EP2636051A1

EP2636051A1 - Umsteller

Info

Publication number: EP2636051A1
Application number: EP11769793.8A
Authority: EP
Inventors: Florian Hoppenthaler
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-09-11
Also published as: CN103155073A; DE102010050259A1; DE102010050259B4; WO2012059165A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umsteller zur leistungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators. Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, ein Schrittschaltgetriebe (2) für einen Umsteller anzugeben, bei dem alle wesentlichen Komponenten koaxial, um eine gemeinsame Mittellängsachse, mit nur geringen radialen Abmessungen der einzelnen Komponenten, angeordnet sind. Das erfindungsgemässe Schrittschaltgetriebe (2) weisst dafür eine, entlang der gemeinsamen Mittellängsachse angeordnete Antriebswelle (9) und eine Abtriebswelle (8) auf, an deren zugewandten Stirnseiten jeweils am seitlichen Umfang mehrere Mitnehmerzapfen (10, 11) vorgesehen sind, einen formschlüssig um die Antriebswelle (9) angeordneten, axial verschiebbaren erster Zylinder (12), der an seiner äusseren Mantelfläche zwei Nutkurvenkonturen (13, 14) besitzt, einen ebenfalls axial verschiebbaren zweiten Zylinder (20), der mit dem ersten Zylinder (12) mittels in die Nutkurvenkontur (14) eingreifende Bolzen (26.1, 26.2) in Wirkverbindung steht und einen als Kupplung ausgebildeten dritten Zylinder (21), der in axialer Richtung über den zweiten Zylinder (20) zwangsgeführt wird.

Description

Umsteller

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umsteller zur leistungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.

Im Gegensatz zu einem Laststufenschalter, bei dem die Umschaltung unterbrechungslos unter Last erfolgt, muss bei einem zur Umschaltung vorgesehenen Umsteller der entsprechende

Stufentransformator vor Beginn der Umschaltung vollständig abgeschaltet sein und darf erst nach vollständiger Beendigung der Umschaltung wieder zugeschaltet werden. Ein solcher Umsteller ist beispielsweise aus der Firmendruckschrift der Anmelderin„Umsteller DEETAP® U, Betriebsanleitung BA 278/06" Druckimpressum 11/09 bereits bekannt. Dieser bekannte Umsteller arbeitet nach dem Prinzip eines Drehumstellers. Er weist ein Isolierstoffgerüst auf, an dem in mehreren horizontalen Ebenen jeweils kreisförmig feste Kontakte angeordnet sind. Im Inneren dieses Isolierstoffgerüstes befindet sich eine drehbare Isolierschaltwelle, die in jeder horizontalen Ebene mindestens einen Schaltkontakt trägt, durch den die korrespondierenden festen Kontakte abhängig von der jeweiligen Grundschaltung, z. B. als Sternpunkt-Anzapfumsteller, Einfach-Mittenumsteller, Doppel - Mittenumsteller, Reihen-Parallelumsteller, Stern-Dreieck-Umsteller, auf unterschiedliche Weise beschaltbar sind. Der Umsteller ist dabei in der Nähe der seitlichen Wandung im Transformatorkessel des Stufentransformators angeordnet.

Das Verstellen des Umstellers von einer Betriebsstellung in eine andere, d. h. das Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen des angeschlossenen Stufentransformators, wird, wie bereits erwähnt, bei abgeschalteten Stufentransformator, d. h. im ström- und spannungsfreien Zustand, durch Drehen der Isolierschaltwelle bewirkt. Die Drehung der Isolierschaltwelle erfolgt üblicherweise mittels eines Schrittgetriebes, insbesondere einem Maltesergetriebe, auf das ein elektrischer Motorantrieb oder auch ein mechanischer Handantrieb wirkt. Den oberen Abschluss des bekannten Umstellers bildet der Umstellerkopf mit der angebauten oberen Getriebestufe und dem darunter befindlichen Maltesergetriebe zum Antrieb der Isolierschaltwelle. An eine äußere

Wellenkupplung an der oberen Getriebestufe wird eine vom jeweiligen Motor- oder Handantrieb kommende Welle angeschlossen; deren Drehbewegung wird in der oberen Getriebestufe über ein Schneckengetriebe auf eine senkrechte im Umstellerkopf gelagerte Antriebswelle übertragen, die wiederum an ihrem unteren Ende eine Malteserkurbel aufweist. Die Malteserkurbel greift in ein Malteserrad ein, das am oberen Ende fest an der Isolierschaltwelle angeordnet ist. Dieser beschriebene und seit Jahrzehnten im Stand der Technik gängige Aufbau ist jedoch für den Trafobauer platzraubend, da er einen relativ großen Bauraum innerhalb des Transformatorkessels einnimmt und damit die Freiheitsgrade des Trafobauers bei der Konstruktion des eigentlichen

Transformators im platzmäßig beengten Transformatorkessel einschränkt. Letzen Endes deshalb, weil der Umsteller in einem gewissen dielektrischen Abstand zu den einzelnen Wicklungen des

Transformators innerhalb des Transformatorkessels und den Wandungen des Transformatorgehäuses angeordnet werden muss. Einen wesentlichen Platzbedarf innerhalb des Transformatorkessels nimmt dabei, neben dem Umsteller selbst, die Installation der einzelnen, dielektrisch isolierten

Kupferleitungen von den entsprechenden Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung des

Transformators zu den jeweiligen Anschlusskontakten des Umstellers in Anspruch. Die

Leitungsführung, am Transformatoraktivteil befestigt durch das Ableitgerüst, ist aber nicht nur zeitaufwändig in seiner Installation, sondern auf Grund seiner geforderten elektrisch leitenden Eigenschaften aus Kupfer gefertigt und damit sehr teuer.

Neuere Entwicklungen von Umstellern bestehen im Wesentlichen aus mehreren kreisförmig um eine zentrale Mittellängsachse angeordneten Kontaktstäben, die gleichzeitig die festen Kontakte bilden, und einer zentralen, drehbar gelagerten Schaltwelle, an der eine Kontaktanordnung befestigt ist, die das bewegliche Kontaktsystem bildet. Ein derartiger Umsteller ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 020 040.9 der Anmelderin beschrieben. Die bewegliche, um eine zentrale Schaltwelle drehbar gelagerte Kontaktanordnung dient der elektrischen Kontaktierung von zwei zueinander, vorzugsweise benachbarten, festen Kontaktstäben, um dadurch ein definiertes Transformationsverhältnis des mit dem Umsteller in Wirkverbindung stehenden Stufentransformtors zu bewirken. Die Halterung sowohl der kreisförmig angeordneten Kontaktstäbe, als auch der zentralen drehbeweglichen Schaltwelle erfolgt beidseitig mittels eines flächig, plattenartig ausgebildeten Fixierelements. Die elektrischen Leitungen werden dabei direkt stirnseitig an den Kontaktstäben, d. h. an der Ober- und Unterseite des Umstellers, angeschlossen und längs der Mittelachse des Umstellers innerhalb des Stufentransformator weitergeführt.

Diese neuartige Umstellergeneration der DE 10 2010 020 040.9 ermöglicht dabei eine besonders platzsparende Positionierung direkt am Aktivteil, d. h. in unmittelbarer Nähe der einzelnen

Stufenwicklungen des Transformators, direkt an dessen Joch. Damit können die

Verbindungsleitungen zwischen den entsprechenden Anschlusskontakten des Umstellers und den einzelnen Wicklungsanzapfungen der Regelwicklungswicklung des Stufentransformators auf ein Minimum verkürzt werden. Insbesondere macht dies die aufwändige und teure Leitungsführung mit samt dem Ableitgerüst entbehrlich. Jedoch ist auf Grund der nun technisch zwingend notwendigen axialen Leitungsführung und der erforderlichen dielektrischen Abstände zwischen den einzelnen Leitungen, aber auch zu den Windungen der Stufenwicklung des Transformators, die Verwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten und seit Jahrzehnten bewährten Maltesergetriebes nicht mehr möglich. Dies deshalb, weil der für ein Maltesergetriebe erforderliche Platzbedarf direkt am Kopf des Umstellers auf Grund der axialen Leitungsführung nun nicht mehr vorhanden ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Umsteller für einen Stufentransformator anzugeben, der ein Schrittgetriebe aufweist, das die erforderlichen dielektrischen Abstände zwischen den einzelnen Leitungen, aber auch zu den Windungen der Stufenwicklung des Transformators einhält und zudem kostengünstig herstellbar ist. Gleichzeitig soll das Getriebe aus nur wenig

Einzelbauteilen bestehen und einfach und zuverlässig in der Handhabung sein.

Diese Aufgabe wird durch einen Umsteller für einen Stufentransformator mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte

Weiterbildungen der Erfindung.

Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, ein Schrittschaltgetriebe für einen Umsteller anzugeben, bei dem alle wesentlichen Komponenten koaxial, um eine gemeinsame Mittellängsachse, mit nur geringen radialen Abmessungen der einzelnen Komponenten, angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Schrittschaltgetriebe weist dafür eine, entlang der gemeinsamen Mittellängsachse angeordnete, Antriebswelle und eine Abtriebswelle auf, an deren zugewandten Stirnseiten jeweils am seitlichen Umfang mehrere Mitnehmerzapfen vorgesehen sind, einen formschlüssig um die

Antriebswelle angeordneten, axial verschiebbaren ersten Zylinder, der an seiner äußeren

Mantelfläche zwei Nutkurvenkonturen besitzt, einen ebenfalls axial verschiebbaren zweiten Zylinder, der mit dem ersten Zylinder mittels in die zweite Nutkurvenkontur eingreifende Bolzen in

Wirkverbindung steht und einen innerhalb des zweiten Zylinders als Kupplung ausgebildeten dritten Zylinder, dessen Innenverzahnung dauerhaft in die Mitnehmerzapfen der Abtriebswelle eingreift und zudem in axial Richtung mittels des zweiten Zylinders zwangsgeführt wird. Indem das für den Umstellereinsatz erfindungsgemäß entwickelte Schrittschaltgetriebe, statt des aus dem Stand der Technik bekannten Maltesergetriebes, verwendet wird, kann der eigentliche Umsteller direkt am Aktivteil des Stufentransformators platziert werden. Dies deshalb, weil das vorgeschlagene Schrittschaltgetriebe platzsparend mittig zu den axial an den Kontaktstäben befestigten Leitungen, also in Verlängerung der Mittellängsachse, montiert werden kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen Umsteller mit einem erfindungsgemäßen Schrittschaltgetriebe

Figur 2 das erfindungsgemäße Schrittschaltgetriebe in einer seitlichen

Schnittdarstellung.

Figur 1 zeigt einen Umsteller 1 mit einem erfindungsgemäßen Schrittschaltgetriebe 2. Der Umsteller 1 weist zwei im Wesentlichen horizontal zueinander beabstandete Fixierelemente 3.1 und 3.2 auf, zwischen den mehrere sich in Längsrichtung erstreckende, um eine gemeinsame Mittellängsachse angeordnete und rohrförmig ausgebildete elektrisch leitende Kontaktstäbe 4 angeordnet sind. Jeder dieser vorzugsweise holen Kontaktstäbe 4 bildet dabei einen Festkontakt und ist über seine jeweilige elektrische Anschlussleitung 5 mit der korrespondierenden Wicklungsanzapfung eines in dieser Abbildung nicht dargestellten Stufentransformators verbunden. Zudem ist zwischen den

Fixierelementen 3.1 und 3.2 zentrisch im Inneren, zwischen den mehreren Kontaktstäben 4, eine zentrale Schaltwelle 6 vorgesehen, an der mehrere identische Kontaktanordnungen 7 befestigt sind, die das bewegliche Kontaktsystem bilden. Die mehreren beweglichen, mittels einer zentralen

Schaltwelle 6 drehbar gelagerten Kontaktanordnungen 7 dienen der elektrischen Kontaktierung zwei zueinander, vorzugsweise benachbarten, festen Kontaktstäben 4, um dadurch ein definiertes

Transformationsverhältnis des mit dem Umsteller 1 in Wirkverbindung stehenden

Stufentransformators herzustellen. In axialer Verlängerung der Schaltwelle 6 und mit dieser über eine Abtriebswelle 8 drehfest verbunden ist das erfindungsgemäße Schrittschaltgetriebe 2 zwischen den stromführenden Anschlussleitungen 5 angeordnet. Gehalten wird das Schrittschaltgetriebe 2 über eine Befestigung 30 an dem oberen Fixierelement 3.1. Figur 2 zeigt eine Detailansicht in einer seitlichen Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen

Schrittschaltgetriebes 2, das eine koaxial entlang einer gemeinsamen Mittellängsachse angeordnete Antriebswelle 9 und Abtriebswelle 8 aufweist, die jeweils als Vollwellen ausgebildet sind und an deren zugewandten Stirnseiten jeweils am seitlichen Umfang mehrere Mitnehmerzapfen 10, 11 vorgesehen sind, von denen die Mitnehmerzapfen 10 der Antriebswelle 9 auf der der Abtriebswelle 8 zugewandten Stirnseite abgerundete Radien aufweisen. Um die Antriebswelle 9 ist formschlüssig, jedoch entlang der Mittellängsachse verschiebbar, ein erster Zylinder 12 aufgeschoben, welcher an seiner äußeren Mantelfläche zwei symmetrische Nutkurvenkonturen 13 und 14 besitzt. Mit der Antriebswelle 9 drehfest fixiert wird der erste Zylinder 12 mittels eines Durchsteckbolzens 15, der in ein in dem ersten Zylinder 12 vorgesehenes Langloch 16 eingreift, derart, dass der erste Zylinder 12 mit der

Antriebswelle drehfest verbunden ist, jedoch gleichzeitig axial verschiebbar bleibt. In einem das gesamte Schrittschaltgetriebe umgebenden Gehäuse 17 sind in der Seitenwandung weitere Bolzen 18.1 und 18.2 im Bereich des ersten Zylinders 12 vorgesehen, die mit der ersten Nutkurvenkontur 13 korrespondieren. An den jeweiligen Stirnseiten des Gehäuses 17 sind Öffnungen 19.1 und 19.2 vorgesehen, in denen die Antriebswelle 9 als auch die Abtriebswelle 8 rotatorisch gelagert aufgenommen werden, im Falle einer Rotation der Antriebswelle 9 und damit auch des ersten Zylinders 12, erzeugt die Zwangsführung der Bolzen 18.1 und 18.2 in der ersten Nutkurvenkontur 13 eine Linearbewegung des ersten. Zylinders 12 entlang der Mittellängsachse. Ein zweiter, als Koppel ausgebildeter, Zylinder 20 greift dabei gleichzeitig mittels weiterer Bolzen 26.1 und 26.2 in die zweite Nutkurvenkontur 14 des ersten Zylinders 12 ein. Durch die Symmetrie der beiden Nutkurvenkonturen 13 - 14 sind sowohl die Geschwindigkeit, als auch der axial zurückgelegte Weg des zweiten Zylinders 20 doppelt so groß wie die des ersten Zylinders 12. Mit anderen Worten: Der zweite Zylinder 20 vollzieht im Falle einer Rotationsbewegung der Antriebwelle 9 den doppelten Hub, verglichen mit dem ersten Zylinder 12. In dem zweiten Zylinder 20 ist ein als Kupplung ausgebildeter dritter Zylinder 21 aufgenommen, der in diesem axial geführt wird, indem an dem dritten Zylinder 21 an der einem Deckel 22 des Gehäuses 17 zugewandten Stirnseite ein Kragen 23 vorgesehen ist, der in eine an dem zweiten Zylinder 20 angeordneten Nut 24 eingreift. Wird also der zweite Zylinder 20 axial verschoben, so wird der dritte Zylinder 21 dadurch ebenfalls axial zwangsgeführt. Zudem ist an der inneren Umfangsseite des dritten Zylinders 21 eine zu den Mitnehmerzapfen 11 der An- und

Abtriebswelle 8, 9 passgenau ausgebildete Innenzahnung 25 vorgesehen, die im Falle einer axialen Verschiebung des als Kupplung ausgebildeten dritten Zylinders 21 gleichzeitig mit den

Mitnehmerzapfen 11 der Antriebswelle 9, als auch den Mitnehmerzapfen 10 der Abtriebswelle 8 in Wirkverbindung steht, so dass dann die Antriebswelle 9 und die Abtriebswelle 8 gemeinsam rotieren.

Um das Schrittschaltgetriebe 2 um einen Rastpunkt weiter zu bewegen, wird über die Antriebswelle 9 eine Rotationsbewegung, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Motor- oder auch

Handantriebs, ausgeübt. Über die Durchsteckbolzen 15 wird dabei gleichzeitig der erste Zylinder 12 mitgedreht. Solange die am Gehäuse 17 vorgesehenen Bolzen 18.1 , 18.2 und die am zweiten Zylinder 20 befestigten Bolzen 26.1 und 26.2 das gerade Stück der Nutkurvenkonturen 13 und 14 durchlaufen, findet noch keine translatorische Bewegung des ersten und zweiten Zylinders 12 und 20 statt. Erst in dem Moment, wenn die Bolzen 18.1 , 18.2, 26.1 und 26.2 die Rampen der symmetrischen Nutkurvenkonturen 13 und 14 erreichen, wird der erste Zylinder 12 in Richtung der Antriebswelle 9 axial beschleunigt und der zweite Zylinder 20, der über die zweite Nutkurvenkontur 14 angesteuert wird, erfährt die doppelte Beschleunigung. Dadurch wird die Innenverzahnung 25 des als Kupplung ausgebildeten dritten Zylinders 21 mit den Mitnehmerzapfen 10 und 11 der Antriebswelle 9 in Eingriff gebracht. Durch die abgerundeten Radien der Mitnehmerzapfen 10 und 11 besteht ein definiertes Spiel, das eine gewisse Rotation erlaubt und somit kein Klemmen des Schrittschaltgetriebes 2 entsteht. Durch diese Funktion ist auch der Zwangslauf des Schrittschaltgetriebes 2 gewährleistet, das sich das Schrittschaltgetriebe 2, bzw. der als Kupplung ausgebildete dritte Zylinder 21 , zu keiner Zeit rotatorisch frei drehen kann. Der eigentliche Schaltschritt ist zu diesem Zeitpunkt der Umschaltung bereist eingeleitet. Im eingekuppelten Zustand des dritten Zylinders 21 , d. h. die Innenverzahnung 25 des dritten Zylinders 21 greift sowohl in die Mitnehmerzapfen 10 und 11 der Antriebswelle 9 als auch der Abtriebswelle 8 ein, befinden sich die Bolzen 18.1 , 18.2, 26.1 und 26.2 auf den Rastplateaus der Nutkurvenkonturen 13 und 14 und es findet keine Hubbewegung statt. In diesem Zeitraum wird das Antriebsmoment der Antriebswelle 9 über den dritten Zylinder 21 auf die Abtriebswelle 8 übertragen und der Schaltschritt wird ausgeführt. Kurz vor Beendigung des Schaltschrittes wird durch die Bolzen 26.1 und 26.2 die Rückführung des dritten Zylinders 21 eingeleitet, indem der erste und zweite Zylinder 12 und 20 in Richtung der Abtriebswelle 8 beschleunigt werden. Da der Bewegungsablauf in beide Richtungen gleich ist, besteht auch hier der Zwangslauf.

Bezugszeichenliste

1 Umsteller

2 Schrittschaltgetriebe

3.1 , 3.2 Fixierelemente

4 Kontaktstäbe

5 Anschlussleitung

6 Schaltwelle

7 Kontaktanordnung

8 Abtriebswelle

9 Antriebswelle

10, 11 Mitnehmerzapfen

12 erster Zylinder

13, erste Nutkurvenkontur

14 zweite Nutkurvenkontur

15 Durchsteckbolzen

16 Langloch

17 Gehäuse

18.1 , 18.2 Bolzen

19 Öffnungen

20 zweiter Zylinder

21 dritte Zylinder

22 Deckel

23 Kragen

24 Nut

25 Innenzahnung

26.1 , 26.2 Bolzen

30 Befestigung

Claims

Patentansprüche

1. Umsteller für einen Stufentransformator,

aufweisend mehrere zueinander parallele, beabstandete und kreisförmig um eine gemeinsame Mittellängsachse angeordnete Kontaktstäbe,

eine gegenüber den Kontaktstäben drehbeweglich und an einer Schaltwelle fixierten

Kontaktanordnung zum Beschälten der Kontaktstäbe,

zumindest zwei zueinander horizontal beabstandete Fixierelemente, die die mehreren Kontaktstäbe und die Schaltwelle aufnehmen,

und ein mit der Schaltwelle in Wirkverbindung stehendes Schrittschaltgetriebe,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Schrittschaltgetriebe (2) eine, entlang der gemeinsamen Mittellängsachse angeordnete, Antriebswelle (9) und eine Abtriebswelle (8) aufweist, an deren zugewandten Stirnseiten jeweils am seitlichen Umfang mehrere Mitnehmerzapfen (10) und ( 1) vorgesehen sind,

dass formschlüssig um die Antriebswelle (9) ein erster Zylinder (12) axial verschiebbar angeordnet ist, der an seiner äußeren Mantelfläche zwei Nutkurvenkonturen (13) und (14) aufweist,

dass ein zweiter Zylinder (20), ebenfalls axial verschiebbar, vorgesehen ist, der mit dem ersten Zylinder (12) mittels in die zweite Nutkurvenkontur (14) eingreifender Bolzen (26.1 und 26.2) in Wirkverbindung steht,

und dass innerhalb des zweiten Zylinders (20) ein als Kupplung ausgebildeter dritter Zylinder (21 ) vorgesehen ist, dessen Innenverzahnung (25) dauerhaft in die Mitnehmerzapfen (11) der

Abtriebswelle (8) eingreift und zudem in axial Richtung mittels des zweiten Zylinders (20)

zwangsgeführt wird. 2. Umsteller nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass in der Seitenwandung des Gehäuses (17) Bolzen (18.1 , 18.

2) vorgesehen sind, die in die erste Nutkurvenkontur (13) eingreifen, derart, dass dadurch bei einer Drehung der Antriebswelle (9) eine axiale Zwangsführung des ersten Zylinders (12) erfolgt.

3. Umsteller nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinder (12) in seiner Mantelfläche mindestens ein Langloch (16) aufweist, in das ein mit der Antriebswelle (9) befestigter Durchsteckbolzen (15) eingreift, derart, dass der erste Zylinder (12) drehfest, jedoch axial verschiebbar, mit der Antriebswelle (9) verbunden ist.

4. Umsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass der als Kupplung ausgebildete dritte Zylinder (21) auf der der Abtriebswelle (9) angewandten Stirnseite einen umlaufenden Kragen ausweist, der in eine an der Innenseite des zweiten Zylinders (20) vorgesehene Nut (24) eingreift.

5. Umsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Antriebswelle (9) mit einem Motor- oder Handantrieb verbunden ist.

6. Umsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Schrittschaltgetriebe (2) an einem der beiden Fixierelemente (3.1 , 3.2) mittels einer Befestigung (30) gehalten wird.