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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, Lastumschalters, 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, das Antriebssystem als Servoantriebssystem auszulegen und dieses mit einer programmierbaren Sicherheitssteuerung auszustatten, mittels der ein Leistungsteil des Antriebssystems gesteuert beziehungsweise geregelt wird.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Schalteranordnung angegeben, welche einen Schalter und ein Servoantriebssystem für den Schalter beinhaltet. Das Servoantriebssystem weist einen Motor zum Antreiben des Schalters, ein Leistungsteil zur Energieversorgung des Motors und eine als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführte Steuereinheit zur Ansteuerung des Leistungsteils in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert auf.
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Der Schalter kann als ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder 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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Als Servoantriebssystem wird ein Antriebssystem bezeichnet, welches den Motor elektronisch regelt, wobei die Regelung eine Positions-, Winkel- oder Lageregelung, eine Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelung, eine Beschleunigungsregelung und/oder eine Drehmomentregelung beinhalten kann. Der Begriff Servoantriebssystem impliziert daher, dass das Antriebssystem eine Vorrichtung zur Erfassung einer oder mehrerer der genannten Regelgrößen und zur Rückführung eines entsprechenden Feedbacksignals an die Steuereinheit aufweist und die Regelung anhand des Feedbacksignals erfolgt.
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Die Ansteuerung des Leistungsteils in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Sollwert entspricht einer Regelung in diesem Sinne.
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Die programmierbare Sicherheitssteuerung bezeichnet eine Steuerung, welche zwei Prozessoreinheiten, insbesondere zwei speicherprogrammierbare Steuerungen, SPS, beinhaltet. Die beiden Prozessoreinheiten nutzen dasselbe Prozessabbild von Ein- und Ausgängen der Steuereinheit und arbeiten ein in der Steuereinheit gespeichertes Anwenderprogramm parallel ab.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das Anwenderprogramm eine Vielzahl von Anweisungen. Wenn die Anweisungen von der Steuereinheit ausgeführt werden, resultiert dies in der Ansteuerung des Leistungsteils in Abhängigkeit des Sollwerts. Dadurch wird der Motor und letztlich der Schalter angetrieben, um eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung oder eine Vorwählerbetätigung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Motor zum Antreiben des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters, über ein oder mehrere Getriebe mit einer Welle oder einer sonstigen Komponente des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters, gekoppelt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil als Umrichter, insbesondere Servoumrichter, ausgestaltet oder als äquivalente elektronische, insbesondere vollelektronische, Einheit für Antriebsmaschinen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Steuereinheit eine erste und eine zweite Prozessoreinheit. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Schalter ein Programm, insbesondere das Anwenderprogramm, abzuarbeiten, wobei die erste und die zweite Prozessoreinheit das Programm parallel abarbeiten.
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Durch den Einsatz der programmierbaren Sicherheitssteuerung als Steuereinheit und die damit verbundene Redundanz wird die Betriebssicherheit der Schalteranordnung erhöht.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, während des Abarbeitens des Programms, wenigstens einen Abgleich zwischen der ersten und der zweiten Prozessoreinheit durchzuführen, insbesondere einen kontinuierlichen Abgleich.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet der Abgleich einen Vergleich, insbesondere einen zyklischen Vergleich, eines Prozessabbilds der ersten Prozessoreinheit mit einem Prozessabbild der zweiten Prozessoreinheit.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von einem Ergebnis, insbesondere im Falle eines negativen Ergebnisses, des wenigstens einen Abgleichs oder des Vergleichs der Prozessabbilder, eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Sicherheitsmaßnahme ein sicheres Stillsetzen des Motors, eine Blockierung oder Stillsetzung des Leistungsteils oder ein Auslösen eines Leistungsschalters, der das Betriebsmittel mit einem Energienetz verbindet beziehungsweise trennt. Das sichere Stillsetzen des Motors erfolgt insbesondere derart, dass sich der Laststufenschalter nach dem sicheren Stillsetzen in einer sicheren Stellung befindet. Das Einleiten der Sicherheitsmaßnahme beinhaltet die Ausgabe wenigstens eines Sicherheitssignals.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Sicherheitsfunktion, welche einer Stoppkategorie nach der Industrienorm EN 60204-1:2006 entspricht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Safe-torque-off, STO, Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-1, SS1, Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-2, SS2, Sicherheitsfunktion, oder eine Safe-operation-stop, SOS, Sicherheitsfunktion.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheidet sich eine Hardware der ersten Prozessoreinheit von einer Hardware der zweiten Prozessoreinheit.
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Dadurch wird eine diversitäre Redundanz geschaffen, welche die Betriebssicherheit weiter erhöht.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Verriegelungsbedingung von zwei oder mehr Komponenten der Schalteranordnung zu prüfen.
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Die Komponenten der Schalteranordnung können Komponenten des Schalters umfassen, bei einem Laststufenschalter beispielsweise einen Wähler, einen Vorwähler, eine Polungsschaltung oder einen Lastumschalter des Laststufenschalters.
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Die Komponenten der Schalteranordnung können auch Komponenten umfassen, die nicht Teil des Schalters sind, insbesondere Komponenten eines weiteren Schalters der Schalteranordnung oder einer anderen Schaltkomponente der Schalteranordnung. Bei zwei Schaltern, die als Laststufenschalter ausgebildet sind, kann es sich beispielsweise um Laststufenschalter für unterschiedliche Phasen des Energienetzes handeln. Die anderen Schaltkomponenten können beispielsweise einen Doppelwender, Wender, Leistungsschalter, Lastschalter umfassen.
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Die Verriegelungsbedingung kann dabei einer Vorgabe entsprechen, dass eine der Komponenten nur dann betätigt werden darf oder dann nicht betätigt werden darf, wenn sich eine andere der Komponenten in einem bestimmten Zustand befindet, beispielsweise einer bestimmten Position, einem bestimmten Schaltzustand oder einem bestimmten Bewegungszustand.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von einem Ergebnis, insbesondere im Falle eines negativen Ergebnisses der Prüfung der Verriegelungsbedingung, die Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.
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Durch Prüfung der Verriegelungsbedingung und gegebenenfalls Einleitung der Sicherheitsmaßnahme kann die Betriebssicherheit weiter erhöht werden, ohne dass dafür spezifische konstruktive Maßnahmen für den Schalter, insbesondere Laststufenschalter oder die anderen Komponenten erforderlich sind, wie beispielsweise mechanische oder elektromechanische Systeme, Nockenschalter oder dergleichen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Schalteranordnung einem elektrischen Betriebsmittel zugeordnet, beispielsweise einem Leistungstransformator oder einem Phasenschiebertransformator.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Steuereinheit Eingänge und Ausgänge auf, welche als getaktete Eingänge beziehungsweise Ausgänge ausgebildet sind.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, anhand von Eingangssignalen, welche an den Eingängen anliegen und/oder anhand von Ausgangssignalen, welche an den Ausgängen anliegen, das Vorliegen eines Querschlusses zu prüfen.
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Als Querschluss wird ein Kurzschluss zwischen Anschlussleitungen zweier benachbarter Ein- oder Ausgänge bezeichnet.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von einem Ergebnis der Prüfung, insbesondere falls ein Querschluss vorliegt, die Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Antreiben einer Schalteranordnung angegeben. Das Verfahren umfasst Ansteuern eines Leistungsteils der Schalteranordnung durch eine programmierbare Sicherheitssteuerung in Abhängigkeit eines Sollwerts und Umsetzen eines Schaltbefehls für einen Schalter der Schalteranordnung. Das Umsetzen des Schaltbefehls erfolgt durch Abarbeiten eines Programms parallel durch zwei Prozessoreinheiten.
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Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Schalteranordnung. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich der Schalteranordnung 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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Figurenliste
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- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept; und
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielshaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept mit einem Schalter 17 und einem Servoantriebssystem, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 17 verbunden ist. Das Servoantriebssystem 2 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 3 des Servoantriebssystems 2 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweise einen Servoumrichter enthält, zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus 18.
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Das Servoantriebssystem 2 kann ein Gebersystem 13 aufweisen, welches als Feedbacksystem dient oder Teil des Feedbacksystems 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 Wert für eine Position, insbesondere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 zu erfassen und basierend darauf ein Feedbacksignal zu erzeugen. 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 17 verknüpft ist, befestigt ist. Beispielsweise ist die Position der Antriebswelle 17 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmbar, beispielsweise über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 14. Die Steuervorrichtung 3, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11, ist dazu eingerichtet, den Motor 12 abhängig von dem Feedbacksignal zu steuern oder zu regeln.
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Die Befestigung des Absolutwertgebers ist beispielsweise als Kombination einer formschlüssigen Verbindung mit einer kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt.
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Die Steuereinheit 10 ist als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführt und beinhaltet beispielsweise eine erste und eine zweite speicherprogrammierbare Steuerung 6, 7. Zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Laststufenschalter arbeiten die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 beispielsweise ein Programm parallel ab.
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Während des Abarbeitens des Programms können sich die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 untereinander abgleichen, insbesondere zyklisch oder kontinuierlich. Der Abgleich kann beispielsweise einen Vergleich von Berechnungsergebnissen, Prüfsummen oder dergleichen umfassen.
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Beispielsweise enthalten die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 unterschiedliche Hardwarekomponenten oder sind als unterschiedliche Typen oder Modelle ausgeführt.
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Ein- und Ausgänge der Steuereinheit 10 können als getaktete Ein- und Ausgänge ausgeführt sein. Dadurch kann die Steuereinheit anhand eines Vergleichs eines Eingangssignals mit einem Ausgangssignal Taktabweichungen erkennen, beispielsweise Abweichungen in Periodendauern oder Flanken der Signale. Basierend auf den Taktabweichungen können beispielsweise Querschlüsse detektiert werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform nach 1 basiert.
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Die Schaltervorrichtung 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 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, insbesondere die Steuereinheit 10 ist an eine Sicherheitsvorrichtung 20 gekoppelt, welche beispielsweise einen Leistungsschalter oder circuit breaker umfasst, um die Schalteranordnung oder ein elektrisches Betriebsmittel, welchem die Schalteranordnung zugeordnet ist, von einem Energienetz zu trennen, beispielsweise im Falle eines Fehlers oder einer Störung der Stufenschalteranordnung.
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Durch eine Stufenschalteranordnung nach dem verbesserten Konzept wird die Betriebssicherheit des Servoantriebssystems, des Laststufenschalters und des Betriebsmittels erhöht. Dies wird insbesondere durch den Einsatz der programmierbaren Sicherheitssteuerung als Steuereinheit und die damit verbundene Redundanz erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schalteranordnung
- 2
- Servoantriebssystem
- 3
- Steuervorrichtung
- 6
- erste Prozessoreinheit/ speicherprogrammierbare Steuerungen
- 7
- zweite Prozessoreinheit/ speicherprogrammierbare Steuerungen
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Leistungsteil
- 12
- Motor
- 13
- Gebersystem
- 14
- Motorwelle
- 15
- Getriebe
- 16
- Antriebswelle
- 17
- Laststufenschalter
- 18
- Bus
- 19
- Mensch-Maschine-Schnittstelle
- 20
- Sicherheitsvorrichtung
- 21
- Schaltschrank
