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Die Erfindung betrifft einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last und ein Verfahren zur Betätigung eines solchen Laststufenschalters.
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Laststufenschalter werden zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Transformators eingesetzt. Bei bekannten Laststufenschaltern nach dem Widerstandsschnellschaltprinzip wird der Kreisstrom, welcher beim Umschalten während der zwischenzeitlich gleichzeitigen Kontaktierung des aktuell beschalteten und des vorgewählten, neuen Stufenkontakts fließt, durch ohmsche Widerstände begrenzt und dadurch eine unterbrechungsfreie Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators gewährleistet. Der ohmsche Widerstand muss abhängig von der konkreten Schaltungstopologie, den individuellen Betriebsbedingungen sowie dem Laststrom und der Stufenspannung, also insbesondere dem jeweiligen Anwendungsfall des Laststufenschalters entsprechend ausgelegt werden. Als Stufenspannung wird dabei jene Spannung bezeichnet, die zwischen dem aktuell beschalteten und dem vorgewählten Stufenkontakt des Laststufenschalters ansteht. Diese Widerstandsauslegung ist einerseits aufwendig und wirkt sich andererseits auch auf den gesamten, konstruktiven Aufbau des Stufenschalters aus. Je nach Anwendungsfall ist hier eine unterschiedliche Anzahl und Dimensionierung von Widerständen erforderlich. Daher wirkt sich die Auslegung des Widerstandswertes auf den für die Widerstände erforderlichen Bauraum und damit auf die konstruktive Auslegung der übrigen Stufenschalterkomponenten aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Konzept für einen Stufenschalter anzugeben, der einfacher an unterschiedliche Anwendungsfälle anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, Halbleiterschaltelemente für die Lastumschaltung zu verwenden und dabei gänzlich auf ohmsche Widerstände zu verzichten. Dadurch entfällt auch die aufwändige Auslegung der Widerstände und der Laststufenschalter kann somit in einem ausgewählten Leistungsbereich bis zu einem maximalen Laststrom und einer maximalen Stufenspannung in ein und derselben Ausführung verwendet werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes wird ein Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators angegeben. Der Laststufenschalter umfasst einen Lastumschalter zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt auf einen zweiten Festkontakt des Laststufenschalters und einen Wähler zum leistungslosen Vorwählen der Festkontakte. Der Wähler umfasst zum Vorwählen einen ersten Wählerarm und einen zweiten Wählerarm, die jeweils unabhängig voneinander betätigbar sind und jeden der Festkontakte kontaktieren können. Jeder Festkontakt steht elektrisch mit einer Wicklungsanzapfung des Stufentransformators in Verbindung. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig.
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Der Lastumschalter weist für die Durchführung der Umschaltung insgesamt drei Zweige mit Schaltelementen auf. Einen Hauptzweig mit einem mechanischen Schaltelement, der sowohl den ersten Wählerarm als auch den zweiten Wählerarm über das mechanische Schaltelement mit einer Lastableitung verbinden kann, einen ersten Hilfszweig mit einem ersten Halbleiterschaltelement, der parallel zum ersten Hauptzweig ausgebildet ist und den ersten Wählerarm mit der Lastableitung verbinden kann, und einen zweiten Hilfszweig mit einem zweiten Halbleiterschaltelement, der den zweiten Wählerarm mit der Lastableitung verbinden kann.
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Der vorgeschlagene Laststufenschalter enthält keinen ohmschen Widerstand als Überschaltwiderstand, der einer aufwendigen Auslegung bedarf und kann somit in einem ausgewählten Leistungsbereich bis zu einem maximalen Laststrom und einer maximalen Stufenspannung in ein und derselben Ausführung verwendet werden.
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Das erste und das zweite Halbleiterschaltelement sind bevorzugt als IGBT-Schaltelemente ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist parallel zu dem ersten und dem zweiten Hilfszweig jeweils ein Varistor angeordnet.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform kann der Laststufenschalter zwei stationäre Stellungen einnehmen, in welcher beide Wählerarme auf demselben Festkontakt stehen. Eine erste stationäre Stellung, in welcher der erste und der zweite Wählerarm den ersten Festkontakt kontaktieren und der erste Wählerarm über den Hauptzweig mit der Lastableitung verbunden ist, und eine zweite stationäre Stellung, in welcher der erste und der zweite Wählerarm den zweiten Festkontakt kontaktieren und der zweite Wählerarm über den Hauptzweig mit der Lastableitung verbunden ist.
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Jeder Festkontakt weist bevorzugt eine erste Kontaktfläche auf, welche von dem ersten Wählerarm kontaktiert werden kann, und eine zweite Kontaktfläche, welche von dem zweiten Wählerarm kontaktiert werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das mechanische Schaltelement im Hauptzweig als Dauerhauptkontakt oder als Ausschalter ausgebildet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt des verbesserten Konzeptes wird ein Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters, der gemäß dem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes ausgebildet ist, angegeben.
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Bezüglich dem Verfahren wird auf die vorangegangenen Erläuterungen, bevorzugten Merkmale und/oder Vorteile in analoger Weise Bezug genommen, wie sie bereits zu dem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes oder einer der zugehörigen, vorteilhaften Ausführungsformen erläutert worden ist.
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Das Verfahren umfasst für eine Umschaltung von einem ersten Festkontakt auf einen zweiten Festkontakt, also in einer ersten Schaltrichtung des Laststufenschalters, die Schritte
- - Einschalten eines ersten Halbleiterschaltelementes,
- - Umschalten eines zweiten Wählerarmes auf den zweiten Festkontakt und Öffnen eines mechanischen Schaltelementes,
- - Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiter-schaltelements derart, dass ein Laststrom von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet wird,
- - Umschalten eines ersten Wählerarmes auf den zweiten Festkontakt,
- - Schließen des mechanischen Schaltelementes,
- - Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelements in einem sogenannten „lückenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das erste Halbleiterschaltelement abgeschaltet wird und daraufhin der Laststrom über einen parallel zu dem ersten Halbleiterschaltelement angeordneten Varistor fließt. Danach wird das zweite Halbleiterschaltelement eingeschaltet und der Laststrom damit auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet. Das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2µs bis 10µs, bevorzugt nach 5µs. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes in einem sogenannten „überlappenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das zweite Halbleiterschaltelement eingeschaltet wird und daraufhin ein Kreisstrom fließt. Der Anstieg des Kreisstroms wird dabei begrenzt über die Induktivität der Stufe, also den Teil der Regelwicklung des Stufentransformators, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Festkontakt befindet. Das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt bevorzugt im Nulldurchgang der Stufenspannung. Danach wird das erste Halbleiterschaltelement abgeschaltet und der Laststrom damit auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet. Das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2µs bis 10µs, bevorzugt nach 5µs. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass die Einschaltung des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren für eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt auf den ersten Festkontakt, also in einer zweiten Schaltrichtung des Laststufenschalters, die Schritte
- - Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes,
- - Öffnen des mechanischen Schaltelementes,
- - Umschalten des ersten Wählerarmes auf den ersten Festkontakt,
- - Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes derart, dass der Laststrom von dem zweiten Festkontakt auf den ersten Festkontakt umgeschaltet wird,
- - Schließen des mechanischen Schaltelementes,
- - Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes und Umschalten des zweiten Wählerarmes auf den ersten Festkontakt.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes in einem sogenannten „lückenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das zweite Halbleiterschaltelement abgeschaltet wird und daraufhin der Laststrom über einen parallel zu dem zweiten Halbleiterschaltelement angeordneten Varistor fließt. Danach wird das erste Halbleiterschaltelement eingeschaltet und der Laststrom damit auf den ersten Festkontakt umgeschaltet. Das Einschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2µs bis 10µs, bevorzugt nach 5µs. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Einschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass das Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Betätigen des ersten Halbleiterschaltelementes und des zweiten Halbleiterschaltelementes in einem sogenannten „überlappenden“ Betrieb. Das bedeutet konkret, dass zunächst das erste Halbleiterschaltelement eingeschaltet wird und daraufhin ein Kreisstrom fließt. Der Anstieg des Kreisstroms wird auch hierbei begrenzt über die Induktivität der Stufe. Das Einschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgt ebenfalls bevorzugt im Nulldurchgang der Stufenspannung. Danach wird das zweite Halbleiterschaltelement abgeschaltet und der Laststrom damit auf den ersten Festkontakt umgeschaltet. Das Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt nach einer festgelegten Dauer in einem Bereich von beispielsweise 2µs bis 10µs, bevorzugt nach 5µs. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Abschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgt, sobald detektiert wurde, dass die Einschaltung des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde.
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Demnach erfolgt eine Umschaltung zwischen zwei benachbarten Festkontakten, also die Betätigung der einzelnen Schaltelemente, in der zweiten Schaltrichtung in genau umgekehrter Reihenfolge wie in der ersten Schaltrichtung.
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Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen des Stufenschalters und umgekehrt. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich des Stufenschalters beschriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens entsprechend implementiert sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen
- 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Laststufenschalters in einer schematischen Darstellung;
- 2 eine schematische Darstellung einer bespielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters nach dem verbesserten Konzept;
- 3a bis 3j ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus 2;
- 3d' bis 3f' ein weiterer beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus 2.
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Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
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In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Laststufenschalters 10 für einen Stufentransformator 1 schematisch dargestellt. Der Stufentransformator 1 weist eine Stammwicklung 2 und eine Regelwicklung 3 mit unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen N1, ..., NJ, ..., NN auf, die durch den Laststufenschalter 10 zu- bzw. abgeschaltet werden. Dafür umfasst der Laststufenschalter 10 einen Wähler 30, der mittels zwei beweglicher Wählerkontakte die unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen N1, ..., NJ, ..., NN der Regelwicklung 3 kontaktieren kann, und einen Lastumschalter 20, der die eigentliche Lastumschaltung von der aktuell beschalteten auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung durchführt. Der Laststrom fließt von der aktuell beschalteten Wicklungsanzapfung NJ oder NJ+1 über den jeweiligen Wählerkontakt und den Lastumschalter 20 zu einer Lastableitung 13.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters nach dem verbesserten Konzept.
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Gemäß dem verbesserten Konzept umfasst der Laststufenschalter 10 wenigstens einen ersten Festkontakt 11 und einen zweiten Festkontakt 12, die jeweils mit einer Wicklungsanzapfung der Regelwicklung 3 des Stufentransformators 1 verbunden werden können. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig. Jeder Festkontakt 11, 12 weist eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche auf. Weiterhin umfasst der Laststufenschalter 10 einen Wähler 30 mit einem ersten Wählerarm 31 und einem zweiten Wählerarm 32, die unabhängig voneinander betätigbar sind und jeden der Festkontakte kontaktieren können. Dabei kann der erste bewegliche Wählerarm 31 die ersten Kontaktflächen der Festkontakte 11, 12 kontaktieren, nicht aber die zweiten Kontaktflächen. Entsprechend kann der zweite bewegliche Wählerarm 32 die zweiten Kontaktflächen der Festkontakte 11, 12 kontaktieren, nicht aber die ersten Kontaktflächen. 2 stellt eine schematische Skizze einer beispielhaften Ausführungsform des Laststufenschalters dar, insbesondere ist die Anordnung der Kontaktflächen gegenübereinander nicht zwingend erforderlich.
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Der Laststufenschalter 10 umfasst weiterhin einen Lastumschalter 20 zur Durchführung der eigentlichen Lastumschaltung zwischen den vorgewählten Festkontakten 11, 12. Der Lastumschalter 20 weist insgesamt drei Stromzweige auf. Einen Hauptzweig 21 mit einem mechanischen Schaltelement 22, der sowohl den ersten Wählerarm 31 als auch den zweiten Wählerarm 32 mit der Lastableitung 13 verbinden kann, einen ersten Hilfszweig 23 mit einem ersten Halbleiterschaltelement 24, der parallel zum Hauptzweig 21 angeordnet ist und den ersten Wählerarm 31 mit der Lastableitung 13 verbinden kann, und einen zweiten Hilfszweig 25 mit einem zweiten Halbleiterschaltelement 26, der den zweiten Wählerarm 32 mit der Lastableitung 13 verbinden kann.
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In der Darstellung in 2 befindet sich der Laststufenschalter 10 in einer stationären Stellung. Der erste und der zweite Wählerarm 31, 32 befinden sich beide auf dem ersten Festkontakt 11. Der Laststrom IL fließt von dem kontaktierten Festkontakt 11 über den ersten Wählerarm 31, den Hauptzweig 21 und das geschlossene mechanische Schaltelement 22 zur Lastableitung 13. Die beiden Halbleiterschaltelemente 24 und 26 sind abgeschaltet.
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In den 3a bis 3j ist ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus 2 dargestellt.
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Nach einem Schaltbefehl für eine Umschaltung von dem ersten Festkontakt 11 auf den zweiten Festkontakt 12 wird in einem ersten Schritt (3a) das erste Halbleiterschaltelement eingeschaltet.
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Im nächsten Schritt (3b) wird der zweite Wählerarm 32, der stromlos ist, von dem ersten Festkontakt 11 auf den zweiten Festkontakt 12 bewegt, und das mechanische Schaltelement 22 geöffnet. Der in 3c abgebildete Zustand wird erreicht, bei dem der Laststrom IL über den ersten Hilfszweig 23 und das aktivierte erste Halbleiterschaltelement 24 fließt.
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Gemäß der sogenannten „lückenden“ Betriebsweise wird daraufhin das erste Halbleiterschaltelement 24 bevorzugt im Nulldurchgang des Stromes abgeschaltet (3d). Der zeitliche Verlauf des Stromes kann mittels eines Stromsensors (nicht dargestellt), der im Stromzweig der Ableitung 13 angeordnet ist, erfasst werden.
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Mit der Abschaltung des ersten Halbleiterschaltelementes 24 geht der Laststrom IL auf den parallel dazu angeordneten Varistor 27 über (3e).
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Im nächsten Schritt, dargestellt in 3f, wird das zweite Halbleiterschaltelement 26 nach einer festgelegten Dauer von beispielsweise 5µs eingeschaltet. Alternativ kann das Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelementes erfolgen, sobald detektiert wurde, dass das Abschalten des ersten Halbleiterschaltelementes erfolgreich abgeschlossen wurde.
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Der Laststrom IL wird damit auf den zweiten Festkontakt 12 umgeschaltet und fließt über den zweiten Hilfszweig 25 und das aktivierte zweite Halbleiterschaltelement 26 (3g).
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Daraufhin wird der erste Wählerarm 31, der nun stromlos ist, auf den zweiten Festkontakt 12 umgeschaltet, wie in 3g mit einem Pfeil angedeutet.
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Im nächsten Schritt (3h) wird das mechanische Schaltelement 22 wieder geschlossen und danach das zweite Halbleiterschaltelement 26 abgeschaltet.
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Der Laststufenschalter 10 hat nun die zweite stationäre Stellung erreicht, welche in 3j gezeigt ist. Mit der Schließung des mechanischen Schaltelementes 22 geht der Laststrom IL wieder auf den Hauptzweig 21 über. Der erste und der zweite Wählerarm 31, 32 befinden sich beide auf dem zweiten Festkontakt 12 und der Laststrom IL fließt nun von dem zweiten Festkontakt 12 über den ersten Wählerarm 31 und den Hauptzweig 21 mit dem geschlossenen mechanischen Schaltelement 22 zur Lastableitung 13. Die Lastumschaltung auf den zweiten Festkontakt 12 ist damit abgeschlossen.
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Wird der Stufenschalter 10 anstatt in der „lückenden“ Betriebsweise in der „überlappenden“ Betriebsweise betätigt, so wird nach dem Schritt, der in 3c gezeigt ist, das zweite Halbleiterschaltelement 26 eingeschaltet, sodass nun beide Halbleiterschaltelemente 24 und 26 eingeschaltet sind (3d').
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Daraufhin fließt ein Kreisstrom IC von dem ersten Wählerarm 31, der noch den ersten Festkontakt 11 kontaktiert, über den ersten Hilfszweig 23 und den zweiten Hilfszweig 25 zu dem zweiten Wählerarm 32, der schon auf dem zweiten Festkontakt 12 steht, und von dort über den zwischen dem ersten Festkontakt 11 und dem zweiten Festkontakt 12 liegenden Teil der Regelwicklung 3 zurück zum ersten Wählerarm 31 (3e'). Der Anstieg des Kreisstroms wird dabei begrenzt über die Induktivität der Stufe, also den Teil der Regelwicklung 3 des Stufentransformators 1, der sich zwischen dem ersten Festkontakt 11 und dem zweiten Festkontakt 12 befindet.
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Im nächsten Schritt (3f') wird dann das erste Halbleiterschaltelement 24 abgeschaltet. Der Laststrom IL wird damit auf den zweiten Festkontakt 12 umgeschaltet und fließt über den zweiten Hilfszweig 25 und das noch aktivierte zweite Halbleiterschaltelement 26 (3g).
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Ab hier erfolgt der „überlappende“ Betrieb wieder gleichermaßen dem „lückenden“ Betrieb des Laststufenschalters (gemäß 3g bis 3j).
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Eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt 12 auf den ersten Festkontakt 11 erfolgt genau in umgekehrter Reihenfolge, das heißt, gemäß der 3j bis 3a.
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Es wird angenommen, dass die vorliegende Offenbarung und viele ihrer begleitenden Vorteile durch die vorstehende Beschreibung verstanden werden. Ferner ist es offensichtlich, dass verschiedene Änderungen an der Form, Konstruktion und Anordnung der Komponenten vorgenommen werden können, ohne vom offenbarten Gegenstand abzuweichen oder ohne auf alle materiellen Vorteile zu verzichten. Die beschriebene Ausführungsform ist lediglich erläuternd und solche Änderungen werden durch die nachstehenden Ansprüche mit umfasst. Weiterhin versteht es sich, dass die Erfindung durch die nachstehenden Ansprüche definiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stufentransformator
- 2
- Stammwicklung
- 3
- Regelwicklung
- 10
- Laststufenschalter
- 11
- erster Festkontakt
- 12
- zweiter Festkontakt
- 13
- Lastableitung
- 20
- Lastumschalter
- 21
- Hauptzweig
- 22
- mechanisches Schaltelement
- 23
- erster Hilfszweig
- 24
- erstes Halbleiterschaltelement
- 25
- zweiter Hilfszweig
- 26
- zweites Halbleiterschaltelement
- 27
- Varistor
- 30
- Wähler
- 31
- erster Wählerarm
- 32
- zweiter Wählerarm
- (N1, ..., NJ, ..., NN)
- Wicklungsanzapfungen
