EP2534663A1 - Stufenschalter mit freilaufelement - Google Patents

Stufenschalter mit freilaufelement

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EP2534663A1
EP2534663A1 EP10796278A EP10796278A EP2534663A1 EP 2534663 A1 EP2534663 A1 EP 2534663A1 EP 10796278 A EP10796278 A EP 10796278A EP 10796278 A EP10796278 A EP 10796278A EP 2534663 A1 EP2534663 A1 EP 2534663A1
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EP
European Patent Office
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switching
ttv
mechanical
ttf
msv
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EP10796278A
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Klaus HÖPFL
Gregor Wilhelm
Silke Wrede
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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    • H01H3/02—Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch
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    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0038—Tap change devices making use of vacuum switches

Definitions

  • the present invention relates to a tap changer for uninterrupted switching between at least two winding taps of a
  • An object of the present invention is to propose a tap changer of the type mentioned above with high surge voltage resistance, also referred to as aO strength.
  • the delayed in each switching direction switching or triggering of at least one mechanical switching element can be realized in the tap changer that the at least one switching means and its associated
  • Cam is firmly anchored to the housing and decouples the rotational movements of the shift shaft and mounted on this cam from each other.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of a tap changer according to the invention with a freewheeling element, consisting of a switching shaft arranged thereon with actuating elements and switching elements coupled thereto.
  • Fig. 2 shows a detail of a detail in a schematic detail
  • Fig. 3 shows a schematic plan view of the tap changer according to FIG. 1 from below.
  • FIGS. 1 to 3 shows a flowchart to illustrate the switching sequences of an exemplary embodiment of the tap-changer according to the invention according to FIGS. 1 to 3 during a switching cycle in respectively different switching directions.
  • Fig. 5 shows in several circuit diagrams, the individual, successive switching states of the various components of the tap changer in a first switching direction.
  • Fig. 6 shows in several circuit diagrams, the individual, successive switching states of the various components of the tap changer in a first switching direction.
  • FIG. 7 shows, with reference to a further circuit diagram, a variant of a tap changer supplemented by two additional permanent main contacts.
  • the embodiment described below is not intended to be limiting, but serves to explain the function and the switching options of a tap changer according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show an embodiment of a tap changer 10, comprising a switching shaft 22 with arranged thereon actuating elements 24 and coupled thereto
  • FIG. 3 also shows a plan view of the tap changer 10 according to FIG. 1 from below.
  • a downstream switching or tripping time has one of two mechanical
  • Switching TTF a defined time interval to the other switching or Tripping times of a first mechanical switching element MTF and two vacuum interrupters MSV and TTV on.
  • nachverlagerten switching or tripping time point having mechanical
  • the tap changer 10 provides a switching shaft 22 which is rotatable about its axis in both directions and which has four disc-shaped four arranged in parallel
  • Switching elements 26 and vacuum interrupters in the switching block 27 by zooming into the outline of the switching block 27 and are rotated past it, where they rotate or actuate the respective mechanical switching element and / or the respective vacuum interrupter to a defined switching path.
  • each of the four existing cams 28 can be at their
  • Each outer circumference each have a plurality of equally spaced projections or cams 30, so that for a complete switching cycle of the
  • This freewheeling element 34 is designed as a circular segment-shaped, for switching shaft 22 concentrically arranged guide slot 36 for an annular
  • FIG. 4 shows an exemplary and qualitatively to be understood flow chart to illustrate the switching sequences of an embodiment of the tap changer 10 according to the invention (see Figures 1 to 3) during a
  • the upper diagram illustrates the switching sequence of a total of four individual switching units tap changer in a first switching direction, while the lower
  • FIG. 5 Figures 5a to 5h show in total nine Schematics the individual, successive switching states of the various components of the tap changer in a first switching direction, which is characterized in Fig. 5a by the switching direction n - n + 1.
  • downstream mechanical switching element TTF all other switching elements and vacuum tubes.
  • the switching position of the tap changer 10 for the start of switching is illustrated in Fig. 5a.
  • the first vacuum interrupter MSV is in this case closed, while the switching contact of the second vacuum interrupter TTV is open.
  • the first mechanical switching element MTF is in a first switching position, in which the load current I L from the first winding tap 12 of the tapped transformer 16 via the first mechanical switching element MTF and the first closed
  • Vacuum switch tube MSV (Fig. 5e, Fig. 5f) and the subsequent opening of the second vacuum interrupter TTV (Fig. 5f, Fig. 5g) is prepared.
  • the load current I L flows in the manner shown in Fig. 5g from the second winding tapping 14 of the tapped transformer 16 through the correspondingly connected first mechanical switching element MTF and the closed first vacuum interrupter MSV to
  • FIG. 6 show in several circuit diagrams the individual, successive switching states of the various components of the
  • Step switch in a second switching direction shows the operations in a complete downshift, for a drive direction from right to left (n + 1 -> n), ie starting at a time corresponding to the lower scale and ending at the very left at zero.
  • the switching position of the tap changer 10 at the start of switching within a first period is illustrated in FIG. 6a.
  • the first vacuum interrupter MSV is in this case closed, while the switching contact of the second vacuum interrupter TTV is open.
  • the first mechanical switching element MTF is in its second switching position, in which the load current I L from the second winding tap 14 of the tapped transformer 6 via the first mechanical switching element MTF and the closed first vacuum interrupter MSV for load discharge LA can flow. This is also the switching position corresponding to FIG. 5h, with which the first switching cycle was completed according to the upper diagram of FIG.
  • This opening of the first vacuum interrupter MSV takes place within a definable period of time after the start of the shift, which is shown in FIG. 6b (opening) and in FIG Fig. 6c (MSV open) is illustrated.
  • this switching state of the tap changer 10 with the opened first vacuum interrupter MSV and the closed second vacuum interrupter TTV and in the second switching position of the second mechanical switching element TTF shown in Figures 6a to 6f of Laststom l L flows in the manner shown in Figures 6c and 6d from the first winding tapping 12 of the tapped transformer 16 through the second load branch or second path 20, which can also be referred to as a resistance branch or R branch, for the load discharge LA.

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  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter (10) zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen (12, 14) eines Stufentransformators (16), der eine drehbare Schaltwelle (22) aufweist, der Betätigungselemente (24) für mehrere Betätigungsphasen für mechanische Schaltelemente (MTF, TTF) bzw. Vakuumschaltröhren (MSV, TTV) zugeordnet sind.

Description

Stufe n sch a lte r m it F rei l a ufe l e m e nt
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines
Stufentransformators, der eine drehbare Schaltwelle aufweist, der
Betätigungselemente für mehrere Betätigungsphasen für mechanische Schaltelemente bzw. Vakuumschaltröhren zugeordnet.
Aus der DE 20 21 575 ist ein Stufenschalter bekannt, der insgesamt vier Vakuumschaltröhren pro Phase aufweist. In jedem der beiden vorhandenen
Lastzweige sind jeweils eine Vakuumschaltröhre als Hauptkontakt und jeweils eine weitere Vakuumschaltröhre, in Reihenschaltung mit einem Überschaltwiderstand, als Widerstandskontakt vorgesehen.
Bei einer unterbrechungslosen Lastumschaltung von der bisherigen
Wicklungsanzapfung n auf eine neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung n+1 wird zunächst der Hauptkontakt der abschaltenden Seite geöffnet, wonach der
Widerstandskontakt der übernehmenden Seite geschlossen wird, so dass zwischen den beiden Stufen n und n+1 ein durch die Überschaltwiderstände begrenzter
Ausgleichsstrom fließt. Nachdem der bisher geschlossene Widerstandskontakt der abschaltenden Seite geöffnet hat, schließt dann der Hauptkontakt der übernehmenden Seite, so dass der gesamte Laststrom von der neuen Wicklungsanzapfung n+1 zur Lastableitung führt, womit die Umschaltung beendet ist.
Die bei diesem bekannten Stufenschalter und zahlreichen ähnlichen bekannten Ausführungsformen verwendeten Vakuumschaltröhren statt herkömmlicher mechanischer Kontakte zur Lastumschaltung besitzen eine Reihe von Vorteilen. Da die Kontakte selbst im Vakuum gekapselt sind, lassen sich hohe Schaltleistungen realisieren. Die gekapselten, hermetisch abgeschlossenen Kontakte können außerdem nicht zur Verrußung und Verschmutzung des sie umgebenden Isolieröls im
Stufenschalter durch Kontaktabbrand oder Lichtbögen führen. Weiterhin sind
Vakuumschaltröhren inzwischen als sehr kompakte Bauteile verfügbar; sie weisen einen geringen Platzbedarf auf und erfordern nur relativ geringe Betätigungskräfte. Bei verschiedenen Anwendungsfällen solcher bekannter Stufenschalter mit Vakuumschaltröhren zur Regelung von Leistungstransformatoren ist jedoch eine hohe Stoßspannungsfestigkeit von vorzugsweise bis zu Spannungen von 100 kV und deutlicher darüber hinaus erforderlich. Solche unerwünschte Stoßspannungen, deren Höhe wesentlich durch den Aufbau des Stufentransformators und der Wicklungsteile zwischen den einzelnen Anzapfstufen bedingt ist, sind zum einen
Blitzstoßspannungen, die sich durch das Einschlagen von Blitzen im Netz ergeben. Zum anderen können auch Schaltstoßspannungen auftreten, die durch nicht vorhersehbare Schaltstöße im zu regelnden Netz verursacht sind. Bei nicht
ausreichender Stoßspannungsfestigkeit des Stufenschalters kann es zu kurzzeitigem Stufenkurzschluss bzw. unerwünschtem Durchschlag an der Keramik bzw. dem Dampfschirm betroffener Vakuumschaltröhren im nicht den Laststrom führenden Lastzweig kommen, was nicht nur deren Langzeitschädigung verursachen kann, sondern generell unerwünscht ist. Aus der DE 23 57 209 A und der DE 26 04 344 A ist es bereits bekannt, zur
Bekämpfung zu hoher Stoßspannungsbeanspruchungen zwischen den Lastzweigen Schutzfunkenstrecken oder auch spannungsabhängige Widerstände oder auch beides vorzusehen; diese Mittel sind jedoch in verschiedenen Fällen unzureichend und können schädliche Stoßspannungsbeanspruchungen in ihrer Wirkung nicht oder nicht vollständig ausschließen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art mit hoher Stoßspannungsfestigkeit, auch als aO-Festigkeit bezeichnet, vorzuschlagen.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen
Patentanspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Zur Erreichung des Ziels der Erfindung wird ein Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bei diesem Stufenschalter ist ein
Lastzweig mit wenigstens zwei parallelen Pfaden vorgesehen. Jeder dieser Pfade kann eine Serienanordnung aus wenigstens einer Vakuumschaltröhre und wenigstens einem mechanischen Schaltelement umfassend, der im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Einem der wenigstens zwei Pfade kann ein in Serie mit der jeweiligen Vakuumschaltröhre und dem mechanischen Schaltelement angeordneter Widerstand zugeordnet sein. Auf diese Weise können die wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer Lastableitung beaufschlagt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die insgesamt wenigstens zwei
Vakuumschaltröhren und wenigstens zwei mechanischen Schaltelemente mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen gemeinsam schaltbar. Zudem weist wenigstens eines der mechanischen
Schaltelemente einen gegenüber den übrigen Schaltelementen bzw.
Vakuumschaltröhren und von der Schaltrichtung unabhängigen zeitlich
nachverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt auf, wodurch bestimmte
Schaltzustände auf einfache, zuverlässige und exakt reproduzierbare Weise mit Hilfe mechanischer Mittel realisiert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Stufenschalters weist der nachverlagerte Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt einen definierten zeitlichen Abstand zu den übrigen Schalt- bzw. Auslösezeitpunkten der weiteren mechanischen Schaltelemente und Vakuumschaltröhren auf. Zudem schaltet das einen zeitlich nachverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweisende mechanische Schaltelement allen übrigen Schaltelementen und Vakuumschaltröhren nachgeordnet.
Der erfindungsgemäße Stufenschalters sieht eine drehbare Schaltwelle vor, der Betätigungselemente für jede Betätigungsphase für die mechanischen Schaltelemente bzw. Vakuumschaltröhren zugeordnet sind, wobei die Betätigungselemente jeweils von der Schaltwelle drehbaren, konzentrischen Kurvenscheiben mit stirnseitigen Konturen zugeordnet sind. Diese stirnseitigen Konturen können insbesondere durch Vorsprünge, Nocken o. dgl. gebildet sein, die zur Betätigung der Schaltelemente und/oder
Vakuumschaltröhren geeignet sind. Zudem sind die von der wenigstens einen mit dem zeitlich verzögert zu schaltenden mechanischen Schaltelement korrespondierenden Kurvenscheibe ausgelösten Schaltzeitpunkte unabhängig von ihrer Drehrichtung bzw. von der Drehrichtung der Schaltwelle gegenüber den Drehbewegungen der übrigen Kurvenscheiben bzw. der übrigen Betätigungselemente zeitlich verzögert.
Weiterhin kann ein zusätzlicher Dauerhauptkontakt am Stufenschalter vorgesehen und/oder mit diesem gekoppelt sein. Bei einem solchen Stufenschalter kann zusätzlich auf der ab- und/oder aufschaltenden Seite jeweils ein mechanischer Kontakt (MC) vorhanden sein, der einen Dauerstrom führt. Der Kontakt eines solchen Dauerhauptkontaktschalters öffnet vorzugsweise auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF), während der Kontakt auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen Schaltelementen schließt.
Das in jeder Schaltrichtung verzögerte Schalten bzw. Auslösen des wenigstens einen mechanischen Schaltelements kann bei dem Stufenschalter dadurch realisiert sein, dass dem wenigstens einen Schaltmittel und der diesem zugeordneten
Kurvenscheibe ein Freilaufelement zur Phasenverschiebung des Schaltzeitpunkts je nach Drehrichtung der Schaltwelle zugeordnet ist. Dieses Freilaufelement kann insbesondere eine kreissegmentförmige, zur Schaltwelle konzentrisch angeordnete Führungskulisse für einen Mitnehmer der Kurvenscheibe sowie ein hülsenartiges Trennelement umfassen, das gegenüber den drehbaren Schaltwellen und
Kurvenscheiben gehäusefest verankert ist und die Drehbewegungen der Schaltwelle und der auf dieser gelagerten Kurvenscheibe voneinander entkoppelt. Das
Trennelement sorgt auf einfache und effektive Weise dafür, dass die Kurvenscheibe beim Drehen der Schaltwelle nicht unkontrolliert mitgedreht wird, bspw. durch viskose Effekte des Ölbads, in dem die Bestandteile des Stufenschalters angeordnet sind, sondern dass die Kurvenscheibe ausschließlich durch die zusammenwirkenden Mitnehmerelemente und Führungskulissen gedreht wird. Diese zusammenwirkenden Mitnehmerelemente und Führungskulissen definieren durch ihre Abmessungen und Anordnungen die Hysterese des Freilaufs, d.h., die Schaltverzögerung, die in jeder Drehrichtung der Schaltwelle einen exakt gleichgroßen zeitlichen Abstand zum Schaltbeginn aufweist. Der Erfindung liegt die allgemeine Idee zu Grunde, durch jeweils
nachgelagertes Schalten eines mechanischen Schaltelements eines von mehreren Lastzweigen unabhängig von der jeweiligen Schaltrichtung die gewünschte
Stoßspannungsfestigkeit bzw. aO-Festigkeit realisieren zu können. Auf diese Weise belasten eventuell auftretende Stoßspannungen die Vakuumschaltröhren im jeweils nicht den Laststrom führenden Lastzweig nicht und bleiben damit für die
Vakuumschaltröhren unschädlich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Stufenschalters mit Freilaufelement, bestehend aus einer Schaltwelle mit daran angeordneten Betätigungselementen und damit gekoppelten Schaltelementen. Fig. 2 zeigt in einer schematischen Detaildarstellung ein Detail eines
Betätigungsmechanismus des Stufenschalters gemäß Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Stufenschalter gemäß Fig. 1 von unten.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Schaltabläufe eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stufenschalters gemäß Figuren 1 bis 3 während eines Schaltzyklus in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen.
Fig. 5 zeigt in mehreren Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des Stufenschalters in einer ersten Schaltrichtung. Fig. 6 zeigt in mehreren Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden
Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des Stufenschalters in einer zweiten Schaltrichtung.
Fig. 7 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine Variante eines um zwei zusätzliche Dauerhauptkontakte ergänzten Stufenschalters. Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel ist nicht einschränkend zu verstehen, sondern dient zur Erläuterung der Funktion und der Schaltmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Stufenschalters.
Die schematischen Perspektivdarstellungen der Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Stufenschalters 10, umfassend eine Schaltwelle 22 mit daran angeordneten Betätigungselementen 24 und damit gekoppelten
Schaltelementen 26. Die schematische Darstellung der Fig. 3 zeigt weiterhin eine Draufsicht auf den Stufenschalter 10 gemäß Fig. 1 von unten. Wie anhand der nachfolgend zu erläuternden Figuren 4 bis 7 veranschaulicht werden wird, weist ein nachgelagerter Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt eines von zwei mechanischen
Schaltelementen TTF einen definierten zeitlichen Abstand zu den übrigen Schalt- bzw. Auslösezeitpunkten eines ersten mechanischen Schaltelements MTF und zwei Vakuumschaltröhren MSV und TTV auf. Zudem schaltet das einen zeitlich
nachverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweisende mechanische
Schaltelement TTF allen übrigen Schaltelementen und Vakuumschaltröhren nachgeordnet, unabhängig von der Schaltrichtung, d.h. von der Drehrichtung der Schaltwelle 22.
Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Ausführungsvariante des
erfindungsgemäßen Stufenschalters 10 sieht eine um ihre Achse in beide Richtungen drehbare Schaltwelle 22 vor, der vier parallel angeordnete, scheibenförmige
Betätigungselemente 24 für jede Betätigungsphase für die mechanischen
Schaltelemente 26 bzw. Vakuumschaltröhren zugeordnet sind, wobei die
Betätigungselemente 24 jeweils durch von der Schaltwelle drehbaren, konzentrischen Kurvenscheiben 28 mit umfangsseitigen Konturen bzw. Vorsprüngen 30 gebildet sind. Wahlweise könnten solche Konturen und/oder Vorsprünge auch stirnseitig an den Kurvenscheiben angeordnet sein. Diese Vorsprünge 30 lösen die jeweiligen
Schaltelemente 26 bzw. Vakuumschaltröhren im Schaltblock 27 aus, indem sie in den Umriss des Schaltblocks 27 hinein- und daran vorbeigedreht werden, wobei sie das jeweilige mechanische Schaltelement und/oder die jeweilige Vakuumschaltröhre um einen definierten Schaltweg drehen bzw. betätigen. Wie in den Figuren 1 , 2 und 3 erkennbar, kann jede der vier vorhandenen Kurvenscheiben 28 an ihrem
Außenumfang jeweils mehrere gleichmäßig voneinander beabstandete Vorsprünge bzw. Nocken 30 aufweisen, so dass für einen vollständigen Schaltzyklus des
Stufenschalters 10 keine vollständige Drehung der Schaltwelle 22 um 360 Grad erforderlich ist, sondern dass bspw. bereits eine 120°-Drehung hierfür ausreichen kann. Zudem ermöglichen es die Außenkonturen der Vorsprünge bzw. Nocken 30 der Kurvenscheiben 28 und ein spezieller Mechanismus der Lagerung wenigstens einer der Kurvenscheiben 28, dass die von der wenigstens einen mit dem zeitlich verzögert zu schaltenden mechanischen Schaltelement TTF korrespondierenden Kurvenscheibe 28 ausgelösten Schaltzeitpunkte unabhängig von ihrer Drehrichtung bzw. von der Drehrichtung der Schaltwelle 22 gegenüber den Drehbewegungen der übrigen
Kurvenscheiben 28 bzw. der übrigen Betätigungselemente 24 zeitlich verzögert sind.
Das in jeder Schaltrichtung verzögerte Schalten bzw. Auslösen des zweiten mechanischen Schaltelements TTF (Figuren 5 und 6), in den Figuren 1 und 3 mit der Bezugsziffer 32 bezeichnet, ist bei dem dargestellten Stufenschalter 10 dadurch realisiert, dass dem betreffenden Schaltmittel bzw. Betätigungselement 24 und der diesem zugeordneten Kurvenscheibe 28 ein Freilaufelement 34 zur
Phasenverschiebung des Schaltzeitpunkts je nach Drehrichtung der Schaltwelle 22 zugeordnet ist. Dieses Freilaufelement 34 ist als kreissegmentförmige, zur Schaltwelle 22 konzentrisch angeordnete Führungskulisse 36 für einen kreisringförmigen
Mitnehmer der entsprechenden Kurvenscheibe 28 sowie ein hülsenartiges
Trennelement 38 gebildet, das gegenüber der drehbaren Schaltwelle 22 und der darauf geführten Kurvenscheibe 28 mittels eines gehäusefest verankerten Auslegers 40 festgestellt ist und die Drehbewegungen der Schaltwelle 22 und der auf dieser gelagerten Kurvenscheibe 28 voneinander entkoppelt. Das Trennelement 38 sorgt auf einfache und effektive Weise dafür, dass die Kurvenscheibe 28 beim Drehen der Schaltwelle 22 nicht unkontrolliert mitgedreht wird, bspw. durch viskose Effekte des Ölbads, in dem die Bestandteile des Stufenschalters 10 angeordnet bzw. eingetaucht sind, sondern dass die Kurvenscheibe 22 ausschließlich durch die
zusammenwirkenden Mitnehmerelemente und Führungskulissen 36 gedreht wird. Diese zusammenwirkenden Mitnehmerelemente und Führungskulissen 36 definieren durch ihre Abmessungen und Anordnungen die Hysterese des Freilaufs 34, d.h., die Schaltverzögerung, die in jeder Drehrichtung der Schaltwelle 22 einen exakt gleichgroßen zeitlichen Abstand zum Schaltbeginn aufweist. Somit ist durch die Figuren 1 bis 3 die allgemeine Idee der Erfindung anschaulich verdeutlicht, durch jeweils nachgelagertes Schalten des mechanischen Schaltelements 32 bzw. TTF einen von mehreren Lastzweigen unabhängig von der jeweiligen Schaltrichtung der
Schaltwelle 22 eine gewünschte Stoßspannungsfestigkeit bzw. aO-Festigkeit zu gewährleisten. Auf diese Weise belasten eventuell auftretende Stoßspannungen die Vakuumschaltröhren im jeweils nicht den Laststrom führenden Lastzweig nicht und bleiben damit für die Vakuumschaltröhren unschädlich.
Die Darstellung der Fig. 4 zeigt ein beispielhaft und qualitativ zu verstehendes Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Schaltabläufe eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stufenschalters 10 (vgl. Figuren 1 bis 3) während eines
Schaltzyklus in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen. Das obere Diagramm verdeutlicht die Schaltfolge eines aus insgesamt vier einzelnen Schalteinheiten bestehenden Stufenschalters in eine erste Schaltrichtung, während das untere
Diagramm die Schaltfolge in entgegen gesetzte Schaltrichtung zeigt. Die
schematischen Darstellungen der Fig. 5 (Figuren 5a bis 5h) zeigen in insgesamt neun Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des Stufenschalters in einer ersten Schaltrichtung, was in Fig. 5a gekennzeichnet ist durch die Schaltrichtung n - n+1.
Der in Fig. 5 anhand eines Prinzipschaltbildes dargestellte Stufenschalter 10 dient zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen 12 und 14 eines Stufentransformators 16. Der Stufenschalter 10 bildet einen Lastzweig mit zwei parallelen Pfaden 18 und 20. Jeder dieser Pfade 18 und 20 umfasst jeweils eine Serienanordnung aus einer Vakuumschaltröhre MSV, TTV und einem
mechanischen Schaltelement MTF, TTF, der im vorliegenden Zusammenhang auch als variabel einstellbarer oder umschaltbarer Schaltkontakt bezeichnet werden kann. Der erste Pfad 8 ist durch die in Serie geschaltete erste Vakuumschaltröhre MSV und das erste mechanische Schaltelement MTF gebildet. Der zweite Pfad 20 ist durch eine Serienschaltung aus der zweiten Vakuumschaltröhre TTV, dem zweiten mechanischen Schaltelement TTF sowie einem Widerstand R gebildet. Durch Umschalten der beiden mechanischen Schaltelemente MTF und TTF und durch Öffnen und Schließen der beiden Vakuumschaltröhren können die beiden Wicklungsanzapfungen 12 und 14 des Stufentransformators 16 variabel miteinander gekoppelt und/oder mit einer
Lastableitung LA beaufschlagt werden.
Die beiden Vakuumschaltröhren MSV und TTV und die beiden mechanischen Schaltelemente MTF und TTF sind gemäß Fig. 4 mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen (n -> n+1 oder n+1 -> n) gemeinsam schaltbar. Wie anhand der Fig. 4 bereits zu erkennen ist, weist das zweite mechanische Schaltelement TTF einen gegenüber dem ersten Schaltelement MTF und den beiden Vakuumschaltröhren MSV und TTV sowie von der Schaltrichtung unabhängigen zeitlich nachverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt auf, wodurch bestimmte Schaltzustände auf einfache, zuverlässige und exakt reproduzierbare Weise mit Hilfe mechanischer Mittel realisiert werden können. Zudem schaltet das einen zeitlich nachverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweisende zweite
mechanische Schaltelement TTF allen übrigen Schaltelementen und Vakuumröhren nachgeordnet.
Das Diagramm der Fig. 4 zeigt die Abläufe bei einem kompletten
Schaltvorgang, beginnend vom Zeitpunkt Null, oben für eine Antriebsrichtung von links nach rechts (n -> n+1 ), d.h. endend zu einem definierbaren Zeitpunkt (vgl. Fig. 5) und unten für eine Antriebsrichtung von rechts nach links (n+1 - n), d.h. beginnend bei einem definierbaren Zeitpunkt entsprechend der unteren Skala und endend ganz links bei Null. Die Schaltstellung des Stufenschalters 10 zum Schaltbeginn ist in Fig. 5a verdeutlicht. Die erste Vakuumschaltröhre MSV ist hierbei geschlossen, während der Schaltkontakt der zweiten Vakuumschaltröhre TTV geöffnet ist. Das erste mechanische Schaltelement MTF befindet sich in einer ersten Schaltstellung, bei welcher der Laststrom lL von der ersten Wicklungsanzapfung 12 des Stufentransformators 16 über das erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste
Vakuumschaltröhre MSV zur Lastableitung LA fließen kann. Nach einer kurzen Zeit wird die zweite Vakuumschaltröhre TTV geschlossen
(vgl. Fig. 5b), wonach die erste Vakuumschaltröhre MSV geöffnet wird (vgl. Fig. 5c). Dieses Öffnen nach kurzer Zeit nach dem Schaltbeginn ist in Fig. 5d verdeutlicht. Bei diesem Schaltzustand des Stufenschalters 10 mit der geöffneten ersten
Vakuumschaltröhre MSV und der geschlossenen zweiten Vakuumschaltröhre TTV und bei der in den Figuren 5a bis 5g gezeigten ersten Schaltstellung des zweiten mechanischen Schaltelements TTF fließt der Laststom lL in der in den Figuren 5d und 5e gezeigten Weise von der ersten Wicklungsanzapfung 12 des Stufentransformators 16 durch den zweiten Lastzweig bzw. zweiten Pfad 20, der auch als Widerstandszweig bzw. R-Zweig bezeichnet werden kann, zur Lastableitung LA. Nach einer weiteren kurzen Zeit wird das erste mechanische Schaltelement
MTF umgeschaltet (Fig. 5d, Fig. 5e), womit das Schließen der ersten
Vakuumschaltröhre MSV (Fig. 5e, Fig. 5f) und das anschließend erfolgende Öffnen der zweiten Vakuumschaltröhre TTV (Fig. 5f, Fig. 5g) vorbereitet wird. Der Laststrom lL fließt in der in Fig. 5g gezeigten Weise von der zweiten Wicklungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 durch das entsprechend geschaltete erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste Vakuumschaltröhre MSV zur
Lastableitung LA. Zuletzt wird bei diesem gezeigten Schaltzyklus wiederum das zweite mechanische Schaltelement TTF auf die zweite Wicklungsanzapfung 14 umgeschaltet (Fig. 5g, Fig. 5h), womit der Schaltzyklus beendet ist. Anhand der Darstellung der einzelnen Schaltvorgänge des in Fig. 5
dargestellten Schaltzyklus (n - n+1 ; Fig. 4 oben) wird deutlich, dass das zweite mechanische Schaltelement TTF in der erwähnten Weise zuletzt umgeschaltet wird. Da dies gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei der entgegen gesetzten Schaltrichtung der Fall sein soll, sind geeignete Vorkehrungen zu treffen, um das zweite mechanische Schaltelement TTF bei ansonsten in umgekehrter Reihenfolge schaltenden übrigen Komponenten MTF, MSV und TTV wiederum zuletzt schalten zu lassen. Dieses verzögerte Schalten wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels eines geeignet zu konfigurierenden Freilaufelements gewährleistet, wie dies anhand der Figuren 1 bis 3 bereits anschaulich verdeutlicht wurde.
Die Darstellungen der Fig. 6 zeigen in mehreren Schaltbildern die einzelnen, aufeinander folgenden Schaltzustände der verschiedenen Komponenten des
Stufenschalters in einer zweiten Schaltrichtung. So zeigt das untere Diagramm der Fig. 4 die Abläufe bei einem kompletten Rückschaltvorgang, für eine Antriebsrichtung von rechts nach links (n+1 -> n), d.h. beginnend bei einem Zeitpunkt entsprechend der unteren Skala und endend ganz links bei Null. Die Schaltstellung des Stufenschalters 10 zum Schaltbeginn innerhalb eines ersten Zeitraums ist in Fig. 6a verdeutlicht. Die erste Vakuumschaltröhre MSV ist hierbei geschlossen, während der Schaltkontakt der zweiten Vakuumschaltröhre TTV geöffnet ist. Das erste mechanische Schaltelement MTF befindet sich in seiner zweiten Schaltstellung, bei welcher der Laststrom lL von der zweiten Wicklungsanzapfung 14 des Stufentransformators 6 über das erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste Vakuumschaltröhre MSV zur Lastableitung LA fließen kann. Dies ist gleichzeitig die Schaltstellung entsprechend Fig. 5h, mit welcher der erste Schaltzyklus entsprechend dem oberen Diagramm der Fig. 4 abgeschlossen wurde.
Die Erfindung sieht hierbei vor, dass das zweite mechanische Schaltelement TTF nicht zu einem frühen Zeitpunkt umgeschaltet wird, sondern zunächst in der in Fig. 6a (sowie in den Figuren 6b bis 6f) gezeigten zweiten Schaltstellung verbleibt, was beim Rückschaltvorgang entsprechend Fig. 6 nur dadurch zu realisieren ist, dass die Schaltbewegung des zweiten mechanischen Schaltelements TTF zumindest teilweise von den Schaltbewegungen der übrigen Schaltelemente bzw. Vakuumschaltröhren entkoppelt wird, was mittels des Freilaufelements entsprechend den Figuren 1 bis 3 erfolgt. Nach einer definierbaren Zeit wird die zweite Vakuumschaltröhre TTV geschlossen (vgl. Fig. 6a), wonach die erste Vakuumschaltröhre MSV geöffnet wird (vgl. Fig. 6b). Dieses Öffnen der ersten Vakuumschaltröhre MSV erfolgt innerhalb eines definierbaren Zeitraums nach dem Schaltbeginn, was in Fig. 6b (Öffnen) und in Fig. 6c (MSV geöffnet) verdeutlicht ist. Bei diesem Schaltzustand des Stufenschalters 10 mit der geöffneten ersten Vakuumschaltröhre MSV und der geschlossenen zweiten Vakuumschaltröhre TTV und bei der in den Figuren 6a bis 6f gezeigten zweiten Schaltstellung des zweiten mechanischen Schaltelements TTF fließt der Laststom lL in der in den Figuren 6c und 6d gezeigten Weise von der ersten Wicklungsanzapfung 12 des Stufentransformators 16 durch den zweiten Lastzweig bzw. zweiten Pfad 20, der auch als Widerstandszweig bzw. R-Zweig bezeichnet werden kann, zur Lastableitung LA.
Nach einem weiteren kurzen Zeitraum wird das erste mechanische
Schaltelement MTF umgeschaltet (Fig. 6c, Fig. 6d), womit das Schließen der ersten Vakuumschaltröhre MSV (Fig. 6d, Fig. 6e) und das anschließend erfolgende Öffnen der zweiten Vakuumschaltröhre TTV (Fig. 6e, Fig. 6f) vorbereitet wird. Der Laststrom lL fließt damit wieder in der in Fig. 6f gezeigten Weise von der ersten
Wicklungsanzapfung 12 des Stufentransformators 16 durch das entsprechend geschaltete erste mechanische Schaltelement MTF und die geschlossene erste Vakuumschaltröhre MSV zur Lastableitung LA. Zuletzt wird bei diesem gezeigten Rückschaltzyklus wiederum das zweite mechanische Schaltelement TTF auf die erste Wicklungsanzapfung 12 umgeschaltet (Fig. 6f, Fig. 6g), womit der Schaltzyklus beendet ist. Auf diese Weise wird anhand der Darstellung der einzelnen
Schaltvorgänge des in Fig. 6 dargestellten Schaltzyklus (n+1 - n; Fig. 4 unten) wiederum deutlich, dass das zweite mechanische Schaltelement TTF in der erwähnten Weise zuletzt umgeschaltet wird.
Die dargestellten Schaltverzögerungen des zweiten mechanischen
Schaltelements TTF bilden eine Umsetzung der allgemeinen Idee der Erfindung, mittels eines geeigneten Freilaufelements im Stufenschalter durch jeweils
nachgelagertes Schalten des mechanischen Schaltelements TTF in einem von zwei Lastzweigen unabhängig von der jeweiligen Schaltrichtung die gewünschte
Stoßspannungsfestigkeit bzw. aO-Festigkeit realisieren zu können. Auf diese Weise belasten eventuell auftretende Stoßspannungen die Vakuumschaltröhren MSV und TTV im jeweils nicht den Laststrom führenden Lastzweig nicht und bleiben damit für die Vakuumschaltröhren unschädlich.
Die Darstellung der Fig. 7 zeigt anhand eines weiteren Schaltbildes eine Variante eines um zwei zusätzliche Schalter bzw. Dauerhauptkontakte MC ergänzten Stufenschalters 10. Bei dieser alternativen Variante des Stufenschalters 10 sind zusätzlich auf der ab- und aufschaltenden Seite jeweils mechanische Kontakte MC vorgesehen. Diese Dauerhauptkontakte MC bzw. zusätzliche Schalter führen jeweils einen Dauerstrom. Zudem sind sie so geschaltet, dass der Kontakt MC2 auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF) öffnet und der Kontakt MC2 auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen Schaltelementen schließt.

Claims

An s p rü ch e
Stufenschalter (10) zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen
wenigstens zwei Wicklungsanzuapfungen ( 2, 14) eines Stufentransformators (16), der eine drehbare Schaltwelle (22) aufweist, der Betätigungselemente (24) für mehrere Betätigungsphasen für mechanische Schaltelemente (MTF, TTF) bzw. Vakuumschaltröhren (MSV, TTV) zugeordnet sind, wobei die
Betätigungselemente (24) jeweils von der Schaltwelle (22) drehbaren, konzentrischen Kurvenscheiben (28) mit stirnseitigen oder umfangsseitigen Konturen, Vorsprüngen, Nocken (30) o. dgl. zugeordnet sind, und wobei die von wenigstens einer Kurvenscheibe (28) ausgelösten Schaltzeitpunkte unabhängig von der Drehrichtung der Schaltwelle (22) gegenüber den Drehbewegungen der übrigen Kurvenscheiben (28) bzw. der übrigen Betätigungselemente (24) zeitlich verzögert sind.
Stufenschalter nach Anspruch 1 , bei dem wenigstens einem der Schaltmittel bzw. Betätigungselemente (24) und der diesem zugeordneten Kurvenscheibe (28) ein Freilaufelement (34) zur Phasenverschiebung des Schaltzeitpunkts je nach Drehrichtung der Schaltwelle (22) zugeordnet ist.
Stufenschalter nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Freilaufelement (34) eine kreissegmentförmige, zur Schaltwelle (22) konzentrisch angeordnete
Führungskulisse (36) für einen Mitnehmer der Kurvenscheibe (28) sowie ein hülsenartiges Trennelement (38) umfasst, das gegenüber der drehbaren Schaltwelle (22) und den Kurvenscheiben (28) gehäusefest verankert ist und die Drehbewegungen der Schaltwelle (22) und der auf dieser gelagerten Kurvenscheibe (28) voneinander entkoppelt.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Lastzweig mit wenigstens zwei parallelen Pfaden ( 8, 20), umfassend jeweils eine
Serienanordnung aus wenigstens einer Vakuumschaltröhre (MSV; TTV) und wenigstens einem mechanischen Schaltelement (MTF; TTF, 32), vorgesehen ist, wobei wenigstens einem Pfad (18, 20) ein in Serie mit der jeweiligen Vakuumschaltröhre (TTV) und dem mechanischen Schaltelement (TTF) angeordneter Widerstand (R) zugeordnet ist, wobei die wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen (12, 14) variabel miteinander koppelbar und/oder mit einer Lastableitung (LA) beaufschlagbar sind, wobei die insgesamt wenigstens zwei Vakuumschaltröhren (MSV, TTV) und wenigstens zwei mechanischen Schaltelemente (MTF, TTF) mit definiertem zeitlichem Versatz zueinander in jeweils unterschiedliche Schaltrichtungen gemeinsam schaltbar sind, und wobei wenigstens eines der mechanischen Schaltelemente (TTF) einen gegenüber den übrigen Schaltelementen (MTF) bzw. Vakuumschaltröhren (MSV, TTV) und von der Schaltrichtung unabhängigen zeitlich nachverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweist.
Stufenschalter nach Anspruch 4, bei dem der nachverlagerte Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt einen definierten zeitlichen Abstand zu den übrigen Schaltbzw. Auslösezeitpunkten der weiteren mechanischen Schaltelemente (MTF) und Vakuumschaltröhren (MSV, TTV) aufweist.
Stufenschalter nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das einen zeitlich
nachverlagerten Schalt- bzw. Auslösezeitpunkt aufweisende mechanische Schaltelement (TTF) allen übrigen Schaltelementen (MTF) und
Vakuumschaltröhren (MSV, TTV) nachgeordnet schaltet.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zusätzlich auf der ab- und aufschaltenden Seite jeweils ein mechanischer Kontakt (MC) vorhanden ist, der einen Dauerstrom führt, von denen der Kontakt auf der abschaltenden Seite vor allen übrigen Schaltelementen (MSV, TTV, MTF, TTF) öffnet und der Kontakt auf der aufschaltenden Seite nach allen übrigen
Schaltelementen schließt.
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