Результат интеллектуальной деятельности: СТУПЕНЧАТЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

Изобретение относится к ступенчатому переключателю для переключения без разрыва цепи между различными ответвлениями обмоток регулируемого трансформатора.

Ступенчатые переключатели, известные уже десятки лет, представляют собой устройства для регулирования напряжений и обеспечения высокого качества электроэнергии. В соответствии с их принципом действия они могут быть подразделены на быстродействующие переключатели с шунтирующими резисторами и реакторные переключатели.

Принцип действия всех быстродействующих переключателей с шунтирующими резисторами восходит к выданному в 1929 году патенту Германии № 474613, в котором впервые был описан принцип скачкообразного переключения без разрыва цепи между различными ответвлениями обмоток посредством кратковременно включаемых шунтирующих резисторов. Основанные на этом принципе ступенчатые переключатели известны в многочисленных формах выполнения. Типичным представителем является переключатель типа «М», описанный в фирменных материалах «Stufenschalter Typ M - Inspektionsanweisung» заявителя настоящего изобретения. Этот ступенчатый переключатель под нагрузкой содержит избиратель ответвлений обмоток для предварительного выбора без потребления мощности того ответвления обмотки, на которое необходимо осуществить переключение, находящийся пространственно над ним и размещенный в отдельном заполненном маслом резервуаре в переключателе ответвлений обмоток трансформатора под нагрузкой для собственно переключения без разрыва цепи. Приведение в действие этого ступенчатого переключателя под нагрузкой осуществляется моторным приводом с электродвигателем, который, когда он запускается для предусмотренного переключения, с одной стороны, непрерывно приводит в действие точный избиратель ответвлений отводов трансформатора и, в случае необходимости, предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, а с другой стороны, поднимает аккумулятор энергии переключателя ответвлений обмоток трансформатора под нагрузкой. При этом моторный привод располагается пространственно сбоку, вне трансформатора. Посредством штанг, угловой передачи, передаточных звеньев механизма мальтийского креста энергия подводится к ступенчатому переключателю. Если аккумулятор энергии достигает своего конечного положения, т.е. он полностью поднят, его фиксированный до сих пор стопор высвобождается и он совершает скачкообразное движение, посредством которого он приводит в действие переключатель ответвлений обмоток трансформатора под нагрузкой. На фиг. 1 схематично представлены кинематические цепи этого известного силового ступенчатого переключателя. На фиг. 2 показан видоизмененный вариант такого силового ступенчатого переключателя, который вместо обычного предварительного избирателя ответвлений отводов трансформатора содержит избиратель ответвлений обмоток грубого кратного выбора; такая форма выполнения также известна специалисту.

Другой ступенчатый переключатель описан в фирменных материалах «Lastwähler Typ V - Inspektionsanweisung» заявителя настоящего изобретения. В этом выполненном в качестве силового переключателя типе «V» предварительный выбор соответствующего ответвления обмотки, на который следует осуществить переключение, и конструктивные элементы для этого последующего переключения конструктивно объединены. И в данном случае предусматривается моторный привод с вышеописанным пространственным расположением, который сначала поднимает аккумулятор энергии. После этого полного подъема и последующего отпускания приводится в действие поворотный переключающий вал, который быстро и без разрыва цепи переключается с одного неподвижного контакта на смежный другой неподвижный контакт, который, соответственно, электрически соединен с ответвлением обмотки. Типовая кинематическая цепь такого известного избирателя ответвлений обмоток трансформатора схематично показана на фиг.3.

Ступенчатый переключатель типа реакционного переключателя известен, например, из документов DE-PS 4011019 и DE-PS 4126824 и из фирменных материалов "Load Tap Changer Type RMV-I" компании Reinhausen Manufacturing Inc., (Аламо, шт. Теннеси, США). Они содержат две предварительно выбираемые избирателем ответвлений обмоток нагрузочные ветви, между которыми в каждой переключаемой фазе размещен переключатель, в данном случае вакуумная ячейка распределительного устройства. Каждая вакуумная ячейка распределительного устройства может шунтироваться посредством шунтирующего контакта, который, со своей стороны, вновь, по меньшей мере, одну из обеих нагрузочных ветвей соединяет с нагрузочным отводом. Приведение в действие вакуумных ячеек распределительного устройства осуществляется, соответственно, через накопитель энергии, который поднимается перемещением приводного вала. Для каждой переключаемой фазы в пространстве между шунтирующим контактом и накопителем энергии размещен двусторонний дисковый кулачок, который приводным валом поворачивается на каждый шаг переключения на 180 градусов. На стороне двустороннего дискового кулачка, обращенной к шунтирующему контакту, находится паз для регулирования шунтирующего контакта, а на другой стороне - еще один паз для регулирования накопителя энергии, приводящего в действие вакуумную ячейку распределительного устройства. Регулирование накопителя энергии осуществляется таким образом, что он на каждый шаг переключения однократно зажимается и затем отпускается и при этом приводит в действие вакуумную ячейку распределительного устройства. Приведение в действие этого ступенчатого переключателя осуществляется посредством моторного привода с электродвигателем, который будучи приведенным в действие при предусмотренном переключении, с одной стороны, последовательно активизирует контакты избирателя ответвлений обмоток трансформатора, а с другой стороны, через описанный дисковый кулачок также непрерывно приводит в действие шунтирующий контакт и поднимает описанный накопитель энергии. Если накопитель энергии достигает своего конечного положения, т.е. он полностью поднят, то его фиксированный прежде стопор высвобождается и он совершает скачкообразное перемещение, которым он приводит в действие силовой переключатель. На фиг. 7 схематично представлены кинематические цепи этого известного ступенчатого переключателя.

Другой ступенчатый переключатель типа реакторного переключателя известен из документа DE-PS 19743864, в котором также подробно представлены функциональные различия между реакторными переключателями и быстродействующими переключателями с шунтирующими резисторами. В этом известном ступенчатом переключателе в корпусе для каждой фазы предусмотрены неподвижные контакты избирателя ответвлений обмоток трансформатора, которые могут нагружаться двумя подвижными контактами избирателя ответвлений обмоток, кроме того, для каждой фазы предусмотрены контакты предварительного избирателя ответвлений обмоток трансформатора. Для каждой фазы к тому же вновь предусмотрены шунтирующие контакты и, соответственно, вакуумная ячейка распределительного устройства, которая может приводиться в действие накопителем энергии. В отдельной боковой части корпуса размещен единственный приводной механизм для приведения в действие всех подвижных контактов и всех вакуумных ячеек распределительного устройства в соответствующей последовательности переключения, причем этот единственный привод действует на отдельные структурные элементы посредством проходящего сквозь корпус изолированного вала. Типовая кинематическая цепь этого известного ступенчатого переключателя представлена на фиг.8.

В известных ступенчатых переключателях привод осуществляется посредством электрического моторного привода. Подобный привод описан, например, в WO 98/38661. В таком известном моторном приводе объединены все механические и электрические конструктивные узлы, которые требуются для привода ступенчатого переключателя. Важными механическими конструктивными узлами являются силовой передаточный механизм и регулирующий передаточный механизм. Силовой передаточный механизм приводит в действие непосредственно ступенчатый переключатель; для этого он имеет соответственно рассчитанный электродвигатель. Регулирующий передаточный механизм содержит кулачковый диск, который при каждом переключении ступенчатого переключателя поворачивается на полный оборот. Кулачковый диск вновь содержит множество переключающих кулачков для механического приведения в действие множества кулачковых переключателей и, соответственно, переключаемых кулачками контактов. Регулирующий передаточный механизм содержит, кроме того, средство указания положения переключателя или шага переключения. К электрическим конструктивным узлам в моторном приводе относятся различные токовые цепи. Так, имеется токовая цепь двигателя, посредством которой клеммы электрического приводного мотора через контакторы для управления электродвигателем, тормозные контакторы и другие схемные элементы соединены с подводом тока. Кроме того, имеются цепь управляющего тока и различные цепи сигнального тока и цепи тока срабатывания для защитного автомата электродвигателя. Управление моторным приводом само производится по принципу шагового переключения, т.е. процесс регулирования на шаг переключения вводится однократным регулирующим импульсом и затем принудительно завершается; приводной вал моторного привода, который связан с приводным валом ступенчатого переключателя, выполняет при этом заранее точно установленное число оборотов. Кроме того, известный моторный привод наряду с защитными устройствами также содержит устройство защиты от проскальзывания, которое препятствует тому, чтобы при отказе описанного шагового регулирования моторный привод осуществил проскальзывание до конечного положения.

Описанный известный моторный привод совместно с установленным в подшипниках механизмом мальтийского креста в ступенчатом переключателе типа быстродействующего переключателя с шунтирующими резисторами должен выполнять целый ряд функций:

- выработка вращающего момента с последующим преобразованием в перемещение избирателя ответвлений обмоток,

- передача, а также трансформация/преобразование с понижением вращающего момента,

- подъем накопителя энергии,

- преобразование непрерывного перемещения в шаговое перемещение,

- фиксация переключающих элементов после совершенного шага переключения,

- сигнализация о положении переключения,

- механическая функция упора в конечном положении.

В целом, как обычный моторный привод, так и передаточные механизмы в подшипниковых опорах являются сложными по конструкции, дорогостоящими в изготовлении ввиду необходимой высокой точности и совместно с накопителем энергии они обычно представляют самую затратную часть ступенчатого переключателя.

В случае ступенчатого переключателя типа реакторного переключателя описанный известный моторный привод совместно с установленным в подшипниках передаточным механизмом, в частности механизмом мальтийского креста, а также рычажным переключающим передаточным механизмом должен выполнять следующие функции в ступенчатом переключателе:

- выработка вращающего момента с последующим преобразованием в перемещение для точного избирателя ответвлений обмоток, а также отдельно от этого для предварительного избирателя ответвлений обмоток,

- приведение в действие шунтирующих контактов,

- подъем накопителя энергии для последующего приведения в действие вакуумной ячейки распределительного устройства,

- сигнализация о положении переключения,

- механическая функция упора в конечном положении.

В целом, и в этом случае как обычный моторный привод, так и передаточные механизмы в подшипниковых опорах являются сложными по конструкции, дорогостоящими в изготовлении ввиду необходимой высокой точности и совместно с накопителем энергии они обычно представляют самую затратную часть ступенчатого переключателя.

Задача изобретения заключается в том, чтобы коренным образом изменить принципиальную конструкцию ступенчатых переключателей, которая существует уже долгие годы и занимает прочное положение в уровне техники.

Эта задача решается ступенчатым переключателем с признаками пунктов 1 или 6, или 11; в зависимых пунктах приведены предпочтительные возможные варианты осуществления и модификации изобретения.

В основе изобретения лежит идея ввести, по меньшей мере, один сам по себе известный моментный электродвигатель в качестве составной части приводной ветви или цепи ступенчатого переключателя.

Такие моментные электродвигатели известны, например, из фирменных материалов «Bürstenlose Torque-Motoren» компании ETEL. Такой известный моментный электродвигатель функционирует на той же физической основе, что и привод с линейным двигателем, но только распложенный здесь линейно статор свернут в окружность. Моментный электродвигатель является тем самым сервоприводом, оптимизированным на высокий вращающий момент; современные выполнения с электрической точки зрения представляют собой 3-фазные бесщеточные синхронные двигатели с возбуждением постоянными магнитами. Они в настоящее время находят применение в приборостроении. До сих пор еще не делалось попыток реализовать их в ступенчатых переключателях или в принципе сделать полезными для привода ступенчатых переключателей.

Правда, в прошлом была сделана попытка, как описано в документе DD 58131 от 1967, отойти от традиционного принципа привода ступенчатого переключателя, как описано выше. При этом речь шла о решении, в котором избиратель ответвлений обмоток трансформатора образован из такого количества гидравлически приводимых отдельных рабочих модулей, сколько предусмотрено ступеней, так чтобы можно было осуществлять переключения между любыми отдельными ответвлениями обмоток, а не только между смежными ответвлениями. Это решение с использованием гидравлических средств не было, однако, реализовано из-за высокого риска при функционировании, например опасности старения подводящих трубопроводов и уплотнений.

Для приборов переключения были также предложены различные другие приводные механизмы. Так, например, решение, описанное в документе ЕР 996135, относится к магнитному приводу бегущего магнитного поля для коммутационного прибора. В документах WO 99/60591 и WO 00/05735 описаны приводы по типу шагового двигателя для коммутационных приборов. И эти решения не применимы для ступенчатых переключателей без дополнительной доработки, так как они не обеспечивают возможность ступенчатого перемещения и вместе с тем проблематичны для реализации динамических процессов и к тому же при низких температурах.

Наконец, в документе WO 01/06528 предложен управляемый привод для коммутационного прибора, который также не пригоден для применения в ступенчатом переключателе.

Однако из всех этих попыток дальнейшего усовершенствования приводных механизмов не следует соответствующее изобретению применение, по меньшей мере, одного моментного двигателя в ступенчатом переключателе.

В соответствии с изобретением такой моментный двигатель может быть предусмотрен в качестве составной части ступенчатого переключателя в различных местах установки. Он может размещаться вне трансформаторного отсека, а именно выше на трансформаторе или сбоку на трансформаторе. Кроме того, он может размещаться внутри отсека трансформатора и там заменять накопитель энергии силового переключателя, привод точного избирателя ответвлений обмоток или также привод предварительного избирателя ответвлений обмоток или несколько из этих конструктивных узлов.

Соответствующее изобретению применение одного или нескольких моментных двигателей, за счет чего образуются структурированные по-новому блоки позиционирования, имеет множество преимуществ. Прежде всего, не нужны ни сочленение, ни отдельные передаточные механизмы, за счет чего существенно сокращается количество деталей. Кроме того, реализуется компактная конструкция. За счет незначительной упругости обеспечивается высокая жесткость, а за счет небольших масс и незначительного момента инерции может быть обеспечена высокая динамика с возможностью скачкообразных перемещений, что позволяет исключить необходимость в обычном накопителе энергии. Наконец, посредством соответствующего управления может быть реализован любой шаг переключения независимо от конкретно действующего момента сопротивления, за счет чего в значительной степени могут быть исключены, например, температурные влияния.

Изобретение пояснено ниже более подробно со ссылками на схематичное представление на чертежах.

Фиг.1-3 - кинематические цепи известных ступенчатых переключателей типа быстродействующего переключателя с шунтирующими резисторами.

Фиг.4а, 4b и 5a, 5b - схематичное представление возможностей применения в соответствии с изобретением, по меньшей мере, одного моментного двигателя в силовом ступенчатом переключателе этого типа.

Фиг.6а, 6b - схематичное представление возможностей применения в соответствии с изобретением, по меньшей мере, одного моментного двигателя в избирателе ответвлений обмоток трансформатора, регулируемого под нагрузкой, этого типа.

Фиг.7 и 8 - поясненные выше кинематические цепи известного ступенчатого переключателя типа реакторного переключателя в схематичном представлении.

Фиг.9а, 9b, 10a, 10b и 11a, 11b - схематичное представление возможностей применения в соответствии с изобретением, по меньшей мере, одного моментного двигателя в первом ступенчатом переключателе этого типа.

Фиг.12a, 12b - схематичное представление возможностей применения в соответствии с изобретением, по меньшей мере, одного моментного двигателя во втором ступенчатом переключателе этого типа.

В последующих схематичных представлениях соответствующие изобретению узлы конструкции, которые, соответственно, содержат моментный двигатель, обозначены, соответственно, как «блок позиционирования» и показаны затененными. Курсивом в соответствующем блоке указана конкретная функция, которую выполняет соответствующий моментный двигатель, т.е. соответствующий блок позиционирования.

На фиг.4а для места установки ступенчатого переключателя вне трансформатора показано, что в данном случае в соответствии с изобретением моментный двигатель заменяет ранее имевшиеся моторный привод и последующий передаточный механизм и непосредственно действует на накопитель энергии силового переключателя, механизм мальтийского креста точного избирателя ответвлений обмоток трансформатора и при необходимости предварительного избирателя ответвлений обмоток трансформатора. Ниже схематично показана другая форма выполнения изобретения, при которой моментный двигатель дополнительно заменяет также ранее имевшийся согласно уровню техники накопитель энергии с соответствующим передаточным механизмом, так что этот новый блок позиционирования с моментным двигателем непосредственно действует на механизм мальтийского креста точного избирателя ответвлений обмоток трансформатора и при необходимости предварительного избирателя ответвлений обмоток трансформатора, а также непосредственно приводит в действие силовой переключатель ответвлений обмоток трансформатора. Эта вторая форма выполнения может также предусматривать размещение внутри трансформатора, как показано на фиг.4b.

На фиг.5а и 5b схематично представлены другие формы выполнения изобретения. На фиг.5а для места установки ступенчатого переключателя вне трансформатора показано, что в соответствии с изобретением первый моментный двигатель непосредственно приводит в действие силовой переключатель ответвлений обмоток трансформатора, при этом он делает ненужным ранее имевшийся накопитель энергии (левый блок позиционирования); другой моментный двигатель (правый блок позиционирования) непосредственно приводит в действие механизм мальтийского креста точного избирателя ответвлений обмоток трансформатора и при необходимости предварительного избирателя ответвлений обмоток трансформатора. В противоположность формам выполнения изобретения по фиг.4а и 4b, в которых предусмотрен только один единственный моментный двигатель, здесь показаны таким образом несколько таких блоков позиционирования. Ниже представлена еще одна модифицированная форма выполнения изобретения, в которой предусмотрено три таких моментных двигателя: первый соответствующий изобретению блок позиционирования (левый) непосредственно приводит в действие, исключая ранее имевшийся накопитель энергии, силовой переключатель ответвлений обмоток трансформатора, второй блок позиционирования (средний) непосредственно приводит в действие точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора и третий блок позиционирования (правый) непосредственно приводит в действие предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, если он имеется. На фиг.5b эти формы выполнения изобретения показаны для места установки ступенчатого переключателя внутри трансформатора.

В рамках изобретения также можно силовой переключатель ответвлений обмоток трансформатора пространственно разместить отдельно от точного избирателя ответвлений обмоток трансформатора и при необходимости от предварительного избирателя ответвлений обмоток трансформатора, то есть оба конструктивных узла ступенчатого переключателя разместить отдельно на различных местах. Кроме того, также можно точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора и при необходимости предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора приводить в действие отдельно посредством известного шагового двигателя. Так как избиратели ответвлений обмоток трансформатора приводятся в действие медленно и непрерывно, такой недостаток известных шаговых двигателей, как их плохие динамические свойства, здесь не создает помех.

На фиг.6а, 6b показаны в таком же схематичном представлении возможные формы выполнения изобретения в случае ступенчатого переключателя типа избирателя ответвлений обмоток трансформатора, регулируемого под нагрузкой. Фиг. 6а вновь относится к размещению ступенчатого переключателя вне трансформатора, а фиг.6b - к его размещению внутри трансформатора. Верхнее представление соответственно изображает форму выполнения, при которой моментный двигатель непосредственно приводит в действие накопитель энергии, который вновь известным способом скачкообразно поворачивает коммутационную колонну и дополнительно, при необходимости, приводит в действие предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора. Среднее представление показывает форму выполнения изобретения, при которой моментный двигатель также выполняет функцию ранее имевшегося накопителя энергии и непосредственно скачкообразно поворачивает коммутационную колонну. Нижнее представление показывает форму выполнения с двумя моментными двигателями, согласно которой первый из этих новых блоков позиционирования непосредственно скачкообразно поворачивает коммутационную колонну, а второй блок позиционирования приводит в действие имеющийся предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора.

На фиг.9а для размещения ступенчатого переключателя вне трансформатора в верхней половине приведенного представления показано, что в данном случае в соответствии с изобретением моментный двигатель заменяет ранее имевшийся моторный привод и непосредственно действует на приводной вал переключающего передаточного механизма. Приводной вал, со своей стороны, приводит в действие в каждой фазе вновь предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, шунтирующий контакт, а также через накопитель энергии (не показан) вакуумную ячейку распределительного устройства. Ниже схематично представлена другая форма выполнения, в которой моментный двигатель в каждой фазе образует соответственно новый блок позиционирования, который включает в себя также ранее имевшийся переключающий передаточный механизм. На фиг.9b показаны соответствующие конфигурации для ступенчатого переключателя, размещенного внутри трансформатора.

На фиг.10а и 10b схематично представлены еще одни формы выполнения изобретения. На фиг.10а в верхней части показано, что в каждой фазе первый моментный двигатель посредством передаточного механизма одновременно приводит в действие предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора и точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, а, соответственно, второй моментный двигатель приводит в действие шунтирующий контакт, а также вновь через поднимаемый накопитель энергии вакуумную ячейку распределительного устройства. Ниже показана другая форма выполнения, согласно которой в каждой фазе имеется три моментных двигателя, которые совместно с соответствующими передаточными механизмами образуют самостоятельный блок позиционирования и непосредственно действуют соответственно на предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора или точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, или как на шунтирующий переключатель, так и на накопитель энергии вакуумной ячейки распределительного устройства. На фиг.10b показаны эти формы выполнения вновь для размещения ступенчатого переключателя внутри трансформатора.

Фиг.11а и 11b показывают дополнительно модифицированные формы выполнения изобретения. В этих формах выполнения использовавшийся до сих пор принцип соотнесения отдельных конструктивных элементов с соответственно переключаемыми фазами не применяется. Первый моментный двигатель в данном случае приводит в действие предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора всех трех фаз, второй моментный двигатель - точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора всех трех фаз и третий моментный двигатель - как шунтирующие контакты, так и накопитель энергии и тем самым вакуумные ячейки распределительного устройства всех трех фаз.

На фиг.12a, 12b в том же схематичном представлении показаны возможные формы выполнения изобретения в другом известном ступенчатом переключателе, соответствующем приведенному выше родовому понятию, известная из уровня техники кинематическая цепь которого приведена на фиг.8 и описана выше. Верхние представления показывают форму выполнения, в которой один единственный моментный двигатель, соответственно, через промежуточно включенные передаточные механизмы приводит в действие предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора и одновременно шунтирующий контакт и вакуумную ячейку распределительного устройства, вновь через накопитель энергии. Приведенные ниже средние представления показывают соответственно форму выполнения, в которой в каждой фазе предусмотрены два таких моментных двигателя. Один из них приводит в действие как предварительный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, так и точный избиратель ответвлений обмоток трансформатора, а другой - как шунтирующий контакт, так и вакуумную ячейку распределительного устройства. И, наконец, внизу показан вариант, в котором в каждой фазе предусмотрены три моментных двигателя: один - для предварительного избирателя ответвлений обмоток трансформатора, другой - для точного избирателя ответвлений обмоток трансформатора и еще один - для шунтирующего контакта и накопителя энергии вакуумной ячейки распределительного устройства. И здесь можно отказаться от конфигурации, соответственной каждой фазе, и во всех показанных конфигурациях, представленных на фиг.12а и 12b, осуществлять приведение в действие отдельных описанных конструктивных элементов одновременно для всех трех фаз от соответствующего блока позиционирования. Фиг.12а вновь относится к конфигурации ступенчатого переключателя для размещения вне трансформатора, а фиг.12b - для его размещения в трансформаторе.