Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltelement. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Laststufenschalter mit einem solchen Schaltelement zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators.

Stufenschalter dienen bekanntermaßen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators und damit zur Spannungsregelung. Sie bestehen üblicherweise aus einem Wähler zur leistungslosen Vorwahl derjenigen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll sowie einem Lastumschalter zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherig beschalteten Wicklungsanzapfung auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung. Der Lastumschalter besitzt dazu die für eine solche unterbrechungslose, schnelle Umschaltung erforderlichen Bauteile, insbesondere einen Energiespeicher, Schaltkontakte - dies können mechanische Schaltkontakte, Vakuumschaltröhren oder auch Thyristoren sein - sowie Mittel zur Betätigung der Schaltkontakte in einer vorgegebenen Schaltsequenz bei jedem Umschaltvorgang.

Die Verwendung von Vakuumschaltröhren zur Lastumschaltung ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Es existieren zahlreiche auf dem Markt kommerziell erhältliche Produkte mit unterschiedlichen Schaltungen mit 2, 3, 4 oder auch mehr schaltenden Vakuumschaltröhren pro Phase. Eine typische Schaltung, hier mit 3 Vakuumschaltröhren pro Phase, zeigt die DE 10 2007 004 530 A1.

In der DE 42 31 353 A1 erfolgt die Betätigung der einzelnen Vakuumschaltröhren durch eine in beiden Richtungen drehbare Schaltwelle, die nach Auslösung des Kraftspeichers schnell gedreht wird. Dabei ist zur Betätigung der Vakuumschaltröhren auf der Schaltwelle eine Kurvenscheibe fest angeordnet, die an ihrer Stirnseite für jede Vakuumschaltröhre eine Steuerkurve aufweist, in der formschlüssig eine Rolle zwangsgeführt ist, die auf den Betätigungshebel der zugeordneten Vakuumschaltröhre einwirkt. Die Steuerkurve wird hier in Form einer horizontal von der Kreiskontur abweichenden umlaufenden Nut realisiert, in die formschlüssig die jeweilige Rolle eingreift.

Die Ansteuerung der jeweiligen Vakuumschaltröhre oder auch der mechanischen Schaltelemente erfolgt damit mechanisch mittels der Steuerkurve und unter Zuhilfenahme von ver- schiedenen Betätigungshebeln und die Steuerkurve entlang wälzenden Rollen, so dass letzten Endes ein Öffnen oder Schließen der Vakuumröhren oder der mechanischen Schaltelemente bewirkt wird. Der Bewegungsabgriff für alle Schaltelemente erfolgt dabei von der sich schnell drehenden Abtriebswelle des während des langsamen Wählervorgangs aufgezogenen, d. h. mittels einer Feder gespannten, Kraftspeichers. Für jedes Schaltelement muss eine separate Kurvenscheibe mit einer für die jeweilige Schaltsequenz angepassten Steuerkurve, die für jede einzelne Betätigung des entsprechenden Schaltelementes eine Erhöhung, bzw. Vertiefung aufweist, vorgesehen sein, die mit der Abtriebswelle des Kraftspeichers in Wirkverbindung steht. Wenn die zu Grunde liegende Schaltsequenz ein mehrfaches Öffnen und Schließen des jeweiligen Schaltelementes für eine Umschaltung von der Stufe n auf die Stufe n+1 erforderlich macht, wird der Kreissektor der Kurvenscheibe für das einzelne Betätigungsmittel während einer Umschaltung immer kleiner, da sich die maximal zur Verfügung stehenden 360 Grad nicht beliebig erweitern lassen. Insgesamt betrachtet ergibt sich aus dieser mechanischen Lösung ein relativ komplexes, aus einer Vielzahl von Einzelbauteilen bestehendes System, mittels dem in einem sehr kleinen zur Verfügung stehenden Zeitfenster von nur wenigen Millisekunden die eigentliche Lastumschaltung durch reibungsloses Ineinandergreifen der einzelnen Bauteile erfolgen muss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schaltelement sowie einen Laststufenschalter mit einem solchen Schaltelement zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators anzugeben, der aus nur wenigen Einzelbauteilen besteht, damit weniger Bauraum einnimmt und zudem eine zuverlässige Umschaltung bei gleichzeitig deutlich verringerter Gesamtzeit für den jeweiligen Umschaltvorgang ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Schaltelement mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches sowie einem Laststufenschalter mit einem solchen Schaltelement zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators mit den Merkmalen des nebengeordneten 2 Patentanspruches gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen dabei besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Dem erfindungsgemäße Laststufenschalter liegt die allgemeine Idee zu Grunde, die einzelnen Schaltelemente nicht mehr, wie nach dem Stand der Technik, mit einer einzigen Kurvenscheibe mit separaten Steuerkurven mechanisch anzusteuern bzw. zu betätigen, son- dem einzelne Schaltelemente aus der Umschaltsequenz herauszulösen und mittels eines elektrodynamisch angetriebenen, schnellen Schaltelementes separat zu beschälten.

Dem erfindungsgemäßen Schaltelement liegt die allgemeine Idee zu Grunde, ein um eine Achse rotatorisch gelagertes, bewegliches Kontaktstück in seinen jeweiligen Endlagen elektrisch brückend zwischen zwei festen, jeweils zusammengehörenden Kontaktpaaren verschwenkbar anzuordnen, derart, dass das bewegliche Kontaktstück sowohl mit dem Hauptstromzweig einer ersten beschalteten Wicklungsanzapfung n, als auch einer weiteren, zu beschaltenden, Wicklungsanzapfung n+1 elektrisch verbindbar ist. Neben der sehr schnellen Schaltzeit von höchstens einigen 100 bietet das elektrodynamisch angetriebene Schaltelement den weiteren Vorteil, dass das zwischen den entsprechenden festen Kontaktpaaren brückend ausgebildete, bewegliche Kontaktstück bei jedem Umschaltvorgang eine doppelpo- lige Unterbrechung bewirkt, was die Schaltstreckenbelastung auf die einzelnen festen Schaltkontakte deutlich reduziert und zudem den jeweiligen, nicht beschalteten Hauptstromzweig vollständig galvanisch von der Lastableitung trennt. Der schnelle Umschaltvorgang mit Hilfe des elektrodynamisch angetriebenen Schaltelementes birgt den weiteren wesentlichen Vorteil, dass im Stromnulldurchgang des sinusförmig oszillierenden Wechselstroms geschaltet werden kann; der Umschaltvorgang findet damit quasi stromfrei statt, was unerwünschte Lichtbogenbildungen deutlich reduziert.

Zwar ist es beispielsweise aus der EP 1 180 776 schon grundsätzlich bekannt geworden, eine nach dem elektrodynamischen Schaltprinzip erzeugte Schaltstelle bereitzustellen, nur ist diese Schaltstelle als mechanischer Einschalter oder Ausschalter ausgebildet und ausdrücklich nicht für den erfindungsgemäß vorgesehenen technischen Einsatz in einem Laststufenschalter geeignet.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert werden.

Es zeigt;

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltelements für einen Laststufenschalters

Figur 2 eine Ausführungsform eines Laststufenschalter mit einem erfindungsgemäßen

Schaltelement. In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Schaltelement 1 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Mittig, um eine Achse 2 drehbar, ist ein bewegliches, elektrisch leitendes Kontaktstück 3 vorgesehen, das damit zwischen zwei Endlagen schwenkbar mittels der Achse 2 gelagert ist. In der hier abgebildeten Darstellung der Figur 1 kontaktiert das bewegliche Kontaktstück 3 in seiner stationären Stellung, d.h. Endlagen, ein erstes festes Kontaktpaar 4, bestehend aus zwei gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken 4.1 und 4.2. Durch den im Wesentlichen symmetrischen Aufbau des Schaltelements 1 kontaktiert das bewegliche Kontaktstück 3 im zweiten, hier nicht gezeigten, stationären Zustand durch einfaches Drehen um die Achse 2 analog ein zweites festes Kontaktpaar 5, bestehend aus zwei im Wesentlichen ebenfalls gegenüberliegend angeordneten Kontaktstücken 5.1 und 5.2. Um diese Drehbewegung auf das bewegliche Kontaktstück 3 einzuleiten, stehen in dessen Randbereich, also auf den der Achse 2 abgewandten Seiten, elektrische Spulen 6 und 7 mit dem beweglichen Kontaktstück 3 in Wirkverbindung. Die Windungen der elektrischen Spulen 6 und 7 sind dabei in weiten Grenzen, je nach geometrischer Auslegung des Schaltelementes 1 , zu wählen und ausdrücklich nicht auf die in Figur 1 gezeigte Anzahl von einer Windung begrenzt.

Zum Einleiten der Drehbewegung auf das bewegliche Kontaktstück 3, d. h. einem Umschaltvorgang von dem ersten festen Kontaktpaar 4 auf das zweite feste Kontaktpaar 5, wird beispielsweise ein mit der Spule 6 verbündender, nicht dargestellter, Kondensator entladen. Es ist alternativ auch möglich, auf andere aus dem Stand der Technik für den Fachmann bekannte Spannungsversorgungseinrichtungen zurückzugreifen, die insbesondere mit einer Sicherheitseinrichtung ausgestattet sind, die es verhindert, dass beide elektrischen Spulen 6 und 7 gleichzeitig mit Spannung beaufschlagt werden, so dass damit das bewegliche Kontaktstück 3 letztendlich in eine indifferente Schaltstellung zwischen den beiden festen Kontaktpaaren 4 und 5 gelangen würde. Wie in Figur 1 ersichtlich fließt damit ein Antriebsstrom in dem unteren Spulenabschnitt 6.1 der ersten Spule 6 nach hinten, also in die Zeichenebene hinein, und zeitgleich in dem oberen Spulenabschnitt 6.2 der selben ersten Spule 6 nach vorne, also aus der Zeichenebene heraus. Dadurch werden auf das bewegliche Kontaktstück 3 Wirbelströme induziert, die im Wesentlichen dem Antriebsstrom entgegengerichtet wirken. Die vom nach hinten gerichteten Antriebsstrom des unteren Spulenabschnitts 6.1 der ersten Spule verursachten Wirbelströme fließen also in diesem Bereich des beweglichen Kontaktes 3 nach vorne, d.h. aus der Zeicheneben heraus, und die vom nach vorne gerichteten Antriebsstrom des oberen Spulenabschnitts 6.2 verursachten Wirbelströme nach hinten, d.h. in die Zeichenebene hinein. Schließlich wird hierdruch eine resultierende Kraft erzeugt, die auf den beweglichen Kontakt 3 eine Drehbewegung einleitet, so dass dieser letzten Endes vom ersten festen Kontaktpaar 4 auf das zweite feste Kontaktpaar 5 umschaltet. Ein Umschaltvorgang von dem zweiten festen Kontaktpaar 5 auf das erste feste Kontaktpaar 4 erfolgt in identisch umgekehrter Reihenfolge zu dem eben Beschriebenen.

Die Figuren 2a bis 2f zeigen einen Umschaltvorgang von der Wicklungsanzapfung n auf die Wicklungsanzapfung n+1 eines Stufentransformators, in dem ein Laststufenschalter mit einem erfindungsgemäßen Schaltelement 1 verwendet wird. In allen Figuren 2a bis 2f beziehen sich dabei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile, die nur exemplarisch in der Beschreibung zu Figur 2a ausführlich beschrieben werden. Im linken Bereich der Figur 2a ist eine Stammwicklung 10 eines ansonsten nicht näher dargestellten Stufentransformators gezeigt, an die sich eine Regelwicklung 1 1 , hier abgebildet mit beispielhaften 9 Wicklungsanzapfungen, anschließt. Stilisiert angedeutet sind zudem ein erster Wählerarm 12, der in der Schaltungsstellung der Figur 2a stromführend ist und auf der Stellung n der Regelwicklung 1 1 steht, und ein zweiter Wählerarm 13, der die Stellung n-1 der Regelwicklung 1 1 lastlost vorgewählt hat. Bei dem hier verwendeten Wähler kann sich dabei um einen gewöhnlichen, seit vielen Jahrzehnten aus dem Stand der Technik bekannten Wähler handeln. Mit dem Wähler in Wirkverbindung steht ein ebenfalls stilisiert dargestellter Lastumschalter 9, der mit einer Lastableitung 14 elektrisch verbunden ist. Der Lastumschalter 9 wiederum weist einen ersten Haupt- und Hilfsstromzweig 15 und 16 sowie einen zweiten Haupt- und Hilfs- stromzweig 17 und 18 auf. Jeder dieser beiden Zweige ist mit einem Wählerarm 12 und 13 elektrisch verbunden. Erfindungsgemäß weist der Lastumschalter 9 zudem ein schnelles Schaltelement 1 auf, das zwischen den beiden Hauptstromzweigen 15 und 17 und damit letztendlich zwischen den jeweiligen, mittels des Wählers vorgewählten, Stufen der Regelwicklung 1 1 umschaltet. Weiterhin besteht jeder der beiden Hilfsstromzweige 16 und 18 aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes 19, 20 und eines Hilfskontaktes 21 , 22. Bei den Hilfskontakten 21 , 22 kann es sich dabei um aus dem Stand der Technik bekannte mechanische Schaltkontakte, Vakuumschaltkontakte, Halbleiterbauelemente oder einem erfindungsgemäßen elektrodynamisch angetrieben, schnellen Schaltelement handeln.

In der Darstellung der Figur 2a sind beide Hilfskontakte 21 und 22 geöffnet, während das schnelle Schaltelement 1 den ersten Hauptstromzweig 15 elektrisch beschaltet. Der Strompfad nimmt damit den Weg von der beschalteten Stufe n der Regelwicklung 1 1 über den ersten Wählerarm 12 und den ersten Hauptstromzweig 15 hin zur Lastableitung 14. Der in den Figuren 2a bis 2f dargestellte Umschaltvorgang erfolgt dabei in folgenden Schritten:

- Der Hilfskontakt 21 wird geschlossen; es fließt damit ein Ausgleichsstorm über den ersten Hilfsstromzweig 16

- Der Hilfskontakt 22 wird geschlossen; es fließt nun ein Kreisstrom

- Das schnelle Schaltelement 1 schaltet im Stromnulldurchgang von dem ersten

Hauptstromzweig 15 auf den zweiten Hauptstromzweig 17 um; der wesentliche Anteil des Laststroms liegt damit auf der vorgewählten Stufe n-1 der Regelwicklung 1 1.

- Der Hilfskontakt 21 wird geöffnet; die vollständige Kommutierung auf die vorgewählte Stufe n-1 der Regelwicklung 1 1 ist abgeschlossen.

- Der Hilfskontakt 22 öffnet; der komplette Laststrom fließt nun über den zweiten

Hauptstromzweig 17.

Der Umschaltvorgang ist damit abgeschlossen. Ein Umschaltvorgang in die andere Richtung erfolgt in identisch umgekehrter Reihenfolge zu dem eben Beschriebenen.