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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen 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 Leistu ng stran sformatorbetriebs.
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All diese Schalter stellen eine hochgradig sicherheitsrelevante Komponente des elektrischen Betriebsmittels dar. Die Umschaltung erfolgt während das Betriebsmittel im Betrieb ist 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 anzugeben, durch welches die Sicherheit des Betriebs erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für mindestens einen Schalter gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren ein Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters bereitzustellen, das ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters zur Verfügung stellt, durch welches die Flexibilität des Antriebs und die Sicherheit bei der Schaltung erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 10 umfasst.
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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 einen Wert für eine Position der Antriebswelle zu erfassen. Der Betrieb des Motors wird basierend auf einem Feedbacksignal beeinflusst, welche abhängig von dem Wert erzeugt wird.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein 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 einen Wert für eine Position der Antriebswelle zu bestimmen und basierend auf dem wenigstens einen Wert 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 einem Wert für die Position der Antriebswelle kann die Steuervorrichtung die Sicherheit der Positionsbestimmung erhöhen und das entsprechende Restrisiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung verringern.
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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 für die Position der Antriebswelle nach einer ersten Methode zu ermitteln.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Wert für die Position der Antriebswelle ein Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Wert 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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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, eine Rotorposition des Motors zu ermitteln und damit einen Wert 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. Diese Kombination wird auch als Virtueller-Drehgeber bezeichnet.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem einen Geber, der ein Absolutwertgeber ist und 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, den Wert für die Position der Antriebswelle für die absolute Position, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals, zu ermitteln.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Geber direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist der Geber einen ersten Ausgang zur Ausgabe des ersten Wertes für die absolute Position auf.
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Von der Begrifflichkeit „Geber“ umfasst 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 Geber einen Absolutwertgeber oder einen Multiturn-Drehgeber oder einen Singleturn-Drehgeber.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Geber 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 beinhaltet das Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Geber formschlüssig mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Geber 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 Gebers und letztlich die Betriebssicherheit weiter erhöht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, wenigstens einen Wert für eine Position der Antriebswelle mittels eines Gebers und eines Hilfskontakts zu bestimmen und basierend auf den wenigstens einen Wert ein Feedbacksignal zu erzeugen. Dabei können der Geber und der Hilfskontakt jeweils einen separaten Wert erzeugen, wobei die Werte danach zu einem Wert zusammengefasst werden, um basierend auf diesem Wert ein Feedbacksignal zu erzeugen. Weiterhin können der jeweilige Wert des Gebers und der Wert des Hilfskontakts, die in Kombination die Position der Antriebswelle abbilden, direkt ein gemeinsames Feedbacksignal erzeugen.
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Das Antriebssystem weist eine Steuervorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Feedbacksignal, welches auf einem gemeinsamen Wert des Gebers und des Hilfskontakts oder den jeweils einzelnen Werten basiert, auf einen Betrieb des Motors einzuwirken.
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Durch die Bestimmung von zwei Werten aus denen die Position der Antriebswelle ermittelt wird, kann die erfinderische Idee mit unterschiedlichster Hardware umgesetzt werden. Letztendlich wird damit die Betriebssicherheit des Antriebssystems, des Schalters und des Betriebsmittels erhöht.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, einen ersten Wert durch den Geber nach einer ersten Methode zu ermitteln und den wenigstens zweiten Werte durch den Hilfskontakt nach einer zweiten Methode zu ermitteln. Die Werte werden im Anschluss zu einem Wert zusammengefasst.
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Die Methoden können sich durch unterschiedliche technische oder physikalische Prinzipien oder unterschiedliche Bauteile (Hardwarekomponenten) unterscheiden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der erste Wert des Gebers für die Position der Antriebswelle ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der zweite Wert des Hilfskontakts für die Position der Antriebswelle ein zweiter Wert für eine relative Position der Antriebswelle.
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Der erste und der zweite Wert bilden einen Wert für die absolute Position der Antriebswelle.
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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. Hierbei weist das Feedbacksystem einen Geber auf, der ein sog. Virtueller-Drehgeber ist.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem einen Geber und einen Hilfskontakt, die dazu eingerichtet und angeordnet, sind in Kombination 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.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind der Geber und der Hilfskontakt direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist der Geber einen ersten Ausgang zur Ausgabe des ersten Wertes und der Hilfskontakt einen zweiten Ausgang zur Ausgabe des zweiten Wertes auf, wobei die Werte die absolute Position der Antriebswelle bilden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Hilfskontakt dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle zusätzlich anhand eines Abtastverfahrens zu erfassen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Abtastverfahren ein mechanisches, ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Hilfsschalter 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 durch die Befestigung des Hilfsschalters 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 einem Werten für eine absolute Position einer Antriebswelle zum Antreiben des Laststufenschalters, ein Erzeugen eines Feedbacksignals basierend auf dem wenigstens einen Wert 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 eines Antriebssystems gemäß dem verbesserten Konzept; und
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielshaften Ausführungsform eines Antriebssystems gemäß dem verbesserten Konzept.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems 3 für einen Schalter 1. Das Antriebssystem 3 ist über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 1 verbunden. Das Antriebssystem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebssystems 3 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweise einen Umrichter (nicht dargestellt) zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 enthält, sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus 18. Das Antriebssystem 3 weist einen Geber 13 auf, welcher als Feedbacksystem 4 dient oder Teil des Feedbacksystems 4 ist und mit dem Leistungsteil 11 verbunden ist. Ferner ist das Geber 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.
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Der Gebers 13 ist dazu eingerichtet, mindestens einen ersten Wert für eine Position, insbesondere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition der Antriebswelle 16 zu erfassen. Dazu kann der Geber 13 zum Beispiel einen Absolutwertgeber, insbesondere einen 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. Zum Beispiel kann die Position der Antriebswelle 16 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmt werden, beispielsweise über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes.
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Das Feedbacksystem 4 ist dazu eingerichtet, einen Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.
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Die Steuervorrichtung 2, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11, sind dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, welches das Feedbacksystem 4, basierend auf dem Wert, erzeugt.
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2 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems 3. Hier kann zusätzlich zum Geber 13, der als Absolutwertgeber, Multi-Turn-Absolutwertgeber, Single-Turn-Absolutwertgeber oder Singleturn-Drehgeber oder inkrementeller Geber oder Virtuellen-Drehgeber ausgebildet ist, ein Hilfsschalter 9 vorgesehen sein. Das Antriebssystem 3 weist somit einen Geber 13 und einen Hilfsschalter 9 auf, welche als Feedbacksystem 4 dienen oder Teil des Feedbacksystems 4 sind und mit dem Leistungsteil 11 verbunden sind.
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Der Hilfsschalter 9 kann als mindestens ein Mikroschalter oder ein Resolver oder ein Sin-Cos-Geber ausgebildet sein. Die Position der Antriebswelle 16 kann mittels des Gebers 13 in Verbindung mit dem Hilfsschalter 9 eindeutig bestimmt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 2 dazu eingerichtet sein, aus einer Rotorposition des Motors 12 einen Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu ermitteln. Hierbei würde es sich um den bereits erwähnten Geber 13 handeln, der als Virtueller-Drehgeber ausgebildet ist.
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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. Zusätzlich kann ein Hilfsschalter 9 die Bestimmung der Position der Antriebswelle 16 ergänzen.
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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 4, basierend auf dem ersten Wert, erzeugt. Je nach Ausgestaltung wird der Wert durch ein Ausgangssignal eines Gebers 13 oder durch ein Ausgangsignal eines Gebers 13 in Verbindung mit einem Hilfsschalter 9 erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schalter
- 2
- Steuervorrichtung
- 3
- Antriebssystem
- 4
- Feedbacksystem
- 9
- Hilfskontakt
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Leistungsteil
- 12
- Motor
- 13
- Geber
- 14
- Motorwelle
- 15
- Getriebe
- 16
- Antriebswelle
- 18
- Bus
