EP2839490B1 - Verfahren zur überwachung eines stufenschalters - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stufenschalters, der zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Anzapfungen eines Stufentransformators dient.
• Stufenschalter sind seit vielen Jahren zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen von Stufentransformatoren in großer Anzahl weltweit im Einsatz. Derartige Stufenschalter im Sinne der vorliegenden Erfindung bestehen aus einem Wähler zur leistungslosen Anwahl der jeweiligen Wicklungsanzapfung des Stufentransformators, auf die umgeschaltet werden soll, und einem Lastumschalter zur eigentlichen Umschaltung von der beschalteten auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung. Die sprungartige Umschaltung, auch Lastumschaltersprung genannt, erfolgt in der Regel unter Zuhilfenahme eines Kraftspeichers, bei dessen Auslösung eine Schaltwelle schnell gedreht wird. Der Lastumschalter weist zudem üblicherweise Schaltkontakte und Widerstandskontakte auf. Die Schaltkontakte dienen dabei zur direkten Verbindung der jeweiligen Wicklungsanzapfung mit der Lastableitung, die Widerstandskontakte zur kurzzeitigen Beschaltung, d. h. Überbrückung mittels eines oder mehrerer Überschaltwiderstände.
• Ein solches Verfahren ist aus der DE 197 44 465 C1 oder DE 10 2010 033195 B3 bekannt, die den Oberbegriff des Anspruches 1 der vorliegenden Erfindung bildet. Bei diesem bekannten Verfahren wird während der Betätigung des Stufenschalters das Drehmoment am Antriebsmotor erfasst, gleichzeitig erfolgt eine Positionserfassung der jeweils aktuellen Positionen des Stufenschalters. Anschließend erfolgt eine Speicherung der über die Zeit ermittelten Werte des Drehmomentverlaufs, wobei der Drehmomentverlauf in typische Zeitbereiche zerlegt wird, in denen jeweils ein separater Soll-/Ist-Wertvergleich vorgenommen wird.
• Beim bekannten Verfahren erfolgt also eine Zuordnung der entsprechenden Drehmomente über die Zeit, die wiederum mit dem bei der Lastumschaltung zurückgelegten Drehwinkel korrespondiert.
• Anschließend erfolgt eine Synchronisation mittels eines Synchronimpulses, der beim Erreichen eines charakteristischen Zustandes bei der Lastumschaltung zu einem bestimmten, definierten Zeitpunkt erzeugt wird. Mit Hilfe der Synchronisation wird der Drehmomentverlauf normiert und anschließend in typische Zeitbereiche, die Überwachungsfenster, untergliedert, die bestimmten, schalterspezifischen Teilen der Umschaltsequenz entsprechen. Anschließend erfolgt ein Vergleich der Drehmomentwerte der einzelnen Überwachungsfenster mit vorab gespeicherten charakteristischen Sollwerten. Diese Aufteilung des Drehmomentverlaufes in einzelne Fenster ist bereits Gegenstand der genannten DE 197 44 465 C1 . Für die beschriebene Synchronisation und damit die Erzeugung des Synchronimpulses wird beim geschilderten bekannten Verfahren vorzugsweise der Auslösezeitpunkt des Kraftspeichers, der seinerseits wiederum die sprungartige Bewegung des Lastumschalters auslöst, verwendet. Diese Auslösung des Kraftspeichers wie auch der nachfolgende Lastumschaltersprung stellen ein typisches, schnell ablaufendes und damit leicht erfassbares und einem kurzen Zeitpunkt zugeordnetes Ergebnis bei jeder Betätigung des Stufenschalters dar.
• Beim bekannten Verfahren ist es zur Überwachung eines Stufenschalters mittels der "Fenster-Technik" also erforderlich, den Auslösezeitpunkt des Kraftspeichers und damit den Lastumschaltersprung möglichst genau zu ermitteln, um daraus die erläuterte Synchronisation ableiten zu können. Dazu dient üblicherweise eine bekannte Schaltüberwachung im Stufenschalter oder im zugeordneten Motorantrieb. Fällt jedoch diese Schaltüberwachung aus, ist keine Synchronisation mehr möglich. Weiterhin gibt es zahlreiche Stufenschalter, die von Haus aus nicht über eine Schaltüberwachung verfügen.
• Eine fehlende Synchronisation führt jedoch dazu, dass, bedingt durch Temperaturschwankungen, unterschiedliche drehrichtungsabhängige Losmomente des Getriebezuges zwischen Motorantrieb und Stufenschalter und andere äußere Einflüsse, es zu falschen Drehmomentberechnungen, bezogen auf den jeweiligen Zeitpunkt bzw. das entsprechende Fenster, und als Folge davon zu falschen oder nicht gerechtfertigten Warnmeldungen oder sogar zum Abschalten des Motorantriebes ohne tatsächlichen Fehler des Stufenschalters kommen kann.
• Aus der DE 10 2010 033 195 B3 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, das den Lastumschaltersprung über ein differenziertes Drehmoment in einem begrenzten Auswertefenster ermittelt. Dabei wird der erfasste Drehmomentverlauf bei einer Umschaltung differenziert, nachfolgend das Minimum des differenzierten Drehmomentverlaufes ermittelt und der Zeitpunkt des auf diese Weise ermittelten Minimums als Zeitpunkt des Lastumschaltersprungs gewertet, der damit den Synchronimpuls bildet.
• Dieses weiterentwickelte Verfahren besitzt jedoch verschiedene Nachteile. Bei einigen Stufenschaltern reicht das (zu kurze) Zeitfenster vom Lastumschaltersprung bis zum Stillstand des Motorantriebes nicht aus, so dass die Position des Lastumschaltersprungs nicht sicher detektiert werden kann. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass stark mit Oberwellen behaftete Versorgungsspannungen des Motorantriebes zu einem verrauschten Drehmomentverlauf führen, wodurch Fehlinterpretationen der Differentiation des Drehmomentverlaufs und damit abweichend ermittelte Positionen des Lastumschaltersprungs nicht ausgeschlossen sind. Daraus ergibt sich eine erhebliche Streuung, die eine zuverlässige Synchronisation verhindert.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Überwachung eines Stufenschalters anzugeben, das auf einfache und zuverlässige Weise eine Ermittlung des Auslösezeitpunktes des Kraftspeichers und damit des Lastumschaltersprunges ermöglicht und damit eine zuverlässige Synchronisation gestattet.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung eines Stufenschalters mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
• Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, die Änderung des Laststromes, d.h. des Stromes am Stufenschalter, während einer Lastumschaltung für die Ermittlung eines Synchronimpulses zu verwenden. Innerhalb einer Lastumschaltung ändert sich der Stufenschalterstrom, bedingt durch den kurzzeitigen elektrischen Kontakt an den beiden benachbarten Wicklungsanzapfungen des Transformators und der nachfolgenden vollzogenen Umschaltung auf die neue Wicklungsanzapfung, d.h. die nächste Stufe. Erfindungsgemäß wird diese Stromänderung durch eine gleitende Effektivwertbildung und anschließende Differenzierung des Effektivwertes nachvollzogen. Anschließend wird der Maximalwert des differenzierten Effektivwertes des Stromes ermittelt; der Zeitpunkt seines Auftretens, d.h. des maximalen Betrages, wird dem Zeitpunkt des Lastumschaltersprungs, also dem Auslösezeitpunkt des Kraftspeichers, zugeordnet und als Synchronisationszeitpunkt für den Synchronimpuls herangezogen, um damit eine Normierung des Überwachungsverfahrens auf das vorab definierte, charakteristische Ereignis, nämlich den Lastumschaltersprung, während der Umschaltung des Stufenschalters zu erreichen. Indem man damit erfindungsgemäß den Lastumschaltersprung als Synchronisationszeitpunkt definiert hat, kann man anschließend in Kenntnis seines Auslösezeitpunktes nach der sogenannten Fenstertechnik, die detailliert in der DE 197 46 574 C1 beschrieben ist, die Lage der einzelnen Fester bestimmen und damit Rückschlüsse über die Funktion der einzelnen Baugruppen des Stufenschalters, wie Vorwähler bzw. Wender, Feinwähler oder Lastumschalter, treffen, die bei jeder Lastumschaltung in einer bestimmten Sequenz nacheinander betätigt werden.
• Besonders vorteilhaft ist es, um evtl. Netzstörungen zu kompensieren und Fehlsynchronisationen zu vermeiden, zusätzlich den Strom vor und nach dem ermittelten Maximum des differenzierten Effektivwertes zu betrachten. Sollte der Strom vor und nach der detektierten Lastumschaltung sich nicht unterscheiden, hat keine Lastumschaltung stattgefunden; vielmehr handelt es sich um eine Netzstörung. In diesem Fall wird der detektierte Wert verworfen und nicht zur Synchronisation verwendet.
• Weiterhin kann es vorteilhaft sein, eine Fehldetektion dadurch zu vermeiden, dass der Strom nur in einem engen zeitlichen Auswertefenster überwacht und sein Effektivwert differenziert wird, in dem der Lastumschaltersprung bei korrekter Funktionsweise des Stufenschalters zu erwarten ist.
• Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist, dass aus der fortlaufenden Aufzeichnung des Stromes eine Lastumschaltung bei eingeschaltetem Transformator direkt aus dem sich ändernden Strom bei einer Umschaltung ermittelt werden kann und damit unabhängig von mechanischen Einflüssen ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass auch bei einer manuellen Betätigung des Stufenschalters, d.h. bei Handkurbelbetrieb ohne elektrisch bewegten Motorantrieb, das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Dies ist beim Stand der Technik nicht möglich.
• Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Stufenschalters beispielhaft an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden.
• Es zeigen:
• Fig. 1: Den schematischen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens
• Fig. 2: Den typischen Stromverlauf sowie die entsprechenden Verläufe nach der Differenzierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Lastumschaltung des Stufenschalters
• Fig. 3: Eine vorteilhafte Weiterbildung des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens zur Überwachung eines Stufenschalters werden im Wesentlichen die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Ermittlung des Auslösezeitpunktes des Kraftspeichers im Detail erläutert. Die übrigen Verfahrensschritte sind zwar genannt, werden aber als dem hier einschlägigen Fachmann bekannt vorausgesetzt, da sie bereits in den ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentschriften DE 197 46 574 C1 , DE 197 44 465 C1 sowie der DE 10 2010 033 195 B3 im Detail erläutert wurden.
• In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt. Bei der Betätigung des Stufenschalters, d.h. der Einleitung einer Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung auf eine benachbarte Andere, wird zunächst ein auftretender Strom I an einem Lastumschalter des Stufenschalters ermittelt. Dafür stehen im Stand der Technik verschiedene Mittel zu Verfügung.
• Als nächstes erfolgt auf bekannte Weise die Positionserfassung des Stufenschalters, d.h. seine relative Stellung über die Zeit t während der kompletten Umschaltung. Daraus lässt sich ableiten, in welcher aktuellen Position sich gerade die einzelnen Baugruppen, wie Vorwähler, Wähler, und Lastumschalter innerhalb der insgesamt zu durchlaufenden Schaltsequenz befinden. Diese Positionserfassung erfolgt besonders vorteilhaft mittels eines Resolvers, der eine kontinuierliche Erfassung gestattet. Zudem wird das Drehmoment eines dem Stufenschalter zugehörigen Antriebsmotors während der Betätigung erfasst. Dies kann auf besonders einfache ermittelt werden, indem beispielsweise der Effektivwert des Stromes und der Spannung des dem Stufenschalter zugeordneten Antriebsmotors erfasst wird, um daraus auf an sich bekannte Weise die Wirkleistung zu ermitteln, um daraus wiederum das entsprechende Drehmoment zu errechnen. Nachfolgend erfolgt eine Speicherung der über die Zeit t ermittelten Werte des Stromes I am Lastumschalter.
• Wiederum nachfolgend erfolgt erfindungsgemäß eine Bildung des Effektivwertes leff des Stromes I am Lastumschalter. Dies erfolgt kontinuierlich.
• Nachfolgend wird der jeweilige Effektivwert leff des Stromes am Lastumschalter differenziert; es ergibt sich $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}\mathrm{.}$

  

  Wiederum nachfolgend wird das Maximum bzw. das Minimum des differenzierten Verlaufs $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}$

  

  gesucht und dem entsprechenden Zeitpunkt t₂, an dem es auftritt, zugeordnet. Die Begründung hierfür ist, dass, je nachdem, ob mit dem Lastumschaltersprung ein steigender oder ein sinkender Stromverlauf verbunden ist, sich im differenzierten Verlauf ein Maximum oder ein Minimum ergibt. Mit anderen Worten: Es wird erfindungsgemäß das (vorzeichenlose) Maximum des Betrags erfasst. Dieser Zeitpunkt des Auftretens des Maximums bzw. des Minimums t₂ wird als Zeitpunkt des Lastumschaltersprunges t_LU, also dem Auslösezeitpunkt des Kraftspeichers, definiert. Damit ist ein eindeutiger Synchronisationszeitpunkt ermittelt. Die Synchronisation wird vorgenommen.
• Im Anschluss daran erfolgt - nach erfolgreicher Synchronisation - auf bekannte Weise die Zerlegung des Drehmomentverlaufes des Antriebsmotors in typische Zeitbereiche, d.h. "Fenster". Dabei entspricht jedes Fenster einem charakteristischen Teil der jeweils ablaufenden Umschaltsequenz. Solche Fenster können z. B. den Zeitraum der Betätigung des Vorwählers, des Feinwählers oder auch des Lastumschalters umfassen. Jedes Fenster ist dabei jeweils durch zwei charakteristische Zeitpunkte begrenzt, die Beginn und Ende des Fensters zeitlich festlegen: t₀ - t₁, t₁,..., t_syn-t_n. Jedes dieser Fenster wird mit vorab gespeicherten charakteristischen Sollwerten verglichen. Durch die selektive Vergleichsmethode lässt sich nicht nur ein Abweichen der Ist- von den Sollwerten des Drehmoments und damit ein Fehler detektieren, sondern es lässt sich damit auch ein auftretender Fehler einer bestimmten Baugruppe, die ihn verursacht hat, zuordnen, um damit Rückschlüsse über die Funktion der einzelnen Baugruppen des Stufenschalters, wie Vorwähler bzw. Wender, Feinwähler oder Lastumschalter, zu treffen, die bei jeder Lastumschaltung in einer bestimmten Sequenz nacheinander betätigt werden.
• Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die entsprechenden Verläufe während einer Umschaltung. Gezeigt ist zunächst der jeweilige Strom I am Lastumschalter, weiterhin sein oberer Grenzwert I_g. Dieser Strom I wird zunächst einer Effektivwertbildung unterzogen; der sich jeweils ergebende Effektivwert leff ist gefettet dargestellt. Zu einem Zeitpunkt t₁ wird der Lastumschalter LU betätigt, die eigentliche Lastumschaltung beginnt. Nach einer bestimmten Zeitspanne beginnt dann die eigentliche elektrische Umschaltung zwischen den Wicklungsanzapfungen. Es erfolgt, wie bereits erläutert, eine Differenzierung des Effektivwertes $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}\mathrm{.}$

  

  Ebenfalls gefettet ist das Maximum dargestellt, dass sich während der Lastumschaltung kurzfristig ergibt.
• Hintergrund dabei ist, dass sich während der eigentlichen Lastumschaltung kurzfristig der Strom I am Stufenschalter und damit auch sein Effektivwert leff, bedingt durch den kurzzeitigen elektrischen Kontakt der Lastumschalterkontakte an zwei Wicklungsanzapfungen, nämlich der bisherigen Anzapfung sowie der neuen Anzapfung, auf die umgeschaltet wird, erhöht. Dies ist bei allen Stufenschaltern nach dem Prinzip des Widerstandsschnellschalters bekannter Stand der Technik und dem Fachmann geläufig. Diese kurzfristige, rasche Stromerhöhung, die, wie erläutert, funktionsbedingt ist, führt zu einem Maximum des differenzierten Wertes $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}\mathrm{.}$

  

  Der Zeitpunkt des Auftretens des dargestellten Maximums von $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}$

  

  wird einem Zeitpunkt t₂ zugeordnet und erfindungsgemäß als Zeitpunkt des Lastumschaltersprunges t_LU gewertet, der Grundlage der nachfolgenden Synchronisation ist.
• Es ist zu sehen, dass vor der eigentlichen Lastumschaltung der Effektivwert des Stromes leff1 höher oder tiefer ist als der Effektivwert des Stromes leff2 nach der Lastumschaltung. Ob er höher oder tiefer ist, hängt davon ab, in welcher Richtung der Stufenschalter betätigt wird, d.h. ob eine Spannungserhöhung oder eine Spannungsreduzierung erfolgt.
• Dieser Effekt lässt sich sinnvoll für eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzen, die in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei ist zwischen den in Fig. 1 mit a und b bezeichneten Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes noch das in Fig. 3 gezeigte Teilverfahren eingefügt. Dabei wird der Effektivwert des Stromes leff1 vor dem Zeitpunkt t₂ mit dem Effektivwert des Stromes leff2 nach dem Zeitpunkt t₂ verglichen. Wenn sich die beiden Effektivwerte leff1 und leff2 deutlich voneinander unterscheiden, gilt das als Indiz für eine ordnungsgemäße Lastumschaltung und der ermittelte Zeitpunkt t₂ wird als Zeitpunkt des Lastumschaltersprunges t_LU angenommen und dient zur Synchronisation. Ist dies nicht der Fall, wird unterstellt, dass keine Lastumschaltung stattgefunden haben kann. Dies lässt auf evtl. Netzstörungen schließen; in einem solchen Fall erfolgt keine Synchronisation, da der zugrunde liegende Zeitpunkt t₂ in einem solchen Fall unzutreffend ist und keinen Zeitpunkt einer Lastumschaltung abbildet.
• Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Überwachung des Stromes I nur in einem zeitlichen (stufenschalterspezifischen) Auswertefenster vorzunehmen, in dem - bei ordnungsgemäßer Funktion des Stufenschalters - der Lastumschaltersprung erwartet wird.
• Aus der fortlaufenden Ermittlung des Stromes I und der nachfolgenden erfindungsgemäßen Effektivwertbildung und Differenzierung kann somit der Zeitpunkt einer Lastumschaltung bei eingeschaltetem Transformator sehr genau ermittelte werden; er ist zudem unabhängig von mechanischen Einflüssen.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es auch bei Handkurbelbetrieb, d.h. ohne elektrisch bewegten Motorantrieb, anwendbar ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Überwachung eines Stufenschalters,
   wobei während der Betätigung des Stufenschalters ein Drehmoment an einem Antriebsmotor erfasst wird,
   wobei gleichzeitig eine Positionserfassung der jeweils aktuellen Position des Stufenschalters erfolgt,
   wobei danach eine Speicherung der über die Zeit ermittelten Werte des Drehmomentverlaufs erfolgt,
   wobei nachfolgend eine Synchronisation durch einen Synchronimpuls erfolgt
   und wobei der Drehmomentverlauf in typische Zeitbereiche zerlegt wird, in denen jeweils ein separater Soll-/Ist-Wertvergleich vorgenommen wird,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass ein auftretender Strom I an einem Lastumschalter kontinuierlich ermittelt wird,
   dass nachfolgend ebenfalls kontinuierlich der Effektivwert leff des Stromes I am Lastumschalter ermittelt wird,
   dass nachfolgend der jeweilige Effektivwert leff des Stromes am Lastumschalter differenziert wird, derart, dass sich $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}$

   

   ergibt,
   dass wiederum nachfolgend das Maximum des Betrages des differenzierten Verlaufs $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}$

   

   ermittelt und dem entsprechenden Zeitpunkt t₂, an dem es auftritt, zugeordnet wird und dass der Zeitpunkt t₂ des Auftretens des Maximums des Betrages als Zeitpunkt des Lastumschaltersprunges t_LU gewertet wird, um diesen als Synchronisationszeitpunkt für den Synchronimpuls heranzuziehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass, nachdem das Maximum des differenzierten Verlaufs $\frac{\mathrm{dIeff}}{\mathrm{dt}}$

   

   ermittelt und dem entsprechenden Zeitpunkt t₂, an dem es auftritt, zugeordnet wird, noch ein Vergleich des Effektivwertes des Stromes leff1 vor dem Zeitpunkt t₂ mit dem Effektivwert des Stromes leff2 nach dem Zeitpunkt t₂ erfolgt
   und dass t₂ nur dann als Zeitpunkt des Lastumschaltersprunges t_LU angenommen wird und zur Synchronisation dient, wenn sich die beiden Effektivwerte leff1 und leff2 deutlich voneinander unterscheiden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Ermittlung des Stromes I nur in einem stufenschalterspezifischen zeitlichen Auswertefenster vorgenommen wird, in dem der Lastumschaltersprung erwartet wird.

Images