EP2534663B1

EP2534663B1 - Stufenschalter mit freilaufelement

Info

Publication number: EP2534663B1
Application number: EP10796278.9A
Authority: EP
Inventors: Klaus HÖPFL; Gregor Wilhelm; Silke Wrede
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-12-11
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-12-11
Also published as: WO2011098106A1; US20130213776A1; DE102010007535A1; DE102010007535B4; JP5872487B2; CN102656652A; EP2534663A1; KR101749197B1; JP2013519996A; CN102656652B; KR20120117752A; HK1178681A1

Description

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 A 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 B1 und der DE 26 04 344 A1 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.
Aus der DE 195 10 809 C1 ist ein Lastumschalter eines Stufenschalters zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen wenigstens zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators bekannt. Dieser weist eine drehbare Schaltwelle auf, an der konzentrische Kurvenscheiben mit unterschiedlichen umfangsseitigen Konturen angeordnet sind. Über die Konturen der Kurvenscheiben werden durch unterschiedliche Betätigungselemente für mehrere Betätigungsphasen mechanische Schaltelemente oder Vakuumschaltröhren betätigt. Dieses Dokument bildet den Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
Aus der DE 21 61 677 A1 ist ein Antrieb für einen Lastumschalter bekannt geworden, bei dem die Betätigung der einzelnen Schaltorgane mittels einer oder mehrerer Kurvenscheiben erfolgt. Insbesondere wird hier vorgeschlagen, zwischen der vom Motorantrieb bzw. Stufenwähler kommenden Antriebswelle und dem Aufzugsmechanismus für den Kraftspeicher ein Ausgleichgetriebe vorzusehen, das unabhängig von der Drehrichtung der Antriebswelle den Aufzug des Kraftspeichers stets in nur einer Richtung zulässt.
Aus der GB 1 126 779 A eine Schaltanordnung, bestehend aus mehreren Vakuumschaltröhren, bekannt geworden, bei der die beweglichen Kontakte mit an einer Antriebswelle vorgesehenen Nocken zusammenwirken, so dass die Kontakte bei einer Rotation der Antriebswelle eine vordefinierte Umschaltsequenz durchlaufen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art mit hoher Stoßspannungsfestigkeit, auch als a0-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. a0-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. a0-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 18 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 I_L 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 I_L 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 I_L 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 I_L von der zweiten Wicklungsanzapfung 14 des Stufentransformators 16 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 I_L 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 I_L 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. a0-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

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, 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, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freilaufelement (34) vorgesehen ist, das aus einer kreissegmentförmigen, zur Schaltwelle (22) konzentrisch angeordnete Führungskulisse (36) für einen kreisringförmigen Mitnehmer der entsprechenden Kurvenscheibe (28) sowie einem hülsenartigen Trennelement (38) gebildet ist, so dass die Drehbewegung der Schaltwelle (22) und der auf dieser gelagerten Kurvenscheibe (28) voneinander entkoppelt sind, derart, dass 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 1 oder 2, bei dem das hülsenartige Trennelement (38) des Freilaufelements (34) gegenüber der drehbaren Schaltwelle (22) und den Kurvenscheiben (28) gehäusefest verankert ist.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Lastzweig mit wenigstens zwei parallelen Pfaden (18, 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 Schalt- bzw. 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.