Die Erfindung betrifft einen Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators.

Ein Stufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen, der als Hybrid-Schalter ausgebildet ist, ist aus der WO 01/22447 bekannt. Dieser bekannte Stufenschalter besitzt als Hybrid-Schalter einen

mechanischen Teil und einen elektrischen Teil. Der mechanische Teil, der der eigentliche Gegenstand der WO 01/22447 ist, besitzt mechanische Schaltkontakte; zentraler Teil ist ein beweglicher

Schiebekontakt, der entlang einer mit dem Sternpunkt verbundenen Kontakt-Laufschiene mittels eines otorantriebes bewegt wird und dabei feststehende Kontaktelemente beschaltet. Die eigentliche Lastumschaltung selbst erfolgt durch zwei IGBT's mit jeweils vier Dioden in Grätzschaltung.

Dieses bekannte Konzept eines Hybrid-Schalters ist mechanisch anspruchsvoll, um die notwendige Lastumschaltung genau im Nulldurchgang des Laststromes sicherzustellen.

Aus der WO 97/05536 ist eine weitere IGBT-Schaltvorrichtung bekannt, bei der Anzapfungen der Regelwicklung eines Leistungstransformators über eine Reihenschaltung zweier IGBT's mit einer Lastableitung verbindbar sind. Bei dieser Anordnung ist es jedoch erforderlich, eine besondere Anpassung des Stufenschalters an den jeweiligen Stufentransformator, der beschaltet werden soll, vorzunehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach aufgebaut ist, eine hohe Funktionssicherheit besitzt und bei dem es nicht erforderlich ist, nur genau im Nulldurchgang des Laststromes schalten zu müssen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen solchen Stufenschalter anzugeben, der als Standardgerät für die unterschiedlichsten Stufentransformatoren verwendbar ist, ohne dass es einer transformatorenspezifischen Anpassung bedarf.

Diese Aufgaben werden durch einen Stufenschalter mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung geht aus von zwei Halbleiter-Schalteinheiten, wobei jede Schalteinheit jeweils zwei antiparallel geschaltete IGBT's aufweist. Jedem einzelnen IGBT ist ein parallel dazu geschalteter Varistor zugeordnet. Der Varistor ist dabei so dimensioniert, dass die Varistorspannung geringer ist als die maximale Blockierspannung des jeweils parallelen IGBT's, jedoch größer als der maximale Momentanwert der Stufenspannung. Wie bei Stufenschaltern des Hybrid-Typs üblich, werden die Halbleiter-Schalteinheiten durch mechanische Kontakte zu- bzw. abgeschaltet und sind mit der Lastableitung verbindbar.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Stufenschalter in schematischer Darstellung

Figur 1a eine schematische Darstellung mit alternativer Kontaktausbildung

Figur 2 die erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinheiten eines solchen Stufenschalters im

Detail

Figur 3 besonders vorteilhaft weiterentwickelte solche Halbleiter-Schalteinheiten

Figur 4 nochmals weiterentwickelte Halbleiter-Schalteinheiten

Figur 5 eine mögliche gerätetechnische Realisierung eines erfindungsgemäßen

Stufenschalters in schematischer Darstellung

Figur 6 eine vergrößerte Detaildarstellung der in Figur 5 gezeigten Halbleiter-Schalteinheiten

Figur 7 eine weitere, besonders vorteilhafte gerätetechnische Realisierung.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stufenschalter. Dargestellt sind hier zwei Lastzweige A und B, die mit zwei Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators durch jeweils einen mechanischen Kontakt beschaltbar sind. Jeder der beiden Lastzweige A bzw. B weist einen mechanischen

Hauptkontakt MCa bzw. MCb auf, der im stationären Betrieb den Strom des jeweils beschalteten Lastzweiges führt und eine direkte Verbindung zu einer Lastableitung LA herstellt. Parallel zum jeweiligen Hauptkontakt MCa, MCb weist jeder Lastzweig A bzw. B eine Reihenschaltung aus einem weiteren mechanischen Kontakt TCa, TCb sowie jeweils einer Halbleiter-Schalteinheit SCSa, SCSb auf. An der den jeweiligen Schaltkontakten TCa, TCb abgewandten Seite sind die Halbleiter- Schalteinheiten SCSa, SCSb elektrisch miteinander verbunden und führen zu einem mechanischen Übergangskontakt TC, dessen andere Seite mit der Lastableitung LA in Verbindung steht.

Damit ist während der Umschaltung, die weiter unten noch detailliert erläutert werden wird, es durch entsprechende Betätigung der mechanischen Kontakte TCa oder TCb sowie des Übergangskontaktes TC möglich, eine elektrische Verbindung von jedem der beiden Lastzweige A oder B über die jeweiligen Halbleiter-Schalteinheiten SCSa oder SCSb zur Lastableitung LA zu schalten.

Figur 1a zeigt einen erfindungsgemäßen Stufenschalter mit wiederum zwei Lastzweigen A und B. Die bereits erläuterten mechanischen Kontakte TCa, TCb und TC sind hier als doppelt unterbrechende Kontakte ausgeführt.

Figur 2 zeigt die beiden Halbleiter-Schalteinheiten SCSa und SCSb im Detail. Diese beiden Halbleiter- Schalteinheiten SCSa, SCSb stellen den eigentlichen Halbleiter-Schalter SCS dar. Er besteht aus den folgenden Komponenten: Insgesamt sind vier IGBT's T1...T4 vorgesehen, davon in jedem Pfad zwei. Die IGBT's sind paarweise angesteuert. In dem Fall, wenn der Lastzweig bzw. Pfad A die abschaltende Seite ist, werden zuerst die IGBT's T1 und T2 eingeschaltet. Da die Stromrichtung im Umschaltmoment zufällig ist, sind die IGBT's in Reihe gegeneinander geschaltet. Während der Umschaltung auf den anderen Lastzweig bzw. Pfad B werden die IGBT's 1 und 2 ausgeschaltet und die IGBT's der anderen Seite nahezu gleichzeitig eingeschaltet. Parallel zu jedem IGBT T1...T4 sind Dioden D1...D4 vorgesehen. Wiederum parallel dazu ist jeweils noch ein Varistor Varl ...Var4 geschaltet. Diese Varistoren dienen dem Entladen bzw. Laden der Streuimpedanzen

(Streuinduktivität) der Transformatorstufe. Es ist zu sehen, dass die elektrische Schaltung des Halbleiter-Schalters SCS in jedem Zweig A bzw. B identisch aufgebaut ist und die beschriebenen Halbleiter-Schalteinheiten SCSa und SCSb enthält. Im unteren Teil der Figur 2 ist die elektrische Zusammenführung zu sehen, die zum hier nicht dargestellten, weiter oben erläuterten

Übergangskontakt TC führt.

Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die beiden Varistoren jeder Seite Varl und Var2 bzw. Var3 und Var4 zu einem einzigen Varistor zu vereinigen. Dies ist in der Figur jedoch nicht dargestellt.

Figur 3 zeigt eine weiterentwickelte Ausführungsform eines solchen Halbleiter-Schalters SCS.

Zusätzlich zu den bereits erläuterten, in Figur 2 dargestellten Bauelementen sind hier noch parallel zur jeweiligen Halbleiter-Schalteinheit SCSa, SCSb in jedem Zweig ein Schutzvaristor Var5 bzw. Var6 und in Reihe dazu ein Stromsensor IS1 vorgesehen. Im Normalfall sind diese Schutzvaristoren Var5 und Var6 nicht aktiv. Wenn jedoch wider Erwarten eine oder mehrere der erläuterten Varistoren

Var1...Var4 oder auch der IGBT's T1...T4 im Fehlerfall in einen hochohmigen Zustand gehen sollten, wird der Strom über die Schutzvaristoren Var5 oder Var6 im jeweiligen Zweig geführt. Die Spannung wird dabei so begrenzt, dass der Stufenschalter schadensfrei mindestens den bereits begonnenen Umschaltvorgang erfolgreich beenden kann. Der zusätzlich jeweils eingebaute Stromsensor IS1 ist gleichzeitig in beiden Pfaden wirksam. Während der regulären, fehlerfreien Umschaltung des

Stufenschalters bleibt er stromlos. Im Fehlerfall hingegen wird durch ihn ein fließender Strom erkannt, der ein Fehlersignal auslösen kann. Damit ist es auf einfache Weise möglich, nach außen zu signalisieren, dass ein Fehler im Stufenschalter vorliegt. Gleichzeitig kann dieser Strom auch genutzt werden, um auf an sich bekannte Weise den Stufenschalter zu blockieren und weitere Schaltungen bis zur Behebung des Fehlers zu verhindern.

Weiterhin stellen die Schutzvaristoren Var5, Var6 auch einen aO-Schutz dar.

Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die beiden weiter oben beschriebenen Varistoren jeder Seite Varl und Var2 bzw. Var3 und Var4 gemeinsam mit dem Schutzvaristor Var5 oder Var6 derselben Seite zu einem einzigen Varistor zu vereinigen. Dies ist wiederum in der Figur nicht dargestellt. Figur 4 zeigt eine nochmals weiterentwickelte Schaltung eines Halbleiter-Schalters SCS. Hierbei sind die beiden (in der Schaltung unten gezeigten) Seiten der Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb nicht direkt elektrisch miteinander verbunden und führen damit nicht direkt zum in Figur 1 dargestellten Übergangskontakt TC, sondern weisen in jedem Zweig noch eine Parallelschaltung aus einer Sicherung F1 bzw. F2 und einem zusätzlichen Widerstand R1 bzw. R2 auf. Falls in einem der Pfade A oder B ein Kurzschluss auftreten sollte, verhindern die Sicherungen F1 , F2 einen Kurzschluss zwischen den Transformatoranzapfungen. Der jeweilige Strom wird dann über die Widerstände R1 , R2 geleitet falls die Sicherungen F1 und/oder F2 im Fehlerfall ansprechen. Die Widerstände R1 , R2 sind dabei so dimensioniert, dass im Fehlerfall die bestehenden Spannungen derart begrenzt bleiben, dass wiederum das mechanische Kontaktsystem ohne Schaden die Umschaltung beenden kann. In den Figuren 3 und 4 sind noch parallel in jedem Zweig Spannungssensoren VS1 , VS2 angedeutet, die zur Erkennung des jeweiligen elektrischen Zustandes im Pfad A oder B dienen können.

In Figur 4 ist auch noch ein weiterer Spannungssensor VS3 angedeutet; im Fehlerfall, d. h. beim Ansprechen der Sicherungen F1 und/oder F2, wird hier eine Spannung am Spannungssensor VS3 als Indiz für einen Fehler detektiert.

Es ist im Rahmen der Erfindung auch hier möglich, wie weiter oben erläutert, verschiedene Varistoren einer Seite baulich zu vereinigen.

Figur 5 zeigt eine mögliche Realisierungsform des in Figur 1 bzw. 1a schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Stufenschalters. Hierbei sind verschiedene, parallel zueinander verlaufende feste elektrische Kontaktbahnen vorgesehen. Sämtliche Kontaktbahnen können sowohl linear als auch kreisförmig angeordnet sein, der Stufenschalter kann damit bei gleichem Funktionsprinzip translatorisch als auch rotatorisch arbeiten; die Figur zeigt lediglich das Schema. Oben sind wieder die beiden Wicklungsanzapfungen A und B gezeigt, die vom Stufenschalter beschaltet werden können und eine erste Kontaktbahn bilden. Darunter befindet sich eine zweite Kontaktbahn, die elektrisch mit dem Eingang der zweiten Halbleiter-Schalteinheit SCSb in Verbindung steht, sowie darunter eine dritte Kontaktbahn, die elektrisch mit dem Eingang der ersten Halbleiter-Schalteinheit SCSa in Verbindung steht. Wie bereits an Hand von Figur 1 erläutert, sind die beiden anderen Seiten, d. h. elektrischen Ausgänge der Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb elektrisch miteinander verbunden. Sie führen hier zu einer vierten Kontaktbahn. Wiederum darunter befindet sich eine fünfte

Kontaktbahn der Lastableitung LA. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen

Kontaktbahnen wird durch gemeinsam auf einem verschiebbaren Kontaktträger KT angeordnete Kontaktbrücken K1...K4 realisiert. Die Kontaktbrücke K4 entspricht dem jeweiligen in Figur 1 bzw. 1 a gezeigten Hauptkontakt MCa bzw. MCb; sie verbindet im stationären Zustand die jeweilige

Wicklungsanzapfung A oder B direkt mit der Lastableitung LA. Die Kontaktbrücke K1 entspricht dem Kontakt TCa und verbindet während der Umschaltung kurzzeitig die Seite A mit der ersten Halbleiter- Schalteinheit SCSa, ebenso verbindet die Kontaktbrücke K2,die den Kontakt TCb entspricht, die Seite B mit der zweiten Halbleiter-Schalteinheit SCSb. Die Kontaktbrücke K3, die dem Kontakt TC entspricht, verbindet ihrerseits kurzzeitig während der Umschaltung den gemeinsamen Ausgang der beiden Halbleiter-Schalteinheiten SCSa und SCSb mit der Lastableitung LA. Die Bewegungsrichtung des Kontaktträgers KT ist durch einen Pfeil angedeutet.

Figur 6 zeigt noch einmal die in der Figur 5 und später auch in der Figur 7 jeweils rechts gezeigten elektronischen Baugruppen, d. h. Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb in vergrößerter Darstellung. Dabei sind die vier IGBT's T1...T4 gezeigt, davon in jedem Pfad zwei in Reihe gegeneinander. Ferner ist zu jedem IGBT T1...T4 parallel eine Diode D1...D4 vorgesehen, wobei die Dioden (D1 , D2; D3, D4) in jedem Zweig gegeneinander geschaltet sind; wiederum parallel dazu ist jeweils noch ein Varistor Varl ...Var4 geschaltet. Die Funktion dieser Bauelemente wurde bereits weiter oben erläutert.

Nachfolgend soll das Verfahren zur Umschaltung dargestellt werden, wie es bereits an Hand der Figuren 1 bzw. 5 erläutert worden ist. Die als Elektronik bezeichnete, an sich bekannte

Ansteuerelektronik für die IGBT's, die selbstverständlich Bestandteil des Stufenschalters ist, wurde in den Figuren nicht separat dargestellt.

Phase 1 : Stationärer Betrieb an Anzapfung A. Der Strom fließt über den geschlossenen Kontakt MCa zur Lastableitung LA. Die Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb bleiben abgeschaltet, da alle anderen mechanischen Schalter geöffnet sind.

Phase 2: Einschalten der Elektronik. Die mechanischen Kontakte TCa, TCb und TC werden nahezu gleichzeitig eingeschaltet. Der Halbleiter-Schalter SCS wird somit über die

Stufenspannung mit elektrischer Energie versorgt.

Phase 3: Einschalten der Halbleiter-Schaltbaugruppe SCSa. Da der elektrische Widerstand der mechanischen Kontaktgruppe im Vergleich zu dem der Halbleiter-Bauelemente und der übrigen elektronischen Bauelemente niedrig ist, wird der Strom zunächst weiterhin über den mechanischen Kontakt MCa geführt.

Phase 4: Öffnen des Hauptkontaktes MCa. Der Strom wird dadurch über die Halbleiter- Schalteinheit SCSa geführt.

Phase 5: Die Elektronik schaltet um. Die Halbleiter-Schalteinheit SCSa wird ausgeschaltet; die Halbleiter-Schalteinheit SCSb wird eingeschaltet und übernimmt die Stromführung.

Phase 6: Der mechanische Kontakt MCb der anderen Seite B wird eingeschaltet und übernimmt jetzt die Stromführung.

Phase 7: Ausschalten der Halbleiter-Schalteinheit SCSb. Sobald der mechanische Kontakt MCb geschlossen ist, schaltet die Elektronik die Halbleiter-Schalteinheit SCSb dieses Zweiges ab.

Phase 8: Ausschalten der gesamten Elektronik. Die mechanischen Kontakte TCa, TCb und TC werden dazu nahezu gleichzeitig ausgeschaltet. Alle elektronischen Komponenten werden von der Spannungsversorgung, d. h. der Stufenspannung, getrennt. Der Laststrom wird von der Seite B über den geschlossenen mechanischen Hauptkontakt MCb direkt zur

Lastableitung LA geführt. Die Umschaltung ist abgeschlossen; der neue stationäre Zustand ist erreicht.

In Figur 7 ist eine weitere, besonders vorteilhafte gerätetechnische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stufenschalters gezeigt. Hierbei sind wiederum Wicklungsanzapfungen, hier n, n+1 , n+2, gezeigt, die mit langgestreckten, dünnen bleistiftartigen, festen Kontaktfingern KF1...KF3 elektrisch verbunden sind. Diesen Kontaktfingern KF1...KF3 gegenüberliegend sind jeweils weitere, ebenso ausgebildete langestreckte Kontaktfinger AF1... AF3 vorgesehen, die miteinander leitend verbunden sind und die Lastableitung LA bilden. Oberhalb der horizontal in einer Ebene liegenden Kontaktfinger KF1...KF3 und AF1...AF3 beider Seiten ist ein durch Striche hier angedeuteter Kontaktträger KT vorgesehen, der senkrecht zur Längsausdehnung der Kontaktfinger bewegbar ist. Die Bewegungsrichtung ist wiederum durch einen Pfeil symbolisiert.

Auf dem Kontaktträger KT, auf der den Kontaktfingern KF1...KF3; AF1...AF3 zugewandten Seite, sind Kontaktstücke angeordnet, die auf dem Kontaktträger KT fixiert sind und in unveränderlicher geometrischer Anordnung zueinander mit diesem bewegt werden. Dabei handelt es sich zum einen um das Kontaktstück MC, das die jeweilige Wicklungsanzapfung direkt im stationären Betrieb, der in Figur 7 gezeigt ist, mit dem gegenüberliegenden Kontaktfinger der Lastableitung LA verbindet. Zum anderen sind seitlich und symmetrisch dazu angeordnet zwei separate weitere Kontaktstücke TCa und TCb vorgesehen. Das Kontaktstück TCa steht elektrisch mit dem Eingang der ersten Halbleiter- Schalteinheit SCSa in Verbindung. Das zweite Kontaktstück TCb steht elektrisch mit dem Eingang der zweiten Halbleiter-Schalteinheit SCSb in Verbindung. Schließlich ist noch auf der anderen Seite auf dem Kontaktträger KT ein weiteres Kontaktstück TC vorgesehen, das elektrisch mit dem Ausgang der beiden Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb verbunden ist. Die erläuterten weiteren Kontaktstücke - neben dem Kontaktstück MC - sind geometrisch derart angeordnet, dass, je nach Schaltrichtung, bei Bewegung des Kontaktträgers KT das Kontaktstück TCa bzw. TCb kurzzeitig einen der

Kontaktfinger KF1...KF3 kontaktiert. Das Kontaktstück TC auf der anderen Seite ist geometrisch derart angeordnet, dass es während einer Umschaltung, d. h. Betätigung des Kontaktträgers KT, kurzzeitig Kontakt zu einem der Kontaktfinger AF1...AF3 der Lastableitung LA herstellt. Im stationären Betrieb sind alle diese Kontaktstücke TCa, TCb, TC nicht geschaltet; die elektrische Verbindung direkt von der jeweils geschalteten Wicklungsanzapfung, hier n+1 , zur Lastableitung LA erfolgt

ausschließlich durch das Kontaktstück MC, während die gesamte Elektronik freigeschaltet ist. Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Ausführung der in Bewegungsrichtung schmalen Kontakte, als Kontaktfinger ausgebildet, in Verbindung mit dem in Bewegungsrichtung breiten beweglichen Kontakten, als Kontaktstück jeweils ausgebildet, ermöglicht insgesamt einen besonders vorteilhaften, spannungsfesten Aufbau des erfindungsgemäßen Stufenschalters.

Die Bezeichnung der erläuterten Kontaktstücke in dieser Figur entspricht der Bezeichnung der mechanischen Schalter in Figur 1 bzw. 1a, die sie repräsentieren. Anzumerken ist, dass unabhängig vom konstruktiven Aufbau die Schaltung gemäß Figur 1 bzw. 1a und auch die Schaltsequenz unverändert bleiben. In allen Ausführungsbeispielen ist es zudem möglich, die Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb um die in den Figuren 3 und 4 gezeigten und in der Beschreibung dazu erläuterten zusätzlichen Bauelemente zu erweitern. Alle Ausführungsformen sind gleichermaßen in translatorischer als auch rotatorischer Bauform realisierbar.