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 Motorantriebes 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stufenschalter der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach aufgebaut ist und eine hohe Funktionssicherheit aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen solchen Stufenschalter anzugeben, der direkt am zu regelnden Stufentransformator angeordnet werden kann und dabei die durch den Transformator vorgegebene Grundfläche nicht vergrößert und insgesamt eine effiziente, raumsparende und kostengünstige Integration des

Stufenschalters mit dem Stufentransformator gestattet.

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 einem Hybrid-Schalter mit zwei Halbleiter-Schalteinheiten, wobei jede Schalteinheit jeweils zwei antiparallel geschaltete IGBT's aufweist; jedem einzelnen IGBT ist ein parallel dazu geschalteter Varistor zugeordnet. Die Halbleiter-Schalteinheiten werden durch mechanische Kontakte zu- bzw. abgeschaltet und sind mit der Lastableitung verbindbar. Die mechanischen Kontakte stellen auch die jeweilige Verbindung zum festen Kontakt der jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators dar.

Gemäß der Erfindung ist der Stufenschalter zweigeteilt: Er besteht aus einer Elektronikeinheit und einer Mechanikeinheit, die voneinander durch eine Durchführungsplatte geteilt sind.

Bei dieser Bauweise ist es erfindungsgemäß möglich, den Stufenschalter oberhalb des Eisenjochs des Stufentransformators anzuordnen und zwar so, dass sich die Mechanikeinheit unterhalb des Transformatordeckels und damit innerhalb des Transformators, die Elektronikeinheit jedoch oberhalb des Transformatordeckels und damit außerhalb des Transformators befindet. Bei der Erfindung können damit die Bauteile der Mechanikeinheit in Öl betrieben werden, während die Bauelemente der Elektronikeinheit in Luft arbeiten können.

Erfindungsgemäß ist die Elektronikeinheit jeder Phase von einem elektrisch leitenden Gehäuse umschlossen. Damit wird auf einfache Weise eine Abschirmung der Elektronikeinheit sowie eine Feldsteuerung erzielt.

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

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Stufenschalter mit seiner elektrischen Schaltung

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der in Figur 1 gezeigten Elektronikeinheit

Figur 3 eine gerätetechnische Realisierung eines erfindungsgemäßen Stufenschalters in schematischer Darstellung

Figur 4 eine Elektronikeinheit eines solchen Stufenschalters in seitlicher Schnittdarstellung

Figur 5 eine solche Elektronikeinheit schematisch von vom

Figur 6 die Anordnung des erfindungsgemäßen Stufenschalters an einem

Stufentransformator, wiederum schematisch gezeigt.

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 2 zeigt noch einmal die in der Figur 1 gezeigte Elektronikeinheit, d. h. Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb in vergrößerter Darstellung. Dabei sind vier IGBT's T1...T4 gezeigt, davon in jedem Zweig zwei in Reihe gegeneinander geschaltet. 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 beiden Halbleiter-Schalteinheiten SCSa, SCSb stellen den eigentlichen Halbleiter-Schalter SCS dar. Er besteht, wie bereits erläutert, 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 12 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.

Figur 3 zeigt eine Realisierungsform eines erfindungsgemäßen Stufenschalters.

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 als Ableitfinger 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 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.

In dieser Figur 3 sind jeweils durch Strichpunktlinie die Elektronikeinheit 1 und die Mechanikeinheit 2 angedeutet, die durch eine Durchführungsplatte 3 voneinander getrennt sind.

In Figur 4 und 5 ist jeweils die Elektronikeinheit 1 in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Unten wird sie durch die bereits erläuterte Durchführungsplatte 3 abgeschlossen, durch die Durchführungen 4 führen. Dabei handelt es sich um drei separate Durchführungen, wobei die erste Durchführung 4a die elektrische Verbindung zum Kontakt TCa herstellt, die zweite Durchführung 4b die elektrische Verbindung zum Kontakt TC herstellt und die dritte Durchführung 4c die elektrische Verbindung zum Kontakt TCb herstellt. Diese Kontakte und ihre gerätetechnische Ausbildung wurden bereits weiter vorn erläutert. An jeder Durchführung 4 ist ein elektrisch leitender Anschlusswinkel 5 angeordnet, an dem eine Leiterplatte 6 befestigt ist und leitend mit ihm in Verbindung steht. Die Leiterplatte 6 trägt die elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente, die bereits in Figur 2 gezeigt und weiter oben erläutert wurden. Diese Leiterplatte 6 wird von einem elektrisch leitendem Gehäuse umschlossen, das aus zwei Gehäuseteilen 7, 8 besteht. Die gesamte Anordnung wird von einer Abdeckung 9 aus elektrisch leitendem Material umschlossen. Die Abdeckung 9 ist geerdet. Mit einer solchen Abdeckung 9 wird neben der Sicherstellung des Berührungsschutzes zusammen mit den Gehäuseteilen 7, 8 eine parasitäre Kapazität aufgespannt, die zur Potentialanlenkung der Elektronikeinheit 1 im stationären Betrieb dient. Dies ist vorteilhaft, da die Elektronikeinheit 1 ansonsten im stationären Betrieb vollständig galvanisch getrennt wäre.

Gezeigt sind weiterhin seitliche Stützen 10, 11 , die die Leiterplatte 6 tragen. Ferner eine leitende Folie 12 und eine elektrisch leitende Anlenkung 13. Diese Bauteile dienen erfindungsgemäß dazu, die Gehäuseteile 7 und 8 elektrisch leitend mit dem Potential der Leiterplatte 6 zu verbinden. Weiterhin ist eine Bohrung 14 angedeutet, die zur Befestigung der Gehäuseteile 7, 8 dienen kann.

Durch die erfindungsgemäße Anlenkung der elektrisch leitenden Gehäuseteile 7, 8, die die Leiterplatte 6 vollständig umschließen, werden mehrere Dinge erreicht. Neben dem - selbstverständlichen - mechanischen Schutz der Leiterplatte 6 und der auf ihr befestigten Bauelemente wird auf einfache und kostengünstige Weise auch eine Abschirmung der gesamten Elektronikeinheit 1 sowie eine Feldsteuerung erzielt. Neben der Abschirmung und Feldsteuerung zur definierten Potentialanlenkung der gesamten Elektronikeinheit 1 dienen die Gehäuseteile 7, 8 dem mechanischen Schutz beim Einstecken bzw. Auswechseln der Elektronikeinheit 1. Ferner können die Gehäuseteile 7, 8 auch eine elektrische Verbindung zwischen dem Ableitpotential auf der Elektronikeinheit 1 sowie eine

Durchführung herstellen; dies ist jedoch nicht zwingend.

Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung eines erfindungsgemäßen Stufenschalters an einem Stufentransformator. In Figur 6 ist in schematischer Darstellung ein Kessel 15 eines Regeltransformators gezeigt, in dessen Innerem sich Wicklungen 16 und mindestens ein Eisenjoch 17 befinden. Oben ist der Kessel 15 durch einen Transformatordeckel 18 abgeschlossen. Üblicherweise ist der komplette Kessel 15 ölgefüllt. Oberhalb des Transformatordeckels 18 sind noch die MS- Durchführung 9 und die NS-Durchführung 20 angedeutet. Die Verbindung zu der Primär- bzw. Sekundärseite der Wicklung 16 im Inneren des Transformators und die elektrischen Verbindungen von der Regelwicklung zum Stufenschalter sind nicht gezeigt. Oberhalb des Eisenjoches 17 ist ein Stufenschalter angeordnet, der eine Elektronikeinheit 1 und darunter eine Mechanikeinheit 2, den Wähler, aufweist. Elektronikeinheit 1 und Mechanikeinheit 2 sind durch eine horizontale

Durchführungsplatte 3 hermetisch voneinander getrennt. Die elektrischen Verbindungen von den beiden Teilen des Stufenschalters durch die Durchführungsplatte 3 hindurch sind wiederum nicht dargestellt. Der Stufenschalter besitzt die bereits erläuterte Abdeckung 9. Es ist zu sehen, dass sich der eigentliche Lastumschalter in der Elektronikeinheit 1 oberhalb des Transformatordeckels 18 befindet, während sich die Mechanikeinheit 2 innerhalb des Transformators, d. h. unterhalb des Transformatordeckels 15 und der Durchführungsplatte 3 des Stufenschalters befindet.