 8 and has already been explained.
  • the upper representations each show an embodiment in which a single torque motor in each case via intermediate gearbox the preselector, the fine selector and at the same time bypass contact and vacuum switching cell, in turn via a force storage device operated.
  • the underlying middle representations each show an embodiment in which two such torque motors are provided in each phase. One of them actuates both preselector and fine selector, the other both bypass contact and energy storage of the vacuum switching cell.
  • each another variant is shown in which three torque motors are provided for actuation in each phase: one for the preselector, one for the fine selector, one for the bypass contact and the energy storage of the vacuum switch cell.
  • three torque motors are provided for actuation in each phase: one for the preselector, one for the fine selector, one for the bypass contact and the energy storage of the vacuum switch cell.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Regeltransformators.
  • Stufenschalter sind seit Jahrzehnten bekannte Einrichtungen zur Spannungsregelung und Sicherstellung einer hohen Elektroenergiequalität. Ihrer prinzipiellen Wirkungsweise nach lassen sie sich in Widerstandsschnellschalter und Reaktorschalter unterteilen.
  • Das Prinzip aller Widerstandsschnellschalter geht zurück auf das 1929 erteilte deutsche Reichspatent Nr. 474 613, das zum ersten Mal das Prinzip der sprungartigen unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen mittels kurzzeitig eingeschalteter Überschaltwiderstände beschreibt. Auf diesem Prinzip basierende Stufenschalter sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Ein typischer Vertreter ist der in der Firmendruckschrift "Stufenschalter Typ M - inspektionsanleitung oder in der Firmendruckschrift "Stufenschalter Typ M und MS" der Anmelderin beschriebene Typ "M". Dieser Laststufenschalter besitzt einen Stufenwähler zur lastlosen Vorwahl derjenigen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einen räumlich darüber, in einem separaten Ölgefäß angeordneten, Lastumschalter zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung. Die Betätigung dieses Laststufenschalters erfolgt durch einen Motorantrieb mit einem Elektromotor, der, wird er bei einer vorgesehenen Umschaltung in Betrieb gesetzt, einerseits den Feinwähler und ggf. einen Vorwähler kontinuierlich betätigt und andererseits einen Kraftspeicher des Lastumschalters aufzieht. Der Motorantrieb sitzt dabei räumlich gesehen seitlich außerhalb des Transformators. Über Gestänge, Winkeltrieb, Getriebestufen und mechanisches Maltesergetriebe wird die Energie zum Stufenschalter geleitet. Hat der Kraftspeicher seine Endstellung erreicht, d. h. ist er voll aufgezogen, wird seine bis dahin fixierte Arretierung freigegeben, und er vollzieht eine sprungartige Bewegung, mit der er den Lastumschalter betätigt. In Figur 1 sind die Antriebszüge dieses bekannten Laststufenschalters schematisch dargestellt. In Figur 2 ist ein modifizierter solcher Laststufenschalter gezeigt, der statt eines üblichen Vorwählers einen Mehrfach-Grobwähler aufweist; diese Anordnung ist dem Fachmann ebenfalls bekannt.
  • Ein weiterer Stufenschalter ist in der Firmendruckschrift "Stufenschalter Typ V - Inspektionsanleitung" oder in der Firmendruckschrift "Stufenschalter Typ V" der Anmelderin beschrieben. Bei diesem als Lastwähler ausgebildeten Typ "V" sind die Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und die Bauelemente zu dieser nachfolgenden Umschaltung konstruktiv vereinigt. Auch hierbei ist ein Motorantrieb mit der oben beschriebenen räumlichen Anordnung vorgesehen, der zunächst den Kraftspeicher aufzieht. Nach dessen vollständigem Aufzug und nachfolgender Auslösung wird eine drehbare Schaltwelle betätigt, die schnell und unterbrechungslos von einem auf einem benachbarten anderen Festkontakt, der jeweils elektrisch mit einer Wicklungsanzapfung verbunden ist, umschaltet. Ein typischer Getriebezug eines solchen bekannten Lastwählers ist in der Figur 3 schematisch dargestellt.
  • Ein Stufenschalter vom Typ eines Reaktorschalters ist z. B. aus den DE-PS 40 11 019 und DE-PS 41 26 824 sowie der Firmenschrift "Load Tap Changer Type RMV-I" der Reinhausen Manufacturing Inc., Alamo, Tennessee, USA bekannt. Sie weisen zwei von einem Stufenwähler vorwählbare Lastzweige auf, zwischen denen in jeder zu schaltenden Phase ein Schalter, hier eine Vakuumschaltzelle, angeordnet ist. Jede Vakuumschaltzelle ist durch einen Bypasskontakt überbrückbar, der seinerseits wiederum mindestens einen der beiden Lastzweige mit der Lastableitung verbindet. Die Betätigung der Vakuumschaltzellen erfolgt durch jeweils einen Kraftspeicher, der durch die Bewegung einer Antriebswelle aufgezogen wird. Für jede zu schaltende Phase ist räumlich zwischen dem Bypasskontakt und dem Kraftspeicher eine doppelseitige Kurvenscheibe angeordnet, die von der Antriebswelle bei jedem Schaltschritt um 180 Grad gedreht wird. Auf der dem Bypasskontakt zugewandten Seite der doppelseitigen Kurvenscheibe befindet sich dort eine Nut zur Steuerung des Bypasskontaktes und auf der anderen Seite eine weitere Nut zur Steuerung des die Vakuumschaltzellen antreibenden Kraftspeichers. Die Steuerung des Kraftspeichers ist dabei derart, dass er bei jedem Schaltschritt einmal gespannt und dann ausgelöst wird und dabei die Vakuumschaltzellen betätigt. Die Betätigung dieses Stufenschalters erfolgt durch einen Motorantrieb mit einem Elektromotor, der, wird er bei einer vorgesehenen Umschaltung in Betrieb gesetzt, einerseits die Wählerkontakte kontinuierlich betätigt und andererseits über die beschriebene Kurvenscheibe sowohl den Bypasskontakt ebenfalls kontinuierlich betätigt als auch den beschriebenen Kraftspeicher aufzieht. Hat der Kraftspeicher seine Endstellung erreicht, d. h. ist er voll aufgezogen, wird seine bis dahin fixierte Arretierung freigegeben, und er vollzieht eine sprungartige Bewegung, mit der er den Lastumschalter betätigt. In Figur 7 sind die Antriebszüge dieses bekannten Stufenschalters schematisch dargestellt.
  • Ein weiterer Stufenschalter vom Typ des Reaktorschalters ist aus der DE-PS 197 43 864, in der im Übrigen auch die funktionalen Unterschiede zwischen Reaktorschaltern einerseits und Widerstandsschnellschaltern ausführlich dargestellt sind, bereits bekannt. Bei diesem bekannten Stufenschalter sind in einem Gehäuse für jede Phase feste Wählerkontakte vorgesehen, die von zwei beweglichen Wählerkontakten beschaltbar sind, weiter sind für jede Phase Vorwählerkontakte vorgesehen. Für jede Phase sind zudem wiederum Bypasskontakte angeordnet, und jeweils eine Vakuumschaltzelle ist mittels eines Kraftspeichers betätigbar. In einem separaten seitlichen Gehäuseteil ist ein einziger Antriebsmechanismus zur Betätigung aller beweglicher Kontakte und aller Vakuumschaltzellen in der entsprechenden Schaltsequenz angeordnet, wobei dieser einzige Antrieb mittels sich durch das Gehäuse erstreckender Isolierwellen auf die einzelnen Bauelemente wirkt. Ein typischer Getriebezug dieses bekannten Stufenschalters ist in Figur 8 dargestellt.
  • Bei den bekannten Stufenschaltern erfolgt der Antrieb durch einen elektrischen Motorantrieb. Ein solcher Antrieb ist beispielsweise in der WO 98/38661 beschrieben. In einem solchen bekannten Motorantrieb sind alle mechanischen und elektrischen Baugruppen, die zum Antrieb des Stufenschalters erforderlich sind, vereinigt. Wichtige mechanische Baugruppen sind dabei das Lastgetriebe und das Steuergetriebe. Das Lastgetriebe betätigt direkt den Stufenschalter; es weist dazu einen entsprechend dimensionierten Elektromotor auf. Das Steuergetriebe enthält eine Nockenscheibe, die sich bei jeder Umschaltung des Stufenschalters um eine volle Umdrehung dreht. Die Nockenscheibe wiederum weist eine Vielzahl von Schaltnocken zur mechanischen Betätigung zahlreicher Nockenschalter bzw. nockenbetätigter Kontakte auf. Das Steuergetriebe enthält weiterhin Mittel zur Anzeige der Stufenstellung bzw. des Schaltschrittes. Zu den elektrischen Baugruppen im Motorantrieb gehören unterschiedliche Stromkreise. So ist ein Motorstromkreis vorhanden, durch den die Klemmen des elektrischen Antriebsmotors über Motorschütze, Bremsschütze und andere Schaltmittel mit der Stromzuleitung verbunden sind. Weiterhin sind ein Steuerstromkreis und verschiedene Meldestromkreise und Auslösestromkreise für einen Motorschutzschalter vorhanden. Die Steuerung des Motorantriebes selbst erfolgt nach dem Prinzip der Schrittschaltung, d. h. ein Verstellvorgang um einen Schaltschritt wird durch einen einmaligen Steuerimpuls eingeleitet und danach zwangsläufig zu Ende geführt; die Abtriebswelle des Motorantriebes, die mit einer Antriebswelle des Stufenschalters gekuppelt ist, vollführt dabei eine vorab genau festgelegte Anzahl von Umdrehungen. Weiterhin weist der bekannte Motorantrieb, neben anderen Sicherheitseinrichtungen, auch eine Durchlaufschutzeinrichtung auf, die verhindert, dass beim Versagen der beschriebenen Schrittsteuerung der Motorantrieb bis in die Endstellung durchläuft.
  • Der beschriebene bekannte Motorantrieb hat gemeinsam mit dem nachgelagerten Maltesergetriebe im Stufenschalter vom Typ des Widerstandsschnellschalters eine ganze Reihe von Funktionen zu erfüllen:
    • Erzeugung eines Rotationsdrehmomentes mit nachfolgender Umsetzung in eine Bewegung für den Stufenwähler
    • Übertragung sowie Über/Untersetzung des Drehmomentes
    • Aufzug eines Kraftspeichers
    • Umwandlung einer kontinuierlichen Bewegung in eine Schrittbewegung
    • Fixierung des Schaltelementes nach vollzogenem Schaltschritt
    • Stellungsmeldung
    • mechanische Endanschlagsfunktion.
  • Insgesamt sind sowohl herkömmlicher Motorantrieb als auch nachgelagertes Getriebe kompliziert im Aufbau, teuer in der Fertigung, da notwendigerweise hochgenau, und sie stellen gemeinsam mit dem Kraftspeicher üblicherweise den aufwändigsten Teil des gesamten Stufenschalters dar.
  • Bei einem Stufenschalter vom Typ des Reaktorschalters hat der beschriebene bekannte Motorantrieb gemeinsam mit dem nachgelagerten Getriebe, insbesondere dem Maltesergetriebe sowie einem Hebelumlenkgetriebe, folgende Funktionen im Stufenschalter zu erfüllen:
    • Erzeugung eines Rotationsdrehmomentes mit nachfolgender Umsetzung in eine Bewegung für den Feinwähler sowie, getrennt davon, den Vorwähler
    • Betätigung der Bypasskontakte
    • Aufzug eines Kraftspeichers zur nachfolgenden Betätigung der Vakuumschaltzellen
    • Stellungsmeldung
    • mechanische Endanschlagsfunktion.
    Insgesamt sind auch hierbei sowohl herkömmlicher Motorantrieb als auch nachgelagertes Getriebe kompliziert im Aufbau, teuer in der Fertigung, da notwendigerweise hochgenau, und sie stellen gemeinsam mit dem Kraftspeicher üblicherweise den aufwändigsten Teil des gesamten Stufenschalters dar.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den prinzipiellen Aufbau von Stufenschaltern, wie er sich seit Jahrzehnten etabliert und im Stand der Technik verfestigt hat, drastisch zu vereinfachen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Stufenschalter mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 bzw. 6 bzw. 11 gelöst; die Unteransprüche betreffen jeweils vorteilhafte mögliche Weiterbildungen und Modifikationen der Erfindung.
  • Der Erfindung liegt die allgemeine erfinderische Idee zu Grunde, mindestens einen per se bekannten Torque-Motor als Bestandteil des Antriebszuges bzw. -stranges eines Stufenschalters einzusetzen.
  • Solche Torque-Motoren sind beispielsweise aus der Firmenschrift "Bürstenlose Torque-Motoren" der Firma ETEL bekannt. Ein solcher bekannter Torque-Motor funktioniert auf der gleichen physikalischen Basis wie ein Linearantrieb, nur dass der hier flach liegende Stator zum Kreis aufgewickelt ist. Ein Torque-Motor ist mithin ein auf hohes Drehmoment optimierter Servoantrieb; moderne Ausführungen sind elektrisch gesehen 3-phasige bürstenlose Synchronmotoren mit Permanenterregung. Sie werden derzeit im Werkzeugmaschinenbau eingesetzt. Es ist bisher noch nicht der Versuch unternommen worden, sie in Stufenschalter zu implementieren oder für den Antrieb eines Stufenschalters prinzipiell nutzbar zu machen.
  • Zwar gab es in der Vergangenheit bereits den in der DD-Patentschrift 58 131 aus dem Jahre 1967 beschriebenen Versuch, das herkömmliche Antriebskonzept eines Stufenschalters, wie es weiter oben beschrieben worden ist, zu verlassen. Dabei handelte es sich um eine Lösung, bei der ein Stufenwähler aus so vielen hydraulisch betätigten einzelnen Antriebsmodulen gebildet ist, wie Stufen vorgesehen sind, so dass beliebig zwischen einzelnen Wicklungsanzapfungen - nicht nur zwischen benachbarten - geschaltet werden konnte. Diese hydraulische Lösung ist jedoch wegen des hohen Funktionsrisikos, z. B. der Alterungsgefahr der zuführenden Leitungen und Dichtungen, nicht realisiert worden.
  • Für Schaltgeräte allgemein sind zudem verschiedene andere Antriebsmechanismen vorgeschlagen worden. So betrifft beispielsweise die EP 996 135 einen magnetischen Wanderfeldantrieb für ein Schaltgerät, die WO 99/60591 und WO 00/05735 beschreiben Antriebe nach Art eines Schrittmotors für Schaltgeräte. Auch diese Lösungen sind für Stufenschalter nicht ohne weiteres anwendbar, da sie keine sprungartigen Bewegungen gestatten und insgesamt problematisch für die Realisierung dynamischer Vorgänge, noch dazu bei tiefen Temperaturen, sind.
  • Schließlich ist in der WO 01/06528 noch ein kontrollierter Antrieb für ein Schaltgerät vorgeschlagen worden, der jedoch ebenfalls nicht für einen Stufenschalter geeignet ist.
  • Hinweise auf die erfindungsgemäße Verwendung mindestens eines Torque-Motores an einem Stufenschalter sind allen diesen Bemühungen zur Weiterentwicklung der Antriebstechnik von Schaltgeräten jedoch nicht zu entnehmen.
  • Erfindungsgemäß kann ein solcher Torque-Motor als Bestandteil eines Stufenschalters an unterschiedlichen Anbauorten vorgesehen werden. Er kann außerhalb des Transformatorraumes angeordnet sein, und zwar oben auf dem Transformator oder auch seitlich am Transformator. Er kann weiterhin auch innerhalb des Transformatorraumes angeordnet sein und dort den Kraftspeicher des Lastumschalters, den Feinwählerantrieb oder auch einen Vorwählerantrieb oder auch mehrere dieser Baugruppen ersetzen.
  • Die erfindungsgemäße Anwendung eines oder mehrerer Torque-Motoren, wodurch neu strukturierte Positioniereinheiten gebildet werden, hat zahlreiche Vorteile. Zunächst einmal sind weder Kupplung noch separates Getriebe erforderlich, was die Teilezahl erheblich reduziert. Weiterhin wird ein kompakter Aufbau realisiert. Durch die geringen Elastizitäten ergibt sich eine hohe Steifigkeit sowie durch die geringen Massen und das geringe Trägheitsmoment eine hohe Dynamik mit der Möglichkeit, auch sprungartige Bewegungen realisieren zu können und damit einen konventionellen Kraftspeicher überflüssig zu machen. Schließlich ist über eine geeignete Steuerung jeder beliebige Schaltschritt unabhängig vom speziell wirksamen Gegenmoment einprägbar, wodurch z. B. Temperatureinflüsse weitestgehend ausgeschlossen werden können.
  • Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von schematischen Darstellung beispielhaft noch näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • Figuren 1 bis 3
    bereits erläuterte Antriebszüge bekannter Stufenschalter vom Typ des Widerstandsschnellschalters in schematischer Darstellung
    Figuren 4a, 4b und 5a, 5b
    schematische Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Anwendung mindestens eines Torque-Motors bei einem Laststufenschalter dieses Typs
    Figur 6a, 6b
    schematische Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Anwendung mindestens eines Torque-Motors bei einem Lastwähler dieses Typs
    Figuren 7 und 8
    bereits erläuterte Antriebszüge bekannter Stufenschalter vom Typ des Reaktorschalters in schematischer Darstellung
    Figuren 9a, 9b, 10a, 10b und 11a, 11b
    schematische Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Anwendung mindestens eines Torque-Motors bei einem ersten Stufenschalter dieses Typs
    Figuren 12a, 12b
    schematische Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Anwendung mindestens eines Torque-Motors bei einem zweiten Stufenschalter dieses Typs.
  • In den nachfolgenden schematischen Darstellungen sind die erfindungsgemäßen Baugruppen, die jeweils einen Torque-Motor enthalten, jeweils als "Positioniereinheit" bezeichnet und grau unterlegt. Kursiv ist im jeweiligen Feld die konkrete Funktion aufgeführt, die der jeweilige Torque-Motor, d. h. die jeweilige Positioniereinheit, ausführt.
  • In Figur 4a ist für den Anbauort eines Stufenschalters außerhalb des Transformators gezeigt, dass hier erfindungsgemäß ein Torque-Motor den bisherigen Motorantrieb und das nachgeordnete Getriebe ersetzt und direkt auf den Kraftspeicher des Lastumschalters, das Maltesergetriebe des Feinwählers und ggf. auch des Vorwählers wirkt. Darunter ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt, bei der ein Torque-Motor zusätzlich auch den bisherigen Kraftspeicher nach dem Stand der Technik und das zugeordnete Getriebe ersetzt, derart, dass diese neue Positioniereinheit mit Torque-Motor direkt auf das Maltesergetriebe des Feinwählers und ggf. des Vorwählers wirkt als auch direkt den Lastumschalter betätigt. Diese zweite Ausführungsform kann auch insgesamt innerhalb des Transformators angeordnet sein, wie in Figur 4b gezeigt ist.
  • In den Figuren 5a und 5b sind weitere Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt. In Figur 5a ist für einen Anbauort des Stufenschalters außerhalb des Transformators gezeigt, dass ein erster Torque-Motor erfindungsgemäß direkt den Lastumschalter betätigt, indem er auch den bisherigen Kraftspeicher überflüssig macht (linke Positioniereinheit); ein weiterer Torque-Motor (rechte Positioniereinheit) betätigt direkt das Maltesergetriebe des Feinwählers und ggf. des Vorwählers. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der Erfindung in Figur 4a und 4b, bei denen jeweils nur ein einziger Torque-Motor vorgesehen ist, sind hier also mehrere solcher Positioniereinheiten mit Torque-Motor gezeigt. Darunter ist dann eine nochmals modifizierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die insgesamt drei solcher Torque-Motoren vorsieht: Eine erste erfindungsgemäße Positioniereinheit (links) betätigt direkt - unter Vermeidung eines bisherigen Kraftspeichers - den Lastumschalter, eine zweite Positioniereinheit (mitte) betätigt direkt den Feinwähler, und eine dritte Positioniereinheit (rechts) betätigt direkt den Vorwähler, sofern ein solcher vorhanden ist. In Figur 5b sind diese Ausführungsformen der Erfindung bei einem Anbauort des Stufenschalters innerhalb des Transformators gezeigt.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Lastumschalter räumlich vom Feinwähler und ggf. Vorwähler zu trennen, d. h. beide Baugruppen des Stufenschalters an unterschiedlicher Stelle separat anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, den Feinwähler und ggf. Vorwähler auch separat mittels eines an sich bekannten Schrittmotors anzutreiben. Da die Wähler langsam und kontinuierlich betätigt werden, ist der Nachteil der bekannten Schrittmotore, nämlich deren schlechtes dynamisches Verhalten, hier nicht weiter störend.
  • In Figur 6a und 6b sind in derselben schematischen Darstellungsart mögliche Ausführungsformen der Erfindung bei einem Stufenschalter des Lastwählertyps gezeigt. Die Figur 6a bezieht sich wiederum auf die Anordnung des Stufenschalters außerhalb des Transformators, Figur 6b für eine solche innerhalb des Transformators. Die obere Darstellung jeweils verdeutlicht eine Ausführungsform, bei der ein Torque-Motor direkt den Kraftspeicher betätigt, der wiederum auf bekannte Weise die Schaltsäule sprungartig dreht und zusätzlich ggf. den Vorwähler betätigt. Die mittlere Darstellung zeigt jeweils eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Torque-Motor auch die Funktion des bisherigen Kraftspeichers mit übernimmt und direkt die Schaltsäule sprungartig dreht. Die untere Darstellung schließlich zeigt jeweils eine Ausführungsform mit zwei separaten Torque-Motoren, derart, dass die erste dieser neuartigen Positioniereinheiten direkt die Schaltsäule sprungartig dreht und die zweite Positioniereinheit einen etwa vorhandenen Vorwähler separat betätigt.
  • In Figur 9a ist für eine Anordnung des Stufenschalters außerhalb des Transformators in der oberen Hälfte der Darstellung gezeigt, dass hier erfindungsgemäß ein Torque-Motor den bisherigen Motorantrieb ersetzt und direkt auf die Antriebswelle und das Umlenkgetriebe wirkt. Die Antriebswelle ihrerseits betätigt dann in jeder Phase wieder Vorwähler, Feinwähler, Bypasskontakt sowie über den Kraftspeicher (nicht dargestellt) die Vakuumschaltzelle. Darunter ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt, in der ein Torque-Motor in jeder Phase jeweils eine neue Positioniereinheit, die auch das bisherige Umlenkgetriebe mit umfasst, bildet. Figur 9b zeigt die entsprechenden Anordnungen für einen im Transformator angeordneten Stufenschalter.
  • In Figur 10a und 10b sind weitere Ausführungsformen der Erfindung wiederum schematisch dargestellt. In Figur 10a ist im oberen Teil gezeigt, dass in jeder Phase ein erster Torque-Motor mittels eines Getriebes gleichzeitig Vorwähler und Feinwähler betätigt und jeweils ein zweiter Torque-Motor den Bypasskontakt sowie - wiederum durch den aufziehbaren Kraftspeicher - die Vakuumschaltzelle betätigt. Darunter ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die in jeder Phase insgesamt drei solcher Torque-Motoren aufweist, die gemeinsam mit dem entsprechenden Getriebe eine eigenständige Positioniereinheit bilden und direkt jeweils auf den Vorwähler oder den Feinwähler oder sowohl den Bypassschalter als auch den Kraftspeicher der Vakuumschaltzelle wirken. Figur 10b zeigt diese Ausführungsformen wiederum für eine Anordnung des Stufenschalters im Transformator.
  • In Figur 11a und 11b sind dann nochmals modifizierte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen ist die bisher zugrunde gelegte Zuordnung der einzelnen Bauelemente zu jeweils zu schaltenden Phasen aufgelöst. Ein erster Torque-Motor betätigt hier die Vorwähler aller drei Phasen, ein zweiter Torque-Motor die Feinwähler aller zwei Phasen und ein dritter Torque-Motor sowohl die Bypasskontakte als auch die Kraftspeicher und damit Vakuumschaltzellen aller drei Phasen.
  • In Figur 12a und 12b sind in derselben schematischen Darstellungsart mögliche Ausführungsformen der Erfindung bei einem weiteren bekannten gattungsgemäßen Stufenschalter, dessen bekannter Getriebezug nach dem Stand der Technik in Figur 8 dargestellt und bereits erläutert wurde, gezeigt. Die oberen Darstellungen zeigen jeweils eine Ausführung, in der ein einziger Torque-Motor jeweils über zwischengeschaltete Getriebe den Vorwähler, den Feinwähler und gleichzeitig Bypasskontakt und Vakuumschaltzelle, wiederum über einen Kraftspeicher, betätigt. Die darunter liegenden, mittleren Darstellungen zeigen jeweils eine Ausführungsform, bei der in jeder Phase zwei solche Torque-Motoren vorgesehen sind. Einer davon betätigt sowohl Vorwähler als auch Feinwähler, der andere sowohl Bypasskontakt als auch Kraftspeicher der Vakuumschaltzelle. Schließlich ist ganz unten jeweils eine weitere Variante gezeigt, bei der in jeder Phase drei Torque-Motoren zur Betätigung vorgesehen sind: Einer für den Vorwähler, einer für den Feinwähler, einer für den Bypasskontakt und den Kraftspeicher der Vakuumschaltzelle. Auch hier ist es möglich, die phasenweise Anordnung aufzulösen und bei allen gezeigten Anordnungen in Figur 12a und 12b die Betätigungen der einzelnen beschriebenen Bauelemente gleichzeitig für alle drei Phasen von der jeweiligen Positioniereinheit vorzunehmen. Die erläuterte Figur 12a bezieht sich wiederum auf die Anordnung des Stufenschalters außerhalb des Transformators, die Figur 12b auf dessen Anordnung im Transformator.

Claims (16)

  1. Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators nach dem Prinzip eines Widerstandsschnellschalters,
    bestehend aus einem Feinwähler und ggf. einem Vorwähler zur leistungslosen Anwahl der Wicklungsanzapfung, auf die nachfolgend umgeschaltet werden soll,
    bestehend weiterhin aus einem Lastumschalter zur anschließenden schnellen Umschaltung von der bisherigen auf die vorgewählte Wicklungsanzapfung unter kurzzeitiger Einschaltung von mindestens einem Überschaltwiderstand,
    wobei sowohl Feinwähler und ggf. Vorwähler als auch Lastumschalter bei jeder Umschaltung durch einen Antrieb betätigbar sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Antrieb mindestens ein als 3-phasiger bürstenloser Synchronmotor mit Permanenterregung ausgebildeter Torque-Motor vorgesehen ist.
  2. Stufenschalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Torque-Motor sowohl einen bekannten Kraftspeicher des Lastumschalters als auch den Feinwähler und ggf. Vorwähler betätigt.
  3. Stufenschalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Torque-Motor sowohl direkt den Lastumschalter als auch den Feinwähler und ggf. Vorwähler betätigt.
  4. Stufenschalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens ein erster Torque-Motor jeweils direkt den bekannten Kraftspeicher des Lastumschalters betätigt und mindestens ein zweiter Torque-Motor jeweils den Feinwähler und ggf. Vorwähler betätigt.
  5. Stufenschalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens ein erster Torque-Motor jeweils direkt den Lastumschalter betätigt, mindestens ein zweiter Torque-Motor jeweils direkt den Feinwähler betätigt und ggf. mindestens ein dritter Torque-Motor jeweils den Vorwähler betätigt.
  6. Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators nach dem Prinzip eines Widerstandsschnellschalters,
    bestehend aus einem Lastwähler zur gleichzeitigen Anwahl der Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, sowie zur schnellen Umschaltung von der bisherigen auf die vorgewählte Wicklungsanzapfung unter kurzzeitiger Einschaltung von mindestens einem Überschaltwiderstand,
    wobei zur Umschaltung ein sprungartig betätigbares Schaltelement, insbesondere eine Schaltsäule, dient,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Antrieb mindestens ein als 3-phasiger bürstenloser Synchronmotor mit Permanenterregung ausgebildeter Torque-Motor vorgesehen ist.
  7. Stufenschalter nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Torque-Motor direkt einen bekannten Kraftspeicher betätigt, der seinerseits das Schaltelement auf bekannte Weise sprungartig bewegt als auch ggf. einen Vorwähler betätigt.
  8. Stufenschalter nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Torque-Motor direkt das Schaltelement sprungartig bewegt als auch ggf. einen Vorwähler betätigt.
  9. Stufenschalter nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein mindestens erster Torque-Motor direkt das Schaltelement sprungartig bewegt und ggf. ein mindestens zweiter Torque-Motor direkt den Vorwähler betätigt.
  10. Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lastumschalter einerseits und der Feinwähler und ggf. Vorwähler andererseits räumlich getrennt angeordnet sind und/oder der Feinwähler und ggf. Vorwähler separat von mindestens einem Schrittmotor antreibbar ist bzw. sind.
  11. Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators nach dem Prinzip eines Reaktorschalters,
    bestehend aus einem Feinwähler mit zwei Lastzweigen, zwischen denen in jeder zu schaltenden Phase eine Vakuumschaltzelle angeordnet ist,
    bestehend aus einem Vorwähler,
    bestehend aus einem Bypasskontakt, der jeweils die Vakuumschaltzelle überbrückt und durch den seinerseits wiederum mindestens einer der beiden Lastzweige mit der Lastableitung verbindbar ist sowie einem Kraftspeicher, der die jeweilige Vakuumschaltzelle betätigt,
    wobei ein einziger Antrieb vorgesehen ist, der mittels verschiedener Getriebe und durch Antriebswellen alle genannten Bauteile betätigt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Antrieb mindestens ein als 3-phasiger bürstenloser Synchronmotor mit Permanenterregung ausgebildeter Torque-Motor vorgesehen ist.
  12. Stufenschalter nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Torque-Motor alle Antriebswellen betätigt.
  13. Stufenschalter nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass drei getrennte Torque-Motoren derart angeordnet sind, dass jeder von ihnen die Bauteile einer Phase, nämlich Vorwähler, Feinwähler, Bypasskontakt und Kraftspeicher der zugeordneten Vakuumschaltzelle, betätigen.
  14. Stufenschalter nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass für jede Phase zwei separate Torque-Motoren vorgesehen sind, von denen einer Vorwähler und Feinwähler betätigt und der andere Bypasskontakt und Kraftspeicher der Vakuumschaltzelle betätigt.
  15. Stufenschalter nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass für jede Phase drei separate Torque-Motoren vorgesehen sind, von denen jeweils einer den Vorwähler, einer den Feinwähler und einer sowohl den Bypasskontakt als auch den Kraftspeicher der Vakuumschaltzelle betätigt.
  16. Stufenschalter nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass insgesamt drei separate Torque-Motoren vorgesehen sind, von denen einer die Vorwähler aller drei Phasen betätigt, ein anderer die Feinwähler aller drei Phasen betätigt und der dritte sowohl die Bypasskontakte als auch die Kraftspeicher der Vakuumschaltzellen aller drei Phasen betätigt.
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