DE60133315T2

DE60133315T2 - Zustandsdiagnose eines stufenschalters

Info

Publication number: DE60133315T2
Application number: DE60133315T
Authority: DE
Inventors: Bengt-Olof Stenestam; Gunnar Andersson
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2021-12-15
Also published as: CN1248004C; ES2354021T3; WO2002048718A2; DE60141853D1; DE60143453D1; US20040021449A1; US7089145B2; EP1358499A1; AU2002216528A1; BRPI0116197B8; BRPI0116196B8; AU2002216530A1; CN1489698A; CN1739227A; BR0116197A; CN1489697A; CN1248005C; DE60133315D1; EP1350292B1; BRPI0116200B8

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Stufenschalter und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Zustandsdiagnose von derartigen Stufenschaltern.
Hintergrund
Stufenschalter finden heutzutage weite Anwendung bei der Regulation und Steuerung der Ausgabe bzw. des Ausgangs von großen oder mittelgroßen induktiven Energievorrichtungen, wie beispielsweise Transformatoren und Reaktoren. Diese induktiven Energievorrichtungen wandeln elektrische Energie von einem ersten Stromversorgungssystem zu einem zweiten Stromversorgungssystem um. Da die Last des zweiten Systems ansteigt, fällt die Ausgangsspannung der induktiven Energievorrichtung. Um diesen Spannungsabfall des Ausgangs zu kompensieren, das heißt ein relativ konstantes Ausgangsspannungsniveau in dem zweiten Energiesystem beizubehalten oder um die Ausgangsspannung gemäß den Erfordernissen der Netzteilkunden anzupassen, werden Stufenschalter verwendet.
Die Stufenschalter steuern und regulieren die Spannungsumwandlung für Transformatoren und die Induktivität für Reaktoren. In einem Transformator bzw. Wandler ist die Spannung des zweiten Systems abhängig von einem Windungsverhältnis, das heißt dem Verhältnis zwischen der Anzahl von Windungen zwischen der Sekundär- und der Primärseite des Transformators. Der Stufenschalter, der meistens mit der Primärseite des Transformators verbunden vorliegt, beeinflusst bzw. wirkt auf dieses Windungsverhältnis, indem ein Umschalten zwischen unterschiedlich fixierten Kontakten oder Abgriffen der Windung, ausgeführt wird. Dieses Umschalten wird gewöhnlich in kleinen Schritten ausgeführt, was zu einer Spannungsänderung von ungefähr 0,5–2,5%, normalerweise ungefähr 1,5% der Nennspannung pro Schritt führt.
Der Stufenschalter wird durch dessen Operationen, jedoch ebenfalls durch die Last, erwärmt und wird folglich in einer Kühlflüssigkeit, meistens Öl, unter- bzw. eingetaucht. Das Kühlfluid wirkt gleichzeitig als ein Isoliermedium. Da jedoch normalerweise eine Lichtbogenbildung während der Umschaltoperationen auftritt, kann das Öl verderben, wobei Verschleißprodukte in der Flüssigkeit gebildet werden. Um die induktive Energievorrichtung nicht zu verunreinigen wird der Stufenschalter vorzugsweise von das Fluid der induktiven Energievorrichtung getrennt und in einem mit Fluid gefüllten Tank angeordnet, der wiederum entweder in oder an/auf dem Tank der induktiven Energievorrichtung lokalisiert vorliegt.
Da der Stufenschalter und das Fluid während des Betriebs erwärmt werden, wird häufig ein Überwachen des Stufenschalters angewendet, um einen verlässlichen und wirkungsvollen Betrieb zu erhalten. Bei einem derartigen Überwachen können mehrere Parameter erfasst bzw. gemessen und beobachtet werden, um ein Bild des Gesamtzustandes des Stufenschalters zu erhalten. Insbesondere, muss die Temperatur des Kühl- und Isolierungsfluids unter einer bestimmten Sicherheitsgrenze gehalten werden. Es treten Störfälle auf, die möglicherweise zu der Zerstörung der gesamten oder eines Teils des Stufenschalters oder zu einer Kürzung von dessen Betriebsdauer führen, falls die Fluidtemperatur bestimmte Grenzen übersteigt. In einigen Situationen kann die induktive Energievorrichtung so beeinflusst werden, dass die Vorrichtung beschädigt oder dessen Betriebsdauer verkürzt wird.
In dem Patent JP 10041162 wird eine Abnormalitätsdiagnosevorrichtung für einen Stufenschalter offenbart. Die Vorrichtung weist einen Drehmomentdetektor auf, um ein Drehmoment einer Antriebswelle des Stufenschalters zu detektieren. Ein Temperaturdetektor detektiert die Temperatur des Stufenschalters. Basierend auf dieser detektierten Temperatur wird eine Korrekturoperation an einem standardisierten Drehmomentmuster ausgeführt. Das korrigierte standardisierte Drehmomentmuster wird dann mit dem detektierten Drehmomentmuster der Antriebswelle verglichen, um irgendeine Abnormalität zu diagnostizieren.
In dem Patent JP 1-95506A wird ebenfalls eine Abnormalitätsdiagnosevorrichtung für einen Stufenschalter offenbart. Ein Temperaturdetektor wird in einem Öltank eines Umschalters bereitgestellt und ein anderer Temperaturdetektor wird in einem Öltank eines Transformatorkörpers bereitgestellt. Es wird ein Abnormalitätsentscheidungsteil bereitgestellt, das gefährliche Temperaturen in dem Öltank des Umschalters, basierend auf detektierten Temperatursignalen durch die Temperaturdetektoren, überwacht, um über die Anwesenheit irgendeines Störfalls bzw. Zwischenfalls zu entscheiden und um weiterhin eine Bezugstemperatur in dem Öltank des Umschalters von der Rate eines Ladens des Transformators abzuschätzen, um über die Anwesenheit irgendeiner Störung zu entscheiden.
Die US-P-6,052,060 offenbart eine in Öl eingetauchte elektrische Energieschalt anlage, wie beispielsweise einen Stufenschalter, mit einem Ölzirkulationssystem, das gebildete Kohlestoffteilchen aus dem Öl filtriert. Das Zirkulationssystem ist mit einer Temperatursonde zum Erfassen bzw. Messen der Temperatur des Öls bereitgestellt, das einen Tank, der den Stufenschalter beinhaltet, verlässt. Die erfasste Temperatur wird mit Sollwerten verglichen, um eine möglicher Weise zu hohe Öltemperatur zu detektieren. Um einen Einrichtungsschaden aufgrund der hohen Öltemperatur zu verhindern oder zu minimieren, werden Alarme ausgegeben und/oder elektrische Lasten abgeschaltet.
Die meisten Überwachungs- und Diagnosesysteme des Standes der Technik, beispielsweise vorstehend beschrieben in US-P-6,052,060 und in JP 1-95506A , betreffen den Schutz gegenüber eine akute Schädigung an dem Stufenschalter und dessen assoziierter Einrichtung bzw. Vorrichtung. Die Systeme gründen meistens die Zustandsdiagnose des Stufenschalters auf eine unmittelbare Temperaturerfassung des Kühl- und Isolierungsfluids und führen Maßnahmen bzw. Vorgänge aus, falls die Temperatur bestimmte Sicherheitsschwellenwerte übersteigt. Folglich werden irgendwelche Maßnahmen nur ausgeführt, falls die Fluidtemperatur hoch genug ist, wobei die Situation somit baldig kritisch werden kann oder ist. Derartige Notfallmaßnahmen können eine Lastverminderung und unter extremen Zuständen ein Abschalten des Stufenschalters und der induktiven Energievorrichtung einschließen. Ein gestörter Stufenschalter kann jedoch nicht notwendiger Weise unter allen Umständen zu einer gefährlichen Erwärmung führen. Ein gestörter Stufenschalter kann, beispielsweise bei einer niedrigen Last, arbeiten und wird dann, trotz dessen Defekt bei der erlaubten Temperatur arbeiten. Es wird kein Anzeichen bzw. Hinweis des Fehlers detektiert bis die Last und die Leistung erhöht sind. Bei einem derartigen Anlass ist es häufig unangenehm den Stufenschalter zur Reparatur außer Betrieb zu setzen, da es gewöhnlich mit einer erhöhten Leistungsanforderung zusammenfällt.
Es wäre folglich vorteilhaft falls man als eine Ergänzung zu den herkömmlichen Übertemperaturschutzvorrichtungen, eine Vorrichtung zu vollbringen, um Information über den aktuellen bzw. momentanen Betriebszustand bereitzustellen, die sich auf Temperaturbelange des Stufenschalters an jedem Augenblick beziehen, das heißt eine Zustandsdiagnosevorrichtung.
Zusammenfassung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Zustandsdiagnose von Stufenschaltern bereitzustellen, was ein vollständigeres Bild von den Betriebsbedingungen des Stufenschalters bei jeglichem Betriebszustand ergibt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin ein Diagnoseverfahren bereitzustellen, das Vorrichtungsfehlfunktionen und/oder externe Faktoren genau detektiert, die den Betrieb sogar in Situationen beeinflussen, wenn der Stufenschalter mit einer niedrigen Energielast arbeitet.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin eine frühe Fehlerdetektion bereitzustellen bevor schwere Schäden aufgetreten sind.
Die vorstehenden Aufgaben werden durch den Verfahrensanspruch 1, Vorrichtungsanspruch 12, 21 und Anspruch 22 auf ein Computerprogrammprodukt gelöst. In allgemeinen Worten werden die Betriebsbedingungen bzw. -zustände eines Stufenschalters, der in einem Fluid eingetaucht ist und eine induktive Energievorrichtung steuert und reguliert, durch Erhalt und Auswerten einer erwarteten Menge von Wärme bzw. Wärmemenge, die durch den Stufenschalter erzeugt wird, eines erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs des Stufenschalters zusammen mit einer aktuellen bzw. momentanen bzw. tatsächlichen Temperatur des Fluids, diagnostiziert.
Die erwartete Menge von erzeugter Wärme stellt die Wärme dar, die während des Betriebs des Stufenschalters erzeugt wird, und in einem bevorzugten Berechnungsmodell als eine Summe einer durch einen normalen Betriebswiderstand des Stufenschalters erzeugten Wärme und einer Wärme, die während des aktuellen Schaltbetriebs des Stufenschalters erzeugt wird, ausgedrückt wird. Die Menge der durch den Widerstand erzeugten Wärme entsteht, wenn der Laststrom durch die Stromleitungen und den Hauptkontakt des Stufenschalters fließt. Aufgrund der Materialeigenschaften der Stromleitungen und des Hauptkontaktes, das heißt eines Widerstandes der größer als Null ist, wird während des Betriebs Wärme erzeugt und in das Fluid abgeleitet. Während des Umschaltvorgangs bzw. -betriebs wird Wärme teilweise durch den Fluss des Laststroms erzeugt und teilweise durch ein Entstehen eines zirkulierenden Stroms durch Übergangswiderstände der Übergangskontakte. Da die erwartete Menge von erzeugter Wärme von dem Laststrom des Stufenschalters abhängig ist, wird ein Wert des Laststroms erfasst bzw. gemessen und bei den Berechnungsmodellen für die erwartete erzeugte Wärme verwendet.
Der erwartete resultierende Wärmeaustausch des Stufenschalters ist einerseits eine Summe von beliebigen Wärmeflüssen zwischen dem Stufenschalter und der Umgebungsluft und andererseits zwischen dem Stufenschalter und der induktiven Energievorrichtung. Ein Wärmeaustausch zwischen dem Stufenschalter und der Umgebungsluft und ein Wärmeaustausch zwischen dem Stufenschalter und der induktiven Energievorrichtung werden folglich berechnet und summiert. Der erstgenannte Wärmeaustausch, das heißt zwischen der Luft und dem Stufenschalter ist von der Temperaturdifferenz dazwischen abhängig, wobei die momentane Temperatur des Fluids und die Temperatur der Umgebungsluft erfasst werden. Der Wärmeaustausch zwischen dem Stufenschalter und der induktiven Energievorrichtung ist in ähnlicher Weise von einer Temperaturdifferenz abhängig, nun jedoch, zwischen einer Temperatur der induktiven Energievorrichtung und der aktuellen Temperatur des Fluids, die somit erfasst werden.
Der Wärmeausgleich des Stufenschaltersystems wird dann durch ein Vergleichen und Bewerten des erhaltenen erwarteten sich ergebenden bzw. resultierenden Wärmeaustauschs, der erwarteten erzeugten Wärme und der aktuellen Temperatur des Fluids untersucht, um beliebige nicht erwartete Betriebsbedingungen zu detektieren. In einer bevorzugten Vergleichsausführungsform wird eine erwartete Temperatur des Fluids von der erwarteten erzeugten Wärmemenge, des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs und eines vorherigen Wärmegehalts des Fluids berechnet. Diese berechnete erwartete Fluidtemperatur wird dann mit der tatsächlichen bzw. aktuellen bzw. momentanen erfassten Fluidtemperatur verglichen. Während idealer erwarteter Betriebsbedingungen wäre die Fluidtemperatur zu der tatsächlichen Fluidtemperatur im Wesentlichen gleich. Eine Abweichung von der Gleichheit stellt ein Anzeichen von nicht erwarteten Betriebsbedingungen dar. Derartige Bedingungen können nicht erwartete Wärme erzeugende Quellen, wie beispielsweise die Wärme einschließen, die durch einen erhöhten Kontaktwiderstand des Stufenschalters erzeugt werden und/oder Wärme, die während eines fehlerhaften Umschalt- bzw. Schaltvorgangs erzeugt wird, bei dem der Stufenschalter in einer Zwischenstellung hängen bleibt oder falls der Um- bzw. Schaltvorgang zu langsam abläuft. Andere nicht erwartete Quellen, die den Betrieb der induktiven Energievorrichtung beeinflussen können, umfassen externe Faktoren, wie beispielsweise Wetterbedingungen.
Das vorliegende Diagnoseverfahren kann vorzugsweise mehrere Male ausgeführt werden, um ein mehr komplettes Bild der Betriebsbedingungen des Stufenschalters zu erhalten.
Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine Zustandsdiagnose von Stufenschaltern bereitstellt, der Fehlfunktionen und andere Wirkungen, die den Betrieb des Stufenschalters beeinflussen, sogar in derartigen Situationen detektieren können, bei denen die meisten Verfahren des Standes der Technik versagen. Das heißt, dass eine Fehlfunktion detektiert und darum gekümmert werden kann bevor die Last des Stufenschalters erhöht und die Situation kritisch wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, zusammen mit den begleitenden Zeichnungen am besten verstanden werden, in denen:
1 einen schematischen Überblick von Wärmeflüssen in einem Stufenschaltersystem darstellt;
2 eine schematische Zeichnung eines Stufenschalters und eines Teil eines Energiewandlers bzw. -transformators darstellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung mit Sensoren bereitgestellt ist;
3 eine schematische Zeichnung darstellt, die mögliche Montagekonfigurationen eines Stufenschalters in Bezug auf einen Wandlertank zeigt;
4a–e ein Beispiel eines Umschaltvorgangs von Stufenschaltern darstellt;
5 ein Diagramm darstellt, dass ein Beispiel eines Verhältnisses einer erfassten oberen Fluidtemperatur eines Stufenschalters und einer berechneten oberen Fluidtemperatur eines gegenüber der Zeit, zeigt;
6 stellt ein Flussdiagramm der allgemeinen Schritte des Zustandsdiagnose-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
7a–c stellen Flussdiagramme von Ausführungsformen dar, bei denen drei der Schritte von 6 ausgeführt wurden;
8 stellt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer eine Zustandsdiagnose-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und
9a–c stellen verschiedene Darstellungen von Ausführungsformen von Indikatoren dar, die mit dem Zustandsdiagnostizieren gemäß der vorliegenden Erfindung, verwendet werden können.
Ausführliche Beschreibung
Heutige Stufenschalter und insbesondere die induktiven Energievorrichtungen, die sie steuern und regulieren, stellen teuere Anordnungen dar und sind folglich häufig mit Schutzsystemen ausgerüstet. Derartige Systeme sind angeordnet, um den Betrieb des Stufenschalters zu überwachen und Steuerungsmaßnahmen bzw. -vorgänge auszuführen, falls der Betrieb bestimmte Betriebsschwellenwerte übersteigt. Eine gewöhnliche Größe, die ein Betriebsschwellenwert aufweist, ist die Temperatur eines Fluids, das den Stufenschalter kühlt und isoliert. Falls sich eine derartige Temperatur zu stark erhöht, kann eine Schädigung des Stufenschalters und assoziierter Gerätschaft bzw. Einrichtung bzw. Vorrichtung entstehen. Folglich besteht das Ziel von zahlreichen Schutzsystemen darin die Temperatur des Fluids zu überwachen und/oder zu steuern. Die Steuerungsmaßnahmen der Systeme werden im Grunde genommen aktiviert, wenn die Temperatur den Sicherheitsschwellenwert überschreitet, und folglich können die Schutzsysteme als akute Beschädigungsschutzsysteme bezeichnet werden. Die ausgeführten Notfallmaßnahmen können eine Verringerung der Last, und in extremen Situationen ein Abschalten des Stufenschalters und der induktiven Energievorrichtung, umfassen. Es können jedoch, wenn die Notfallmaßnahmen der Überwachungs- und Steuersysteme des Standes der Technik unzureichend oder zu spät ausgeführt werden, Situationen entstehen, was zu einer Beschädigung des Stufenschalters führt. Die Notfallmaßnahmen des Standes der Technik können ebenfalls zu einer ungelegenen Zeit, beispielsweise während eines erhöhten Lastbedarfs, auftreten.
Der Widerstand von Kontakten des Stufenschalters kann sich während der Zeit und des Betriebs erhöhen. Es gibt für diesen erhöhten Kontaktwiderstand verschiedene Gründe, einschließlich der Verkohlung. Diese Erhöhung führt zu einer erhöhten Wärmeerzeugung, falls der Laststrom durch den Stufenschalter fließt. Da es eine lange Zeit, in der Größenordnung von Monaten, dauert bis der Anstieg im Widerstand groß genug wird, um Probleme mit einer erhöhten Wärmeerzeugung zu bewirken, werden die Schutzsysteme und Verfahren des Standes der Technik mit lediglich Temperaturerfassungen den erhöhten Widerstand nicht detektieren bis die erhöhte Wärmerzeugung ernsthaft groß ist.
Eine andere Fehlersituation, die Wärme erzeugt, besteht darin, dass falls ein Stufenschalter während eines Schaltvorgangs in einer Zwischenposition, die mit zwei festen Kontakten hängen bleibt, oder falls die Schaltvorgänge zu langsam ausgeführt werden. In einem derartigen Fall wird der Laststrom oder Laststrom und ein entstehender zirkulierender Strom durch Übergangswiderstände des Stufenschalters eine erhöhte Temperatur des/der Kühlfluids bzw. -flüssigkeit bewirken. Obwohl diese Wärmeerzeugung größer und schneller als die durch einen erhöhten Kontaktwiderstand ist, ist immer noch Zeit erforderlich bis ein Anstieg der gesamten Fluidtemperatur signifikant detektiert werden kann. Die Temperatur des Fluids in der Umgebung des nicht funktionierenden Stufenschalters wird aufgrund der Eigenschaften des Kühlfluids schnell erhöht, wobei die Gesamttemperatur des gesamtem Fluids viel langsamer ansteigt. Falls der Stufenschalter in dieser Zwischenposition für eine relativ lange Zeit, in diesem Zusammenhang in der Größenordnung von mehreren Minuten, hängen bleibt, wird die erzeugte Wärme die Übergangswiderstände durchbrennen lassen. Ist der Stufenschalter jedoch nicht dauerhaft hängen geblieben, arbeitet jedoch zu langsam, das heißt ein Schaltvorgang dauert länger als erwartet, dann werden die Übergangswiderstände nicht durchbrennen und das Notfalltemperaturniveau sollte überhaupt nicht erreicht werden. In einem derartigen Fall können die Systeme des Standes der Technik versagen, um das Nichtfunktionieren des Stufenschalters zu detektieren.
In noch einer anderen gewöhnlichen Situation begegnen die Systeme und Verfahren mit lediglich oberen Fluidtemperaturerfassungen des Standes der Technik Problemen, wenn externe Faktoren, wie beispielsweise die externen Temperatur- und Wetterbedingungen den Betrieb des Stufenschalters beeinflussen. Da die meisten Stufenschalter, die die Systeme steuern und überwachen, keine externen Faktoren berücksichtigen, können Sicherheitsschwellenwerte folglich ohne irgendeine reale Notfallsituation verletzt werden.
Da die meisten Steuersysteme und Verfahren des Standes der Technik auf Notfallmaßnahmen gerichtet sind, können die Systeme insbesondere auf Probleme stoßen, wenn der Stufenschalter und die induktive Energievorrichtung mit lediglich einer Fraktion von deren Nennkapazität geladen werden. Während eines derart niedrigen Energiebetriebs kann der Stufenschalter innerhalb dessen Sicherheitsschwellenwertes, beispielsweise unter dem Maximum der gestatteten Fluidtemperatur betrieben werden, selbst wenn die Vorrichtung nicht funktioniert oder, wie vorstehend beschrieben, externe Wirkungsfaktoren vorhanden sind. Wenn sich jedoch die Bedingungen plötzlich ändern, wie beispielsweise eine plötzlich erhöhte Energielast, können die Fehlfunktionen oder externen Faktoren den Stufenschalter dazu bewirken, dass die Sicherheitsschwellenwerte überstiegen werden bevor Notfallmaß nahmen der Steuersysteme eine Wirkung aufweisen. Als Folge können Beschädigungen an der Stufenschaltereinrichtung entstehen, was zu erhöhten Kosten für den Betreiber führt. Diese Kosten bestehen nicht nur in der Form von Reparaturkosten, sondern können ebenfalls als fehlender Betrieb angesehen werden, falls die Schäden so ernst sind, dass die induktive Energievorrichtung, die durch den Stufenschalter gesteuert wird, zumindest zeitweise abgeschaltet werden muss. Selbst wenn die Steuersystemmaßnahmen wirksam genug sind, um den Stufenschalter vor Beschädigung zu bewahren, tritt die Detektion der Fehlfunktion häufig zu einer ungelegenen Zeit auf.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine andere Ausführungsform eines Betriebs der Stufenschalter als die Systeme des Standes der Technik, vorstehend kurz beschrieben, gerichtet. Wohingegen die Stand der Technik Systeme Notfall- und Akutschaden-Schutz betreffen, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Zustandsdiagnose eines Wärmezustands von Stufenschaltern. Fehlfunktionen und andere Faktoren, die möglicher Weise zu Einrichtungsschäden führen können, können auf einer frühen Stufen durch die Zustandsdiagnose, selbst bei niedriger Energie- bzw. Stromlast detektiert werden, das heißt lange bevor normalerweise das Risiko für Schäden auftritt. Die vorliegende Erfindung wird einem Betreiber Angaben bzw. Hinweise der Betriebsbedingungen des Stufenschalters während des Betriebs geben. Diese Angaben können dann zum durchgehenden oder zeitweisen bzw. intervallartigen Überwachen und/oder Steuern des Betriebs des Stufenschalters verwendet werden. Als eine Folge, können die Indikatoren zum Alarmieren des Operators verwendet werden, falls die Betriebsbedingungen derart sind, dass die Sicherheitsschwellen bzw. -schwellenwerte verletzt werden können, falls die Stromlast ansteigt. Der Operator kann dann erforderliche Maßnahmen ausführen, um die fehlerhaften Zustände zu reparieren oder zu kompensieren, bevor teure Schäden auftreten. Derartige Maßnahmen können dann als zweckdienlicher Moment bei dem Betrieb des Stufenschalters vorgesehen bzw. geplant werden.
In 1 ist das grundlegende Prinzip, auf dem die Zustandsdiagnose der vorliegenden Erfindung beruht, dargestellt. 1 stellt schematisch die Ströme bzw. Flüsse von Wärme in und aus einem Fluid dar, das den Stufenschalter zusammen mit der durch den Stufenschalter erzeugten Wärme kühlt. Der aktuelle Wärmegehalt 90 des Stufenschalters ist von der erwarteten Wärmemenge 92, die durch den Stufenschalter erzeugt wird und einem erwarteten resultierenden bzw. sich ergebenden Wärmeaustausch von/zu dem Stufenschalter abhängig. Der erwartete sich ergebende Wärmeaustausch besteht wiederum aus zwei unterschiedlichen Wärmeaustauschbeiträgen, einem Wärmeaustausch 94 zwischen dem Fluid und der den Stufenschalter umgebenden Umgebungsluft und einem Wärmeaustausch 96 zwischen dem Fluid und der induktiven Energievorrichtung, die der Stufenschalter steuert. Beide Wärmeaustausche 94, 96 können theoretisch positiv, negativ oder null sein. Der Wärmeaustausch 94 zwischen dem Fluid und der Umgebungsluft ist in der vorliegenden Beschreibung positiv definiert, falls Wärme von der Luft in das Fluid strömt und negativ, falls das entgegengesetzte wahr ist, das heißt, Wärme von dem Fluid in die Luft strömt. Als Folge ist die Umgebungstemperatur höher als die Temperatur des Fluid höher, falls der Wärmeaustausch 94 positiv ist. Der Wärmeaustausch 96 zwischen dem Fluid und der induktiven Energievorrichtung ist in der vorliegenden Erfindung positiv definiert, falls Wärme von der induktiven Energievorrichtung in das Fluid strömt. Bei einem negativen Wärmeaustausch 96 strömt Wärme von dem Fluid in die induktive Energievorrichtung. Folglich impliziert ein positiver Wärmeaustausch 96 eine höhere Temperatur der induktiven Energievorrichtung als die Fluidtemperatur des Stufenschalters. Es wird angemerkt, dass die Temperatur der induktiven Energievorrichtung tatsächlich die Temperatur des Fluids ist, das die induktive Energievorrichtung kühlt, um jedoch jegliches Risiko eines Vermischens der Temperatur des Fluids, das den Stufenschalter kühlt und isoliert und der Temperatur des Fluids, das die induktive Energievorrichtung kühlt zu verringern, wird die letztere in der vorliegenden Beschreibung einfach als die Temperatur der induktiven Energievorrichtung bezeichnet.
Die Zustandsdiagnose der vorliegenden Erfindung erfasst eine aktuelle bzw. momentane Temperatur des den Stufenschalter kühlenden Fluids. Die erwartete Menge einer durch den Stufenschalter erzeugten Wärme 92 und der erwartete sich ergebende Wärmeaustausch des Stufenschalters werden dann bestimmt. Diese Wärmebeiträge werden anschließend mit der erfassten Fluidtemperatur verglichen, um irgendeinen nicht erwarteten Vorgang bzw. Betrieb zu detektieren. Folglich vergleicht und bewertet die Zustandsdiagnose Wärmebeiträge zusätzlich zu der erfassten Fluidtemperatur in dem Stufenschaltersystem, und leitet Anzeichen bzw. Hinweise von Wärmeausgleichen des Systems ab. Dies steht im Gegensatz zu den Systemen des Standes der Technik, die hauptsächlich auf Temperaturerfassungen und Temperaturschutz gerichtet waren. Die Notfallmaßnahmen dieser Systeme des Standes der Technik bestehen in einer Verminderung der Temperatur, das heißt dem Wärmegehalt 90 des Stufenschalters. Deren Hauptziel besteht somit darin die Wärme 90, oder die Fluidtemperatur des Stufenschalters, daran zu hindern nicht zu groß zu werden, was schematisch mit den Pfeilen 98 dargestellt ist.
Die Zustandsdiagnose der vorliegenden Erfindung wird nun mit einem Stufenschalter beschrieben, der eine induktive Energievorrichtung in der Form eines Energiewandlers, steuert und reguliert. Wie es ein Fachmann versteht, stellt ein Wandler bzw. Transformator lediglich eine erläuternde Ausführungsform einer induktiven Energievorrichtung dar, an der ein Stufenschalter gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann. Die Erfindung ist somit nicht auf Wandler beschränkt, sondern kann ebenfalls auf andere induktive Energievorrichtungen, wie beispielsweise Reaktoren, angewendet werden.
In 2 ist ein Stufenschalter 1, der in einem Tank 2 eingetaucht ist, der ein kühlendes und isolierendes Fluid 3 beinhaltet, dargestellt. Der Stufenschalter 1 steuert und reguliert durch Schalten zwischen unterschiedlichen festen Kontakten oder Stufen einer regulierenden Windung 6 des Wandlers 5 die Ausgabespannung eines Wandlers 5. Das Fluid 3 des Stufenschalters 1 funktioniert sowohl als kühlendes Medium, das durch den Stufenschalter 1 erzeugte Wärme gewöhnlich durch Wärmeableitung durch die Wände des Tanks 2 des Stufenschalters auf die Umgebungsluft überträgt, als auch als ein isolierendes Medium.
Der Stufenschalter 1 von 2 ist mit einer Anzahl von Sensoren 20, 22, 24 und 26 bereitgestellt, die eine entsprechende Temperatur des Fluids 3, der Umgebungstemperatur, der Temperatur des Wandlers 5 als auch des Laststrom durch den Stufenschalter 1 registrieren. Die Temperatur des Fluids 3, das den Stufenschalter 1 kühlt und isoliert, wird durch ein Thermometer 20 erfasst, das in dem Tank 2 des Stufenschalters angeordnet vorliegt. Das Thermometer 20 wird vorzugsweise in dem oberen Bereich des Tanks 2 angeordnet, wodurch folglich eine obere Fluidtemperatur erfasst wird.
Die Umgebungstemperatur stellt eine Erfassung der Temperatur der Luft dar, die den Stufenschalter 1 umgibt. Diese Temperatur wird durch ein vom Wetter geschütztes Thermometer 22 erfasst, das in der Umgebung bzw. Nähe des Tanks 2 des Stufenschalters, vorzugsweise in unmittelbarem Kontakt mit der umgebenden Luft, angeordnet vorliegt.
Ein Thermometer 24 in dem Wandler 5 erfasst die Temperatur des Wandlers 5, tatsächlich die Temperatur des Fluids, das den Wandler 5 kühlt, dessen Kern und regulierenden Windungen 6.
Es ist eine Abtaster-Spule bzw. ein Tastkopf 27 angeordnet, um eine direkte Beurteilung des Laststroms durch den Stufenschalter 1 zu erhalten. Der Tastkopf 27 wird wiederum, beispielsweise durch ein Amperemeter 26 oder ein ähnliches Stromerfassungsmittel, überwacht.
Die durch die Sensoren registrierten Daten werden dann an/auf Temperaturverbindungen 30, 32, und 34 und einer Stromverbindung 36 an eine Zustandsdiagnosevorrichtung 4 weitergeleitet. Die Zustandsdiagnosevorrichtung 4 kann in Verbindung mit dem Tank 2 des Stufenschalters, eingebaut als ganzes in Fernbedienungssystemen oder teilweise eingebaut in Verbindung mit dem Tank 2 des Stufenschalters und teilweise in Fernbedienungssystemen, bereitgestellt werden.
Der, wie in 2, dargestellte Tank 2 des Stufenschalters ist außerhalb eines die regulierenden Windungen 6 beinhalteten Wandlertanks 7 angeordnet. Wie jedoch in 3 dargestellt ist, können der Stufenschaltertank 2A, 2B entweder an der Außenseite des Wandlertanks 7 angebracht oder in den Wandlertank 7 vorragend, eingefügt sein. Für große Wandler ist der Stufenschaltertank 2A höchst oft in dem Wandlertank 7 eingefügt angeordnet, wohingegen für kleinere Wandler der Stufenschaltertank 2B, wie in 1, das heißt, auf der Außenseite des Wandlertanks 7 angebracht sein kann. Das Zustandsdiagnoseverfahren der vorliegenden Erfindung kann auf beide Typen von Stufenschalter angewendet werden. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Stufenschaltertypen in 3 besteht darin, dass der Unterschied zwischen der Wandlertemperatur und der tatsächlichen Temperatur des Stufenschalterfluids gewöhnlich für in 2A des Wandlertanks 7 angebrachte Stufenschalter kleiner bzw. geringer ist als für jene, die außerhalb 2B davon angebracht vorliegen. Ein anderer Unterschied besteht darin, dass der Bereich durch den Wärme von dem Fluid des Stufenschalters an die Umgebungsluft abgeleitet werden kann für auf der Innenseite angebrachte Stufenschalter 2A geringer ausfällt als für auf der Außenseite 2B angebrachte. Tatsächlich kann das vorliegende Zustandsdiagnoseverfahren auf irgendeinen Stufenschalter angewendet werden, ungeachtet wo er in Bezug auf den Wandler angeordnet, steuernd und regulierend, ist.
Um zu verstehen, wie der Stufenschalter während des Betriebs Wärme erzeugt und mögliche Quellen, die die Wärmerzeugung, beispielsweise bei Vorrichtungsschäden, er höhen, stellen 4a–4e einen Stufenschalter 1 während eines möglichen Schaltbetriebs ausführlicher dar. In 4a ist ein Hauptkontakt 14 mit einem festen Kontakt oder einer Stufe 15 verbunden, der/die wiederum mit einer regulierenden Windung 6 eines Wandlers verbunden vorliegt. Ein erster 11 und ein zweiter 13 Übergangskontakt mit entsprechendem ersten 10 und zweiten 12 Übergangswiderstand sind offen und ruhen bzw. lagern in Räumen zwischen den festen Kontakten. Als Folge wird der gesamte Laststrom I durch den Hauptkontakt 14 getragen. In den folgenden Fig. schaltet der Stufenschalter 1 von dem festen Kontakt 15 auf den nächsten festen Kontakt 16.
Erstens, der erste Übergangskontakt 11 ist mit dem festen Kontakt 15 verbunden. In dieser Position ist sowohl der Hauptkontakt 14 als auch der erste Übergangskontakt 11 mit dem festen Kontakt 15 verbunden. Der Hauptkontakt 14 wird anschließend, wie in 4b, von dem festen Kontakt gelöst. Der Laststrom I fließt nun durch den ersten Übergangskontakt 11 und dessen assoziierten ersten Übergangswiderstand 10. Bei diesem Schritt wird aufgrund des Flusses des Laststroms I durch den ersten Übergangswiderstand 10 eine erhöhte Wärmemenge erzeugt.
In dem nächsten Schritt, dargestellt in 4c, wird der Stufenschalter 1 so bewegt, dass der zweite Übergangskontakt 13 mit dem nächsten festen Kontakt 16 verbunden wird, der gleichzeitig, wie der erste Übergangskontakt 11, immer noch mit dem festen Kontakt 15 verbunden ist. Der Laststrom I wird im Wesentlichen in zwei gleiche Teile zwischen dem ersten 11 beziehungsweise dem zweiten 13 Übergangskontakt aufgeteilt. Außerdem entsteht ein zirkulierender Strom Ic, der durch den ersten 11 und zweiten 13 Übergangskontakt mit assoziierten Übergangswiderständen 10, 12 und den zwei festen Kontakten 15, 16 strömt, mit denen der Stufenschalter 1 verbunden vorliegt. Aufgrund des ersten 10 beziehungsweise zweiten 12 Übergangswiderstands ist der zirkulierende Strom Ic begrenzt. Bei diesem Schritt wird aufgrund des Flusses von sowohl dem Laststrom I als auch dem zirkulierenden Strom Ic durch die Übergangswiderstände 10, 12 eine sogar größere Menge von Wärme erzeugt.
Der erste Übergangskontakt 11 wurde von dem festen Kontakt 15, in 4d, gelöst. Der zweite Übergangskontakt 12 ist jedoch immer noch mit dem nächsten festen Kontakt 16 verbunden und trägt folglich; zusammen mit dessen assoziiertem Übergangswiderstand 12; den gesamten Laststrom I. Wärme wird, wie in 4b, aufgrund des Flusses des Laststroms I durch einen der Übergangswiderstände, in diesem Fall dem zweiten Übergangswiderstand 12, erzeugt.
Der Hauptkontakt 14 wird dann mit dem nächsten festen Kontakt 16 verbunden, der ebenfalls mit dem zweiten Übergangskontakt 12 verbunden vorliegt. Der Schaltvorgang ist in 4e beendet, in der der Hauptkontakt 14 mit dem nächsten festen Kontakt 16 verbunden ist, wobei der zweite Übergangskontakt 13 gelöst wurde. Folglich wird in dieser Position der Laststrom I lediglich durch den Hauptkontakt 14 getragen.
Eine Fehlfunktion, die einen nicht erwarteten Betriebszustand bewirken kann, besteht in einem erhöhten Widerstand in einem beliebigen der stromführenden Kontakte des Stufenschalters 1. Dieser Anstieg kann verschiedene Gründe aufweisen, wobei jedoch ein Fehlen bzw. Ausbleiben von Vorgängen oder äußerst wenige Schaltvorgänge normalerweise den Grund oder zumindest einen Teil des Grundes darstellen. Ebenfalls kann ein Abscheiden von gebildetem Verfallsprodukten auf den Kontakten deren Widerstand erhöhen. Falls der Widerstand des Stufenschalters 1 ansteigt, steigt ebenfalls die durch den Laststrom I erzeugte Wärme. Somit bewirkt die Fehlfunktionssituation eine erhöhte Menge an Wärmebildung, die Probleme bei dem Betrieb des Stufenschalters 1 und in extremen Situationen ebenfalls Vorrichtungsschäden bewirken kann.
Eine andere Fehlfunktionssituation, die eine nicht erwartete Wärmebildung bewirkt, besteht darin, dass der Stufenschalter 1 in einer Zwischenposition hängen bleibt oder während des Schaltvorgangs zu langsam arbeitet. Diese Zwischenposition entspricht, in 4b–d, den Positionen des Stufenschalters 1. In diesen Positionen fließt der Laststrom I, oder der Laststrom I und der zirkulierende Strom Ic in 4c, durch die Übergangswiderstände 10, 12. Die Stromflüsse durch die Widerstände 10, 12 bewirken eine Wärmebildung, die wiederum das Fluid erwärmt. Falls der Stufenschalter 1 dauerhaft hängen bleibt, werden die Übergangswiderstände 10, 12 mit dem Risiko von ernsthaften Schäden an dem Stufenschalter als auch dem Wandler durchbrennen. Falls der Stufenschalter 1 jedoch zu langsam arbeitet, so dass der Schaltvorgang längere Zeit braucht als erwartet, kann die erzeugte Wärme nicht groß genug sein, um die Übergangswiderstände 10, 12 durchzubrennen. Ein derart verlängerter Schaltvorgang kann in der Größenordnung von Sekunden oder mit gewissen Vorrichtungsschäden in der Größenordnung von Minuten ablaufen. Verglichen mit der Wärme, die durch einen erhöhten Widerstand von Kontakten erzeugt wird, wird mit einem hängen gebliebenen oder langsam schaltenden Stufenschalter 1 sehr viel mehr Wärme, während einer viel kürzeren Zeit, erzeugt.
Um den Vergleich des Zustandsdiagnoseverfahrens der vorliegenden Erfindung auszuführen, ist eine aktuelle Temperatur T_tap des Stufenschalterfluids erforderlich. Diese aktuelle Fluidtemperatur T_tap wird vorzugsweise von unmittelbaren Temperaturerfassungen erhalten. Das Fluid des Stufenschalters wird in den meisten Betriebsbedingungen in zwei unterschiedliche Fluidfraktionen, eine niedrigere Kühlfraktion und eine warme obere Fraktion aufgeteilt. Während des Betriebs wärmt der Stufenschalter das umgebende Fluid. Wird das Fluid warmer floated bzw. fließt es aufwärts zu der oberen Fraktion, die warme Anteile des Fluids beinhaltet. Von dieser Fraktion wird normalerweise Wärme durch den Stufenschaltertank zu der umgebenden Luft abgeleitet. Wenn Wärme das Fluid verlässt, wird sie kühler und floated zu der niedrigeren Fluidfraktion zurück. In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird lediglich die Temperatur des oberen Fluids erfasst. Da diese Temperatur meistens die höchste Temperatur des Fluids darstellt, ist es bedeutsam, dass sie erfasst und überwacht wird, um sie zu detektieren, falls die Fluidtemperatur die Sicherheitsschwellenwerte überschreitet. Die Temperaturverteilung in jeder Fluidfraktion ist nahezu über das gesamte Fluidvolumen der entsprechenden Fraktion homogen. Es kann folglich ausreichend sein die obere Fluidtemperatur an lediglich einer Stelle zu erfassen. In mehreren nicht stationären Vorgängen, bei denen die Temperaturverteilung noch nicht homogen wurde, können an verschiedenen Stellen in dem oberen Fluidanteil mehrere Thermometer angeordnet werden. Die aktuelle Fluidtemperatur T_tap wird dann durch mitteln der Erfassungen bzw. Messungen von allen oder einigen dieser Thermometer erhalten. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nicht nur die obere Fluidtemperatur, sondern ebenfalls die untere Fluidtemperatur erfasst. In dieser Ausführungsform werden Thermometer sowohl an oberen als auch unteren Stellen in dem Stufenschaltertank angeordnet. Folglich werden, um die aktuelle Fluidtemperatur T_tap zu erhalten, die obere und untere Fluidtemperatur gemittelt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass mehrere Thermometer in den oberen und/oder unteren Fluidfraktionen vorhanden sind, wobei die erfassten Werte von einigen oder allen dieser Thermometer bei der Temperaturmittlung verwendet werden.
Die erwartete Wärmemenge Q expected / heat, die durch den Stufenschalter erzeugt wurde, ist vorzugsweise die erwartete Menge von Wärme, die durch einen Widerstand der Stromleitungen und dem Hauptkontakt des Stufenschalters Q_resistance und den Schaltvorgängen Q_switching bewirkt wird. Somit ist die erwartete Menge von Wärme Q expected / heat eine Summe von diesen zwei Wärme erzeugenden Beiträgen, das heißt berechnet als: Qexpectedheat = Qresistance + Qswitching.
Die Wärme Q_resistance, die wegen des Widerstandes erzeugt wird, wenn in 4a und 4e der Laststrom I durch die Stromleitungen und den Hauptkontakt fließt. Der Hauptkontakt und die Stromleitungen weisen, wegen der Materialeigenschaften des Kontakts und der Leitungen, einen Widerstand R auf, der größer als Null ist. Der Laststrom I, der durch die nicht Null Widerstand-Stromleitungen und den Hauptkontakt floated bzw. fließt, erzeugt Wärme, die in das umgebende dadurch erwärmte Fluid abgeleitet wird. Die Wärme Q_resistance, die wegen des Widerstandes erzeugt wurde, kann als eine Vereinfachung bestimmt werden aus: Qresistance = RI2Δt,Worin R der Widerstand der Stromleitungen und des Hauptkontaktes des Stufenschalters ist und Δt das Zeitintervall, während dem der Laststrom I fließt. Ein besseres Modell wurde darin bestehen, dass die erzeugte Energie zu einem Zeitpunkt unter Verwendung des Laststroms I zu dem bestimmten Moment berechnet wird, wobei dann erneut einmal die erzeugte Energie zu einem anderen Moment unter Verwendung des Laststroms I dieses Momentes berechnet wird. Um die erzeugte Wärme Q_resistance zu erhalten, die aufgrund des Widerstandes des Stufenschalters erzeugt wird, werden zwei zeitlich getrennte berechnete Energien gemittelt und mit dem sie trennenden Zeitintervall multipliziert. Ein anderes Modell könnte auf mehreren Erfassungen des Laststroms I über die Zeit und Berechnungen der erzeugten Energie zu jedem Erfassungszeitpunkt basieren. Der Widerstand, der Q_resistance erzeugt, wird dann durch Mitteln aller berechneten Energien und Multiplizieren mit der Länge des Zeitintervalls erhalten. Falls der Laststrom I als eine Funktion der Zeit ausgedrückt werden kann, dann kann die erzeugte Wärme Q_resistance aus der Integration über die Zeit erhalten werden.
Ein Berechnungsmodell für die Wärme Q_switching, die durch die Schaltvorgänge des Stufenschalters erzeugt wird, ist davon abhängig wie das tatsächliche Schalten ausgeführt wird. Unterschiedliche Schaltvorgänge, wie beispielsweise ein symmetrischer Flag-Zyklus (flag cycle), sind, abhängig von der aktuellen Gestaltung des Stufenschalters, möglich. Beispielsweise kann die Anzahl der Schritte des Schaltens von Stufenschalter zu Stufenschalter variieren. Das nachfolgende Berechnungsmodell basiert auf einem Schaltvorgang gemäß 4a–4c. Somit besteht das vorliegende Modell der Wärme Q_switching, die durch das Schalten erzeugt wird, im Wesentlichen aus drei Beiträgen, die der Position des Stufenschalters in 4b–4c entsprechen. Die Wärme Q_switching, die durch das Schalten erzeugt wird, kann als eine Vereinfachung ausgedrückt werden:
worin R_trans ein Übergangswiderstand ist, I_C ein zirkulierender Strom ist und Δt₁, Δt₂, Δt₃ Zeitintervalle sind, während denen die unterschiedlichen Schaltschritte stattfinden.
In 4b ist der erste Ausdruck in dem Ausdruck für die durch das Schalten erzeugte Wärme Q_switching die Wärme, die bewirkt wird, wenn der erste Übergangskontakt 11 mit dem festen Kontakt 15 verbunden wird. Der Laststrom I fließt dann mit einem Widerstand von R_trans durch den ersten Übergangswiderstand 10.
Der zweite Term bzw. Ausdruck des Ausdrucks der durch das Schalten erzeugten Wärme Q_switching entspricht dem Schritt in 4c. In diesem Schritt werden die beiden Übergangskontakte 11, 13 mit der regulierenden Windung 6 durch die festen Kontakte 15, 16 verbunden. Somit floated die Hälfte des Laststroms I durch jeden Übergangswiderstand 10, 12, falls deren entsprechender Widerstand R_trans gleich ist. Zusätzlich zu diesem geteilten Laststrom I fließt ein zirkulierender Strom Ic durch die Übergangswiderstände 10, 12. Dieser Strom Ic entsteht aufgrund einer Spannung zwischen den zwei festen Kontakten 15, 16. Als eine Folge beträgt der Gesamtstrom durch einen Übergangswiderstand 12 der Übergangswiderstände die Hälfte des Laststroms I plus den zirkulierenden Strom Ic, wohingegen für den anderen Übergangswiderstand 10 der Gesamtstrom die Hälfte des Laststroms I minus des zirkulierenden Stroms Ic beträgt. Um die gesamte erzeugte Energie zu erhalten, werden die erzeugten Energien von den zwei Übergangswiderständen 10, 12 addiert.
Der dritte und in dem Berechnungsmodell letzte Term für die durch das Schalten erzeugte Wärme Q_switching entspricht 4d. In dieser Fig. wird der zweite Übergangskontakt 13 mit dem festen Kontakt 16 so verbunden, dass der Laststrom I mit einem Widerstand R_trans durch den zweiten Übergangswiderstand 12 fließt.
In dem Berechnungsmodell für den vorstehend erwähnten Schaltvorgang Q_switching wird angenommen, dass der erste Übergangswiderstand 10 und der zweite Übergangswiderstand 12 eine gleiche Größeordnung bei deren assoziierten Widerständen R_trans aufweisen. Es kann für einige Stufenschalter möglich sein, dass der Widerstand des ersten Übergangswiderstands 10 von dem Widerstand des zweiten Widerstands 12 verschieden ist. Das Berechnungsmodell muss dann gemäß dem unterschiedlichen Widerstandswert bestätigt bzw. angepasst werden. Die Anzahl von Übergangswiderständen variiert für unterschiedliche Typen von Schaltprinzipien, wobei die Formel dann entsprechend angepasst werden sollte.
Der erwartete resultierende Wärmeaustausch Q expected / exchange des Stufenschalters besteht vorzugsweise aus zwei Wärmeaustauschbeiträgen, einem Wärmaustausch Q_amb zwischen dem Fluid des Stufenschalters und der Umgebungsluft und einem Wärmeaustausch Q_tr zwischen dem Fluid und dem Wandler. Folglich kann der sich ergebende Wärmeaustausch Q expected / exchange ausgedrückt werden als: Qexpectedexchange = Qtr + Qamb.
In einem bevorzugten Berechnungsmodell wird der Wärmeaustausch Q_amb basierend auf einem Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur T_amb und der aktuellen Fluidtemperatur T_tap bestimmt. Als eine Folge kann der Wärmeaustausch Q_amb zwischen der Umgebungsluft und dem Stufenschalter ausgedrückt werden als: Qamb = fkn(Tamb – Ttab)Δt,worin Δt ein Zeitintervall während dem die Temperaturen erfasst werden und fkn() eine Funktion darstellt. Die Funktion ist nicht nur von dem Temperaturunterschied zwischen Umgebungs- und Stufenschalter-Temperaturen abhängig, sondern ebenfalls, beispielsweise von geometrischen Betrachtungen, einer spezifischen Wärmekapazität des Fluids beziehungsweise der Luft, Strömungs- bzw. Fließbedingungen innerhalb und außerhalb des Stufenschalters, etc.. Folglich sollten um den Wärmeaustausch Q_amb zu berechnen diese Faktoren berücksichtigt werden. Erfassungen der Umgebungstemperatur T_amb können an verschiedenen Stellen in der Umgebung des Stufenschaltertanks mit einem oder mehreren Thermometern ausgeführt werden.
Der Wärmeaustausch Q_tr wird vorzugsweise basierend auf einem Unterschied zwischen der Temperatur des Wandlers T_tr und der aktuellen Fluidtemperatur T_tap bestimmt. Der Wärmeaustausch Q_tr kann folglich ausgedrückt werden als: Qtr = fkn(Ttr – Ttab)Δt,worin Δt ein Zeitintervall während dem die Temperaturen erfasst werden und fkn() eine Funktion ist. Wie für die Funktion des Wärmeaustauschs Q_amb zwischen der Luft und dem Stufenschalter, hängt die Funktion nicht nur von der Temperaturdifferenz zwischen Wandler und Stufenschalter ab, sonder ebenfalls, beispielsweise von geometrischen Betrachtungen, der spezifischen Wärmekapazität des Stufenschalterfluids bzw. des Fluids des Wandler, Fließbedingungen innerhalb und außerhalb des Stufenschalters und Wandlers, etc.. Die Wandlertemperatur T_tr kann mit einem oder mehreren Thermometern erfasst werden. Eine obere und untere Wandlertemperatur kann vorzugsweise jeweils entsprechend zu der oberen und unteren Temperatur des Wandlerfluids erfasst werden. Die Wandlertemperatur T_tr kann dann durch Mitteln dieser unterschiedlichen Temperaturerfassungen erhalten werden.
Der erwartete sich ergebende Wärmeaustausch Q expected / exchange kann positiv, negativ oder null sein. In dem ersten Fall, das heißt bei einem positiven Wert besteht ein Netto-Wärmefluss in das Fluid, das dadurch erwärmt wird. Falls andererseits der erwartete sich ergebende Wärmeaustausch Q expected / exchange negativ ausfüllt, dann besteht ein Netto-Wärmefluss aus dem Fluid, wohingegen ein Null-Wert einem Null-Netto-Wärmefluss entspricht.
Die vorstehend erwähnten Berechnungsmodelle zum Berechnen der durch den Widerstand des Stufenschalters oder während der Schaltvorgänge erzeugten Wärme und der Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Luft oder dem Fluid und dem Wandler stellen lediglich erläuternde Beispiele möglicher thermodynamischer Modelle dar. Wie vorstehend erwähnt, ist das Modell für den Schaltvorgang davon abhängig, wie das aktuelle Schalten ausgeführt wird. Ebenfalls kommen für die anderen Wärmebeiträge und Austausche andere Modelle vor, die mehr oder weniger Faktoren bei den Berechnungen berücksichtigen und eine mehr oder weniger genaue Berechnung ergeben.
Es wird anschließend ein Vergleich zwischen der aktuellen Temperatur T_tap des Fluids, der erwarteten Menge an durch den Stufenschalter erzeugten Wärme Q expected / heat und dem erwarteten resultierenden Wärmaustausch Q expected / exchange des Stufenschalters ausgeführt, um Angaben von Wärmeausgleichen des Stufenschaltersystems zu erhalten. Der Vergleich wird vorzugsweise durch Berechnen einer erwarteten Temperatur T expected / tap des Fluids, basierend auf der erwarteten erzeugten Wärme Q expected / heat und dem erwarteten resultierenden Wärmeaustausch Q expected / exchange ausgeführt. In einem möglichen Berechnungsmodell wird die erwartete Fluidtemperatur T expected / tap bestimmt als:
worin c_fluid und m_fluid eine spezifische Wärmekapazität beziehungsweise eine Masse des Fluids darstellen, und Q previous / tap stellt einen vorhergehenden Wärmegehalt des Fluids dar. Die erwartete Änderung in der Fluidtemperatur wird durch Summieren der erwarteten erzeugten Wärme Q expected / heat, des erwarteten Wärmeaustausches Q expected / exchange und des vorherigen Wärmegehaltes Q previous / tap und Teilen der Summe durch die Masse m_fluid und die spezifische Wärmekapazität c_fluid des Fluids erhalten. Die spezifische Wärmekapazität c_fluid und die Masse m_fluid stellen charakteristische Eigenschaften des verwendeten Fluids dar und werden normalerweise von dem Wandlerhersteller, aus der Standardliteratur oder durch Erfassung erhalten.
Der erste vorhergehende Wärmegehalt des Fluids Q previous / tap wird einfach und genau von den Temperaturerfassungen, beispielsweise zu Beginn oder Neustart des Stufenschalters und Wandlers berechnet. Der berechnete vorherige Wärmegehalt Q previous / tap kann dann in einem Speicher gespeichert werden. Ein anschließender vorheriger Wärmegehalt Q previous / tap, der in einer anschließenden Zustandsdiagnose verwendet wurde, kann ausgehend von dem gespeicherten Wert des vorherigen Wärmegehalts Q previous / tap berechnet werden, wobei die Änderung im Wärmegehalt des Fluids, das heißt der erwartete erzeugte Wärmeeinstrom Q expected / heat und der erwartete sich ergebende Wärmeaustausch Q expected / exchange, hinzugefügt wird.
Die berechnete erwartete Temperatur T expected / tap wird anschließend mit der aktuell erfassten Temperatur T_tap des Fluids verglichen. Eine Gleichheitsdivergenz (divergence of equality) zwischen der aktuellen T_tap und der erwarteten T expected / tap Fluidtemperatur kann eine Angabe eines nicht erwarteten Betriebszustandes, einschließlich eines erhöhten Kontaktwiderstandes, eines hängen gebliebenen oder langsam schaltenden Stufenschalters und/oder externer Faktoren, wie beispielsweise Wetterbedingungen, sein. Falls eine nicht erwartete Wärme erzeugende Quelle, ob intern in Form von Vorrichtungsschäden oder extern, vorhanden ist, ist die erwartete Temperatur T expected / tap meistens geringer als die aktuelle eine T_tap. Ein Verhältnis zwischen der aktuellen T_tap und der erwarteten T expected / tap Fluidtemperatur kann berechnet werden. Während idealer erwarteter Betriebsbedingungen wäre dieses Verhältnis nahezu Eins. Eine Einheitsdivergenz (divergence of unity) kann dann eine Angabe einer nicht erwarteten Operation sein.
Komplementär zum Ausführen der Zustandsdiagnose kann, basierend auf einem Einzelvergleich, zwischen der erfassten aktuellen Fluidtemperatur und der berechneten erwarteten Fluidtemperatur, das allgemeine Zustandsverhalten über die Zeit verwendet werden. Mehrere Berechnungen der erwarteten erzeugten Wärme Q expected / heat und dem erwarteten resultierenden Wärmaustausch Q expected / exchange können über die Zeit ausgeführt werden.
Zu jedem Zeitpunkt oder jeder Probe wird die erwartete Temperatur T expected / tap des Fluids aus der berechneten erwarteten erzeugten Wärme Q expected / heat und dem resultierenden Wärmeaustausch Q expected / exchange, beispielsweise unter Verwendung der vorstehend erwähnten Berechnungsmodells, bestimmt. Das Verhältnis zwischen der aktuellen Fluidtemperatur T_tap und der erwarteten Temperatur T expected / tap kann, wie in 5, gegen die Zeit aufgetragen werden.
5 stellt zwei derartige Verhältnisse gegen die Zeit für zwei unterschiedliche Fehlfunktionen dar. Ausgehend von der Linie 140, entspricht diese Linie 140 dem allgemeinen Verhalten eines Stufenschalters mit einem erhöhten Kontaktwiderstandsproblem. Der erhöhte Widerstand des Stufenschalters führt zu einer nicht erwarteten Wärmeerzeugung. Ein Anstieg beim Kontaktwiderstand ist jedoch ein verhältnismäßig langsamer Vorgang. Als Folge baut sich der Widerstand über den Kontakten auf und steigt über die Zeit an, was einen langsamen Anstieg bei der erzeugten Wärme über die Zeit einschließt. Es dauert folglich in der Größenordnung von Monaten, um das Widerstandsproblem zu detektieren, falls die Zustandsdiagnose lediglich auf Erfassungen der Fluidtemperatur basiert. Mit einer Zustandsdiagnose jedoch der vorliegenden Erfindung, kann das Widerstandsproblem viel früher, durch beispielsweise ein Berechnen des Temperaturverhältnisses an einigen unterschiedlichen Zeitpunkten und anschließender Ausschau für irgendeinen Trend eines ansteigenden Temperaturverhältnisses, wie beispielsweise der Linie 140, detektiert werden.
Das Verhalten eines anderen Wärme erzeugenden Fehlfunktionierens gegenüber einem Stufenschalter, der vorübergehend in einer Zwischenposition während eines Schaltvorgangs hängen geblieben ist oder einem Stufenschalter mit einem zu langsamen Schaltvorgang wird mit der Kurve 150 dargestellt. Dieser Verlauf einer Wärmeerzeugung ist viel schneller als die Wärme von dem erhöhten Kontaktwiderstand. Es wird eine ziemlich große Menge von Wärme wird durch die Spitze der Kurve 150 repräsentiert. Dieser Verlauf von Ereignissen dauert in der Größenordnung von Minuten, manches mal schneller und manches mal kürzer. Falls keine Maßnahmen vollzogen werden, können die Wandlerwiderstände aufgrund der allgemeinen Wärme tatsächlich durchbrennen. Die vorliegende Zustandsdiagnose weist, verglichen mit der Zustandsdiagnose des Standes der Technik, eine größere Möglichkeit auf die erforderlichen Maßnahmen zu detektieren und auszuführen bevor irgendwelche Einrichtungsschäden auftreten. Eine Angabe eines nicht funktionierenden Schaltvorgangs kann vorliegen, wenn die Spitze der Kurve 150 ein Weg- bzw. Reiseniveau bzw. Trip-Level 160 übersteigt. Der Level dieses Trip-Levels 160 ist vorzugsweise so ausreichend niedrig, dass das Fehlfunktionieren detektiert und Diagnosemaßnahmen ausgeführt werden können, bevor irgendeine zusätzliche Einrichtung aufgrund der erhöhten Wärmeerzeugung beschädigt wird. Ein schnellerer Weg ein nicht funktionierendes Schalten zu detektieren, bestehet darin die Steigung 155 der Spitze der Kurve 150 zu betrachten. Eine zu große Steigung kann ein Hinweis für eine Fehlfunktion sein und Diagnosemaßnahmen können dann ausgeführt werden. Falls die Temperatur des Fluids häufig genug erfasst und berechnet wird, kann es möglich sein das nicht funktionierende Schalten, basierend auf der Steigung 155 in weniger als Minuten zu detektieren, das heißt bevor die Trip-Level 160 überstiegen sind. Falls eine Einrichtung in Situationen geschützt werden soll, in denen das Fehlfunktionieren eine große Wärmeerzeugung bewirkt, kann diese frühe Detektion sehr bedeutsam werden.
Es besteht ebenfalls die Möglichkeit den Vergleich zwischen einem aktuellen Wärmegehalt des Fluids, dem vorherigen Wärmegehalt des Fluids und der erwarteten Menge einer erzeugten Wärme und dem erwarteten resultierenden Wärmeaustausch anstelle einen zwischen den aktuellen und erwarteten Fluidtemperaturen auszuführen. Von der aktuellen Temperatur des Fluids kann der aktuelle Wärmegehalt davon unter Verwendung der Masse und spezifischen Wärmekapazität des Fluids berechnet werden. Eine Ausführung von diagnostischen Maßnahmen basiert dann auf einem Vergleich zwischen dem aktuellen Wärmegehalt des Fluids und einem erwarteten Wärmegehalt, der als die Summe des vorherigen Wärmegehalts, der erwarteten erzeugten Wärme und des erwarteten resultierenden Wärmeaustausches definiert wird. Bei einem idealen erwarteten Betrieb des Stufenschalters wird der erwartete Wärmegehalt im Wesentlichen dem aktuellen Wärmegehalt gleichen. Nicht-Gleichheit ist ein Hinweis von nicht erwarteten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise einer extra bzw. zusätzlichen Wärmeerzeugung, beispielsweise aufgrund eines erhöhten Kontaktwiderstands und/oder eines Fehlschaltungsvorgangs.
Die Maßnahmen, die auf der Vergleichsdiagnose basieren, umfassen einen/eine Hinweis bzw. Angabe einer Fehlerfunktion und können ausgeführt werden, falls gefolgert wird, dass eine nicht erwartete Wärmeerzeugung vorhanden ist. Dieser Hinweis kann in der Form von visuellen/audio Indikatoren vorliegen, die einen Operator über den nicht erwarteten Betrieb durch Blitzen einer Alarmlampe alarmieren. Information von diesem Hinweis kann ebenfalls zu einem Fernanzeigemittel und/oder einem durch einen Operator getragenes tragbares Anzeigemittel übertragen bzw. gesendet werden. Der Operator kann anschließend die Fehlfunktionen korrigieren oder kann während des Betriebs des Stufenschalters die externen Faktoren kompensieren.
Das Zustandsdiagnoseverfahren der vorliegenden Erfindung ist in 6 und 7a–c zusammengefasst. Die Zustandsdiagnose startet mit Schritt 100 von 6. In Schritt 102 wird die aktuelle Temperatur des Fluids vorzugsweise von unmittelbaren Temperaturerfassungen des Fluids erhalten. Die erwartete Menge erzeugter Wärme wird in Schritt 104 gewöhnlich, basierend auf einem Laststrom des Stufenschalters, bestimmt. In Schritt 110 wird der erwartete sich ergebende Wärmeaustausch bestimmt. Zusätzlich zu der aktuellen Fluidtemperatur werden Erfassungen von Umgebungs- und Wandlertemperaturen bei der Bestimmung des Wärmeaustauschs verwendet. Es wird ein Vergleich zwischen der erhaltenen Fluidtemperatur, der bestimmten erwarteten erzeugten Wärme und dem erwarteten resultierenden Wärmeaustausch in Schritt 116 ausgeführt. Basierend auf diesem Vergleich werden Diagnosemaßnahmen in Schritt 124 ausgeführt, falls eine nicht erwartete Betriebsbedingung detektiert wird. Die Maßnahmen umfassen eine Angabe von Fehlfunktion und Senden der Information davon zu Anzeigemitteln. Diese Angabe kann in der Form von visuellen/audio Indikatoren, wie beispielsweise Alarmlampen vorliegen, die einen Operator über einen nicht erwarteten Vorgang alarmieren. Das Diagnoseverfahren wird in Schritt 126 beendet.
7a–c beschreiben bevorzugte Arten und Weisen Schritt 104, 110 und 116 in 6 ausführlicher auszuführen.
In der bevorzugten Ausführungsform eines Bestimmens der erwarteten Menge von erzeugter Wärme von 7a wird eine Wärme durch einen Widerstand des Stufenschalters in Schritt 106 berechnet. Diese Wärme wird erzeugt, wenn der Laststrom durch die Stromleitungen und den Hauptkontakt des Stufenschalters fließt. In Schritt 108 wird eine Wärme berechnet, die durch einen Schaltbetrieb erzeugt wird. Die Last- und zirkulierenden Ströme durch die Übergangswiderstände bewirken diese Wärmeerzeugung.
7b ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Bestimmens des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs von Schritt 110 in 6. In Schritt 112 wird ein Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Umgebungsluft, basierend auf der aktuellen Fluidtemperatur und der Umgebungstemperatur, berechnet. Ein Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und dem Wandler wird in Schritt 114 berechnet. Für diese Berechnung wird zusätzlich zu der Fluidtemperatur die Wandlertemperatur benötigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Ausführens bzw. Vollbringens des Vergleichschrittes 116 in 6, ist in 7c gezeigt. In Schritt 118 wird ein vorheriger Wärmegehalt des Fluids aus einer Berechnung oder einem Speicher erhalten. Eine erwartete Temperatur des Fluids wird, basierend auf der erwarteten erzeugten Wärme, dem erwarteten resultierenden Wärmeaustausch und einem vorherigen Wärmegehalt in Schritt 120 bestimmt. Diese erwartete Temperatur wird in Schritt 122 mit der aktuellen Temperatur des Fluids verglichen. Die ausgeführten Diagnosemaßnahmen von Schritt 124 in 6 basieren anschließend auf diesem Vergleich.
Das Zustandsdiagnoseverfahren der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft mehrere Male ausgeführt werden, was in 6 durch die gepunktete Linie 130 dargestellt ist. Die Diagnose kann ebenfalls während verschiedener wahlweiser Bedingungen ausgeführt werden. Derartige unterschiedliche Bedingungen können beispielsweise unterschiedliche Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise einen sonnigen Tag, einen wolkigen Tag und während der Nacht umfassen. Während eines sonnigen Tages können die Sonnenstrahlen den Stufenschalter aufwärmen, wodurch die Temperatur des Fluids beeinflusst wird. Beim Ausführen der Zustandsdiagnose gemäß der vorliegenden Erfindung während der Nacht, ist dieser zusätzliche Wärmebeitrag von der Sonne nicht vorhanden. Falls eine nicht erwartete Betriebsbedingung während einer derartigen Umgebungsbedingung detektiert wird, liegt wahrscheinlich eine Fehlfunktion einer Stufenschaltereinrichtung vor.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Software, Hardware oder als eine Kombination davon implementiert werden. Ein Computerprogrammprodukt, das das Verfahren oder einen Teil davon implementiert, umfasst eine Software oder ein Computer programm, das auf einem Mehrzweck- oder einem speziell angepassten Computer, Prozessor oder Mikroprozessor läuft. Die Software umfasst Computerprogrammcodeelemente oder Softwarecodeanteile bzw. -bereiche, die den Computer dazu veranlassen das Verfahren unter Verwendung der in 6 und vorzugsweise ebenfalls in 7a–c vorstehend beschriebenen Schritte auszuführen. Das Programm kann gesamt oder teilweise auf, oder in einem oder mehreren geeigneten Computer lesbaren Medien oder Datenspeichermitteln, wie beispielsweise einer Magnetdiskette, CD-ROM oder DVD-Diskette, Festplatte, magneto-optischen Daten-Speichermitteln, in RAM oder einem flüchtigen Speicher, in ROM oder Flash-Memory, als Firmware, oder auf einem Datenserver gespeichert werden.
Die grundlegenden Elemente einer Ausführungsform einer Zustandsdiagnosevorrichtung 4 gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme von 8 beschrieben werden. Die erwartete Menge von durch den Stufenschalter erzeugter Wärme wird durch Mittel 40 der Zustandsdiagnosevorrichtung 4 bestimmt. Die Mittel 40 empfangen eine Darstellung bzw. Repräsentation des Laststroms des Stufenschalters an einer Stromverbindung 36. In den Mitteln 40 sind Mittel 42 zum Berechnen der durch den Widerstand des Stufenschalters erzeugten Wärme und ein Mittel 44 zum Berechnen der während der Schaltvorgänge erzeugten Wärme bevorzugt abgeordnet. Die Mittel 42 und 44 gründen deren Berechnungen auf der Laststromrepräsentation von Stromverbindung 36.
Der erwartete sich ergebende Wärmeaustausch des Stufenschalters wird durch die Mittel 50 bestimmt. Repräsentationen einer aktuellen Fluidtemperatur, Wandlertemperatur und Umgebungstemperatur werden an die Temperaturverbindungen 30, 32 und 34 zu den Mitteln 50 weitergeleitet. Die Mittel 50 umfassen vorteilhafter Weise ein Mittel 52 zum Berechnen eines Wärmeaustauschs zwischen dem Fluid und dem Wandler und ein Mittel 54 zum Berechnen eines Wärmeaustauschs zwischen dem Fluid und der Umgebungsluft. Das Berechnungsmittel 52 wird mit den Temperaturverbindungen 30, 32 verbunden, die Information von der aktuellen Fluidtemperatur und der Wandlertemperatur tragen, wohingegen das Mittel 54 mit den Temperaturverbindungen 30, 34 verbunden ist, die Information der aktuellen Fluidtemperatur und der Umgebungstemperatur tragen.
Eine Repräsentation der erwarteten Menge von erzeugter Wärme von Mitteln 40 wird Ausführungsmittel 60 eingegeben. Das Ausführungsmittel 60 empfängt ebenfalls eine Repräsentation des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs von Mitteln 50. Die Temperatur verbindung 30 leitet eine Repräsentation der aktuellen Fluidtemperatur an das Ausführungsmittel 60 weiter, das die empfangene Repräsentation vergleicht. Falls die Betriebsbedingungen des Stufenschalters nicht erwünscht sind, dann sendet das Ausführungsmittel 60 Signale an Indikatoren 70 und/oder überträgt Signale 78 an entfernte bzw. Fern- oder tragbare Anzeigemittel 79 (die nachfolgend ausführlicher beschrieben werden). Die Indikatoren 70 und Anzeigemittel 79 zeigen anschließend die nicht erwünschte Bedingung als Fehlfunktion an, was einem Operator ein Alarmsignal, beispielsweise durch Blitzen eines Alarmindikators, gibt.
Außerdem kann in der vorliegenden Ausführungsform das Ausführungsmittel 60 eine erwartete Temperatur des Fluids, basierend auf der erwarteten erzeugten Wärme von dem Mittel 40, dem erwarteten resultierenden Wärmeaustausch von Mitteln 50 und einem vorherigen Wärmegehalt des Fluids von Speichermitteln 80 berechnen. Die Speichermittel 80 speichern eine Repräsentation des vorherigen Wärmegehalts und aktualisiert diese Repräsentation zwischen Erfassungen, indem die erwartete erzeugte Wärme von Mittel 40 und der erwartete resultierende Wärmeaustausch von Mittel 50 hinzugefügt wird. Der Vergleich kann dann durch ein Vergleichen dieser erwarteten Fluidtemperatur mit der aktuellen Fluidtemperatur von der Temperaturverbindung 30 ausgeführt werden. Ein Verhältnis zwischen der tatsächlichen und erwarteten Fluidtemperatur kann durch das Ausführungsmittel 60 abgeleitet werden. Dieses Verhältnis wird anschließend an die Indikatoren 70 gesendet und/oder an die Anzeigemittel 79 übertragen.
Mit Bezug auf 9a–c kann die Diagnosevorrichtung in der Form von visuellen 71, 72, 73, 74, 75 und/oder audio 76 Indikatoren vorliegen, die einen Operator alarmieren, falls die Betriebsbedingungen des Stufenschalters nicht erwartet werden. In einer ersten Ausführungsform können der Indikatoren 70 in der Form von lediglich anzeigend vorliegen, falls der Betrieb des Stufenschalters OK oder nicht erwartet ist. Dies kann durch eine Indikatorlampe 71 angezeigt werden, die beispielsweise während eines nicht erwarteten Betriebs beleuchtet ist oder abhängig von den Betriebsbedingungen mit unterschiedlichen Farben beleuchtet ist. Es kann ebenfalls, wie in 9b, möglich sein, dass eine Indikatorlampe für jede Betriebsbedingung, beispielsweise OK72, kleiner Fehler 73 und großer Fehler 74 bereitgestellt wird. Außerdem kann ein Anzeigebildschirm, wie der Bildschirm 75 in 9a, bereitgestellt werden, um aktuelle Zahlen anzuzeigen, die beispielsweise die aktuelle Fluidtemperatur repräsentieren, die erwartete Fluidtemperatur und/oder das Verhältnis zwischen diesen Fluidtemperaturen. Dies gibt einem Operator ausführlichere Information über die Betriebsbedingungen des Stufenschalters als wenn lediglich Lampenindikatoren verwendet werden. Die visuellen Indikatoren 71, 72, 73, 74, 75 können mit audio Indikatoren 76 komplementiert werden, die ein Alarmaudiosignal geben, falls die Betriebsbedingungen besonders schlecht sind, das heißt dem Hauptfehlerindikator 74 von 9b entsprechen. Tatsächlich kann, da ein Fachmann versteht, eine beliebige Indikatorform, ob visuell, audio bzw. hörbar oder irgendein anderer Typ durch die vorliegende Zustandsdiagnose verwendet werden.
Anstelle von oder als eine Ergänzung der Indikatoren 70 kann ein Anzeigemittel 79 verwendet werden. Das Signal 78 einer nicht erwarteten Betriebsbedingung wird dann als ein Datensignal von dem Ausführungsmittel 60 zu dem Anzeigemittel 79 übertragen, das beispielsweise ein entferntes bzw. Fern-Anzeigemittel, wie beispielsweise einen Computer mit Empfangsmitteln und/oder ein tragbares Anzeigemittel konstituieren kann. Das Signal 78 kann als ein Radiosignal, ein Infrarotsignal oder in irgendeiner anderen Form eines elektromagnetischen Signals übertragen werden. Die Anzeigemittel können wiederum Indikatoren 71, 72, 73, 74, und 76 umfassen, die einen visuellen und/oder audio Alarm geben, falls die Betriebsbedingungen des Wandlers nicht erwartet werden. Ein Anzeigebildschirm 75 kann ebenfalls in dem Anzeigemittel 79 angeordnet sein. Auf dem Bildschirm 75 können tatsächlich Zahlen angezeigt werden, die beispielsweise Fluidtemperaturen und Temperaturverhältnisse repräsentieren.
Die Information, die durch das Signal 78 getragen wird, das heißt, die Betriebsbedingungen des Stufenschalters werden vorzugsweise zumindest teilweise gemäß eines Standards formatiert, der für ein Netztechnologiemittel zur Kommunikation und/oder Fernausführung geeignet ist. Ein derartiger Standard ermöglicht die durch das Signal 78 getragene Information durch ein auf einem Computerprogramm basierenden Netz, wie beispielsweise einem Netzbrowser, anzuzeigen. Die Standards können umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Hyper Text Markup Language (HTML), Extensible HTML (XHTML), Extensible Markup Language (XML), Simple Object protocol (SOAP) und Wireless Device Markup Language (WDML).
Das Ausführungsmittel 60 umfasst vorzugsweise Formatierungsmittel und einen Sen der, um ein Formatieren der Information des Signals 78 gemäß des bevorzugten Standards auszuführen und das Signal 78 an die/das Anzeigemittel 79 zu übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ausführungsmittel 60 mit drahtlosen Standards kompatibel, die eine "Luft"-Schnittstelle zwischen dem Ausführungsmittel 60 und dem entfernten und/oder tragbaren Anzeigemittel 79 spezifizieren. Derartige Standards können IEEE 802.11, HomeRF, einen Standard der Bluetooth Special Internet Group (SIG), oder falls das Signal als Infrarotwellen übertragen wird, IrDA und IrCOMM Standards umfassen.
Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können, ohne von dem Umfang davon abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zur Zustandsdiagnose eines Stufenschalters (1), welcher eine induktive Energievorrichtung (5) steuert, wobei der Stufenschalter (1) in einem Fluid (3) eingetaucht ist, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: – Erhalten der momentanen Temperatur (T_tab) des Fluids (3); gekennzeichnet durch die Schritte: – Bestimmen einer erwarteten Wärmemenge (Q expected / heat), welche von dem Stufenschalter (1) erzeugt wird; – Bestimmen eines erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs (Q expected / exchange) des Stufenschalters (1); und – Bestimmen einer erwarteten Temperatur (T expected / tap) des Fluids (3) auf Grundlage der erwarteten erzeugten Wärmemenge (Q expected / heat) und des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs (Q expected / exchange); und – Durchführen von Diagnosevorgängen auf Grundlage eines Vergleichs zwischen der momentanen Temperatur (T_tab) des Fluids (3) und der erwarteten Temperatur (T expected / tap) des Fluids.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs (Q expected / exchange) des Stufenschalters (1) wiederum die Schritte umfasst: – Berechnen des Wärmeaustauschs (Q_amb) zwischen der Umgebungsluft und dem Fluid (3); und – Berechnen des Wärmeaustauschs (Q_tr) zwischen der induktiven Energievorrichtung (5) und dem Fluid (3).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Berechnens des Wärmeaustauschs (Q_amb) zwischen der Umgebungsluft und dem Fluid (3) wiederum den Schritt umfasst: – Messen der Umgebungstemperatur (T_amp), wobei die Berechnung des Wärmeaustauschs (Q_amb) zwischen der Umgebungsluft und dem Fluid (3) auf der Differenz zwischen der Umgebungstemperatur (T_amp) und der momentanen Temperatur (T_tab) des Fluids (3) basiert.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Berechnens des Wärmeaustauschs (Q_tr) zwischen der induktiven Energievorrichtung (5) und dem Fluid (3) wiederum den Schritt umfasst: – Messen der Temperatur (T_tr) der induktiven Energievorrichtung (5), wobei die Berechnung des Wärmeaustauschs (Q_tr) zwischen der induktiven Energievorrichtung (5) und dem Fluid (3) auf der Differenz zwischen der Temperatur (T_tr) der induktiven Energievorrichtung (5) und der momentanen Temperatur (T_tab) des Fluids (3) basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der erwarteten Wärmemenge (Q expected / heat), welche von dem Stufenschalter (1) erzeugt wird, wiederum den Schritt umfasst: – Erhalten des Werts (I) des Laststroms in dem Stufenschalter (1).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der erwarteten Wärmemenge (Q expected / heat), welche von dem Stufenschalter (1) erzeugt wird, wiederum die Schritte umfasst: – Berechnen der Wärme (Q_resistance), die durch den Widerstand des Stufenschalters (1) erzeugt wird; und – Berechnen der Wärme (Q_switching), welche aufgrund des Schaltens des Stufenschalters (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme (Q_resistance), die durch den Widerstand des Stufenschalters (1) erzeugt wird, bestimmt wird aus: Qresistance = RI2Δtwobei R der Widerstand des Stufenschalters (1) ist und Δt das Zeitintervall ist, während dem der Laststrom fließt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme (Q_switching), welche aufgrund des Schaltens des Stufenschalters (1) erzeugt wird, bestimmt wird aus:
wobei R_trans ein Übergangswiderstand des Stufenschalters (1) ist, I_C der zirkulierende Strom durch den Übergangswiderstand ist und Δt₁, Δt₂ und Δt₃ Zeitintervalle sind, während denen die verschiedenen Schaltschritte stattfinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erhaltens der momentanen Temperatur (T_tab) des Fluids (3) von direkten Temperaturmessungen des Fluids (3) abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte von: – Erhalten eines vorherigen Wärmeinhalts (Q previous / tap) des Fluids (3); und – Bestimmen der erwarteten Temperatur (T expected / tap) des Fluids (3) auf Grundlage der erwarteten Wärmemenge (Q expected / heat), die von dem Stufenschalter (1) erzeugt wird, des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs (Q expected / exchange) des Stufenschalters (1) und des vorherigen Wärmeinhalts (Q previous / tap) des Fluids (3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnosevorgänge eine Anzeige von nicht erwarteten Betriebsbedingungen umfassen.
Stufenschalter (1), welcher eine induktive Energievorrichtung (5) steuert, wobei der Stufenschalter (1) in einem Fluid (3) eingetaucht ist, dessen momentanen Temperatur (T_tab) durch ein erstes Thermometer (20) gemessen wird, und umfassend Zustandsdiagnosemittel (4), wobei die Zustandsdiagnosemittel (4) gekennzeichnet sind, durch – Mittel (40) zum Bestimmen einer erwarteten Wärmemenge (Q expected / heat), welche von dem Stufenschalter (1) erzeugt wird; – Mittel (50) zum Bestimmen eines erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs (Q expected / exchange) des Stufenschalters (1); und – Ausführungsmittel (60) in Verbindung mit dem ersten Thermometer (20) und den Bestimmungsmitteln (40, 50), welche angeordnet sind, um Diagnosevorgängen auf Grundlage der momentanen Temperatur (T_tab) des Fluids (3), der erwarteten erzeugten Wärmemenge (Q expected / heat), des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs (Q expected / exchange) durchzuführen.
Stufenschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (50) zum Bestimmen des erwarteten resultierenden Wärmeaustauschs des Stufenschalters (1) wiederum umfasst: – Mittel (52) zum Berechnen des Wärmeaustauschs (Q_tr) zwischen der induktiven Energievorrichtung (5) und dem Fluid (3); und – Mittel (54) zum Berechnen des Wärmeaustauschs (Q_amb) zwischen der Umgebungsluft und dem Fluid (3).
Stufenschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (54) zum Berechnen des Wärmeaustauschs (Q_amb) zwischen der Umgebungsluft und dem Fluid (3) mit dem ersten Thermometer (20) und einem zweiten Thermometer (22) zum Messen der Umgebungstemperatur verbunden sind.
Stufenschalter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (52) zum Berechnen des Wärmeaustauschs (Q_tr) zwischen der induktiven Energievorrichtung (5) und dem Fluid (3) mit dem ersten Thermometer (20) und einem dritten Thermometer (24) zum Messen der Temperatur der induktiven Vorrichtung (5) verbunden sind.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen der erwarteten Wärmemenge (Q expected / heat), welche von dem Stufenschalter (1) erzeugt wird, mit Mitteln (26) zum Erhalten eines Werts des Laststroms in dem Stufenschalter (1) verbunden sind.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen der erwarteten Wärmemenge (Q expected / heat), welche von dem Stufenschalter (1) erzeugt wird, wiederum umfassen: – Mittel (42) zum Berechnen der Wärme, die durch den Widerstand des Stufenschalters (1) erzeugt wird; und – Mittel (44) zum Berechnen der Wärme, welche aufgrund des Schaltens des Stufenschalters (1) erzeugt wird.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch Anzeiger (70) in Verbindung mit den Ausführungsmitteln (60), welche eingerichtet sind nicht erwartete Betriebsbedingungen anzuzeigen.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Energievorrichtung (5) ein Transformator ist.
Stufenschalter nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Energievorrichtung (5) ein Reaktor ist.
Induktives Energievorrichtungs-System, welches eine induktive Energievorrichtung (5) einschließt, die von dem Stufenschalten (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 20 gesteuert wird.
Computer-Programmprodukt, welches auf einem Computer-lesbaren Medium enthalten ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zu implementieren.