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Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssystem für den Schalter sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters.
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In Umspannwerken existiert eine Vielzahl an Schaltern für unterschiedliche Aufgaben und mit unterschiedlichen Anforderungen. Für die Betätigung der jeweiligen Schalter müssen diese über ein Antriebssystem angetrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich unter anderem um Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter.
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So dienen Laststufenschalter beispielsweise zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines elektrischen Betriebsmittels, wie etwa eines Leistungstransformators oder einer regelbaren Drossel. Dadurch können beispielsweise das Übersetzungsverhältnis des Transformators oder die Induktivität der Drossel verändert werden. Doppelwender dienen zum Umpolen von Wicklungen während des Leistungstransformatorbetriebs.
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All diese Schalter stellen eine hochgradig sicherheitsrelevante Komponente des elektrischen Betriebsmittels dar, weil die Umschaltung während das Betriebsmittel im Betrieb ist erfolgt und dementsprechend beispielsweise an ein Energienetz angeschlossen ist. Störungen beim Betrieb können in extremen Fällen gravierende technische und wirtschaftliche Folgen haben.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalter, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters anzugeben, durch welches die Sicherheit des Betriebs erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, eine Antriebswelle zum Antreiben des Schalters mit einem Feedbacksystem auszustatten, welches in der Lage ist, wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle zu erfassen. Der Betrieb des Motors wird basierend auf einem Feedbacksignal beeinflusst, welches abhängig von beiden Werten erzeugt wird.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssystem für den Schalter angegeben. Das Antriebssystem weist eine Antriebswelle, welche das Antriebssystem mit dem Schalter verbindet, einen Motor zum Antreiben der Antriebswelle und ein Feedbacksystem auf. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle zu bestimmen und basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen. Außerdem weist das Antriebssystem eine Steuervorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors einzuwirken.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann der Schalter als ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder ein Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler oder ein Leistungsschalter oder ein Lastschalter oder ein Trennschalter ausgebildet sein.
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Die Begrifflichkeit der „Werte für die Position der Antriebswelle“ beinhaltet auch solche Werte von Messgrößen, aus denen die Position der Antriebswelle, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig bestimmt werden kann.
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Durch die Bestimmung von mindestens zwei Werten für die Position der Antriebswelle kann die Steuervorrichtung eine Plausibilität der Positionsbestimmung oder einen Abgleich der beiden Werte vornehmen und dadurch die Sicherheit der Positionsbestimmung erhöhen und das entsprechende Restrisiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung zu verringern. Zudem führt ein Teilausfall der Feedbackvorrichtung, derart, dass nur noch ein Wert für die Position der Antriebwelle bestimmt werden kann, nicht gezwungenermaßen zum sofortigen Stillsetzen der Antriebswelle. Zumindest kann der Schalter trotz des Teilausfalls noch geregelt in eine sichere Betriebsposition bewegt werden. Letztendlich wird damit die Betriebssicherheit des Antriebssystems, des Schalters und des Betriebsmittels erhöht. Zusammenfassend steigert die Bestimmung zweier Werte für die Position der Antriebswelle die Sicherheit, indem ein Teilausfall sicher erkannt wird, und Verfügbarkeit, da trotz Teilausfall eine Schaltung sicher zu Ende geführt wird.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform dient das Antriebssystem dazu, eine Welle des Schalters, z.B. Laststufenschalters oder eine entsprechende Komponente des Laststufenschalters, anzutreiben. Dadurch wird der Laststufenschalter beispielsweise veranlasst, eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung, Vorwählerbetätigung oder eine Doppelwenderbetätigung.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Schalter, insbesondere der Welle des Schalters, verbunden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter, insbesondere der Welle des Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters, verbunden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Motor, insbesondere einer Motorwelle des Motors, verbunden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform entspricht eine Position, insbesondere eine absolute Position, der Motorwelle, einer Position, insbesondere absoluten Position, der Antriebswelle. Das heißt, von der Position der Motorwelle lässt sich, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig auf die Position der Antriebswelle schließen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Einwirken ein Steuern, Regeln, Bremsen, Beschleunigen oder Anhalten des Motors. Das Regeln kann beispielsweise eine Positionsregelung, eine Geschwindigkeitsregelung, eine Beschleunigungsregelung oder eine Drehmomentregelung umfassen. Zumindest im Falle solcher Regelungen kann man davon sprechen, dass das Antriebssystem ein Servoantriebssystem darstellt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst das Antriebssystem eine Überwachungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, anhand des Feedbacksignals die eine oder mehreren Operationen des Schalters, Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters zu überwachen. Die Überwachung umfasst insbesondere eine Überwachung dahingehend, ob einzelne Operationen oder Teile davon ordnungsgemäß, insbesondere innerhalb vordefinierter Zeitfenster durchgeführt werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung eine Steuereinheit und ein Leistungsteil zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors. Die Steuereinheit ist zur Ansteuerung des Leistungsteils in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert, insbesondere Positions-, Geschwindigkeits,- oder Beschleunigungssollwert, eingerichtet.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil als Umrichter oder Servoumrichter ausgestaltet oder als äquivalente elektronische, insbesondere vollelektronische, Einheit für Antriebsmaschinen.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen enthält die Steuervorrichtung das Feedbacksystem ganz oder teilweise.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, einen ersten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer ersten Methode zu ermitteln und einen zweiten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer zweiten Methode zu ermitteln, wobei sich die beiden Methoden voneinander unterscheiden können. Dadurch wird mindestens eine Redundanz oder sogar eine diversitäre Redundanz erzeugt, welche die Betriebssicherheit weiter erhöht.
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Die beiden Methoden können beispielsweise auf gleichen oder unterschiedlichen technischen oder physikalischen Prinzipien beruhen oder gleiche oder unterschiedliche Bauteile (Hardwarekomponenten) einsetzen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist ein weiterer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein zweiter Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
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Der erste und der zweite Wert für die absolute Position der Antriebswelle können von der Steuervorrichtung beispielsweise verglichen werden. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuervorrichtung eine Fehlermeldung ausgeben oder eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein inkrementeller Wert für eine Position der Antriebswelle oder ein Wert für eine relative Position der Antriebswelle.
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Der erste und/oder der zweite Wert für die absolute Position kann dann von der Steuervorrichtung mit dem inkrementellen oder relativen Wert abgeglichen werden, wodurch die Plausibilität des ersten und/oder zweiten Wertes für die absolute Position geprüft werden kann. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuervorrichtung eine Fehlermeldung ausgeben und/oder eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, eine Rotorposition des Motors zu ermitteln und einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle in Abhängigkeit der Rotorposition zu bestimmen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform handelt es sich bei der Rotorposition um einen Winkelbereich, in dem sich ein Rotor des Motors befindet, gegebenenfalls kombiniert mit einer Anzahl von vollständigen Rotationen des Rotors.
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Je nach Ausgestaltung, insbesondere Polpaarzahl, des Rotors kann damit die Position oder absolute Position der Motorwelle bis auf mindestens 180° genau bestimmt werden, beispielsweise durch die Steuervorrichtung. Durch Untersetzung mittels einem oder mehrerer Getriebe ist die dadurch erzielbare Genauigkeit der Position der Antriebswelle deutlich größer. Die Auswertung durch die Steuervorrichtung entspricht hier gewissermaßen einer virtuellen Geberfunktion. Auch bei einem vollständigen Ausfall eines Absolutwertgebers des Feedbacksystems kann daher wenigstens ein Notbetrieb aufrechterhalten werden und/oder der Schalter, insbesondere Laststufenschalter, in eine sichere Position gebracht werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem einen Absolutwertgeber, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle verbunden ist, zu erfassen und basierend auf der erfassten Position wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle, insbesondere den ersten und/oder den zweiten Wert für die absolute Position, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals zu ermitteln.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist der Absolutwertgeber einen ersten Ausgang zur Ausgabe des ersten oder zweiten Wertes für die absolute Position und einen zweiten Ausgang zur Ausgabe des inkrementellen oder relativen Wertes für die Position auf.
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Von der Begrifflichkeit „Absolutwertgeber“ umfasst sind sowohl Vorrichtungen, die zwei Werte für die Position auf unterschiedliche Weise ermitteln, als auch Vorrichtungen, die zwei separate Geber beinhalten, von denen mindestens einer ein Absolutwertgeber ist.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Absolutwertgeber einen Multiturn-Drehgeber.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle anhand eines ersten Abtastverfahrens zu erfassen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle zusätzlich anhand eines zweiten Abtastverfahrens, welches von dem ersten Abtastverfahren unabhängig ist, zu erfassen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das erste oder das zweite Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheidet sich das erste Abtastverfahren von dem zweiten Abtastverfahren.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber formschlüssig mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber zusätzlich kraftschlüssig oder stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.
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Durch die formschlüssige und zusätzlich stoff- oder kraftschlüssige Verbindung wird die Befestigung des Absolutwertgebers und letztlich die Betriebssicherheit weiter erhöht.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Antreiben eines Laststufenschalters angegeben. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen von wenigstens zwei Werten für eine absolute Position einer Antriebswelle zum Antreiben des Laststufenschalters, ein Erzeugen eines Feedbacksignals basierend auf den wenigstens zwei Werten und ein Steuern eines Motors zum Antreiben des Laststufenschalters abhängig von dem Feedbacksignal.
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Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Stufenschalteranordnung. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich der Stufenschalteranordnung beschriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens entsprechend implementiert sein.
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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.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept; und
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept mit einem Schalter 17 und einem Antriebssystem 3, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 17 verbunden ist. Der Schalter 17 kann ein Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter sein. Das Antriebssystem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 16 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebssystems 3 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweise einen, hier nicht gezeigten, Umrichter enthält, zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus 18. Das Antriebssystem 3 weist ein Gebersystem 13 auf, welches als Feedbacksystem 4 dient oder Teil des Feedbacksystems 4 ist und mit dem Leistungsteil 11 verbunden ist. Ferner ist das Gebersystem 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.
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Das Gebersystem 13 ist dazu eingerichtet, einen ersten Wert für eine Position, insbesondere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 zu erfassen. Dazu kann das Gebersystem 13 beispielsweise einen Absolutwertgeber, insbesondere Multi-Turn-Absolutwertgeber, umfassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der absoluten Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. Beispielsweise ist die Position der Antriebswelle 16 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmbar, beispielsweise über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 15.
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Die Befestigung des Absolutwertgebers ist beispielsweise als Kombination einer formschlüssigen Verbindung mit einer kraft- und/oder stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt.
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Das Feedbacksystem 4 ist außerdem dazu eingerichtet, einen zweiten Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.
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Dazu kann das Gebersystem 13 dazu eingerichtet sein, den zweiten Wert zu erfassen, insbesondere unter Anwendung einer Methode, welche sich von einer Methode, nach der der erste Wert für die Position der Antriebswelle 16 erfasst wird, unterscheidet.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 2 dazu eingerichtet sein, den zweiten Wert aus einer Rotorposition des Motors 12 zu ermitteln, effektiv also einen virtuellen Geber zum Erfassen des zweiten Wertes aufweisen. Dazu kann beispielsweise eine induktive Rückkopplung durch die Bewegung des Rotors in Motorwicklungen des Motors 12 ausgenutzt werden. Da eine Stärke der Rückkopplung periodisch variiert, kann insbesondere mittels Signalanalyse, zum Beispiel FFT Analyse, die Rotorposition näherungsweise bestimmt werden. Da eine volle Umdrehung der Antriebswelle 16 einer Vielzahl von Umdrehungen des Rotors entspricht, kann daraus mit sehr viel höherer Genauigkeit auf die Position der Antriebswelle 16 geschlossen werden.
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Die Steuervorrichtung 2, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11, ist dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, welches das Feedbacksystem basierend auf dem ersten und dem zweiten Wert erzeugt.
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Die Steuervorrichtung 2, beispielsweise die Steuereinheit 10 kann beispielsweise die beiden Werte für die Position der Antriebswelle 16 abgleichen und/oder eine Plausibilitätsprüfung der Positionsbestimmung durchführen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform nach 1 basiert.
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Die Schaltervorrichtung 1 weist hier optional einen Schaltschrank 21 auf, innerhalb dessen die Steuereinheit 10, das Leistungsteil 11 und eine optionale Mensch-Maschine-Schnittstelle 19 angeordnet sind. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 19 ist mit der Steuereinheit 10 verbunden und kann beispielsweise Kontroll-, Wartungs- oder Konfigurationszwecken während oder außerhalb des Betriebes dienen.
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Der Motor 12, die Motorwelle 14 das Gebersystem 13 und/oder das Getriebe 15 können innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks angeordnet sein.
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Die Schalteranordnung 1, insbesondere die Steuereinheit 10 ist an eine Sicherheitsvorrichtung 20 gekoppelt, welche beispielsweise einen Leistungsschalter oder circuit breaker umfasst, um die Schalteranordnung 1 oder ein elektrisches Betriebsmittel, welchem die Schalteranordnung 1 zugeordnet ist, von einem Energienetz zu trennen, beispielsweise im Falle eines Fehlers oder einer Störung der Schalteranordnung 1.
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Durch eine Schalteranordnung 1 nach dem verbesserten Konzept wird die Betriebssicherheit des Antriebssystems 3, des Schalters 17 und des Betriebsmittels erhöht. Durch die beschriebene doppelte Positionsbestimmung und entsprechende Abgleiche wird das Restrisiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung verringert.
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Bezugszeichen
- 1
- Schalteranordnung
- 2
- Steuervorrichtung
- 3
- Antriebssystem
- 4
- Feedbacksystem
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Leistungsteil
- 12
- Motor
- 13
- Gebersystem
- 14
- Motorwelle
- 15
- Getriebe
- 16
- Antriebswelle
- 17
- Schalter
- 18
- Bus
- 19
- Mensch-Maschine-Schnittstelle
- 20
- Sicherheitsvorrichtung
- 21
- Schaltschrank
