EP3963611A1

EP3963611A1 - Schalteranordnung mit antriebssystem

Info

Publication number: EP3963611A1
Application number: EP20721207.7A
Authority: EP
Inventors: Sebastian Schmid; Benjamin Dittmann; Eugen NAGEL
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2022-03-09
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: WO2020229119A1; DE102019112710A1; CN113853664A; EP3963611B1; CN113853664B; US11894204B2; US20220216015A1; EP3963611C0

Abstract

Eine Schalteranordnung (1) umfasst einen Schalter (17) und ein Servoantriebssystem. Das Servoantriebssystem weist eine Antriebswelle (17), einen Motor (12) zum Antreiben der Antriebswelle (16), ein Leistungsteil (11 ) zur Energieversorgung des Motors (12), eine Steuereinheit (10) und ein Feedbacksystem (4) auf. Das Feedbacksystem (4) ist dazu eingerichtet, wenigstens zwei Werte für eine absolute Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen und basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen. Die Steuereinheit (10) ist als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführt und dazu eingerichtet, das Leistungsteil (11) in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert anzusteuern. Die Steuereinheit (10) ist dazu eingerichtet, abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors (12) einzuwirken, das Vorliegen wenigstens eines sicherheitsrelevanten Ereignisses zu identifizieren und im Falle des sicherheitsrelevanten Ereignisses wenigstens ein Steuersignal an das Leistungsteil (11) zu übermitteln. Das Leistungsteil (11) ist dazu eingerichtet, abhängig von dem Steuersignal wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten oder auszuführen.

Description

SCHALTERANORDNUNG MIT ANTRIEBSSYSTEM

Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung, insbesondere eine Stufenschalteranord nung, mit einem Schalter, insbesondere Laststufenschalter, und einem Servoantriebssys tem für den Schalter, insbesondere Laststufenschalter.

In Umspannwerken existiert eine Vielzahl an Schaltern für unterschiedliche Aufgaben und mit unterschiedlichen Anforderungen. Für die Betätigung der jeweiligen Schalter müssen diese über ein Antriebssystem angetrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich unter anderem um Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter.

So dienen Laststufenschalter beispielsweise zum unterbrechungsfreien Umschalten zwi schen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines elektrischen Betriebsmittels, wie etwa eines Leistungstransformators oder einer regelbaren Drossel. Dadurch können beispiels weise das Übersetzungsverhältnis des T ransformators oder die Induktivität der Drossel ver ändert werden. Doppelwender dienen zum Umpolen von Wicklungen während des Leis tungstransformatorbetriebs.

All diese Schalter stellen eine hochgradig sicherheitsrelevante Komponente des elektri schen Betriebsmittels dar, weil die Umschaltung während das Betriebsmittel im Betrieb ist erfolgt und dementsprechend beispielsweise an ein Energienetz angeschlossen ist. Störun gen beim Betrieb können in extremen Fällen gravierende technische und wirtschaftliche Folgen haben.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zum An treiben eines Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Dop pelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters anzugeben, durch welches die Sicherheit des Betriebs erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Servoantriebssystem für den Schalter angegeben. Das Servoantriebssystem weist eine Antriebswelle, welche das Servoantriebssystem mit dem Schalter verbindet, einen Mo tor zum Antreiben der Antriebswelle, ein Leistungsteil zur Energieversorgung des Motors, eine Steuereinheit und ein Feedbacksystem auf. Das Feedbacksystem ist dazu eingerich tet, wenigstens zwei Werte für eine absolute Position der Antriebswelle zu bestimmen und basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen. Die Steuer einheit ist als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführt und dazu eingerichtet, das Leistungsteil in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert anzusteuern. Ferner ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors einzuwirken, das Vorliegen wenigstens eines sicherheitsrelevanten Ereignisses zu identifizieren und im Falle des sicherheitsrelevanten Ereignisses wenigstens ein Steuersig nal an das Leistungsteil zu übermitteln. Das Leistungsteil ist dazu eingerichtet, abhängig von dem Steuersignal wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten oder auszufüh ren.

Die Begrifflichkeit der„Werte für die Position der Antriebswelle“ beinhaltet auch solche Werte von Messgrößen, aus denen die Position der Antriebswelle, gegebenenfalls inner halb eines Toleranzbereichs, eindeutig bestimmt werden kann.

Durch die Bestimmung von mindestens zwei Werten für die Position der Antriebswelle kann die Steuervorrichtung eine Plausibilität der Positionsbestimmung oder einen Abgleich der beiden Werte vornehmen und dadurch die Sicherheit der Positionsbestimmung erhöhen und das entsprechende Restrisiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung verringern. Zu dem führt ein Teilausfall der Feedbackvorrichtung, derart, dass nur noch ein Wert für die Position der Antriebwelle bestimmt werden kann, nicht gezwungenermaßen zum sofortigen Stillsetzung der Antriebswelle. Zumindest kann der Schalter, insbesondere Laststufen schalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwählers Leistungsschalters Lastschalter oder Trennschalter, trotz des Teilausfalls noch geregelt in eine sichere Be triebsposition bewegt werden. Letztendlich wird damit die Betriebssicherheit des Servoan triebssystems, des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalter, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschal ters und des Betriebsmittels erhöht.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Schalter als ein Laststufenschalter, ein Lastumschalter, ein Wähler, ein Doppelwender, ein Wender, ein Vorwähler, ein Leistungs schalter, ein Lastschalter oder ein Trennschalter ausgebildet.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform dient das Servoantriebssystem dazu, eine Welle des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Dop pelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters, oder eine entsprechende Komponente des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters, anzutreiben. Dadurch wird der Schalter, insbesondere Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leis tungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter, veranlasst, eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen ei nes Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wäh lerbetätigung oder eine Vorwählerbetätigung.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbe sondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Schalter, insbesondere der Welle des Schalters, verbunden.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbe sondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Motor, insbesondere einer Motorwelle des Motors verbunden.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform entspricht eine Position, insbesondere eine ab solute Position, der Motorwelle, einer Position, insbesondere absoluten Position, der An triebswelle. Das heißt von der Position der Motorwelle lässt sich, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig auf die Position der Antriebswelle schließen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Einwirken ein Steuern, Regeln, Bremsen, Beschleunigen oder Anhalten des Motors. Das Regeln kann beispielsweise eine Positionsregelung, eine Geschwindigkeitsregelung, eine Beschleunigungsregelung oder eine Drehmomentregelung umfassen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil als Umrichter oder Servo- umrichter ausgestaltet oder als äquivalente elektronische, insbesondere vollelektronische, Einheit für Antriebsmaschinen.

Gemäß verschiedener Ausführungsformen enthält die Steuervorrichtung das Feedbacksys tem ganz oder teilweise.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, ei nen ersten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer ersten Methode zu ermitteln und einen zweiten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer zweiten Methode zu ermitteln, wobei sich die beiden Methoden voneinander unterscheiden. Dadurch wird eine diversitäre Redundanz erzeugt, welche die Betriebssicherheit weiter erhöht.

Die beiden Methoden können beispielsweise auf unterschiedlichen technischen oder phy sikalischen Prinzipien beruhen oder unterschiedliche Hardwarekomponenten einsetzen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Po sition der Antriebswelle ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist ein weiterer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein zweiter Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Po sition der Antriebswelle ein inkrementeller Wert für eine Position der Antriebswelle oder ein Wert für eine relative Position der Antriebswelle.

Der erste und/oder der zweite Wert für die absolute Position kann dann von der Steuerein heit mit dem inkrementeilen oder relativen Wert abgeglichen werden, wodurch die Plausi bilität des ersten und/oder zweiten Wertes für die absolute Position geprüft werden kann. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuereinheit das Steuersignal an das Leis tungsteil abgeben, um die Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, eine Rotorposition des Motors zu ermitteln und einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle in Abhängigkeit der Rotorposition zu bestimmen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform handelt es sich bei der Rotorposition um einen Winkelbereich, in dem sich ein Rotor des Motors befindet, gegebenenfalls kombiniert mit einer Anzahl von vollständigen Rotationen des Rotors.

Je nach Ausgestaltung, insbesondere Polpaarzahl, des Rotors kann damit die Position oder absolute Position der Motorwelle bis auf mindestens 180° genau bestimmt werden, bei spielsweise durch die Steuereinheit. Durch Untersetzung mittels einem oder mehrerer Ge triebe ist die dadurch erzielbare Genauigkeit der Position der Antriebswelle deutlich größer. Die Auswertung durch die Steuereinheit entspricht hier gewissermaßen einer virtuellen Ge berfunktion. Auch bei einem vollständigen Ausfall eines Absolutwertgebers des Feedback systems kann daher wenigstens ein Notbetrieb aufrechterhalten werden und/oder der Schalter in eine sichere Position gebracht werden. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem einen Absolut wertgeber, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle verbunden ist, zu erfassen und basierend auf der erfassten Position wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle, insbesondere den ersten und/oder den zweiten Wert für die absolute Position, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals zu ermitteln.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist der Absolutwertgeber einen ersten Aus gang zur Ausgabe des ersten oder zweiten Wertes für die absolute Position und einen zwei ten Ausgang zur Ausgabe des inkrementeilen oder relativen Wertes für die Position auf.

Von der Begrifflichkeit„Absolutwertgeber“ umfasst sind sowohl Vorrichtungen, die zwei Werte für die Position auf unterschiedliche Weise ermitteln, also auch Vorrichtungen, die zwei separate Geber beinhalten, von denen mindestens einer ein Absolutwertgeber ist.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Absolutwertgeber einen Multiturn- Drehgeber.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle anhand eines ersten Ab tastverfahrens zu erfassen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle zusätzlich anhand eines zweiten Abtastverfahrens, welches von dem ersten Abtastverfahren unabhängig ist, zu er fassen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das erste oder das zweite Abtastver fahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheidet sich das erste Abtastverfahren von dem zweiten Abtastverfahren.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber formschlüssig mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber zusätzlich kraftschlüs- sig oder stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.

Durch die formschlüssige und zusätzlich Stoff- oder kraftschlüssige Verbindung wird die Befestigung des Absolutwertgebers und letztlich die Betriebssicherheit weiter erhöht.

Die programmierbare Sicherheitssteuerung bezeichnet eine Steuerung, welche zwei Pro zessoreinheiten, insbesondere zwei speicherprogrammierbare Steuerungen, SPS, beinhal tet. Die beiden Prozessoreinheiten nutzen dasselbe Prozessabbild von Ein- und Ausgän gen der Steuereinheit welches ein in der Steuereinheit gespeichertes Anwenderprogramm parallel abarbeiten.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das Anwenderprogramm eine Vielzahl von Anweisungen. Wenn die Anweisungen von der Steuereinheit ausgeführt werden, resul tiert dies in der Ansteuerung des Leistungsteils in Abhängigkeit des Sollwerts. Dadurch wird der Motor und letztlich der Schalter angetrieben, um eine oder mehrere Operationen durch zuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa bei einem Schalter, der als Laststu fenschalter ausgebildet ist eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung oder eine Vor wählerbetätigung.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Steuereinheit eine erste und eine zweite Prozessoreinheit. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Schalter ein Programm, insbesondere das Anwenderprogramm, ab zuarbeiten, wobei die erste und die zweite Prozessoreinheit das Programm parallel abar beiten.

Durch den Einsatz der programmierbaren Sicherheitssteuerung als Steuereinheit und die damit verbundene Redundanz wird die Betriebssicherheit der Schalteranordnung erhöht.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, während des Abarbeitens des Programms, wenigstens einen Abgleich zwischen der ersten und der zweiten Prozessoreinheit durchzuführen, insbesondere einen kontinuierlichen Abgleich.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet der Abgleich einen Vergleich, insbe sondere einen zyklischen Vergleich, eines Prozessabbilds der ersten Prozessoreinheit mit einem Prozessabbild der zweiten Prozessoreinheit.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhän gig von einem Ergebnis, insbesondere im Falle eines negativen Ergebnisses des wenigs tens einen Abgleichs oder des Vergleichs der Prozessabbilder, eine weitere Sicherheits maßnahme einzuleiten.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Sicherheitsmaßnahme oder die weitere Sicherheitsmaßnahme ein sicheres Stillsetzen des Motors, eine Blockierung oder Stillsetzung des Leistungsteils oder ein Auslösen eines Leistungschalters, der das Betriebs mittel mit einem Energienetz verbindet beziehungsweise trennt. Das sichere Stillsetzen des Motors erfolgt insbesondere derart, dass sich der Schalter nach dem sicheren Stillsetzen in einer sicheren Stellung befindet. Das Einleiten der Sicherheitsmaßnahme beinhaltet die Ausgabe wenigstens eines Sicherheitssignals.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Sicherheitsfunktion, welche einer Stoppkategorie nach der Industrienorm EN 60204- 1 :2006 entspricht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Safe-torque-off, STO, Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-1 , SS1 , Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-2, SS2, Sicherheitsfunktion, oder eine Safe-operation-stop, SOS, Sicher heitsfunktion.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheidet sich eine Hardware der ersten Prozessoreinheit von einer Hardware der zweiten Prozessoreinheit.

Dadurch wird eine diversitäre Redundanz geschaffen, welche die Betriebssicherheit weiter erhöht.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Ver riegelungsbedingung von zwei oder mehr Komponenten der Schalteranordnung zu prüfen.

Die Komponenten der Schalteranordnung können Komponenten des Schalters umfassen, beispielsweise bei einem Schalter, der als Laststufenschalter ausgebildet ist einen Wähler, einen Vorwähler, eine Polungsschaltung oder einen Lastumschalter des Laststufenschal ters.

Die Komponenten der Schalteranordnung können auch Komponenten umfassen, die nicht Teil des Schalters sind, insbesondere Komponenten eines weiteren Schalters der Schalter anordnung oder einer anderen Schaltkomponente der Schalteranordnung. Bei zwei Schal tern, die als Laststufenschalter ausgebildet sind, kann es sich beispielsweise um Laststu fenschalter für unterschiedliche Phasen des Energienetzes handeln. Die anderen Schalt komponenten können beispielsweise einen Umsteller, einen Doppelwender oder einen Ad vanced Retard Switch, ARS, umfassen.

Die Verriegelungsbedingung kann dabei einer Vorgabe entsprechen, dass eine der Kom ponenten nur dann betätigt werden darf oder dann nicht betätigt werden darf, wenn sich eine andere der Komponenten in einem bestimmten Zustand befindet, beispielsweise einer bestimmten Position, einem bestimmten Schaltzustand oder einem bestimmten Bewe gungszustand.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhän gig von einem Ergebnis, insbesondere im Falle eines negativen Ergebnisses der Prüfung der Verriegelungsbedingung, die Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.

Durch Prüfung der Verriegelungsbedingung und gegebenenfalls Einleitung der Sicherheits maßnahme kann die Betriebssicherheit weiter erhöht werden, ohne dass dafür spezifische konstruktive Maßnahmen für den Schalter oder die anderen Komponenten erforderlich sind, wie beispielsweise mechanische oder elektromechanische Systeme, Nockenschalter oder dergleichen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Schalteranordnung, z.B. wenn diese ein Laststufenschalter, ein Lastumschalter, ein Wähler, ein Doppelwender, ein Wender, ein Vorwähler, ein Leistungsschalter, ein Lastschalter oder ein Trennschalter ist, einem elektri schen Betriebsmittel zugeordnet, beispielsweise einem Leistungstransformator oder einem Phasenschiebertransformator.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Steuereinheit Eingänge und Aus gänge auf, welche als getaktete Eingänge beziehungsweise Ausgänge ausgebildet sind.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, anhand von Eingangssignalen, welche an den Eingängen anliegen und/oder anhand von Aus gangssignalen, welche an den Ausgängen anliegen, das Vorliegen eines Querschlusses zu prüfen.

Als Querschluss wird ein Kurzschluss zwischen Anschlussleitungen zweier benachbarter Ein- oder Ausgänge bezeichnet. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhän gig von einem Ergebnis der Prüfung, insbesondere falls ein Querschluss vorliegt, die wei tere Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.

Durch Einleiten der Sicherheitsmaßnahme bei Vorliegen eines sicherheitsrelevanten Ereig nisses oder der weiteren Sicherheitsmaßnahme wird die Betriebssicherheit der Schalteran ordnung erhöht.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, durch eine erste der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahmen den Motor in Stillstand zu verset zen, insbesondere sicher stillzusetzen. Dabei kann der Stillstand auch eine Bewegung in einem definierten Toleranzbereich beinhalten.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Sicherheitsmaßnahme die Über wachung einer Bewegung oder eine Position des Motors, insbesondere einer Motorwelle des Motors.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Überwachen der Bewegung des Motors eine Safely-limited-speed, SLS, Sicherheitsfunktion, eine Safe-speed-monitor, SSM, Sicherheitsfunktion, eine Safe-speed-range, SSR, Sicherheitsfunktion, eine Safe-Ii- mit-position, SLP, Sicherheitsfunktion, eine Safe-Position, SP, Sicherheitsfunktion oder eine Safe-direction, SDI, Sicherheitsfunktion.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die erste Sicherheitsmaßnahme ein ungesteuertes Stillsetzen des Motors.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, die Ener gieversorgung des Motors abhängig von dem Steuersignal vollständig zu unterbrechen. Insbesondere beinhaltet die erste Sicherheitsmaßnahme die Energieversorgung sofort be ziehungsweise unverzüglich zu unterbrechen. Die Energieversorgung bleibt dabei auch im Stillstand des Motors unterbrochen, so dass dieser kein Drehmoment mehr bereitstellen kann (entspricht STO).

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, abhän gig von dem Steuersignal den Motor gesteuert zu bremsen oder gesteuert stillzusetzen. Die Energieversorgung des Motors wird währenddessen aufrechterhalten.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, abhän gig von dem Steuersignal nach dem gesteuerten Bremsen oder Stillsetzen die Energiever sorgung des Motors vollständig zu unterbrechen, so dass dieser kein Drehmoment mehr bereitstellen kann (entspricht SS1 ).

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, abhän gig von dem Steuersignal nach dem gesteuerten Bremsen oder Stillsetzen die Energiever sorgung des Motors aufrecht zu erhalten und eine Position des Motors, insbesondere der Motorwelle, auf eine Sollposition zu regeln (entspricht SS2).

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, bei Ver letzung eines Toleranzbereichs bezüglich der Sollposition eine weitere Sicherheitsmaß nahme einzuleiten, insbesondere umfassend eine STO oder eine SS1 Sicherheitsfunktion.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, durch eine zweite der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme eine Geschwindigkeit oder Dreh zahl der Motorwelle einzuschränken.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, die Ein schränkung der Geschwindigkeit dergestalt vorzunehmen, dass die Geschwindigkeit klei ner oder gleich einer vorbestimmten Maximalgeschwindigkeit ist (entspricht SLS oder SSR).

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, die Ein schränkung der Geschwindigkeit dergestalt vorzunehmen, dass die Geschwindigkeit grö ßer oder gleich einer vorbestimmten Minimalgeschwindigkeit ist (entspricht SSM oder SSR).

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, eine wei tere Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, insbesondere umfassend eine STO oder eine SS1 Sicherheitsfunktion, wenn die Maximalgeschwindigkeit überschritten oder die Minimalge schwindigkeit unterschritten wird. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst das wenigstens eine sicherheitsrele vante Ereignis eine Abweichung einer Drehrichtung des Motors, der Motorwelle oder einer weiteren Welle der Schalteranordnung von einer vorbestimmten Solldrehrichtung (ent spricht SDI).

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform wird die Drehrichtung dabei von dem Feedback system, insbesondere einer Gebervorrichtung des Feedbacksystems, beispielsweise dem Absolutwertgeber, erfasst.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Steuersignal abhängig von dem Feedbacksignal zu erzeugen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform liegt das wenigstens eine sicherheitsrelevante Ereignis vor, wenn die absolute Position der Motorwelle oder der weiteren Welle eine vor bestimmte Minimalposition unterschreitet oder eine vorbestimmte Maximalposition über schreitet (entspricht SLP).

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform liegt das wenigstens eine, sicherheitsrelevante Ereignis vor, wenn der erste und der zweite Wert für die absolute Position der Antriebswelle signifikant voneinander abweichen. Dazu kann die Steuereinheit den ersten und den zwei ten Wert für die absolute Position der Antriebswelle miteinander vergleichen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Um ständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer

Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept; und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept mit einem Schalter 17 und einem Servoantriebssystem 2, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 17 verbunden ist. Das Servoantriebssystem 2 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrich tung 3 des Servoantriebssystems 2 umfasst ein Leistungsteil 1 1 , welches beispielsweise einen Servoumrichter enthält, zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Mo tors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 1 1 , beispielsweise über einen Bus 18.

Das Servoantriebssystem 2 kann ein Gebersystem 13 aufweisen, welches als Feedback system 4 dient oder Teil des Feedbacksystems ist und mit dem Leistungsteil 1 1 verbunden ist. Ferner ist das Gebersystem 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.

Das Gebersystem 13 ist dazu eingerichtet, einen Wert für eine Position, insbesondere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 zu erfas sen und basierend darauf ein Feedbacksignal zu erzeugen. Dazu kann das Gebersystem 13 beispielsweise einen Absolutwertgeber, insbesondere Multi-Turn-Absolutwertgeber, um fassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der absoluten Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. Beispielsweise ist die Position der Antriebswelle 16 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmbar, beispielsweise über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 15.

Die Befestigung des Absolutwertgebers ist beispielsweise als Kombination einer form schlüssigen Verbindung mit einer kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt.

Das Feedbacksystem ist außerdem dazu eingerichtet, einen zweiten Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.

Dazu kann das Gebersystem 13 eingerichtet sein, den zweiten Wert zu erfassen, insbeson dere unter Anwendung einer Methode, welche sich von einer Methode, nach der der erste Wert für die Position der Antriebswelle 16 erfasst wird, unterscheidet.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 3 dazu eingerichtet sein, den zweiten Wert aus einer Rotorposition des Motors 12 zu ermitteln, effektiv also einen virtuellen Geber zum Erfassen des zweiten Wertes aufweisen. Dazu kann beispielsweise eine induktive Rückkopplung durch die Bewegung des Rotors in Motorwicklungen des Motors 12 ausge nutzt werden. Da eine Stärke der Rückkopplung periodisch variiert, kann insbesondere mit tels Signalanalyse, zum Beispiel FFT Analyse, die Rotorposition näherungsweise bestimmt werden. Da eine volle Umdrehung der Antriebswelle 16 einer Vielzahl von Umdrehungen des Rotors entspricht, kann daraus mit sehr viel höherer Genauigkeit auf die Position der Antriebswelle 16 geschlossen werden.

Die Steuervorrichtung 3, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 1 1 , ist dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feed backsignal, welches das Feedbacksystem 4 basierend auf dem ersten und dem zweiten Wert erzeugt.

Die Steuervorrichtung 3, beispielsweise die Steuereinheit 10, kann beispielsweise die bei den Werte für die Position der Antriebswelle 16 abgleichen und/oder eine Plausibilitätsprü fung der Positionsbestimmung durchführen.

Die Steuereinheit 10 ist als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführt und beinhal tet beispielsweise eine erste und eine zweite speicherprogrammierbare Steuerung 6, 7. Zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Schalter arbeiten die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 beispielsweise ein Programm parallel ab.

Während des Abarbeitens des Programms können sich die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 untereinander abgleichen, insbesondere zyklisch oder kontinuierlich. Der Abgleich kann beispielsweise einen Vergleich von Berechnungsergebnissen, Prüfsummen oder dergleichen umfassen.

Beispielsweise enthalten die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 unterschiedliche Hardwarekomponenten oder sind als unterschiedliche Typen oder Modelle ausgeführt.

Ein- und Ausgänge der Steuereinheit 10 können als getaktete Ein- und Ausgänge ausge führt sein. Dadurch kann die Steuereinheit 10 anhand eines Vergleichs eines Eingangssig nals mit einem Ausgangssignal Taktabweichungen erkennen, beispielsweise Abweichun gen in Periodendauern oder Flanken der Signale. Basierend auf den Taktabweichungen können beispielsweise Querschlüsse detektiert werden.

Die Steuereinheit 10 kann das Vorliegen eines sicherheitsrelevanten Ereignisses, beispiels weise einer Störung oder eines Fehlers des Schalters 17 oder des Antriebssystems, iden tifizieren. Wenn ein sicherheitsrelevantes Ereignis vorliegt, übermittelt die Steuereinheit 10 ein Steuersignal an das Leistungsteil 1 1 , welches daraufhin eine Sicherheitsmaßnahme einleitet oder ausführt.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausfüh rungsform nach Figur 1 basiert.

Die Schalteranordnung 1 weist hier optional einen Schaltschrank 21 auf, innerhalb dessen die Steuereinheit 10, das Leistungsteil 1 1 und eine optionale Mensch-Maschine-Schnitt- stelle 19 angeordnet sind. Die Mensch-Maschine-Schnittsteile 19 ist mit der Steuereinheit 10 verbunden und kann beispielsweise Kontroll-, Wartungs- oder Konfigurationszwecken dienen.

Der Motor 12, die Motorwelle 14 das Gebersystem 13 und/oder das Getriebe 15 können innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks 21 angeordnet sein.

Die Schalteranordnung 1 , insbesondere die Steuereinheit 10 ist an eine Sicherheitsvorrich tung 20 gekoppelt, welche beispielsweise einen Leistungsschalter oder Circuit breaker um fasst, um die Schalteranordnung 1 oder ein elektrisches Betriebsmittel, welchem die Schal teranordnung 1 zugeordnet ist, von einem Energienetz zu trennen, beispielsweise im Falle eines Fehlers oder einer Störung der Schalteranordnung 1 .

Durch eine Schalteranordnung 1 nach dem verbesserten Konzept wird die Betriebssicher heit des Servoantriebssystems, des Schalters und des Betriebsmittels erhöht. Dies wird insbesondere durch den Einsatz der programmierbaren Sicherheitssteuerung als Steuer einheit und die damit verbundene Redundanz, dem Einleiten der Sicherheitsmaßnahme durch das Leistungsteil und die doppelte Positionsbestimmung erreicht.

Bezugszeichen

1 Schalteranordnung

2 Servoantriebssystem

3 Steuervorrichtung

4 Feedbacksystem

6 erste Prozessoreinheit/ speicherprogrammierbare Steuerun gen

7 zweite Prozessoreinheit/ speicherprogrammierbare Steuerun gen

10 Steuereinheit

1 1 Leistungsteil

12 Motor

13 Gebersystem

14 Motorwelle

15 Getriebe

16 Antriebswelle

17 Schalter

18 Bus 19 Mensch-Maschine-Schnittsteile

20 Sicherheitsvorrichtung

21 Schaltschrank

Claims

Patentansprüche

1. Schalteranordnung umfassend einen Schalter (17) und ein Servoantriebssystem (2) für den Schalter (17), das Servoantriebssystem (2) beinhaltend

eine Antriebswelle (16), welche das Servoantriebssystem (2) mit dem Schalter (17) verbindet;

einen Motor (12) zum Antreiben des Schalters (17);

ein Leistungsteil (1 1 ) zur Energieversorgung des Motors (12); und

ein Feedbacksystem (4), welches dazu eingerichtet ist

- wenigstens zwei Werte für eine absolute Position der Antriebswelle (16) zu bestim men

- basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen; und eine Steuereinheit (10), welche als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführt und dazu eingerichtet ist,

- das Leistungsteil (1 1 ) in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert anzusteuern;

- abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors (12) einzuwirken; und

- das Vorliegen wenigstens eines sicherheitsrelevanten Ereignisses zu identifizieren und im Falle des sicherheitsrelevanten Ereignisses wenigstens ein Steuersignal an das Leistungsteil (1 1 ) zu übermitteln;

wobei das Leistungsteil (1 1 ) dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Steuersignal we nigstens eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten oder auszuführen.

2. Schalteranordnung (1 ) nach Anspruch 1 ,

wobei das Feedbacksystem (4) dazu eingerichtet ist, jeden der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) nach einer zugehörigen Methode zu ermitteln, wobei sich alle Methoden zur Ermittlung der wenigstens zwei Werte voneinander un terscheiden.

3. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei einer der wenigs tens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle (16) ist.

4. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Feedbacksystem

(4) einen Absolutwertgeber beinhaltet, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die ab solute Position der Antriebswelle (16) oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle (16) verbunden ist, zu erfassen und basierend auf der erfassten Position wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen; und

dazu eingerichtet ist, einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebs welle (16) anhand des wenigstens einen Ausgangssignals zu ermitteln.

5. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Absolutwertgeber formschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weiteren Welle verbunden ist und zusätzlich kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weite ren Welle verbunden ist.

6. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit (10)

eine erste und eine zweite Prozessoreinheit (6, 7) beinhaltet; und

dazu eingerichtet ist, zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Schalter (17) ein Programm abzuarbeiten, wobei die erste und die zweite Prozessoreinheit (6,7) das Programm parallel abarbeiten.

7. Schalteranordnung (1 ) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerich tet ist, während des Abarbeitens des Programms, wenigstens einen Abgleich zwi schen der ersten und der zweiten Prozessoreinheit (6, 7) durchzuführen.

8. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerichtet ist, während des Abarbeitens des Programms einen Vergleich eines Prozessabbilds der ersten Prozessoreinheit (6) mit einem Prozessabbild der zweiten Prozessoreinheit (7) durchzuführen.

9. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerichtet ist, eine Verriegelungsbedingung von zwei oder mehr Kompo nenten der Schalteranordnung zu prüfen.

10. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinheit (10) Eingänge und Ausgänge aufweist, welche als getaktete Eingänge beziehungs weise Ausgänge ausgebildet sind.

1 1. Schalteranordnung (1 ) nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit (10) dazu einge richtet ist, anhand von Eingangssignalen und/oder Ausgangssignalen, welche an den Eingängen beziehungsweise Ausgängen anliegen, das Vorliegen eines Querschlus ses zu prüfen.

12. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei das Leistungsteil (1 1 ) dazu eingerichtet ist, durch eine erste der wenigstens einen Sicherheitsmaß nahme den Motor (12) in Stillstand zu versetzen.

13. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Leistungsteil (1 1 ) dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Steuersignal den Motor (12) gesteuert zu bremsen oder gesteuert stillzusetzen.

14. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Leistungsteil (1 1 ) dazu eingerichtet ist, durch eine zweite der wenigstens einen Sicherheitsmaß nahme eine Geschwindigkeit einer Motorwelle (14) des Motors (12) einzuschränken.

15. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Schalter (17) ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder ein Wähler oder ein Doppelwen der oder ein Wender oder ein Vorwähler oder ein Leistungsschalter oder ein Last schalter oder ein Trennschalter ist.