WO2013017512A1 - Linearantrieb für einen stufenschalter - Google Patents

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    • H02K7/102—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with friction brakes

Definitions

  • the invention relates to a linear drive for a tap changer for interruption
  • Tap changers have been an established state of the art for many years. As a rule, they have an insulating material stand or an insulating cylinder on which fixed selector contacts, which are in each case electrically connected to a winding lead-out of the tap winding of the transformer to be controlled, are arranged in at least one, usually a plurality of horizontal planes. In the center of this circular arrangement of fixed selector contacts is then a rotatable drive shaft which carries movable contacts, by means of which the fixed selector contacts are actuated. It takes place in this widespread type of tap changers so a rotational movement, which is usually generated by a triggered energy storage. A typical example of such a tap changer shows the DE 38 33 126th
  • DE 42 37 165 C1 describes a single-pole tap changer with linear contact actuation, wherein the switching mechanism of an elevator carriage and a through this by means of a
  • Force accumulator pull-up output part consists.
  • the stripping section runs after the triggering of the energy storage abruptly after the elevator carriage.
  • the disadvantage of this arrangement is mainly that an energy storage, here a spring energy storage, is necessary, which is elaborate and complex and must be mounted previously. After its release, it releases suddenly and abruptly a high energy, which is quite problematic.
  • the high kinetic energy leads to a heavy load on the moving components and can also unwanted shocks or
  • the object of the invention is to eliminate these disadvantages and to provide a suitable linear drive for a tap changer, which requires no separately retractable energy storage more.
  • the invention is based on the general inventive idea, an electromagnetic
  • a drive rod which is in communication with the components to be moved of the tap changer, which in turn carry the movable contacts.
  • the drive rod consists of alternating ferromagnetic and non-magnetic sections.
  • Around the drive rod around spatially successively arranged coils are arranged concentrically in its direction of movement, which can be pulsed electrically in any order for a short time, ie current is flowing through short-term. As a result, a fast, gradual movement of the drive rod is realized.
  • Drive rod can serve in their movement in the longitudinal direction.
  • Figure 3 shows a corresponding sequence of the respective excited coils for generating a
  • Figure 4 shows an advantageous circuit for energizing each one of the coils.
  • FIG. 1 schematically shows a linear drive according to the invention for a tap changer. It has a shift rod 1, which is designed to be longitudinally displaceable. Around this shift rod 1 around four electric coils 2, 3, 4, 5 are arranged concentrically in the longitudinal direction seen here.
  • the shift rod 1 is alternately divided into ferromagnetic portions m and non-magnetic portions n.
  • the individual sections have, seen in the direction of movement, each identical length a.
  • This length a corresponds particularly advantageous also the height of the individual, identically constructed coils 2 ... 5.
  • the distance b between the coils 2 ... 5, again seen in the direction of movement of the shift rod 1, is half of the value a for the length of the different sections m, n.
  • the shift rod 1 detents 6 At a distance b are provided on the shift rod 1 detents 6, of which for reasons of clarity, only a single is provided with reference numerals.
  • upper locking elements 7 and lower locking elements 8 Above and below the region of the coils 2 ... 5 are upper locking elements 7 and lower locking elements 8, each of which - against the force of springs 9 with - position-dependent - different notches 6 correspond and thus can fix the shift rod 1.
  • the shift rod 1 can each be actuated in the longitudinal direction by a certain distance, which corresponds exactly to the distance b between two coils 2 ... 5 and thus also the distance between two adjacent detents 6. Accordingly, the shift rod 1 is fixed in these stationary positions.
  • C denotes the axis of symmetry in the longitudinal direction of the switching rod 1
  • c and d denote two exemplary horizontal planes for latching elements 7, 8.
  • Figure 2 shows the possible positions of the shift rod 1 with different control of individual coils. This will be explained in connection with the figure 3, in which the corresponding
  • the coils are each actuated in opposite order. It can be seen that a movement of the shift rod 1 in both directions in each case by a constant path b is always possible by different control of individual coils.
  • the path b results from the fact that the movement of the shift rod 1 starting after the activation of the corresponding coil is completed when the respective magnetic region, which is only halfway into this coil at the beginning of the movement, has been completely moved into it.
  • the respective operating positions can be made possible in a particularly advantageous manner by the fixation shown in FIG. 1, but not shown in FIG. 2, by the detents 6 and respective detent elements 7, 8.
  • the illustrated latching elements 7, 8 can be designed in many ways, it can be, for example, spring-loaded balls, which engage in corresponding notches 6, it can also be used other means known in the art for it.
  • Figure 4 shows an advantageous circuit for DC excitation of the respective coils 2 ... 5. It has a power electronic component with power electronic switching elements, eg. B. GTO or thyristor, and is advantageously fed from a buffered memory, such as a capacitor. It is also possible within the scope of the invention, the required energy through an accumulator, z. B. to produce a lithium-ion battery. Of course it is also possible to supply the required voltage externally.
  • a power electronic component with power electronic switching elements, eg. B. GTO or thyristor
  • a buffered memory such as a capacitor
  • the invention allows a simple way with only a few components direct and accurate operation of a linear drive for a tap changer. Both conventional

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb für einen Stufenschalter, bei dem eine Schaltstange (1) vorgesehen ist, die alternierend ferromagnetische (m) und nicht magnetische Abschnitte (n) aufweist. Konzentrisch um diese Schaltstange (1) herum sind mehrere separat erregbare Spulen (2-5) angeordnet. Durch definierte Ansteuerung einer der Spulen (2-5) wird eine Bewegung der Schaltstange um einen Schaltschritt wahlweise in einer der beiden Längsrichtungen ermöglicht.

Description

Linearantrieb für einen Stufenschaiter
Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb für einen Stufenschalter zur unterbrechungsiosen
Umschaltung zwischen Vicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.
Stufenschalter sind seit vielen Jahren etablierter Stand der Technik. Sie weisen in der Regel ein Isolierstoffgerüst bzw. einen Isolierstoffzylinder auf, an dem in mindestens einer, üblicherweise mehreren, horizontalen Ebenen feste Wählerkontakte, die jeweils mit einer Wicklungsausleitung der Stufenwicklung des zu regelnden Transformators elektrisch in Verbindung stehen, angeordnet sind. Im Zentrum dieser kreisförmigen Anordnung fester Wählerkontakte befindet sich dann eine drehbare Antriebswelle, die bewegliche Kontakte trägt, mittels derer die festen Wählerkontakte betätigbar sind. Es findet bei dieser weit verbreiteten Gattung von Stufenschaltern also eine Drehbewegung statt, die üblicherweise durch einen ausgelösten Kraftspeicher erzeugt wird. Ein typisches Beispiel eines solchen Stufenschalters zeigt die DE 38 33 126.
Neben diesen Stufenschaltem sind jedoch auch solche mit linearer Kontaktbewegung bekannt. Die DE 42 37 165 C1 beschreibt einen einpoligen Stufenschalter mit linearer Kontaktbetätigung, bei dem der Schaltmechanismus aus einem Aufzugsschlitten und einem durch diesen mittels eines
Kraftspeichers aufziehbaren Abtriebsteil besteht. Das Abtriebsteil läuft dabei nach der Auslösung des Kraftspeichers sprungartig dem Aufzugsschlitten nach. Der Nachteil dieser Anordnung besteht vor allem darin, dass ein Kraftspeicher, hier ein Federkraftspeicher, notwendig ist, der aufwändig und komplex ausgeführt ist und zuvor aufgezogen werden muss. Nach seiner Auslösung setzt er plötzlich und abrupt eine hohe Energie frei, was durchaus problematisch ist. Die hohe kinetische Energie führt zu einer starken Belastung der bewegten Bauteile und kann auch unerwünschte Stöße oder
Schwingungen verursachen, besonders, wenn der Stufenschalter seine Endposition erreicht.
Aus der DE 44 02 087 A1 ist bereits eine Dämpfungseinrichtung für einen solchen linear betätigten Stufenschalter mit einem Kraftspeicher bekannt. Durch diese Dämpfungseinrichtung, die hydraulisch arbeitet, soll ein Teil der frei gesetzten Energie des Kraftspeichers„aufgefangen" werden. Diese bekannte Lösung beseitigt jedoch nicht die Ursache, sondern versucht, das Symptom zu reduzieren.
Aus der DE 10 2009 017 197 A1 ist ein weiterer linear betätigter Stufenschalter, hier mit Halbleiter- Schaltelementen, bekannt. Bei diesem sogenannten Hybrid-Schalter (Hybrid deswegen, weil sowohl Halbleiter-Schaltelemente als auch mechanische Komponenten vorhanden sind) sind sich auf einer Bahn erstreckende feste Kontaktschienen vorgesehen, die von gemeinsam mittels eines
Kontaktschlittens bewegbaren Kontaktbrücken kontaktierbar sind. Für derartige Hybrid-Schalter sind bislang - außer den bekannten Federkraftspeichern - keine befriedigenden Antriebe verfügbar. Die bekannten Kraftspeicher sind jedoch für diese Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen relativ ungeeignet; die Nachteile wurden bereits oben aufgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und einen geeigneten Linearantrieb für einen Stufenschalter anzugeben, der keinen separat aufziehbaren Kraftspeicher mehr erfordert.
Diese Aufgabe wird durch einen Linearantrieb mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Erfindung liegt die allgemeine erfinderische Idee zugrunde, einen elektromagnetischen
Direktantrieb zu verwenden. Damit entfällt nicht nur der eigentliche Kraftspeicher, sondern es ist kein mechanischer Antrieb durch einen separaten Motor überhaupt mehr notwendig. Erfindungsgemäß ist eine Antriebsstange vorgesehen, die mit den zu bewegenden Bauteilen des Stufenschalters, die ihrerseits die beweglichen Kontakte tragen, in Verbindung steht. Die Antriebsstange besteht dabei aus sich abwechselnden ferromagnetischen und unmagnetischen Abschnitten. Um die Antriebsstange herum sind in derer Bewegungsrichtung räumlich hintereinander angeordnete Spulen konzentrisch angeordnet, die in beliebiger Reihenfolge kurzzeitig elektrisch gepulst werden können, d. h. kurzfristig stromdurchflossen sind. Dadurch wird eine schnelle, schrittweise Bewegung der Antriebsstange realisiert.
Besonders vorteilhaft ist es, durch eine Rastung im stationären Zustand des Stufenschalters eine stabile, definierte Position der Antriebsstange zu gewährleisten. Dies kann vorteilhaft durch mechanische Rastmittel erfolgen, die besonders vorteilhaft auch zusätzlich zur Führung der
Antriebsstange bei deren Bewegung in Längsrichtung dienen können.
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Linearantrieb in schematischer Darstellung
Figur 2 verschiedene Stellungen, d. h. Betätigungssequenzen, eines derartigen
Linearantriebes
Figur 3 eine entsprechende Sequenz der jeweils erregten Spulen zur Erzeugung einer
beispielhaften Schrittfolge des Linearantriebes
Figur 4 eine vorteilhafte Schaltung zur Erregung jeweils einer der Spulen.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Linearantrieb für einen Stufenschalter schematisch gezeigt. Er weist eine Schaltstange 1 auf, die längsverschiebbar ausgebildet ist. Um diese Schaltstange 1 herum sind in deren Längsrichtung gesehen hier vier elektrische Spulen 2, 3, 4, 5 konzentrisch angeordnet.
Zwischen jeder der Spulen 2...5 und der Schaitstange 1 verbleibt ein Luftspalt. Jede der Spulen 2...5 ist separat elektrisch an steuerbar: dies wird später noch näher erläutert. Die Schaltstange 1 ist abwechselnd in ferromagnetische Abschnitte m und nicht magnetische Abschnitte n unterteilt. Die einzelnen Abschnitte besitzen, in Bewegungsrichtung gesehen, die jeweils identische Länge a. Diese Länge a entspricht besonders vorteilhaft auch der Höhe der einzelnen, identisch aufgebauten Spulen 2...5. Der Abstand b zwischen den Spulen 2...5, wiederum in Bewegungsrichtung der Schaltstange 1 gesehen, beträgt die Hälfte des Wertes a für die Länge der unterschiedlichen Abschnitte m, n. Im Abstand b sind auf der Schaltstange 1 Rastungen 6 vorgesehen, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine einzige mit Bezugszeichen versehen ist. Oberhalb und unterhalb des Bereiches der Spulen 2...5 befinden sich obere Rastelemente 7 und untere Rastelemente 8, die jeweils gegen die Kraft von Federn 9 mit - stellungsabhängig - unterschiedlichen Rastungen 6 korrespondieren und damit die Schaltstange 1 fixieren können. Durch unterschiedliche Ansteuerung einzelner Spulen lässt sich die Schaltstange 1 jeweils in Längsrichtung um einen bestimmten Weg betätigen, der genau dem Abstand b zwischen zwei Spulen 2...5 und damit auch dem Abstand zwischen zwei benachbarten Rastungen 6 entspricht. In diesen stationären Stellungen ist demnach die Schaltstange 1 fixiert. Mit c ist die Symmetrieachse in Längsrichtung der Schaltstange 1 bezeichnet, c und d bezeichnen zwei beispielhafte horizontale Ebenen für Rastelemente 7, 8.
Figur 2 zeigt die möglichen Stellungen der Schaltstange 1 bei unterschiedlicher Ansteuerung einzelner Spulen. Dies soll in Verbindung mit der Figur 3 erläutert werden, in der die entsprechende
Ansteuersequenz schematisch dargestellt ist. Es ist zu sehen, dass, ausgehend von einer Position 1 , durch Erregung der oberen Spule A (die der Spule 2 in Figur 1 entspricht) die Schaltstange 1 nach oben geführt wird, bis sich der entsprechende magnetische Bereich vollständig im Inneren der Spule A befindet. Damit ist die Position 2 erreicht. Zur weiteren Betätigung in derselben Richtung wird jetzt die Spule B (die der Spule 3 in Figur 1 entspricht) ihrerseits erregt, bis wiederum der entsprechende magnetische Bereich sich vollständig innerhalb dieser Spule B befindet. Zum Weiterschalten in derselben Richtung wird dann die Spule 10 erregt (die der Spule 4 in Figur 1 entspricht); der Ablauf wiederholt sich entsprechend, ebenso wie beim nochmaligen Weiterschalten in derselben Richtung durch kurzzeitige Erregung der Spule D (die der Spule 5 in Figur 1 entspricht). Bei einer gewünschten Betätigung der Schaltstange 1 in entgegengesetzter Richtung werden die Spulen jeweils in entgegengesetzter Reihenfolge betätigt. Es ist zu sehen, dass durch unterschiedliche Ansteuerung einzelner Spulen eine Bewegung der Schaltstange 1 in beiden Richtungen jeweils um einen stets gleichen Weg b möglich ist. Der Weg b ergibt sich daraus, dass die nach Ansteuerung der entsprechenden Spule beginnende Bewegung der Schaltstange 1 dann abgeschlossen ist, wenn der jeweilige magnetische Bereich, der sich zu Beginn der Bewegung nur zur Hälfte in dieser Spule befindet, vollständig in sie bewegt worden ist. Die jeweiligen Betriebsstellungen können auf besonders vorteilhafte Weise durch die in Figur 1 gezeigte, in der Figur 2 jedoch nicht dargestellte Fixierung durch die Rastungen 6 und jeweiligen Rastelemente 7, 8 ermöglicht werden.
Die erläuterten Rastelemente 7, 8 können vielfältig ausgeführt sein, es kann sich beispielsweise um gefederte Kugeln handeln, die in entsprechende Rastungen 6 eingreifen, es können auch andere, dem Fachmann bekannte Mittel dafür verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, solche Rastmittel auch zur zusätzlichen Führungsunterstützung der Schaltstange 1 zu verwenden und entsprechende Rastungen beispielsweise in jeder horizontalen Ebene d, e mehrmals vorzusehen, beispielsweise um 120 Grad auf der Schaltstange 1 versetzt.
Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Schaltung zur Gleichspannungserregung der jeweiligen Spulen 2...5. Sie weist eine leistungselektronische Komponente mit leistungselektronischen Schaltelementen, z. B. GTO bzw. Thyristor, auf und wird vorteilhafter Weise gespeist aus einem gepufferten Speicher, beispielsweise einem Kondensator. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die erforderliche Energie über einen Akkumulator, z. B. einem Lithium-Ionen-Akku zu erzeugen. Natürlich ist es auch möglich, die benötigte Spannung extern zuzuführen.
Insgesamt gestattet die Erfindung auf einfache Weise mit nur wenigen Bauteilen eine direkte und genaue Betätigung eines Linearantriebes für einen Stufenschalter. Sowohl herkömmliche
Motorantriebe mit einem Elektromotor als auch ein Kraftspeicher, der nach seiner Auslösung die erforderliche Bewegungsenergie bereitstellt, sind überflüssig. Durch entsprechende Dimensionierung der Antriebsstange 1 sowie der Spulen 2...5 und Variierung der Zahl der Spulen lassen sich sowohl die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaltstange 1 als auch die Zahl möglicher Stellungen und die entsprechenden Schaltwege in weiten Grenzen variieren und an die konkreten Verhältnisse anpassen.

Claims

Patentansprüche
1. Linearantrieb für einen Stufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators,
wobei längs einer Bahn sich erstreckende mechanische Kontakte fest angeordnet sind,
wobei ein längsbewegbarer Kontaktschlitten vorgesehen ist, der mindestens einen an ihm angeordneten und mit ihm beweglichen Kontakt trägt
und wobei die mechanischen Kontakte durch den mindestens einen längsbewegbaren Kontakt stellungsabhängig kontaktierbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kontaktschlitten mit einer Schaltstange (1 ) mechanisch verbunden ist,
dass die Schaltstange (1 ) in ihrer Bewegungsrichtung alternierend ferromagnetische Abschnitte (m) und nichtmagnetische Abschnitte (n) aufweist, die alle eine identische Länge (a) besitzen, dass in Schaltrichtung, d. h. Bewegungsrichtung der Schaltstange (1 ), um die Schaltstange (1 ) herum hintereinander mehrere elektrische Spulen (2...5) konzentrisch angeordnet sind
und dass die Spulen (2...5) separat erregbar sind.
2. Linearantrieb nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand (b) der Spulen (2...5) voneinander der halben Länge (a) der ferromagnetischen sowie nichtmagnetischen Abschnitte (m, n) entspricht.
3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Höhe der Spulen (2...5) der Länge (a) der ferromagnetischen sowie nicht magnetischen Abschnitte (m, n) entspricht.
4. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle Spulen (2...5) identisch aufgebaut sind.
5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Energie zu einer Gleichspannungserregung der jeweiligen Spule (2...5) aus einem gepufferten Speicher oder einem Akkumulator bereitgestellt wird.
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