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Dokumentenidentifikation DE3416914C3 12.10.1989
Titel Stufenschalter
Anmelder ASEA AB, Västerås, SE
Erfinder Johansson, Hans, Dipl.-Ing., Mölndal, SE
Vertreter Boecker, J., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.- u. Rechtsanw., 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 08.05.1984
DE-Aktenzeichen 3416914
Offenlegungstag 15.11.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.07.1986
Date of publication of amended patent 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse H01F 29/04
Zusammenfassung Stufenschalter mit mehreren festen Kontakten (K1, K2, K3), die elektrisch gegeneinander isoliert und zum Anschluß an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators bestimmt sind, mit einem mit den festen Kontakten zusammenwirkenden beweglichen Kontaktsystem (M1, H, M2) und mit mindestens zwei in beiden Richtungen steuerbaren Ventilanordnungen (T1, T2) mit zugehörigen Steuergliedern (3). Gemäß der Erfindung ist eine Anordnung zur Spannungsversorgung der Steuerglieder der Ventilanordnungen (T1, T2) an das bewegliche Kontaktsystem (M1, H, M2) angeschlossen, welche die Stufenspannung des Transformators als Speisespannung ausnutzt. Diese Speisespannungsanordnung enthält Glieder (6, 7, 8, 9) zur Umwandlung der Mehrphasenspannung in eine Gleichspannung.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Stufenschalter ist im wesentlichen aus der DE-PS 12 58 970 bekannt.

In Stufenschaltern solcher Hybridenbauart werden sowohl mechanische Kontakte wie Thyristoren verwendet, um unter Last Umschaltungen zwischen den Stufenanzapfungen eines Regeltransformators durchführen zu können. Die Thyristoren entlasten die mechanischen Kontakte während des Umschaltens, so daß die Ein- und Ausschaltungen der Kontakte lichtbogenfrei erfolgen. In den stationären Betriebszuständen (Betriebsstellungen) dagegen führen die mechanischen Kontakte den Strom, und die Thyristoren sind ausgeschaltet, so daß sie gegen Kurzschlußströme und Überspannungen geschützt sind. Dadurch, daß die Thyristoren nur während der Umschaltvorgänge eingeschaltet sind, ist es möglich, verhältnismäßig kleine und somit billige Thyristoren zu verwenden und gleichzeitig die durch die Durchlaßspannung bei Thyristoren verursachten Leistungsverluste zu vermeiden. Ein Stufenschalter dieser Art in einer Ausführung mit Stufenwähler und getrennten Lastumschalter ist aus der genannten DE-PS 21 20 679 bekannt.

Stufenschalter mit Thyristor als Schaltelemente erfordern eine Spannungsversorgung der elektronischen Steuerglieder der Thyristoren. Die Bereitstellung dieser Spannung durch eine äußere Spannungsquelle, wie beispielsweise Netzspannung oder eine Batterie, ist mit Schwierigkeiten verbunden und in vielen Fällen kaum durchführbar. Dies gilt insbesondere für Thyristorstufenschalter des Lastwählertyps, d. h., einem Stufenschalter mit kombinierten Wähler und Lastumschalter. Hier liegen die Thyristoren und die Steuerelektronik auf einem hohen Potential und müssen den Bewegungen des Kontaktarms folgen.

Es ist vorgeschlagen worden, bei Stufenschaltern der Hybridenbauart die Stufenspannung des Transformators zur Speisung der Steuerelektronik zu verwenden. Dabei müssen die beweglichen Kontakte derart angeordnet werden, daß die Stufenspannung der Steuerausrüstung zugeführt wird, bevor die Thyristoren gezündet werden sollen. Dadurch erfordern die Steuerelektronik und die Thyristoren keine Verbindung mit Erdpotential. Ein Problem bei einer solchen Ausführung besteht jedoch darin, die für die Speisung erforderliche abgeflachte Gleichspannung rechtzeitig genug (mehrere Millisekunden) vor der Zündung des ersten Thyristors zu erhalten. Um schnell genug eine Speisespannung zu erhalten, dürfen große Filterkondensatoren, bei denen es sich meistens um Elektrolytkondensatoren handelt, in dem Kreis nicht vorkommen. Elektrolytkondensatoren können im übrigen auch häufig nicht in dem in einem Stufenschalter vorliegenden Milieu verwendet werden.

Aus der DE-OS 14 38 592 ist ein Stufenschalter der Hybridenbauart bekannt, bei welchem zur Übertragung des Stromes auf eine andere Stufe ein erster Hauptstromumschalter vorhanden ist, der mechanisch mit einem zweiten Hilfsumschalter gekoppelt ist. Ferner sind zwei Gleichrichtergeräte vorhanden, denen je zwei Transformatoren zur Bereitstellung der Steuerleistung zugeordnet sind. Dabei wird zur Bereitstellung der Steuerenergie für diese Gleichrichtergeräte die Stufenspannung des Transformators verwendet. Neben den beiden bereits genannten Schaltern sind weitere Umschalter für die Transformatoren erforderlich. Während der Umschaltphase führt ein Teil der Transformatoren in seiner Primärwicklung den vollen Laststrom. Diese bekannte Anordnung ist in ihrem Aufbau außerordentlich aufwendig.

Aus der AT-PS 2 88 551 ist ein Stufenschalter bekannt, bei dem zwei in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnungen vorhanden sind. Jeweils eine dieser Ventilanordnungen führt stets, also auch im stationären Zustand, den Laststrom. Die Steuerenergie für die Thyristor dieser Ventilanordnungen wird durch Transformatoren zur Verfügung gestellt, die an die Stufenspannung mit Hilfe eines zusätzlichen Hilfskontaktes angeschlossen sind.

Ein Stufenschalter der eingangs genannten Art, bei der die Spannungsversorgung der Steuerglieder der genannten Ventilanordnungen ohne einen aufwendigen Kondensator auskommt, ist aus der DE-PS 12 58 970 bekannt. Bei dieser Schaltung ist jedoch für jede Ventilanordnung eine eigene Spannungsversorgungsanordnung erforderlich. Jede Spannungsversorgungsanordnung ist über einen weiteren zusätzlichen Schalter und zusätzliche Ventile parallel zu der von ihr nicht zu versorgenden Ventilanordnung angeschlossen. Sie muß beim Verlöschen dieser Ventilanordnung kurzfristig den Laststrom übernehmen. Durch die genannten Schalter und die zusätzlichen Ventile sowie durch das Erfordernis mehrerer Spannungsversorgungsanordnungen ist die Bereitstellung der Versorgungsspannung relativ aufwendig und schwer und hat einen großen Raumbedarf, was sich insbesondere bei einem kombinierten Wähler- und Lastumschalter (sogenannter Lastwähler) nachteilig bemerkbar macht. Auch ist die erzeugte Gleichspannung relativ oberwellenhaltig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die Spannungsversorgungsanordnung für die Steuerglieder der Ventilanordnungen sich durch besondere Einfachheit, geringen Raumbedarf und geringes Gewicht auszeichnet, gleichzeitig aber die Versorgungsspannung sehr schnell zur Verfügung stellt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Stufenschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung für eine Stufenschalterart, bei der die Erfindung bevorzugt anwendbar ist,

Fig. 2 und 3 zwei verschiedene Anordnungen zur Umwandlung der Stufenspannung des Transformators in eine abgeflachte Gleichspannung zur Speisung der Steuerelektronik des Stufenschalters,

Fig. 4 eine detailliertere Darstellung eines Stufenschalters gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte Stufenschalter ist ein solcher des Lastwählertyps, was bedeutet, daß der gesamte Schaltverlauf in dem Wähler erfolgt; dieser ist in einer sog. Wimpelschaltung ausgeführt. Der Stufenschalter enthält mehrere längs einer Bahn 1 angeordnete feste Kontakte, von denen drei Kontakte K1, K2, K3 dargestellt sind. Die Kontakte sind in gleichem Abstand voneinander angeordnet, sie sind elektrisch gegeneinander isoliert und sie werden an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators angeschlossen. Der bewegliche Teil des Stufenschalters enthält einen Kontaktträger, bei dem es sich um einen Hauptkontaktarm 2 handeln kann, der einen Hauptkontakt H und zwei Hilfskontakte M1, M2 trägt. Die Hilfskontakte sind mit Hilfe isolierender Distanzelemente fest an je einer Seite des Hauptkontaktarms 2 montiert. Zwischen dem Hauptkontakt H einerseits und jedem der beiden Hilfskontakte M1 und M2 andererseits ist je eine in beiden Richtungen steuerbare Ventilanordnung T1 bzw. T2 angeordnet. Jede Ventilanordnung kann aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren oder aus einer anderen Anordnung mit entsprechender Arbeitsweise, wie z. B. einem Triac, bestehen. Auch die Ventilanordnungen T1, T2 mit zugehöriger Steuereinheit 3 sind auf dem beweglichen Hauptkontaktarm 2 montiert. Die Stufenspannung des Transformators wird zur Speisung der Steuereinheit (Elektronikeinheit) benutzt, wodurch keine zusätzliche Verbindung zwischen dem beweglichen Teil des Stufenschalters und der festen Umgebung erforderlich ist. Durch die dargestellte Anordnung kann man beispielsweise bei der Umschaltung von K2 auf K3 Zugang zu der Stufenspannung zwischen M1 und M2 bekommen, und zwar beispielsweise von dem Zeitpunkt 40 ms vor dem Zünden des ersten Thyristors bis beispielsweise 20 ms nach dem Zeitpunkt, in dem der ganze Umschaltvorgang beendet worden ist.

Bei einem nach der prinzipiellen Anordnung gemäß Fig. 1 ausgeführten wirklichen Stufenschalter werden die festen Kontakte K1, K2, K3 usw. auf einem Kreis angeordnet, und der bewegliche Teil des Stufenschalters ist an einer Antriebswelle befestigt, die so gelagert ist, daß ihre Längsachse koaxial durch den Mittelpunkt des genannten Kreises verläuft. Die abgehende Leitung 4 für den Laststrom ist an den beweglichen Hauptkontaktarm 2 über nicht dargestellte Schleifkontakte angeschlossen.

In den Betriebsstellungen führt der Hauptkontakt H den Laststrom, während die Hilfskontakte M1 und M2 abgeschaltet sind und in den kontaktfreien Räumen zwischen den festen Kontakt liegen. Bei einer Umschaltung von Kontakt K2 auf Kontakt K3 (Anstiegsvorgang) ist der Schaltverlauf folgender:

  • a) Die Hilfskontakte M1 und M2 erreichen ungefähr gleichzeitig die festen Kontakte K2 bzw. K3. Die elektronische Steuereinheit erhält damit Speisespannung. Die Ventilanordnung T1 erhält ein Zündsignal.
  • b) Der Hauptkontakt H schaltet von dem Kontakt K2 lichtbogenfrei ab. Die Ventilanordnung T1 übernimmt den Laststrom.
  • c) Die Ventilanordnung T1 erlischt. Die Ventilanordnung T2 zündet und übernimmt den Laststrom.
  • d) Der Hauptkontakt H erreicht den festen Kontakt K3. Die Ventilanordnung T2 erlischt. Der Laststrom wird vom Hauptkontakt H übernommen.
  • e) Die Hilfskontakte M1 und M2 schalten von den Kontakten K2 bzw. K3 ab. Auch diese Abschaltungen sind lichtbogenfrei, da beide Ventilanordnungen T1 und T2 vorher gelöscht wurden.


Das bewegliche Kontaktsystem setzt nun seine Bewegung fort, bis sich die Hilfskontakte in ihren Lagen in den kontaktfreien Räumen zwischen den festen Kontakten befinden, wodurch die neue Betriebsstellung erreicht ist.

Der Schaltverlauf bei einem Umschalten vom Kontakt K3 auf den Kontakt K2 (Abstiegsvorgang) ist mit dem vorstehend beschriebenen Schaltverlauf analog, wobei jedoch die Ventilanordnungen in umgekehrter Reihenfolge gezündet werden.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung zur Umwandlung der einphasigen Stufenspannung us in eine Zweiphasenspannung, die dann in eine abgeflachte Gleichspannung U&sub1; zur Speisung der elektronischen Steuerkreise des Stufenschalters umgewandelt wird. Die Schaltung umfaßt zwei Transformatoren 6 und 7, deren Primärwicklungen parallel an die beweglichen Hilfskontakte M1 und M2 des Stufenschalters angeschlossen sind. In Reihe mit der Primärwicklung des einen Transformators 6 liegt ein Kondensator 8, und in Reihe mit der Primärwicklung des anderen Transformators 7 liegt ein Widerstand 9. Die Impedanzen des Kondensators 8 und des Widerstandes 9 sind so bemessen, daß die Primärströme der beiden Transformatoren wenigstens gleich groß, jedoch um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren sind an je einen Gleichrichter 10 bzw. 11 in Vollwellenbrücken-Schaltung angeschlossen. Gleichspannungsseitig sind die Gleichrichterbrücken parallelgeschaltet. Mittels einer Zenerdiode 12 und eines Reihenwiderstandes 13 wird der Oberwellengehalt aus der Gleichspannung der Gleichrichterbrücken beseitigt.

Fig. 3 zeigt eine andere Schaltung zur Umwandlung der Stufenspannung in eine abgeflachte Gleichspannung. Diese Schaltung unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß die Sekundärwicklung der Transformatoren zu einer Scott-Schaltung zusammengeschaltet sind, wodurch man eine Dreiphasenspannung erhält, die eine Dreiphasengleichrichterbrückenschaltung 14 (Sechspulsschaltung) speist. Die Gleichspannung dieser Gleichrichterschaltung hat einen geringeren Oberwellengehalt als die gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die prinzipielle Anordnung für einen Stufenschalter mit vier Thyristoranordnungen T1-T4 pro Phase. Jede Thyristoranordnung umfaßt zwei antiparallel geschaltete Thyristoren.

Zwischen dem Hauptkontakt H und jedem Hilfskontakt M1 und M2 liegen je zwei parallelgeschaltete Thyristoranordnungen T1, T3 bzw. T2, T4. Eine Thyristoranordnung (T1 bzw. T2) in jeder Parallelschaltung liegt in Reihe mit einer Sicherung S, und die jeweils andere Thyristoranordnung T3, T4 liegt in Reihe mit einem Widerstand R.

Parallel zu jeder Thyristoranordnung T1 und T2 liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 15 und einem Kondensator 16, die so bemessen ist, daß sie den Laststrom während der Stromkommutierung einige Mikrosekunden lang leiten kann. Parallel zu jeder Thyristoranordnung T3 und T4 liegt ein RC-Glied 17 zum Schutz gegen Überspannungen.

Zur Steuerung der Thyristoren ist eine Steuereinheit 3 vorgesehen, die aus einer Startschaltung, einer Eingangsstufe, einer Logikschaltung und einem Zündimpulsverstärker besteht. Die Steuereinheit 3 wird von der Stufenspannung des Transformators über die beweglichen Kontakte M1, M2 des Stufenschalters und eine Gleichrichterschaltung nach Fig. 3 gespeist.

Der Stufenschalter nach Fig. 4 arbeitet bei einer Umschaltung vom Kontakt K2 auf den Kontakt K3 (Anstiegsvorgang) wie folgt:

Die beweglichen Hilfskontakte M1 und M2 kommen in Kontakt mit den festen Kontakten K2 bzw. K3. Dabei erscheint zwischen den Hilfskontakten M1 und M2 die Stufenspannung, welche die elektronische Steuereinheit 3 mit Energie versorgt. Gleichzeitig erscheint die Stufenspannung zwischen den Kontakten H und M2, wodurch die Steuerlogik eine Information über die Richtung der Schalterverstellung erhält. Die Thyristoranordnung T1 erhält ein Zündsignal, führt jedoch keinen Strom.

Der Hauptkontakt H verläßt den Kontakt K2, und die Thyristoranordnung T1 übernimmt den Laststrom. Der Kontakt H schaltet lichtbogenfrei ab. Das Zündsignal wird unmittelbar an die Thyristoranordnung T3 weitergegeben, die den Strom übernimmt, sobald die Thyristoranordnung beim nächsten Stromnulldurchgang verlöscht. Die Thyristoranordnung T3 hat ein Zündsignal 11-14 ms lang, wonach die Thyristoranordnung T4 gezündet wird. Abhängig von der Phasenlage zu Beginn der Zündfolge kann ein Kreisstrom über die Thyristoranordnungen T3, T4 und die Überbrückungswiderstände R fließen. Der Kreisstrom verschwindet, wenn die Thyristoranordnung T3 bei dem nächsten Nulldurchgang verlischt. Bei kleinem Laststrom kann die Thyristoranordnung T3 auch bereits vor dem Stromnulldurchgang von dem in entgegengesetzter Richtung fließenden Kreisstrom gelöscht werden, der damit zugleich verschwindet.

Die Thyristoranordnung T4 hat ein Zündsignal 11-14 ms lang, wonach die Thyristoranordnung T4 gezündet wird und aufgrund der geringeren Impedanz in dem Zweig unmittelbar Strom zu führen beginnt. Die Thyristoranordnung T2 leitet, bis der Hauptkontakt H Kontakt mit K3 bildet, wodurch die Umschaltung vollzogen ist. Die Thyristoranordnung T2 behält ihr Zündsignal, bis der Hilfskontakt M2 den Kontakt K3 verläßt.

Bei einer Betätigung des Stufenschalters in entgegengesetzter Richtung ist der Funktionsablauf zu dem eben beschriebenen analog, jedoch werden die Thyristoranordnungen in umgekehrter Reihenfolge gezündet.

Durch die in Fig. 4 gezeigte Thyristor- und Widerstandsanordnung erhält man einen Schutz gegen einen Kurzschluß, falls ein Thyristor rückzündet. Das einzige, was in einem solchen Falle passiert, ist ein Weiterfließen des Kreisstroms um eine Halbperiode.

Eine eventuelle Thyristorbeschädigung, egal ob sie auf Überstrom oder Überspannung beruht, hat den Kurzschluß eines oder mehrerer Thyristoren zur Folge. Ein solcher Schaden in einer der Thyristoranordnungen T1 oder T2 hat das Ansprechen der zugehörigen Sicherung S zur Folge. Die parallele Thyristorgruppe wird dabei auch ausgeschaltet, wenn sie kein Zündsignal hat. Das Ergebnis besteht darin, daß der Stufenschalter zwar nicht länger lichtbogenfrei abschaltet, jedoch weiterhin funktionstüchtig ist.

Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist nicht auf Thyristorstufenschalter des Lastwählertyps beschränkt; vielmehr kann die Erfindung vorzugsweise auch für Thyristorstufenschalter des Typs verwendet werden, bei dem Lastumschalter und Wähler getrennt sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Stufenschalter mit mehreren festen Kontakten (K1, K2, K3), die elektrisch gegeneinander isoliert und zum Anschluß an die Stufenanzapfungen eines Regeltransformators bestimmt sind, mit einem mit den festen Kontakten zusammenwirkenden beweglichen Kontaktsystem (M1, H, M2), mit mindestens zwei in beiden Richtungen steuerbaren Ventilanordnungen (T1, T2) mit zugehörigen Steuergliedern (3), und mit mindestens einer Anordnung zur Spannungsversorgung der Steuerglieder der Ventilanordnungen (T1, T2), welche Anordnung über das bewegliche Kontaktsystem (M1, H, M2) an die Stufenspannung des Transformators anschließbar ist, wobei die genannte mindestens eine Anordnung zur Umwandlung der einphasigen Stufenspannung in eine Mehrphasenspannung zwei Speisetransformatoren (6, 7) enthält, deren Primärwicklungen über je ein Impedanzglied (8, 9) parallel an die Stufenspannung des Transformators anschließbar sind, die beiden Impedanzglieder (8, 9) so beschaffen und bemessen sind, daß die Primärströme der Transformatoren eine gegenseitige Phasenverschiebung von vorzugsweise 90 Grad haben und zur Umwandlung der Mehrphasenspannung in eine Gleichspannung Brückengleichrichter (10, 11) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Anordnung zur Spannungsversorgung der Steuerglieder (3) der mindestens zwei Ventilanordnungen (T1, T2) vorhanden ist, und daß die Primärwicklungen der Transformatoren (6, 7) dieser Anordnung über die genannten Impedanzglieder direkt parallel an Kontakte (M1, M2) des beweglichen Kontaktsystems (M1, H, M2) angeschlossen sind.
  2. 2. Stufenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Impedanzglieder aus einem Kondensator (8), der mit der Primärwicklung des einen Transformators in Reihe geschaltet ist, und einem Widerstand (9), der mit der Primärwicklung des anderen Transformators in Reihe geschaltet ist, bestehen.
  3. 3. Stufenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen der Speisetransformatoren (6, 7) an je eine von zwei parallelgeschalteten einphasigen Vollwellengleichrichter- Brückenschaltungen (10, 11) (Zweipuls-Brückenschaltungen) angeschlossen sind.
  4. 4. Stufenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen der Speisetransformatoren (6, 7) zu einer Scott-Schaltung zusammengeschaltet sind, die an eine dreiphasige Vollwellengleichrichterbrückenschaltung (14) (Sechspuls-Brückenschaltung) angeschlossen ist.
  5. 5. Stufenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einem kombinierten Wähler und Lastumschalter, einem sog. Lastwähler, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungsversorgung zusammen mit den Ventilanordnungen (T1, T2) und den Steuergliedern (3) auf einem zum Tragen des beweglichen Kontaktsystems (M1, H, M2) angeordneten Kontakt (2) montiert ist.






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