Stufenschalter
Ein Stufenschalter ist ein elektrischer Schalter mit mehreren Schaltstellungen, welcher einen Anschluss mit einem anderen Anschluss verbindet, der durch die Schalterstellung aus einer Gruppe von mehreren Anschlüssen ausgewählt wird. Typische Anwendungen sind die Regelung von Spannungen oder die Auswahl eines Signales. Einfache Elektrofahrzeuge und ältere Elektrolokomotiven benutzen Stufenschalter, um die Zugkraft zu regeln.
Bauformen und Aufbau
Stufenschalter sind als Drehschalter oder als Flachbahnschalter aufgebaut. Der Antrieb erfolgt entweder von Hand, durch Elektromotoren oder Luftmotoren.
Sie können eine oder mehrere Schaltebenen besitzen, die durch dasselbe Betätigungselement bedient werden. Jede Schaltebene verfügt über einen separaten Anschluss, der mit einer eigenen Auswahl von Anschlüssen verbunden werden kann. Bei einigen Bauarten lässt sich die Anzahl der Schaltstellungen während der Montage konfigurieren.
Die Schaltkontakte werden beim Schalten durch Nocken auf einer Schaltwalze bedient oder sie gleiten aufeinander. Bei größeren Leistungen sind die Stufenschalter oft mit Öl isoliert, um das Entstehen von Lichtbögen zu verhindern. Stufenschalter von Transformatoren sind meist in dessen Isolierölkreislauf eingebunden.
Stufenschalter werden auch danach unterschieden, wie der Schaltvorgang zwischen zwei Anschlüssen abläuft: Bei Break Before Make oder abgekürzt BBM wird die Verbindung zum alten Anschluss unterbrochen, bevor die Verbindung zum nächsten Anschluss erstellt wird, bei Make Before Break oder abgekürzt MBB sind kurzzeitig der alte und der neue Anschluss miteinander verbunden. Bei einigen Schaltern wird zwischen zwei benachbarten Stufen kurzzeitig eine Trennstufe geschaltet.
Stufenschalter für große Leistungen verfügen über Lastschaltkontakte, die von den Kontakten zur Auswahl der gewünschten Stufe getrennt sind. Auf diese Weise kann das Schalten der Leistung auf wenige Kontakte konzentriert werden, die aus abbrandfesten Kontaktwerkstoffen gearbeitet sind und mit Funkenkaminen zum Löschen der Schaltlichtbögen versehen sind. Als Kontaktwerkstoffe werden meist Kupfer oder Messing verwendet.
Stufenschalter für Kleinsignalanwendungen benötigen besonders korrosionsfeste Kontaktwerkstoffe, oft auch mit geringem Übergangswiderstand. Sie werden meist in Gold oder Palladium ausgeführt, bei etwas größeren Strömen auch in Silber. Andere Kontaktwerkstoffe eignen sich nur in gasdicht gekapselten Schaltern, wo sie vor Umwelteinflüssen geschützt sind. Aufeinander schleifende Kontakte können sich unter geeigneten Bedingungen selbst reinigen.
Anwendung
Telefonie
Vor der Einführung der digitalen Vermittlungstechnik wurden Stufenschalter als Drehwähler und Anrufsucher in den Vermittlungsstellen genutzt.
Stromnetz
Im Stromnetz dienen Stufenschalter der Regelung der Netzspannung von Leistungstransformatoren bei Laständerungen. Die Schalter können die Spannung nur in einem kleinen Bereich regeln und können die Netzregelung durch Leistungsanpassung der Kraftwerke an den aktuellen Verbrauch nicht ersetzen. Die Schalter sind in das Gehäuse des Leistungstransformators eingebaut und werden vom Öl des Transformators isoliert.
Elektrofahrzeuge
Vor dem Einsatz von Leistungselektronik waren Stufenschalter die einzige Möglichkeit, die Spannung an den Fahrmotoranschlüssen zu regeln. Der Stufenschalter hatte bei Wechselstromfahrzeugen die Aufgabe, die verschiedenen Transformator-Anzapfungen mit den Fahrmotoren zu verbinden, bei Gleichstromfahrzeugen waren es die Stufen des Vorwiderstandes.
Meist wird dafür ein Transformator mit mehreren sekundären Anzapfungen verwendet. Das genaue Funktionsprinzip ist im Artikel Stufenschalter für Leistungstransformatoren beschrieben. Anstelle eines Stufenschalters kann auch ein Gleittransformator verwendet werden, um die erwünschte Spannungsänderung zu erreichen. Dieser ist allerdings störungsanfälliger und auch konstruktionsbedingt nicht für sehr hohe Leistungen einsetzbar.
Je nach Bauform erhalten die Stufenschalter spezielle Namen:
- Flachbahnstufenschalter, auch Schlittenstufenschalter
- Nockenwalzenstufenschalter
- Hüpfersteuerung, auch Schützensteuerung genannt, mit mehreren elektropneumatischen oder elektromagnetischen Schützen (auch Hüpfer genannt), oft bei Gleichstromfahrzeugen verwendet (später auch mit halbautomatischer Schaltung durch Simatic-Module)
- Hochspannungsstufenschalter, die auf der Primärseite des Transformators angeordnet sind.
Je nach Bedienungsart wird auch zwischen direkten und indirekten Stufenschaltern unterschieden. Beim direkten Stufenschalter wird die Stufe sofort eingestellt. Beim indirekten übernimmt eine elektrische Steuerung das Aufschalten. Die gewünschte Stufe wird nur vorgegeben und von der Steuerung optimiert hochgeschaltet, zum Beispiel, wenn der Strom einen gewissen Wert unterschritten hat. Bei neueren Fahrzeugen werden fast nur noch indirekte Stufenschalter verbaut.
Bei elektrischen Antrieben wird heute in der Regel ganz auf Stufenschalter verzichtet. Stattdessen erfolgt die Regelung des Antriebes mit Leistungselektronik.
Übrige Anwendungen
Im Alltag dürften die bekanntesten Leistungsstufenschalter die Drehschalter an einem elektrischen Kochfeld sein, welcher die Kochstufen durch Zuschalten und Gruppieren der Heizelemente regelt.
Einphasige Schalter werden an Stelltransformatoren eingesetzt. Bei kleinen Leistungen bis einige Kilowatt werden die Schalter oft mit einem Schleifer gebaut, der direkt die blanken Wicklungsdrähte als Anschlüsse bestreicht. Diese Bauart wird auch als Gleittransformator bezeichnet.