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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für das Öffnen/Schließen elektrischer
Schalteinrichtungen wie Trennschaltern, Isolatoren, Kurzunterbrechern
und ähnlichem,
in einem Stromverteilungs- und/oder Übertragungsnetzwerk, und verwandtes
Verfahren.
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Genauer
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Steuervorrichtung,
die es möglich macht,
die Steuerparameter, die einem Aktuator eingegeben werden, in Echtzeit
anzupassen, wodurch folglich ein gewünschtes Bewegungsgesetz für die beweglichen
Teile der Schalteinrichtung, die durch ihn bewegt werden, erhalten
werden können.
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Wie
bekannt ist, wird die Schalteinrichtungsoperation ausgeführt in Bezug
zu einem Steuersignal, welches z.B. von einem Steuerpult oder einer Schutzlogik
gesendet wird; insbesondere wird dieses Signal an einen Aktuator
gesendet, der verursacht, dass die ihm zugeordnete Schalteinrichtung
eine entsprechende Öffnungs-
oder Schließungsoperation ausführt.
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In
der früheren
Technik arbeiten die für
diesen Zweck verwendeten Aktuatoren, im Allgemeinen vom mechanischen
Typ, gemäß einem
Bewegungsgesetz, das nicht einstellbar ist, wodurch die Kraft, welche
sie auf die Schalteinrichtung anwenden, nicht gesteuert werden kann.
Das Verhalten der Aktuatoren kann daher als "binär" definiert werden,
d.h. die angewandte Kraft ist entweder keine oder das Maximum. Dies
führt im
Allgemeinen dazu, dass beide, der Aktuator und das Energiespeichersystem,
das benötigt
wird, um ihn zu versorgen, überdimensioniert
werden, um mit jedem möglichen
Zustand der Verwendung der Schalteinrichtung während ihrer Lebensdauer fertig
zu werden. Auf diese Weise wird die Schalteinrichtung in den meisten
Fällen
mit mehr Energie versorgt, als sie tatsäch lich für die Operation benötigt, was
eine nachteilige Wirkung auf die Energieeffizienz des Systems hat
und die Energie erhöht, welche
in dem Anschlag an dem Ende der Operation umgewandelt wird, mit
folglich hohen mechanischen Belastungen auf die Schalteinrichtung
und niedrigerer Gesamtzuverlässigkeit
des Systems. Zusätzlich ist
es mit diesen Aktuatoren unmöglich,
eine Operation anzuhalten, sobald sie begonnen hat, was einen daran
hindert, die Koordination der Trennschalter in einem elektrischen
Netzwerk zu verbessern; zum Beispiel ist es für einen Trennschalter nicht
möglich, seine
Operation abzubrechen, sobald sie begonnen hat, wenn er erkennt,
dass ein nachgeordneter Trennschalter, welcher den Fehler eliminiert,
ausgelöst
wurde, was ihn daran hindern würde,
zu öffnen und
die Stromversorgung an fehlerfreie Teile des elektrischen Systems
abzuschalten und die Bedienung der an ihn verbundenen Lasten ohne
Grund zu unterbrechen.
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Ein
Aspekt, der unerlässlich
zu erwähnen
ist, besteht darin, dass, wenn solche Aktuatoren mit einem nicht
einstellbaren Bewegungsgesetz verwendet werden, die erhaltene Öffnungs-
oder Schließungsoperation
(gleichzeitig für
alle drei Phasen) im Allgemeinen asynchron ist in Bezug zu den Phasen der
elektrischen Parameter, d.h., sie haben keine zeitliche Beziehung
mit dem elektrischen Netzwerk; dies führt in den meisten Fällen zur
Erzeugung von Transienten in dem elektrischen Netzwerk aufgrund von
Prestrike-Phänomenen
während
des Schließens und
Restrike-Phänomenen
während
des Öffnens. Insbesondere
kann, abhängig
von der An der Last, die in dem elektrischen Netzwerk vorhanden
ist, eine Operation, welche zu einem nicht optimalen Zeitpunkt ausgeführt wird,
hochfrequente Schwingphänomene
erzeugen, mit hohen Amplituden verglichen zu den Nennwerten der
elektrischen Parameter des elektrischen Netzwerks; die Stromwerte
können
z.B. sogar mehrere Größenordnungen
höher steigen
als der Nennstromwert. Diese Transienten unterwerfen das elektrische
Netzwerk klar anormalen Belastungen und haben das Potenzial, die
erwartete Lebensdauer der Ausrüstung,
die an das elektrische Netzwerk angeschlossen ist, zu verkürzen; weiterhin
führen sie
in jedem Fall zu einer größeren Abnutzung der
Kontakte der Schalteinrichtung selber und somit reduzieren sie ihre
Nutzungsdauer.
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In
der bekannten Technik wurden einige Lösungen vorgeschlagen, mit der
Absicht die Operation der Schalteinrichtung synchron mit dem elektrischen Netzwerk
zu machen, in welchem sie verwendet wird, um damit die oben beschriebenen
Probleme zu begrenzen. Es sollte betont werden, dass die Öffnungs- und/oder
Schließungsoperation
als synchron betrachtet werden können,
wenn ein idealer Auslösemoment
in Bezug auf die Art der Last und den Modus, in welchem sie an das
elektrische Netzwerk verbunden ist, eingestellt wurde, wie die Nullspannung für eine Kapazität oder die
Spitzenspannung für
eine reaktive Last z.B. der Augenblick des Endes der Operation innerhalb
eines Synchronitätszeitfensters
um den idealen Moment fällt,
in welchem die erhaltenen Transienten genügend niedrig sind.
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Eine
der vorgeschlagenen Lösungen
ist veranschaulicht im United States-Patent Nr. 5 119 260, welches
das Problem angeht, das sich nur auf das synchronisierte Öffnen einer
induktiven Last zu einer vorherbestimmten Zeit bezieht in Bezug
zu dem natürlichen
Durchgang des Stroms durch Null in solch einer Weise, dass Überspannungen
vermieden werden. In diesem Patent wird die Zeit für die Operation bereitgestellt,
gemessen während
einer oder mehrerer vorhergehenden Operationen, um die Öffnungsoperation
innerhalb des Synchronisierungszeitfensters zu halten. Um der Tatsache
Rechnung zu tragen, dass die Operationszeit nicht konstant ist,
sondern in Bezug auf die Umgebungstemperatur und die Öffnungsspulentemperatur
variiert, werden diese Temperaturen dem Controller bereitgestellt
unter Verwendung eines geeigneten Sensors. Insbesondere ist der
Controller mit einem System ausgestattet, das in der Lage ist, die
Eigenschaften der Variation in der Operationszeit zu bewerten in
Bezug auf die gemessenen Temperaturwerte; weiterhin, um mögliche Variationen
in der Öffnungszeit
in Bezug auf die Zeitperiode zu berücksichtigen, die zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Operationen verlaufen ist, empfängt der
Controller auch eine Messung dieser Zeitperiode und verwendet sie,
um die vorgesehene Operationszeit zu korrigieren unter Verwendung
einer speziellen vorherbestimmten Funktion. Die Steuerzeit in Bezug auf
die vorgesehene Null wird dann berechnet in Bezug auf das Verhalten,
welches während
der vorhergehenden Operation beobachtet wurde, und den betrachteten
Einflussfaktoren, nämlich
die Temperatur und die Zeit, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Operationen verlaufen ist.
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Diese
Lösung
setzt daher ein präzises
Wissen des elektrischen und mechanischen Verhaltens der Vorrichtung
voraus in Bezug auf die vorbenannten Variablen; dieses Wissen leitet
sich ab aus Charakterisierungsmessungen, welche in einer Testphase
durchgeführt
werden, mit Bezug auf eine Stichprobe von Vorrichtungen, die als
signifikant bzgl. des Verhaltens jedes möglichen ähnlichen Schalteinrichtungsprodukts
betrachtet wird, das hergestellt wird.
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Die
hauptsächliche
Einschränkung
der Lösung
liegt in der Genauigkeit, mit welcher man in der Lage ist, das Verhalten
eines spezifischen Trennschalters wiederzugeben, insbesondere unter
Berücksichtigung
der unterschiedlichen Belastungen, welcher er während seiner Betriebsdauer
unterworfen sein kann, und daher der mechanischen und elektrischen
Abnutzung, welche die Betriebszeit beeinflusst.
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Weiterhin
macht die Verwendung eines Prozessors, welcher die tatsächlichen Öffnungszeiten berechnet,
die in Echtzeit genommen wurden, es nur möglich, den begangenen Fehler,
in Bezug auf die vorherbestimmte Betriebszeit, am Ende der Operation
selber zu bewerten, und verhindert daher jede Form eines korrigierenden
Eingriffs während
seiner Ausführung;
da die anzuwendende Korrektur daher mit Bezug auf die vorhergehende
Operation bewertet wird, ist es nicht möglich, zu garantieren, dass
die Synchronitätsbedingung
in der nächsten
Operation beachtet wird.
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Schließlich muss
die Tatsache hervorgehoben werden, dass die Erfinder der dargestellten
Vorrichtung sie nicht für Öffnungsoperationen
ausgerüstet
haben in dem Falle eines Fehlers und daher während der Transienten von Kurzschlussströmen.
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Eine
andere Lösung
ist im US-Patent 5,361,184 gezeigt, die das Problem angeht, betreffend
der Steuerung der Trennschalter oder Isolationseinrichtungen sowohl
in den Öffnungs-
als auch Schließphasen,
wobei der optimale Augenblick der Operation als die Nullspannung
zum Schließen
und der Nullstrom zum Öffnen
genommen wird. Insbesondere wird in der dargestellten Vorrichtung
die tatsächlich
benötigte
Operationszeit während
jeder Operation aufgezeichnet; zusätzlich ist die Vorrichtung
mit Mitteln zum Erkennen von Transienten ausgerüstet, um zu bewerten, ob die
Operation synchron ausgeführt
wurde. Falls dies nicht der Fall ist, erzeugt die Vorrichtung ein
Signal zum Korrigieren der vorherbestimmten Operationszeit für nachfolgende Operationen
und Erhalten von synchroner Operation; zusätzlich macht es ein geeignetes
Umgebungskompensationssystem möglich,
weitere Korrekturen auszuführen,
welche den Einfluss der Temperatur und des atmosphärischen
Drucks auf die vorherbestimmte Betriebszeit berücksichtigen.
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Die
hauptsächliche
Einschränkung
der Lösung
residiert daher in der Tatsache, dass die Vorrichtung auf früheres Wissen
des Verhaltens der Trennschalter und/oder Isolatoren in Bezug auf
die Umgebungsfaktoren gestützt
ist. Zusätzlich
kann die adaptive Korrektur der Betriebszeit folgend dem Ergebnis
einer vorhergehenden Operation zu Schwingungen führen und stellt nicht sicher,
dass Synchronität
erzielt wird. Schließlich
schränkt
die Annahme der Nullspannung im Schließen und des Nullstroms im Öffnen als
die optimale Zeit zum Ausführen
der Operationen die möglichen
Fälle zur
Anwendung der Vorrichtung ein; sie ist z.B. gänzlich ungeeignet zum Schließen auf
induktive Lasten.
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In
dieser Lösung
können
weitere Fehler durch die gewählten
Modi der Synchronisation verursacht werden mit den elektrischen
Netzwerksignalen, welche entweder die Verwendung einer Spannungsreferenz
verwenden und die Bestimmung einer Stromreferenz aus einer Phasenwinkelmessung,
die nachfolgend als konstant be trachtet wird, oder die Zeitpunkte
bestimmen des Durchgangs der Nullspannung aus einer einzigen Messung,
wobei das elektrische Netzwerk als symmetrisch angenommen wird und
daher als mit Verzögerungen
von 120° elektrisch
arbeitend. Diese Methode des Erkennens der Referenzzeitpunkte (Nullpunkte)
macht das System bei verzerrten Spannungen ineffizient, beim Vorliegen
von Transientenkomponenten und, allgemeiner, mit Netzwerkparametern,
die harmonische oder nicht symmetrische Komponenten haben, und ist
daher nicht anwendbar für
synchrones Öffnen
auf Fehler.
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Obwohl
die oben erwähnten
Lösungen
es möglich
machen, die besagten Probleme in bestimmten Fällen teilweise zu lösen, sind
sie im Ergebnis daher jedoch nicht in der Lage zu garantieren, dass Synchronität in der
tatsächlichen
Zeit erreicht wird, da sogar in den Fällen, wo adaptive Streuermethoden
angewandt werden, sie nicht auf die laufende Operation wirken, sondern
nur geschätzte
Korrekturen einführen,
die eine Wirkung, die nicht vollständig kontrolliert werden kann,
auf die nächste
Operation haben. Sie sind daher grundsätzlich offene Regelkreise,
in welchen die Einführung
von Rückführung den
Regelkreis mit einer zeitlichen Dynamik schließt, die signifikant länger als
die einzelne Operation ist, so dass es gänzlich ineffektiv sein könnte.
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Ein
anderes Beispiel von Lösungen
bekannten Typs ist in WO 96/36982 offenbart, welche eine Steuervorrichtung
mit einer einzelnen Regelkreissteuervorrichtung offenbart.
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung
für das Öffnen/Schließen elektrischer
Schalteinrichtungen bereitzustellen, die in der Lage ist, die Parameter
im Eingang an den Aktuator in Echtzeit anzupassen, um die Kraft,
die er anwendet, zu jedem Zeitpunkt in der Betriebszeit zu regeln,
wodurch es ermöglicht
wird, dass ein gewünschtes
Bewegungsgesetz den beweglichen Teilen der Schalteinrichtung, die
durch ihn betätigt
wird, auferlegt werden.
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Als
Teil dieser Aufgabe ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Steuervorrichtung für
das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen bereitzustellen, die es möglich macht,
auf die einzelnen Pole eines Drei-Phasen-Systems zu wirken, um die Operation
in einer optimalen Weise für das
elektrische System als ganzes auszuführen, wodurch es einem ermöglicht wird,
in dem Falle eines Fehlers, nur auf die betroffene Phase zu wirken
und die Operation der fehlerfreien Phasen fortzusetzen, wodurch
eine größere Verfügbarkeit
und Kontinuität des
Dienstes sichergestellt wird.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung
für das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen bereitzustellen, welche die Wiederholbarkeit
der auszuführenden
Operation garantiert sowie ihre Optimierung in Bezug auf die verschiedenen
Typen von gewählten
Unterbrechungstechniken.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung
für das Öffnen/Schließen elektrischer
Schalteinrichtungen bereitzustellen, die es möglich macht, die in der Operation
verwendete Energie zu vermindern, wodurch es möglich gemacht wird, die Auslegung
des Aktuators und des Energiespeichersystems zu optimieren, womit
ein wirtschaftlicher Vorteil einhergeht.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung
für das Öffnen/Schließen elektrischer
Schalteinrichtungen bereitzustellen, die es möglich macht, die Bewegung des
Aktuators sowohl in den Anfangs- als auch Endphasen zu steuern,
wodurch es z.B. möglich
gemacht wird, die Schalteinrichtung zu bremsen, wobei die kinetische
Energie, die in dem Anschlag umgesetzt wird, vermindert wird, oder
die Operation eines Trennschalters mit anderen nachgeordneten zu
koordinieren, wobei eine Operation, die gestartet wurde, abgebrochen
wird, wenn sie nicht länger
notwendig ist, um eine größere Kontinuität des Dienstes
sicherzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung
für das Öffnen/Schließen elektrischer
Schalteinrichtungen bereitzustellen, die es möglich macht, die Betriebszeit der
beweglichen Teile der Schalteinrichtung zu steuern und die Operation
synchron, für
jede einzelne Phase, in Bezug auf die Phasen der elektrischen Parameter
des Netzwerks auszuführen,
ungeachtet des Zeitpunkts eines Befehls, der von einer Steuertafel oder
einer Schutzlogik gesendet wurde.
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Eine
nochmals andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Steuervorrichtung für das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen bereitzustellen, wo einfache Veränderungen ermöglichen
können,
Synchronität
der Operation mit der Wellenform des elektrischen Netzwerks zu erhalten
mit unterschiedlichen Arten von Netzwerken und vorhandenen Lasten,
wodurch es sich unterscheidet durch beträchtliche Flexibilität in der
Verwendung und im Ermöglichen
insbesondere der Synchronisierung während des Öffnens auf einen Fehler zu
verwirklichen, wodurch elektrische Abnutzung signifikant begrenzt
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung
für das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen bereitzustellen, welche es möglich macht
durch Regeln des Bewegungsgesetzes der Aktutator-Schalteinrichtungsanordnung in Echtzeit,
die Spannungs- und Stromtransienten des elektrischen Netzwerks zu eliminieren,
oder diese wenigstens so weit als möglich zu begrenzen, wodurch
jegliche anormale Belastungen auf den Isolationssystemen der vorliegenden Komponenten
reduziert wird, sowie auch elektrodynamische und thermische Belastungen.
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Eine
nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Steuervorrichtung für das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen bereitzustellen, welche es erlaubt,
Operationen zu erhalten, die synchron mit der Wellenform des elektrischen
Netzwerks sind, wodurch es möglich
gemacht wird, ihre Zuverlässigkeit
zu erhöhen,
während
auch die elektrische und mechanische Lebensdauer der Schalteinrichtung,
die in ihr vorhanden ist, erhöht
wird.
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Eine
zusätzliche,
jedoch nicht letzte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Steuervorrichtung für
das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen bereitzustellen, die hoch zuverlässig und
relativ einfach zu wettbewerbsfähigen Kosten
herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe, zusammen mit der oben erwähnten und anderen Aufgaben,
die hiernach klarer hervorgehen sollen, werden durch die Steuervorrichtung
für das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen gelöst, wie z.B. Trennschalter, Isolatoren,
Kurzunterbrechern und ähnlichem,
in einem elektrischen Verteilungs- und/oder Übertragungsnetzwerk, gekennzeichnet
durch die Tatsache, dass sie umfasst:
- – einen
Aktuator mit einstellbarem Bewegungsgesetz;
- – eine
Verarbeitungs- und Steuereinheit, welche einen Operationsbefehl
erhält
und ein Steuersignal an den Aktuator sendet, welcher verarbeitet wird
in Bezug zu:
- – einem
vorherbestimmten nominellen Verhalten;
- – Information,
direkt oder indirekt über
die Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung des beweglichen Teils
der Schalteinrichtung;
- – Information
betreffend die Variation, in Bezug auf das nominelle Verhalten des
gesamten gestreuten Systems Aktuator-kinematische Kette-Schalteinrichtung;
um
das gewünschte
Bewegungsgesetz des beweglichen Teils zu verwirklichen.
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Die
oben erwähnte
Aufgabe, zusammen mit den oben erwähnten und anderen Aufgaben,
werden auch durch ein Steuerverfahren für das Öffnen/Schließen von
elektrischen Schalteinrichtungen, wie z.B. Trennschalter, Isolatoren,
Kurzunterbrechern und ähnlichem
erreicht, in einem elektrischen Verteilungs- und/oder Übertragungsnetzwerk,
gekennzeichnet durch die Tatsache, dass es die folgenden Phasen
umfasst:
- a) Senden eines Steuersignals an einen
Aktuator mit einstellbarem Bewegungsgesetz;
- b) direktes oder indirektes Erfassen von Informationen über die
Bewegung oder Geschwindigkeit oder Beschleunigung des beweglichen
Teils der Schalteinrichtung, welche durch den einstellbaren Aktuator
betätigt
wird, und Verarbeiten eines Steuersignals;
- c) Modulieren des Flusses von Energie, welche an den Aktuator
bereitgestellt wird, in Bezug auf das Steuersignal, derart, um die
Kraft, die es auf das System kinematische Kette-Schalteinrichtung ausübt, einzustellen
und das gewünschte
Bewegungsgesetzt des beweglichen Teils zu erhalten.
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Dies
wird erreicht durch die vorliegende Erfindung, welche eine Steuervorrichtung
für elektrische
Schalteinrichtungen bereitstellt und ein Steuerverfahren für elektrische
Schalteinrichtungen, gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden klarer hervorgehen
aus der Beschreibung von bevorzugten aber nicht ausschließlichen Ausführungsformen
der Vorrichtung der Erfindung, rein beispielhaft dargestellt und
ohne Begrenzung mit der Hilfe von beigefügten Zeichnungen, in welchen:
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1 ein
allgemeines Blockdiagramm der Steuervorrichtung wie in der Erfindung
ist;
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2 ein
detailliertes Blockdiagramm einer Ausführungsform der Steuervorrichtung
wie in der Erfindung ist;
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3 ein
detailliertes Blockdiagramm von Steuermitteln und Konvertermitteln
ist, welche in der Vorrichtung wie in der Erfindung verwendet werden;
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4 ein
detailliertes Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung wie in der Erfindung ist;
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5 ein
Diagramm ist, welches die Spannungsrate in Bezug zur Zeit unter
normalen Betriebsbedingungen darstellt;
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6 ein
Diagramm ist, welches die Stromphase in Bezug zur Zeit bei Vorliegen
einer Transienten darstellt.
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Mit
Bezug auf 1 und 2 umfasst
die Vorrichtung gemäß der Erfindung
eine Verarbeitungs- und Steuereinheit, welche in ihrer Gesamtheit durch
Bezugszeichen 100 angezeigt ist, welches einen Betriebsbefehl 1 in
Eingang von einer Steuertafel oder Schutzlogik erhält und ein
erstes Steuersignal 3 in Ausgang zu einem Aktuator 2 sendet.
In der Ausführungsform
der Vorrichtung wie in der Erfindung arbeitet der verwendete Aktuator
vorteilhafterweise mit einem einstellbaren Bewegungsgesetz; auf
diese Weise kann die Kraft, die durch den Aktuator auf die Schalteinrichtung 4 angewandt
wird, durch eine kinematische Kette 5, welche sie verbindet,
eingestellt werden und macht es möglich, ein System 200 Aktuator-kinematische Kette-Schalteinrichtung
zu haben, welches perfekt gesteuert bzgl. der unterschiedlichen Anwendungsvoraussetzungen
ist unter Verwendung der Prozeduren, die im Detail hiernach dargestellt werden.
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Genauer
ist der betroffene Aktuator ein elektromagnetischer Aktuator, der
Gegenstand der europäischen
Patentanmeldung Nr. EP 97 203 501.8-2302, deren Beschreibung verstanden
werden soll als hierin in Bezug genommen beinhaltet; der spezifische
Bezug auf den Aktuator soll klar allein zum Zwecke der Erklärung verstanden
werden, indem jeder Aktuator mit einstellbarem Bewegungsgesetz,
wie z.B. ein pneumatischer Aktuator, in äquivalenter Weise in der Vorrichtung
wie der Erfindung verwendet werden könnte.
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Wie
in den Figuren dargestellt, umfasst die Steuervorrichtung geeignete
Rückführungsmittel 6 zum
Auswerten, durch direkte oder indirekte Messung, der Position des
beweglichen Teils der Schalteinrichtung, die an den Aktuator verbunden
ist, konkret können
diese Mittel 6 einen Positionssensor umfassen, welcher
eine Bewegung irgendeines Punktes des kontrollierten Systems 200 erkennt
und ein ent sprechendes Signal 7 sendet, welches in Echtzeit
die Position des beweglichen Kontakts der Schalteinrichtung an Steuermittel 10 der
Verarbeitungs- und Steuereinheit 100 sendet; alternativ
könnten
Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren verwendet werden,
welche die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung irgendeines Punktes
des Systems 200 erkennen und die entsprechende Information 7 der Geschwindigkeit
oder Beschleunigung des beweglichen Teils an Mittel 10 senden.
Dieser Sensor, unabhängig
davon, ob es eine Positions-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensor
ist, kann in irgendeinem Punkt der kinematischen Kette 5 oder
der Schalteinrichtung 4 positioniert sein, um spezifischen Anwendungen
und/oder Bedürfnissen
zu entsprechen.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die Information bzgl. der Position der beweglichen Teile an
die Steuermittel 10 bereitgestellt werden, insbesondere
ohne die Verwendung von Sensoren ("sensorloses System") unter Verwendung eines mathematischen
Modells des gesteuerten Systems 200; dieses Modell, welches
Teil der Einheit 100 bildet, empfängt ein Signal in Eingang,
das eine Funktion der Steuerparameter des Aktuators ist, in diesem
Fall die Spannung und Strom der Spannungsversorgung zu der Windung,
und ein Signal anzeigend für
die geschätzte
Position der beweglichen Kontakte der Schalteinrichtung an die Steuermittel 10 in
Echtzeit bereitstellt. Wenn der verwendete Aktuator z.B. ein pneumatischer
Typ ist, könnten
die Steuerparameter der Druck und das Volumen des verwendeten kompressiblen
Fluids sein.
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Die
Steuermittel 10, welche in Eingang den Betriebsbefehl 1 und
das direkte oder indirekte Signal 7 empfangen, welches
anzeigend für
die Position oder Geschwindigkeit oder Beschleunigung in Echtzeit
der beweglichen Kontakte der Schalteinrichtung ist, senden ein entsprechendes
zweites Steuersignal 19 in Ausgang an Konvertermittel 20.
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Insbesondere
umfassend in der Vorrichtung wie in der Erfindung und wie in größerem Detail
in 3 dargestellt die Steuermittel 10 Berechnungsmittel 11,
wel che das Signal 7 in Eingang empfangen und vermittels
geeigneter Integrationen/Differentiationen ein Signal 14 senden,
welches anzeigend für das
Bewegungsgesetz der beweglichen Kontakte zu diesem Zeitpunkt, in
Ausgang an erste geschlossene Regelkreissteuermittel 12 und
zweite geschlossene Regelkreissteuermittel 13; dieses Signal 14 bildet
daher Informationen über
den Modus, in welchem sich der bewegliche Teil der Schalteinrichtung
von der ursprünglichen
Zeit der Bewegung zu der Zeit der Messung bewegt.
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Die
ersten geschlossenen Regelkreissteuermittel 12 vergleichen
das Signal 14, welches anzeigend für das tatsächliche Bewegungsgesetz der
beweglichen Kontakte ist, mit einem vorherbestimmten Bewegungsgesetz
und senden ein entsprechendes Referenzsignal 16 in Ausgang
zu den zweiten geschlossenen Regelkreissteuermitteln 13 und
zu Vergleichsmitteln 15. Insbesondere entspricht dieses vorherbestimmte
Bewegungsgesetz einem vorherbestimmten nominellen Verhalten des
gesamten Akutator-kinematische Kette-Schalteinrichtungsystems.
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Die
zweiten geschlossenen Regelkreissteuermittel 13 vergleichen
das Signal 14, welches anzeigend für das tatsächliche Bewegungsgesetz ist,
mit dem Referenzsignal 16, wobei ein entsprechendes Korrektursignal 18 in
Ausgang an Vergleichsmittel 15 gesendet wird; die Vergleichsmittel 15 wiederum
senden das zweite Steuersignal 19 in Ausgang an Konvertermittel 20 in
Bezug zu dem Korrektursignal 18 und zu dem Referenzsignal 16,
welches in Eingang empfangen wurde.
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In
der dargestellten Ausführungsform
umfassen die Konvertermittel 20 Stromversorgungsmittel 21 für den Aktuator,
welche bereitgestellt werden können
unter Verwendung von z.B. Batterien oder Kapazitäten; alternativ kann, in dem
Falle eines Aktuators, welcher nicht elektromagnetisch ist, aber
dennoch gesteuert werden kann, wie ein pneumatischer Aktuator, diese
Speichereinheit bereitgestellt werden unter Verwendung einer Druckkammer
für kompressible
Fluide.
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Zusätzlich umfassen
die Konvertermittel 20 vorteilhafterweise Mittel zum Modulieren 22 des
Flusses von Energie, welche dem Aktuator durch die Stromversorgungsmittel 21 bereitgestellt
wird; diese Modulationsmittel passen den Fluss von Energie an, welche
durch die Mittel 21 zu dem Aktuator bereitgestellt wird,
durch Modulieren des Stromversorgungsstroms und/oder Spannung des
Aktuators selber in Bezug auf das zweite Steuersignal 19.
Der Aktuator, der die modulierte elektrische Energie in mechanische
Energie umwandelt, wendet so eine kontinuierlich angepasste Kraft
auf den an ihn angeschlossenen kinematischen Kreis an, welches möglich macht, die
beweglichen Teile der Schalteinrichtung mit dem gewünschten
Bewegungsgesetz zu bewegen.
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Die
vorgeschlagene Steuervorrichtung umfasst daher einen offenen Regelkreis
basierend auf dem nominellen Verhalten des Systems, um die Öffnungs-
und/oder Schließoperation
in den gewünschten
Modi zu verwirklichen; diesem offenen Regelkreissystem ist ein geschlossenes
Regelkreissystem beigeordnet, welches jegliche möglichen Veränderungen in Bezug zu dem nominellen
Verhalten korrigiert, um die Durchführung des gewünschten
Bewegungsgesetzes sicherzustellen. Insbesondere, da die Regelung
ausgeführt
wird in Echtzeit während
des Betriebs selber, macht es die Vorrichtung wie in der Erfindung
möglich,
alle die Störungen,
die auf das gesteuerte System einwirken, welche geeignet sind, dessen
Antwort durch Variieren des Verhaltens in Bezug auf das vorherbestimmte
nominelle Verhalten zu beeinflussen, namentlich die Wirkung von
Umgebungsparametern, die elektrische und mechanische Abnutzung der
Schalteinrichtung, der zwischen Operationen verstrichenen Zeit,
der Alterung der Streuerausrüstung,
der Anzahl und Arten von ausgeführten Operationen
etc...
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Die
Möglichkeit,
die durch den Aktuator angewandte Kraft zu steuern und daher das
Bewegungsgesetz der beweglichen Teile der Schalteinrichtung anzupassen
macht es möglich,
Operationen auszuführen,
die gegenwärtig
für Vorrichtungen
bekannten Typs unmöglich
sind; im Fall von dreiphasigen Trennschaltern zum Beispiel macht
die Steuervorrichtung wie in der Erfindung es möglich, optimale Operation auf
einen einzigen Pol zu erhalten, während die anderen zwei Phasen,
die nicht durch Fehler beeinträchtigt
sind, in Operation belassen werden; weiterhin ist es durch Anpassen
der durch den Aktuator angewandten Kraft möglich, eine Operation anzuhalten,
die gestartet wurde, wann immer sie nicht mehr länger nötig ist, oder sogar die Richtung
der Operation selber umzukehren, zumindest innerhalb eines bestimmten
Zeitfensters. Dies macht es möglich,
eine neue Schutzlogik zu implementieren mit verbesserter Koordination,
z.B. zwischen Trennschaltern, die, sobald eine Operation bereits
gestartet wurde, in der Lage sind, die Operation eines nachgeschalteten
Trennschalters zu erkennen, welche den Fehler eliminiert, und die
Operation abzubrechen, wodurch die Trennschalter daran gehindert werden,
zu Öffnen
und die Leistungsversorgung an fehlerfreie Teile des elektrischen
Netzwerks ohne Grund abzuschalten, wobei dies auch gemacht werden
kann, ohne dass vorsätzliche
Verzögerungen eingefügt werden
müssen,
was nützlich
für die
Zwecke der Selektivität
ist. Auf dieselbe Weise kann der gesteuerte Trennschalter, wenn
es gefordert ist, dass er auf einer Transiente arbeitet, die Operation
abstellen, wenn die Transiente beendet ist und die Bedienung der
Lasten, die er versorgt, nicht unterbrechen.
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Ein
weiterer Vorteil, der unter keinen Umständen übersehen werden soll, liegt
in der Tatsache, dass die Vorrichtung wie in der Erfindung Wiederholbarkeit
der Operation sicherstellt durch Anpassen der Kraft, die durch den
Aktuator angewandt wird, und es möglich macht, das Bewegungsgesetz
der beweglichen Teile Augenblick um Augenblick zu optimieren, folgend
einer bevorzugten Trajektorie und in Bezug auf die verschiedenen
Typen von verwendeten Trennsystemen; auf diese Art ist weiterhin
die an den Aktuator, und daher an die Schalteinrichtung, übertragenen
Energie perfekt angepasst, und dies macht es möglich, nicht nur die Auslegung
des Aktuators und seiner Stromversorgung zu optimieren, sondern auch
die Energie zu vermindern, die im Anschlag am Ende der Operation
umgesetzt wird, mit geringerer Belastung auf die Schalteinrichtung,
mit geringerer Kontaktabnutzung und daher, kurz gesagt, höherer Zuverlässigkeit
des gesamten elektrischen Netzwerks.
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Wie
in 4 dargestellt, in einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
umfasst die Verarbeitungs- und Steuereinheit 100 auch Synchronisationsmittel 33,
geeignet zum Bereitstellen von Information für das Öffnen oder Schließen der
Schalteinrichtung synchron mit dem elektrischen Netzwerk. Diese
Synchronisationsmittel empfangen, durch die Verwendung von Mitteln
zum Erkennen der Spannung- und Stromphasen des elektrischen Netzwerks,
wie z.B. ein Stromüberträger 30 und
ein Spannungsüberträger 31,
Information 32, welche die elektrischen Parameter des Netzwerks verfolgt;
in Bezug zu dieser Information sagen die Synchronisationsmittel
durch geeignete Berechnungen die Abfolge der Nulldurchgänge und
Maxima der Phasen des Stroms und Spannung vorher, welche den erkannten
folgen, wobei auch Frequenzvariationen, harmonische Komponenten
und einphasige transiente Komponenten berücksichtigt werden. Zusätzlich berechnen
sie die Zeit zwischen den erkannten und den vorhergesagten Nulldurchgängen und Maxima.
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Zusätzlich umfassen
die Synchronisationsmittel auch Tabellenmittel 34, welche
vorherbestimmte Information bzgl. des Zustands des Neutralleiters, der
Art der Last und des elektrischen Netzwerks enthalten, und ein Signal 35 senden,
welches anzeigend für
die idealen Ende-der-Operationszeiten in Bezug zu der vorherbestimmten
Information ist, zu einer Timereinheit 36. In dieser Ausführungsform
und wie in 5 und 6 dargestellt
wird der Betriebsbefehl 1 an die Timereinheit 36 gesendet
und ist ein Befehl, der im Allgemeinen asynchron in Bezug auf das
elektrische System ist. Die Timereinheit 36 sendet einen entsprechenden
Synchronstartbetriebsbefehl 37 an das Steuermittel 10 in
Bezug zu diesem Kommando 1, sowie auf das Signal 35,
welches anzeigend für
die ideale Ende-der-Operationszeiten
ist; dieser synchrone Befehl 37 ist verzögert in
Bezug auf den asynchronen Befehl 1 um eine Zeitperiode 50,
die eine Funktion der vorherbestimmten nominellen Betriebszeit 51 und
des die idealen Ende-der-Operationszeiten
anzeigenden Signals 35 und der nachfolgenden vorhergesagten
Nulldurchgänge
oder Maxima ist, um den ersten nachfolgenden idealen Moment zu identifizieren,
der brauchbar zur Umsetzung der synchronen Operation ist. Der gewünschte ideale
Moment 35 ist klarerweise die optimale Zeit zum Eliminieren
von Operationstransienten in Bezug auf die Art der Operation, Last
und elektrisches Netzwerk; wie in 6 dargestellt
muss dieser Zeitpunkt nicht notwendigerweise mit einem Nulldurchgang
oder einem Maximum zusammenfallen, stellt aber nichtsdestotrotz
sicher, dass die Operation innerhalb des Synchronitätsfensters
ausgeführt
wird. Die Steuermittel 10 erhalten so das Signal 37,
welches anzeigend für
die koordinierte Regelstrategie für die drei Phasen ist, um die
synchrone Operation für
jede einzelne Phase auszuführen
und analog zu dem oben beschriebenen zu arbeiten.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sowohl in der synchronen
Situationsoperation und in dem Falle allein der Anpassung des Bewegungsgesetzes
der beweglichen Teile, wie zuvor beschrieben, die Steuermittel 10 die
Ausführung
der Operation in der angedachten nominalen Zeit sicherstellen dank
des korrigierenden Eingriffs der Mittel 13, welche zuvor
beschrieben wurden. Falls jedoch die Abweichungen von dem nominellen
Verhalten zu irgendeinem Zeitpunkt akzentuiert werden, und daher
eine bedeutsame Anforderung an den geschlossenen Regelkreis benötigt wird,
ist die Vorrichtung in der Lage, die nominelle Eigenschaft des Systems
in einem selbstorganisierenden Modus zu korrigieren. In diesem Fall
wird die nominelle Operationszeit, welche während der Operationen geeignet überwacht wird,
neu definiert in Bezug auf einen neuen Referenzwert; in dem Falle
von synchroner Operation wird diese neue Referenzzeit offensichtlich
durch die Mittel 10 an die Timereinheit 36 verfügbar gemacht.
Diese selbstorganisierende Prozedur wird auch in der Testphase der
Vorrichtung verwendet, so dass das Steuersystem die nominale Eigenschaft
in Bezug zu dem echten Verhalten der spezifischen Schaltungseinrichtungseinheit
korrigiert, wodurch es möglich gemacht
wird, die tatsächliche
anfängliche
nominale Eigenschaft zu definieren.
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Es
wurde in der Praxis beobachtet, wie die Vorrichtung in der Erfindung
es möglich
macht, die Aufgabe im Ganzen zu erfüllen, sowie die Aufgaben, dadurch, dass
sie es möglich
macht, die durch den Aktuator angewandte Kraft in Echtzeit anzupassen, wodurch
die beweglichen Teile einem gewünschten Bewegungsgesetz
folgend bewegt werden, und es möglich
gemacht wird, all die zuvor beschriebenen Vorteile zu erhalten.
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Zusätzlich macht
in der bevorzugten dargestellten Ausführungsform die Vorrichtung
es möglich, Operationen
synchron mit dem elektrischen Netzwerk zu erhalten, mit den unterschiedlichsten
Arten von elektrischen Systemen und darin vorhandenen Lasten und
sogar beim Vorhandensein von Fehlern. Dies resultiert daher in weiteren
und bedeutsamen Vorteilen hinsichtlich der Flexibilität der Anwendung der
Vorrichtung, und hinsichtlich der Eliminierung oder wenigstens bedeutsamen
Reduktion von Spannungs- und Stromtransienten im Netzwerk, sowie hinsichtlich
in der Begrenzung von elektrodynamischen und thermischen Belastungen,
mit bedeutsamen nachfolgenden Vorteilen sowohl für die Isolationssysteme der
in dem elektrischen System vorhandenen Komponenten und der verwendeten
Schalteinrichtung, wodurch deren Betriebslebensdauer und Zuverlässigkeit
beträchtlich
erhöht
wird.
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Es
sollte zuletzt hervorgehoben werden, dass die Vorrichtung wie in
der Erfindung, während sie
all die aufgeführten
Vorteile bietet, erhalten wird unter Verwendung einer Herstellungslösung, welche von
einem wirtschaftlichen Standpunkt her extrem attraktiv ist, wobei
die Kosten derselben vergleichbar mit denen eines herkömmlichen
Trennschalters und entschieden niedriger als die herkömmlichen
synchronen Lösungen
sind. Die auf diese Art erdachte Vorrichtung ist fähig für viele
Modifikationen und Varianten, welche alle innerhalb des erfinderischen Konzepts
wie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert sind.