Die Erfindung betrifft einen Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators unter Last.

Der Laststufenschalter besteht aus einem mechanischen Stufenwähler zur leistungslosen Vorwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter mit Halbleiterschaltelementen als Schaltmittel zur eigentlichen unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherigen auf die vorab angewählte, neue Wicklungsanzapfung unter Last.

Laststufenschalter dieser Art werden üblicherweise auch als Hybrid-Stufenschalter bezeichnet, weil sie neben den leistungselektronischen Schaltmitteln auch mechanische Kontakte aufweisen. Aus der EP 2319058 B1 ist ein solcher Hybrid-Stufenschalter bekannt. Dieser weist zwei Lastzweige auf, die jeweils eine Wicklungsanzapfung über einen mechanischen Schalter und eine in Reihe dazu angeordnete Reihenschaltung aus zwei entgegengesetzt geschalteten IGBT’s mit einer gemeinsamen Lastableitung verbinden. Parallel zu jedem IGBT ist eine Diode vorgesehen. Parallel zu jedem einzelnen IGBT ist wiederum jeweils ein Varistor vorgesehen. Im stationären Betrieb wird jeder der Lastzweige mit einem mechanischen Dauerhauptkontakt überbrückt. Die IGBT's beider Seiten werden durch einen gemeinsamen IGBT-Treiber angesteuert.

Der mechanische Stufenwähler und gegebenenfalls weitere, im Lastumschalter vorgesehene mechanische Schaltelemente werden mittels eines Motorantriebes betätigt, wohingegen die leistungselektronischen Schaltmittel überein separates Betätigungsmittel betrieben werden, welches mit Strom versorgt werden muss.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept für die Stromversorgung der leistungselektronischen Schaltmittel eines Laststufenschalters anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, die Festkontakte des Laststufenschalters, die jeweils mit einer Wicklungsanzapfung der Regelwicklung des Transformators verbindbar sind, um einen zusätzlichen Anschlusskontakt zu ergänzen, der von einem Hilfskontakt des Laststufenschalters kontaktiert werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes wird ein Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators angegeben. Der Laststufenschalter umfasst einen ersten Festkontakt, der mit einer ersten Wicklungsanzapfung des Stufentransformators verbindbar ist, und einen zweiten Festkontakt, der mit einer zweiten Wicklungsanzapfung des Stufentransformators verbindbar ist. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig. Ein erster Wählerarm des Laststufenschalters kann jeden der Festkontakte kontaktieren und ein zweiter Wählerarm kann ebenfalls jeden der Festkontakte kontaktieren. Zur Durchführung einer Umschaltung von einem ersten Festkontakt auf einen zweiten Festkontakt weist der Laststufenschalter einen Lastumschalter auf. Des Weiteren umfasst der Laststufenschalter einen zusätzlichen Anschlusskontakt, der analog zu den Festkontakten angeordnet ist, und einen Hilfskontakt, der wahlweise den Anschlusskontakt oder einen der Festkontakte kontaktieren kann.

Der Anschlusskontakt ist derart ausgebildet, dass er von dem Hilfskontakt kontaktiert werden kann.

Jeder Festkontakt ist derart ausgebildet, dass er von dem ersten und/oder dem zweiten Wählerarm kontaktiert werden kann. Bevorzugt weist jeder Festkontakt eine erste Kontaktfläche auf, welche von dem ersten Wählerarm kontaktiert werden kann, und eine zweite Kontaktfläche, welche von dem zweiten Wählerarm kontaktiert werden kann. Zudem kann die erste oder die zweite Kontaktfläche von dem Hilfskontakt kontaktiert werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anschlusskontakt mit dem zweiten Festkontakt gebrückt. Somit muss der Anschlusskontakt nicht elektrisch mit einer zusätzlichen Wicklungsanzapfung verbunden werden.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist der Hilfskontakt mit dem ersten Wählerarm mechanisch gekoppelt ausgebildet.

Das bedeutet konkret, dass sich der Hilfskontakt und der erste Wählerkontakt im aufgeschalteten Zustand, also wenn sie nicht bewegt werden, auf benachbarten Kontakten befinden. Folglich befinden sich der Hilfskontakt und der erste Wählerarm niemals auf demselben Festkontakt oder gleichzeitig auf dem Anschlusskontakt.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der Lastumschalter für die Umschaltung eine Mehrzahl an Halbleiterschaltelementen auf, die mittels einer Steuereinheit betätigbar sind.

Die Halbleiterschaltelemente sind bevorzugt als IGBT-Schaltelemente und/oder als Thyristoren und/oder als JFET-Schaltelemente und/oder als MOSFET-Schaltelemente und/oder als Integrated Gate Commutated Thyristoren (IGCT) ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Halbleiterschaltelemente als jeweils ein IGBT mit Dioden in Brückenschaltung ausgebildet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit als Mikrocontroller ausgebildet.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform werden die Steuereinheit und damit auch die Halbleiterschaltelemente mit Strom versorgt, während der Hilfskontakt den Anschlusskontakt oder einen der Festkontakte kontaktiert und der erste Wählerarm ebenfalls einen der Festkontakte kontaktiert.

Bedingt durch die mechanische Kopplung des ersten Wählerarmes und des Hilfskontaktes können der erste Wählerarm und der Hilfskontakt zu keinem Zeitpunkt während des Umschaltvorganges auf demselben Festkontakt oder gleichzeitig auf dem Anschlusskontakt stehen. Dies wiederum bewirkt, dass zu jedem Zeitpunkt während des Umschaltvorganges, in dem der erste Wählerarm einen Festkontakt kontaktiert, eine Spannung in Höhe einer Stufenspannung zwischen dem ersten Wählerarm und dem Hilfskontakt anliegt, durch welche die Steuereinheit mit Strom versorgt wird. Somit werden die Steuereinheit und damit auch die Halbleiterschaltelemente eigenständig mittels der anliegenden Stufenspannung betrieben. Eine zusätzliche Energieversorgung von außen, beispielsweise durch eine Motorsteuerung, ist demnach nicht erforderlich.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Energiespeicher auf, der aufgeladen wird, wenn die Steuereinheit mit Strom versorgt wird.

Die Aufladung des Energiespeichers erfolgt über die Spannungsdifferenz, die zwischen dem ersten Wählerarm und dem Hilfskontakt aufgrund der mechanischen Koppelung und der Kontaktierung unterschiedlicher Festkontakte bzw. des Anschlusskontaktes und des ersten Festkontaktes besteht.

Während der Betätigung des ersten Wählerarmes und des Hilfskontaktes liegt keine Stufenspannung an. In dieser Zeit wird die Steuereinheit folglich nicht mit Strom versorgt. Aus diesem Grund kann ein Energiespeicher als Sicherheitsmaßnahme vorgesehen sein, der sicherstellt, dass die Stromversorgung der Leistungselektronik zu jedem Zeitpunkt während des Umschaltvorganges gewährleistet ist.

Der Energiespeicher ist bevorzugt aus Kondensatoren aus Keramik ausgebildet und weist demnach eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Zum Laden des Energiespeichers wird bevorzugt ein Schaltnetzteil mit extrem weitem Eingangsspannungsbereich verwendet, das auch bei niedrigen Stufenspannungen noch funktioniert.

Gemäß einem zweiten Aspekt des verbesserten Konzeptes wird ein Verfahren zur Betätigung eines Laststufenschalters, der gemäß dem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes ausgebildet ist, angegeben.

Bezüglich dem Verfahren wird auf die vorangegangenen Erläuterungen, bevorzugten Merkmale und/oder Vorteile in analoger Weise Bezug genommen, wie sie bereits zu dem ersten Aspekt des verbesserten Konzeptes oder einer der zugehörigen, vorteilhaften Ausführungsformen erläutert worden ist.

Das Verfahren umfasst für eine Umschaltung von einem ersten Festkontakt auf einen zweiten Festkontakt die folgenden Schritte:

- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,

- Umschalten eines zweiten Wählerarmes von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt,

- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,

- Umschalten eines ersten Wählerarmes von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt, wobei zeitgleich mit der Umschaltung des ersten Wählerarmes auf den zweiten Festkontakt ein Hilfskontakt von einem Anschlusskontakt auf den ersten Festkontakt umgeschaltet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt auf einen dritten Festkontakt, der gemäß dem zweiten Festkontakt ausgebildet und mit einer dritten Wicklungsanzapfung des Stufentransformators verbunden ist, die folgenden Schritte:

- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,

- Umschalten des zweiten Wählerarmes von dem zweiten Festkontakt auf den dritten Festkontakt,

- Betätigen wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente des Lastumschalters,

- Umschalten des ersten Wählerarmes von dem zweiten Festkontakt auf den dritten Festkontakt, wobei zeitgleich mit der Umschaltung des ersten Wählerarmes auf den dritten Festkontakt der Hilfskontakt von dem ersten Festkontakt auf den zweiten Festkontakt umgeschaltet wird.

Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen des Stufenschalters und umgekehrt. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich des Stufenschalters beschriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens entsprechend implementiert sein.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer bespielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters nach dem verbesserten Konzept;

Figur 2a bis 2g ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus Figur 1.

Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Laststufenschalters 10 für einen Stufentransformator 1 nach dem verbesserten Konzept. Der Stufentransformator 1 weist eine Stammwicklung 2 und eine Regelwicklung 3 mit unterschiedlichen Wicklungsanzapfungen Nj, Nj+i, ..., NN auf, die durch den Laststufenschalter 10 zu- bzw. abgeschaltet werden.

Gemäß dem verbesserten Konzept umfasst der Laststufenschalter 10 wenigstens einen ersten Festkontakt 12, der mit einer ersten Wicklungsanzapfung Nj verbindbar ist, einen zweiten Festkontakt 13, der mit einer zweiten Wicklungsanzapfung Nj+i verbindbar ist, und einen dritten Festkontakt 14, der mit einer dritten Wicklungsanzapfung NJ+2 der Regelwicklung 3 des Stufentransformators 1 verbindbar ist. Die gesamte Anzahl der Festkontakte ist von der Anzahl der Wicklungsanzapfungen abhängig. Zusätzlich zu den Festkontakten weist der Laststufenschalter 10 einen weiteren Anschlusskontakt 11 auf, der mit dem zweiten Festkontakt 13 gebrückt ist. Der Anschlusskontakt 11 steht mit keiner der Wicklungsanzapfungen Nj, Nj+i, NN in direkter Verbindung.

Für das leistungslose Vorwählen der Festkontakte 12, 13 umfasst der Laststufenschalter 10 einen Wähler 30 mit einem ersten Wählerarm 31 und einem zweiten Wählerarm 32, die unabhängig voneinander betätigbar sind und jeden der Festkontakte kontaktieren können. Zusätzlich zu den Wählerarmen 31, 32 weist der Laststufenschalter 10 einen Hilfskontakt 33 auf, der mit dem ersten Wählerarm 31 mechanisch gekoppelt ist.

Der Laststufenschalter 10 umfasst weiterhin einen Lastumschalter 20 zur Durchführung der eigentlichen Lastumschaltung zwischen den vorgewählten Festkontakten 12, 13. Der Lastumschalter 20 weist insgesamt drei Stromzweige auf. Einen Hauptzweig 24 mit einem mechanischen Schaltelement 25, der sowohl den ersten Wählerarm 31 als auch den zweiten Wählerarm 32 mit einer Lastableitung 15 verbinden kann, einen ersten Hilfszweig 26 mit einem ersten Halbleiterschaltelement 22, der parallel zum Hauptzweig 24 angeordnet ist und den ersten Wählerarm 31 mit der Lastableitung 15 verbinden kann, und einen zweiten Hilfszweig 27 mit einem zweiten Halbleiterschaltelement 23, der den zweiten Wählerarm 32 mit der Lastableitung 15 verbinden kann. Parallel zu dem ersten und dem zweiten Hilfszweig 26, 27 ist jeweils ein Varistor 28 angeordnet. Die Halbleiterschaltelemente 22 und 23 werden mittels einer Steuereinheit 21 betätigt.

Die beschriebene, konkrete Schaltungsanordnung des Lastumschalters 20 wurde beispielhaft gewählt. Grundsätzlich ist das verbesserte Konzept in jedem Laststufenschalter ausführbar, der einen Lastumschalter mit Halbleiterschaltelementen als Schaltmittel zur unterbrechungslosen Umschaltung aufweist.

In der Darstellung in Figur 1 befindet sich der Laststufenschalter 10 in einer stationären Stellung. Der erste und der zweite Wählerarm 31 , 32 befinden sich beide auf dem ersten Festkontakt 12. Der Hilfskontakt 33 steht auf dem zusätzlichen Anschlusskontakt 11, der mit dem zweiten Festkontakt 13 gebrückt ist. Dadurch liegt eine Stufenspannung zwischen dem Wählerarm 31 und dem Hilfskontakt 33 an und die Steuereinheit 21 wird mit Strom versorgt. Der Laststrom l _L fließt von dem kontaktierten Festkontakt 12 überden ersten Wählerarm 31, den Hauptzweig 24 und das geschlossene mechanische Schaltelement 25 zur Lastableitung 15. Die beiden Halbleiterschaltelemente 22 und 23 sind abgeschaltet.

In den Figuren 2a bis 2g ist ein beispielhafter Schaltablauf des Laststufenschalters aus Figur 1 dargestellt. Bei einem Umschaltvorgang von dem ersten Festkontakt 12 auf den zweiten Festkontakt 13 wird in einem ersten Schritt (Figur 2a) das erste Halbleiterschaltelement 22 mittels der Steuereinheit 21 eingeschaltet.

Im nächsten Schritt (Figur 2b) wird der zweite Wählerarm 32, der stromlos ist, von dem ersten Festkontakt 12 auf den zweiten Festkontakt 13 bewegt.

Daraufhin wird das mechanische Schaltelement 25 geöffnet (vgl. Figur 2c). Der Laststrom II fließt nun über den ersten Hilfszweig 26 und das aktivierte erste Halbleiterschaltelement 22.

Im nächsten Schritt (Figur 2d) wird das erste Halbleiterschaltelement 22 bevorzugt im Nulldurchgang des Stromes abgeschaltet. Der zeitliche Verlauf des Stromes kann beispielsweise mittels eines Stromsensors (nicht dargestellt), der im Stromzweig der Ableitung 15 angeordnet ist, von der Steuereinheit 21 erfasst werden. Mit der Abschaltung des ersten Halbleiterschaltelementes 22 geht der Laststrom II auf den parallel dazu angeordneten Varistor 28 über.

Im nächsten Schritt, dargestellt in Figur 2e, wird das zweite Halbleiterschaltelement 23 nach einer festgelegten Dauer, beispielsweise 5ps, eingeschaltet. Der Laststrom II wird damit auf den zweiten Festkontakt 13 umgeschaltet und fließt von dem zweiten Wählerarm 32 über den zweiten Hilfszweig 27 und das aktivierte zweite Halbleiterschaltelement 23 zur Lastableitung 15.

Daraufhin wird der erste Wählerarm 31, der nun stromlos ist, auf den zweiten Festkontakt 13 umgeschaltet und zeitgleich der Hilfskontakt 33 von dem Anschlusskontakt 11 auf den ersten Festkontakt 12 umgeschaltet (Figur 2f).

Im nächsten Schritt (Figur 2g) wird das mechanische Schaltelement 25 wieder geschlossen und danach das zweite Halbleiterschaltelement 23 von der Steuereinheit 21 abgeschaltet. Der Laststufenschalter 10 hat nun die zweite stationäre Stellung erreicht. Mit der Schließung des mechanischen Schaltelementes 25 geht der Laststrom l _L wieder auf den Hauptzweig 24 über. Der erste und der zweite Wählerarm 31, 32 befinden sich beide auf dem zweiten Festkontakt 13 und der Hilfskontakt 33 auf dem ersten Festkontakt 12. Der Laststrom II fließt nun von dem zweiten Festkontakt 13 über den ersten Wählerarm 31 und den Hauptzweig 24 mit dem geschlossenen mechanischen Schaltelement 25 zur Lastableitung 15. Die Lastumschaltung auf den zweiten Festkontakt 13 ist damit abgeschlossen.

Eine Umschaltung von dem zweiten Festkontakt 13 auf den dritten Festkontakt 14 erfolgt analog den Schritten 2a - 2g, lediglich mit dem Unterschied, dass der Hilfskontakt 33 zu Beginn der Umschaltung nicht auf dem Anschlusskontakt 11, sondern auf einem Festkontakt, nämlich dem ersten Festkontakt 12 steht.

Eine Umschaltung in der entgegengesetzten Richtung, beispielsweise von dem zweiten Festkontakt 13 auf den ersten Festkontakt 12, erfolgt genau in umgekehrter Reihenfolge, das heißt, gemäß der Figuren 2g bis 2a.

Es wird angenommen, dass die vorliegende Offenbarung und viele ihrer begleitenden Vorteile durch die vorstehende Beschreibung verstanden werden. Ferner ist es offensichtlich, dass verschiedene Änderungen an der Form, Konstruktion und Anordnung der Komponen- ten vorgenommen werden können, ohne vom offenbarten Gegenstand abzuweichen oder ohne auf alle materiellen Vorteile zu verzichten. Die beschriebene Ausführungsform ist lediglich erläuternd und solche Änderungen werden durch die nachstehenden Ansprüche mit umfasst. Weiterhin versteht es sich, dass die Erfindung durch die nachstehenden Ansprüche definiert ist.

BEZUGSZEICHEN

Stufentransformator

2 Stammwicklung

3 Regelwicklung

10 Laststufenschalter

11 Anschlusskontakt erster Festkontakt zweiter Festkontakt dritter Festkontakt

15 Lastableitung

20 Lastumschalter

21 Steuereinheit

22 erstes Halbleiterschaltelement

23 zweites Halbleiterschaltelement

24 Hauptzweig

25 mechanisches Schaltelement

26 erster Hilfszweig

27 zweiter Hilfszweig

28 Varistor

30 Wähler

31 erster Wählerarm

32 zweiter Wählerarm

33 Hilfskontakt

(Nj, Nj+i . NN) Wicklungsanzapfungen