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Die
Erfindung betrifft einen Stufenschalter vom Typ des Widerstandsschnellschalters
zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen
eines Regeltransformators.
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Stufenschalter
sind seit Jahrzehnten bekannte Einrichtungen zur Spannungsregelung
und Sicherstellung einer hohen Elektroenergiequalität. Ihrer
prinzipiellen Wirkungsweise nach lassen sie sich in Widerstandsschnellschalter,
die Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sind, und Reaktorschalter unterteilen.
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Das
Prinzip aller Widerstandsschnellschalter geht zurück auf das
1929 erteilte deutsche Reichspatent Nr. 474 613, das zum ersten
Mal das Prinzip der sprungartigen unterbrechungslosen Umschaltung zwischen
verschiedenen Wicklungsanzapfungen mittels kurzzeitig eingeschalteter Überschaltwiderstände beschreibt.
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Auf
diesem Prinzip basierende Stufenschalter sind in zahlreichen Ausführungsformen
bekannt. Ein typischer Vertreter ist der in der Firmendruckschrift „Stufenschalter
Typ M – Inspektionsanweisung" der Anmelderin beschriebene
Typ „M". Dieser Laststufenschalter
besitzt einen Stufenwähler
zur lastlosen Vorwahl derjenigen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet
werden soll, und einen räumlich darüber, in
einem separaten Ölgefäß angeordneten, Lastumschalter
zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung. Die Betätigung dieses
Laststufenschalters erfolgt durch einen Motorantrieb mit einem Elektromotor,
der, wird er bei einer vorgesehenen Umschaltung in Betrieb gesetzt,
einerseits den Feinwähler
und ggf. einen Vorwähler
kontinuierlich betätigt
und andererseits einen Kraftspeicher des Lastumschalters aufzieht.
Der Motorantrieb sitzt dabei räumlich
gesehen seitlich außerhalb
des Transformators. Über
Gestänge,
Winkeltrieb, Getriebestufen und mechanisches Maltesergetriebe wird
die Energie zum Stufenschalter geleitet. Hat der Kraftspeicher seine
Endstellung erreicht, d. h. ist er voll aufgezogen, wird seine bis
dahin fixierte Arretierung freigegeben, und er vollzieht eine sprungartige
Bewegung, mit der er den Lastumschalter betätigt. In
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1 sind die Antriebszüge dieses
bekannten Laststufenschalters schematisch dargestellt. In
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2 ist ein modifizierter solcher
Laststufenschalter gezeigt, der statt eines üblichen Vorwählers einen
Mehrfach-Grobwähler
aufweist; diese Anordnung ist dem Fachmann ebenfalls bekannt.
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Ein
weiterer Stufenschalter ist in der Firmendruckschrift „Lastwähler Typ
V – Inspektionsanweisung" der Anmelderin beschrieben.
Bei diesem als Lastwähler
ausgebildeten Typ „V" sind die Vorwahl der
jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll,
und die Bauelemente zu dieser nachfolgenden Umschaltung konstruktiv
vereinigt. Auch hierbei ist ein Motorantrieb mit der oben beschriebenen
räumlichen
Anordnung vorgesehen, der zunächst
den Kraftspeicher aufzieht. Nach dessen vollständigem Aufzug und nachfolgender
Auslösung wird
eine drehbare Schaltwelle betätigt,
die schnell und unterbrechungslos von einem auf einem benachbarten
anderen Festkontakt, der jeweils elektrisch mit einer Wicklungsanzapfung
verbunden ist, umschaltet. Ein typischer Getriebezug eines solchen
bekannten Lastwählers
ist in der 3 schematisch
dargestellt.
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Bei
den bekannten Stufenschaltern erfolgt der Antrieb durch einen elektrischen
Motorantrieb. Ein solcher Antrieb ist beispielsweise in der WO 98/38661
beschrieben. In einem solchen bekannten Motorantrieb sind alle mechanischen
und elektrischen Baugruppen, die zum Antrieb des Stufenschalters
erforderlich sind, vereinigt. Wichtige mechanische Baugruppen sind
dabei das Lastgetriebe und das Steuergetriebe. Das Lastgetriebe
betätigt
direkt den Stufenschalter; es weist dazu einen entsprechend dimensionierten
Elektromotor auf. Das Steuergetriebe enthält eine Nockenscheibe, die
sich bei jeder Umschaltung des Stufenschalters um eine volle Umdrehung
dreht. Die Nockenscheibe wiederum weist eine Vielzahl von Schaltnocken
zur mechanischen Betätigung
zahlreicher Nockenschalter bzw. nockenbetätigter Kontakte auf. Das Steuergetriebe enthält weiterhin
Mittel zur Anzeige der Stufenstellung bzw. des Schaltschrittes.
Zu den elektrischen Baugruppen im Motorantrieb gehören unterschiedliche
Stromkreise. So ist ein Motorstromkreis vorhanden, durch den die
Klemmen des elektrischen Antriebsmotors über Motorschütze, Bremsschütze und andere
Schaltmittel mit der Stromzuleitung verbunden sind. Weiterhin sind
ein Steuerstromkreis und verschiedene Meldestromkreise und Auslösestromkreise
für einen
Motorschutzschalter vorhanden. Die Steuerung des Motorantriebes
selbst erfolgt nach dem Prinzip der Schrittschaltung, d. h. ein
Verstellvorgang um einen Schaltschritt wird durch einen einmaligen
Steuerimpuls eingeleitet und danach zwangsläufig zu Ende geführt; die
Abtriebswelle des Motorantriebes, die mit einer Antriebswelle des
Stufenschalters gekuppelt ist, vollführt dabei eine vorab genau
festgelegte Anzahl von Umdrehungen. Weiterhin weist der bekannte
Motorantrieb, neben anderen Sicherheitseinrichtungen, auch eine
Durchlaufschutzeinrichtung auf, die verhindert, dass beim Versagen der
beschriebenen Schrittsteuerung der Motorantrieb bis in die Endstellung
durchläuft.
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Der
beschriebene bekannte Motorantrieb hat gemeinsam mit dem nachgelagerten
Maltesergetriebe im Stufenschalter eine ganze Reihe von Funktionen
zu erfüllen:
- – Erzeugung
eines Rotationsdrehmomentes mit nachfolgender Umsetzung in eine
Bewegung für den
Stufenwähler
- – Übertragung
sowie Über/Untersetzung
des Drehmomentes
- – Aufzug
eines Kraftspeichers
- – Umwandlung
einer kontinuierlichen Bewegung in eine Schrittbewegung
- – Fixierung
des Schaltelementes nach vollzogenem Schaltschritt
- – Stellungsmeldung
- – mechanische
Endanschlagsfunktion.
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Insgesamt
sind sowohl herkömmlicher
Motorantrieb als auch nachgelagertes Getriebe kompliziert im Aufbau,
teuer in der Fertigung, da notwendigerweise hochgenau, und sie stellen
gemeinsam mit dem Kraftspeicher üblicherweise
den aufwändigsten Teil
des gesamten Stufenschalters dar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den prinzipiellen Aufbau von Stufenschaltern,
wie er sich seit Jahrzehnten etabliert und im Stand der Technik
verfestigt hat, drastisch zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Stufenschalter mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 bzw.
6 gelöst;
die Unteransprüche
betreffen jeweils vorteilhafte mögliche
Weiterbildungen und Modifikationen der Erfindung.
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Der
Erfindung liegt die allgemeine erfinderische Idee zu Grunde, mindestens
einen per se bekannten Torque-Motor als Bestandteil des Antriebszuges
bzw. -stranges eines Stufenschalters einzusetzen.
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Solche
Torque-Motoren sind beispielsweise aus der Firmenschrift „Bürstenlose
Torque-Motoren" der
Firma ETEL bekannt. Ein solcher bekannter Torque-Motor funktioniert
auf der gleichen physikalischen Basis wie ein Linearantrieb, nur
dass der hier flach liegende Stator zum Kreis aufgewickelt ist.
Ein Torque-Motor ist mithin ein auf hohes Drehmoment optimierter
Servoantrieb; moderne Ausführungen sind
elektrisch gesehen 3-phasige bürstenlose
Synchronmotoren mit Permanenterregung. Sie werden derzeit im Werkzeugmaschinenbau
eingesetzt. Es ist bisher noch nicht der Versuch unternommen worden, sie
in Stufenschalter zu implementieren oder für den Antrieb eines Stufenschalters
prinzipiell nutzbar zu machen.
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Zwar
gab es in der Vergangenheit bereits den in der DD-Patentschrift
58 131 aus dem Jahre 1967 beschriebenen Versuch, das herkömmliche
Antriebskonzept eines Stufenschalters, wie es weiter oben beschrieben
worden ist, zu verlassen. Dabei handelte es sich um eine Lösung, bei
der ein Stufenwähler
aus so vielen hydraulisch betätigten
einzelnen Antriebsmodulen gebildet ist, wie Stufen vorgesehen sind,
so dass beliebig zwischen einzelnen Wicklungsanzapfungen – nicht
nur zwischen benachbarten – geschaltet
werden konnte. Diese hydraulische Lösung ist jedoch wegen des hohen
Funktionsrisikos, z. B. der Alterungsgefahr der zuführenden
Leitungen und Dichtungen, nicht realisiert worden.
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Für Schaltgeräte allgemein
sind zudem verschiedene andere Antriebsmechanismen vorgeschlagen
worden. So betrifft beispielsweise die
EP 996
135 einen magnetischen Wanderfeldantrieb für ein Schaltgerät, die WO
99/60591 und WO 00/05735 beschreiben Antriebe nach Art eines Schrittmotors für Schaltgeräte. Auch
diese Lösungen
sind für
Stufenschalter nicht ohne weiteres anwendbar, da sie keine sprungartigen
Bewegungen gestatten und insgesamt problematisch für die Realisierung
dynamischer Vorgänge,
noch dazu bei tiefen Temperaturen, sind.
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Schließlich ist
in der WO 01/06528 noch ein kontrollierter Antrieb für ein Schaltgerät vorgeschlagen
worden, der jedoch ebenfalls nicht für einen Stufenschalter geeignet
ist.
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Hinweise
auf die erfindungsgemäße Verwendung
mindestens eines Torque-Motores an einem Stufenschalter sind allen
diesen Bemühungen
zur Weiterentwicklung der Antriebstechnik von Schaltgeräten jedoch
nicht zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß kann ein
solcher Torque-Motor als Bestandteil eines Stufenschalters an unterschiedlichen
Anbauorten vorgesehen werden. Er kann außerhalb des Transformatorraumes angeordnet
sein, und zwar oben auf dem Transformator oder auch seitlich am
Transformator. Er kann weiterhin auch innerhalb des Transformatorraumes angeordnet
sein und dort den Kraftspeicher des Lastumschalters, den Feinwählerantrieb
oder auch einen Vorwählerantrieb
oder auch mehrere dieser Baugruppen ersetzen.
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Die
erfindungsgemäße Anwendung
eines oder mehrerer Torque-Motoren, wodurch neu strukturierte Positioniereinheiten
gebildet werden, hat zahlreiche Vorteile. Zunächst einmal sind weder Kupplung
noch separates Getriebe erforderlich, was die Teilezahl erheblich
reduziert. Weiterhin wird ein kompakter Aufbau realisiert. Durch
die geringen Elastizitäten
ergibt sich eine hohe Steifigkeit sowie durch die geringen Massen
und das geringe Trägheitsmoment eine
hohe Dynamik mit der Möglichkeit,
auch sprungartige Bewegungen realisieren zu können und damit einen konventionellen
Kraftspeicher überflüssig zu machen.
Schließlich
ist über
eine geeignete Steuerung jeder beliebige Schaltschritt unabhängig vom speziell
wirksamen Gegenmoment einprägbar,
wodurch z. B. Temperatureinflüsse
weitestgehend ausgeschlossen werden können.
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Die
Erfindung soll nachfolgend an Hand von schematischen Darstellung
beispielhaft noch näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 bis 3 bereits erläuterte Antriebszüge bekannter
Stufenschalter in schematischer Darstellung
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4 und 5 schematische Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Anwendung
mindestens eines Torque-Motors bei einem Laststufenschalter
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6 schematische Möglichkeiten
der erfindungsgemäßen Anwendung
mindestens eines Torque-Motors bei einem Lastwähler.
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In 4 ist in der oberen Hälfte der
Darstellung gezeigt, dass hier erfindungsgemäß ein Torque-Motor den bisherigen
Motorantrieb und das nachgeordnete Getriebe ersetzt und direkt auf
den Kraftspeicher des Lastumschalters, das Maltesergetriebe des
Feinwählers
und ggf. auch des Vorwählers wirkt.
Im unteren Teil dieser Figur ist eine weitere Ausführungsform
der Erfindung schematisch dargestellt, bei der ein Torque-Motor
zusätzlich
auch den bisherigen Kraftspeicher nach dem Stand der Technik und
das zugeordnete Getriebe ersetzt, derart, dass diese neue Positioniereinheit
mit Torque-Motor direkt auf das Maltesergetriebe des Feinwählers und ggf.
des Vorwählers
wirkt als auch direkt den Lastumschalter betätigt. Diese zweite Ausführungsform kann
auch insgesamt innerhalb des Transformators angeordnet sein.
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In 5 sind weitere Ausführungsformen der
Erfindung schematisch dargestellt. Im oberen Teil ist gezeigt, dass
ein erster Torque-Motor erfindungsgemäß direkt den Lastumschalter
betätigt,
indem er auch den bisherigen Kraftspeicher überflüssig macht (linke Positioniereinheit);
ein weiterer Torque-Motor (rechte
Positioniereinheit) betätigt
direkt das Maltesergetriebe des Feinwählers und ggf. des Vorwählers. Im
Gegensatz zu den Ausführungsformen
der Erfindung in 4,
bei denen jeweils nur ein einziger Torque-Motor vorgesehen ist,
sind hier also mehrere solcher Positioniereinheiten mit Torque-Motor
gezeigt. In der unteren Darstellung dieser 5 ist dann eine nochmals modifizierte
Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, die insgesamt drei solcher Torque-Motoren
vorsieht: Eine erste erfindungsgemäße Positioniereinheit (links)
betätigt
direkt – unter Vermeidung
eines bisherigen Kraftspeichers – den Lastumschalter, eine
zweite Positioniereinheit (mitte) betätigt direkt den Feinwähler, und
eine dritte Positioniereinheit (rechts) betätigt direkt den Vorwähler, sofern
ein solcher vorhanden ist. Auch bei diesen in 5 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung kann
sich der jeweiligen Anbauort der neuartigen Positioniereinheit wahlweise
innerhalb oder außerhalb des
Transformators befinden.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Lastumschalter räumlich vom
Feinwähler und
ggf. Vorwähler
zu trennen, d. h. beide Baugruppen des Stufenschalters an unterschiedlicher
Stelle separat anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, den Feinwähler und
ggf. Vorwähler
auch separat mittels eines an sich bekannten Schrittmotors anzutreiben. Da
die Wähler
langsam und kontinuierlich betätigt werden,
ist der Nachteil der bekannten Schrittmotore, nämlich deren schlechtes dynamisches
Verhalten, hier nicht weiter störend.
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In 6 sind in derselben schematischen Darstellungsart
mögliche
Ausführungsformen
der Erfindung bei einem Stufenschalter des Lastwählertyps gezeigt. Die obere
Darstellung verdeutlicht eine Ausführungsform, bei der ein Torque-Motor
direkt den Kraftspeicher betätigt,
der wiederum auf bekannte Weise die Schaltsäule sprungartig dreht und zusätzlich ggf.
den Vorwähler
betätigt.
Die darunter angeordnete Darstellung zeigt eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Torque-Motor auch die Funktion des bisherigen
Kraftspeichers mit übernimmt
und direkt die Schaltsäule
sprungartig dreht. Die untere Darstellung schließlich zeigt eine Ausführungsform mit
zwei separaten Torque-Motoren, derart, dass die erste dieser neuartigen
Positioniereinheiten direkt die Schaltsäule sprungartig dreht und die
zweite Positioniereinheit einen etwa vorhandenen Vorwähler separat
betätigt.