EP3963612A1 - Schalteranordnung mit antriebssystem und verfahren zum antreiben eines schalters - Google Patents

Schalteranordnung mit antriebssystem und verfahren zum antreiben eines schalters

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Publication number
EP3963612A1
EP3963612A1 EP20721208.5A EP20721208A EP3963612A1 EP 3963612 A1 EP3963612 A1 EP 3963612A1 EP 20721208 A EP20721208 A EP 20721208A EP 3963612 A1 EP3963612 A1 EP 3963612A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive shaft
switch
values
switch arrangement
absolute
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20721208.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Dittmann
Eugen NAGEL
Sebastian Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Publication of EP3963612A1 publication Critical patent/EP3963612A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0027—Operating mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor
    • H01H2003/266—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor having control circuits for motor operating switches, e.g. controlling the opening or closing speed of the contacts

Definitions

  • the invention relates to a switch arrangement with a switch and a drive system for the switch and a method for driving a switch.
  • switches for different tasks and with different requirements. To operate the respective switches, they must be driven by a drive system. These switches are, among other things, on-load tap-changers, diverter switches, selector switches, double-turners, reversers, preselectors, circuit-breakers, load switches or disconnectors.
  • On-load tap-changers are used, for example, for uninterrupted switching between different winding taps of electrical equipment, such as a power transformer or a controllable choke.
  • electrical equipment such as a power transformer or a controllable choke.
  • the transmission ratio of the transformer or the inductance of the choke can be changed.
  • Double turners are used to reverse the polarity of windings during operation of the power transformer.
  • the improved concept is based on the idea of equipping a drive shaft for driving the switch with a feedback system which is able to detect at least two values for a position of the drive shaft.
  • the operation of the motor is influenced based on a feedback signal that is generated depending on both values.
  • a switch arrangement with a switch and a drive system for the switch is specified.
  • the drive system has a drive shaft which connects the drive system to the switch, a motor for driving the drive shaft and a feedback system.
  • the feedback system is designed to determine at least two values for a position of the drive shaft and to generate a feedback signal based on the at least two values.
  • the drive system has a control device which is set up to act on operation of the motor as a function of the feedback signal.
  • the switch can be configured as an on-load tap-changer or a diverter switch or a selector or a double turner or a reverser or a preselector or a circuit breaker or a load switch or a disconnector.
  • values for the position of the drive shaft also includes those values of measured variables from which the position of the drive shaft can be clearly determined, possibly within a tolerance range.
  • the control device can establish a plausibility of the position determination or a comparison of the two values and thereby increase the reliability of the position determination and reduce the corresponding residual risk of an incorrect position determination.
  • a partial failure of the feedback device such that only one value can be determined for the position of the drive shaft, does not necessarily lead to the drive shaft being stopped immediately.
  • At least the switch can still be moved into a safe operating position in a controlled manner despite the partial failure.
  • this increases the operational safety of the drive system, the switch and the equipment.
  • the determination of two values for the position of the drive shaft increases safety by reliably recognizing a partial failure, and increases availability, since a shift is reliably completed despite the partial failure.
  • the drive system serves to drive a shaft of the switch, for example an on-load tap-changer or a corresponding component of the on-load tap-changer.
  • This causes the on-load tap-changer, for example, to carry out one or more operations, for example a switchover between two winding taps of an item of equipment or parts of the switchover, such as one Load switching, a selector actuation, preselector actuation or a double-turn actuation.
  • the drive shaft is directly or indirectly, in particular special via one or more gears, connected to the switch, in particular the shaft of the switch.
  • the drive shaft is directly or indirectly, in particular via one or more gears, with the diverter switch, selector, double turn, turner, circuit breaker, load switch or disconnector, in particular the shaft of the diverter switch, selector, double turn, reverser, circuit breaker, Load switch or disconnector connected.
  • the drive shaft is directly or indirectly, in particular via one or more gears, connected to the motor, in particular a motor shaft of the motor.
  • a position, in particular an absolute position from the motor shaft corresponds to a position, in particular an absolute position, of the drive shaft. This means that the position of the motor shaft can be clearly deduced from the position of the motor shaft, possibly within a tolerance range.
  • the action includes controlling, regulating, braking, accelerating or stopping the motor.
  • the regulation can include, for example, position regulation, speed regulation, acceleration regulation or torque regulation.
  • the drive system is a servo drive system.
  • the drive system comprises a monitoring unit which is set up to use the feedback signal to monitor the one or more operations of the switch, on-load tap-changer, diverter switch, selector, double reverser, reverser, preselector, circuit breaker, load switch or disconnector.
  • the monitoring includes, in particular, monitoring to determine whether individual operations or parts thereof are being carried out properly, in particular within predefined time windows.
  • the control device comprises a control unit and a power unit for the controlled or regulated supply of energy to the motor.
  • the control unit is used to control the power unit as a function of at least a setpoint, in particular position, speed, or acceleration setpoint, set up.
  • the power section is designed as a converter or servo converter or as an equivalent electronic, in particular fully electronic, unit for drive machines.
  • control device contains the feedback system in whole or in part.
  • the feedback system is set up to determine a first value of the at least two values for the position of the drive shaft according to a first method and to determine a second value of the at least two values for the position of the drive shaft according to a second method, wherein the two methods may differ from each other.
  • the two methods may differ from each other.
  • the two methods can, for example, be based on the same or different technical or physical principles or use the same or different components (hardware components).
  • one of the at least two values for the position of the drive shaft is a first value for an absolute position of the drive shaft.
  • another of the at least two values for the position of the drive shaft is a second value for an absolute position of the drive shaft.
  • the first and the second value for the absolute position of the drive shaft can be compared by the control device, for example.
  • the control device can output an error message or initiate a safety measure.
  • one of the at least two values for the position of the drive shaft is an incremental value for a position of the drive shaft or a value for a relative position of the drive shaft.
  • the first and / or the second value for the absolute position can then be direction can be compared with the incremental or relative value, whereby the plausibility of the first and / or second value for the absolute position can be checked.
  • the control device can output an error message and / or initiate a safety measure.
  • the feedback system is set up to determine a rotor position of the motor and to determine one of the at least two values for the position of the drive shaft as a function of the rotor position.
  • the rotor position is an angular range in which a rotor of the motor is located, optionally combined with a number of complete rotations of the rotor.
  • the position or absolute position of the motor shaft can thus be determined precisely to at least 180 °, for example by the control device.
  • the control device By stepping down by means of one or more gears, the accuracy of the position of the drive shaft that can thereby be achieved is significantly greater.
  • the evaluation by the control device corresponds to a certain extent to a virtual transmitter function. Even in the event of a complete failure of an absolute value transmitter of the feedback system, at least one emergency operation can therefore be maintained and / or the switch, in particular on-load tap changer, can be brought into a safe position.
  • the feedback system includes an absolute value transmitter which is set up and arranged to detect the absolute position of the drive shaft or an absolute position of a further shaft connected to the drive shaft and to output at least one output signal based on the detected position produce.
  • the feedback system is set up to determine one of the at least two values for the position of the drive shaft, in particular the first and / or the second value for the absolute position, using the at least one output signal.
  • the absolute encoder is attached directly or indirectly to the motor shaft, the drive shaft or a shaft coupled to it.
  • the absolute encoder has a first output for outputting the first or second value for the absolute position and a second output for outputting the incremental or relative value for the position.
  • absolute encoder includes both devices that determine two values for the position in different ways and devices that contain two separate encoders, at least one of which is an absolute encoder.
  • the absolute value encoder comprises a multiturn rotary encoder.
  • the absolute value encoder is set up to detect the position of the drive shaft or the position of the further shaft using a first scanning method.
  • the absolute encoder is set up to additionally detect the position of the drive shaft or the position of the further shaft using a second scanning method which is independent of the first scanning method.
  • the first or the second scanning method includes an optical, a magnetic, a capacitive, a resistive or an inductive scanning method.
  • the first scanning method differs from the second scanning method.
  • the absolute encoder is positively connected to the drive shaft, the motor shaft or the further shaft.
  • the absolute value encoder is additionally connected to the drive shaft, the motor shaft or the further shaft in a force-locking or material-locking manner, for example by an adhesive connection.
  • the form-fitting and additionally material or force-fitting connection further increases the attachment of the absolute encoder and ultimately the operational reliability.
  • a method for driving an on-load tap changer includes determining at least two values for an absolute position of a drive shaft for driving the on-load tap-changer, generating a feedback signal based on the at least two values, and controlling a motor for driving the on-load tap-changer as a function of the feedback signal.
  • Figure 1 is a schematic representation of an exemplary embodiment of a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a switch arrangement according to the improved concept.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a switch arrangement 1 according to the improved concept with a switch 17 and a drive system 3 which is connected to the switch 17 via a drive shaft 16.
  • the switch 17 can be an on-load tap-changer, diverter switch, selector, double reverser, Wen the, preselector, circuit breaker, load switch or disconnector.
  • the drive system 3 includes a motor 12 which can drive the drive shaft 16 via a motor shaft 16 and optionally via a gear 15.
  • a control device 2 of the drive system 3 comprises a power unit 1 1, which contains, for example, a converter, not shown here, for the controlled or regulated energy supply of the motor 12 and a control unit 10 for controlling the power unit 1 1, for example via a bus 18.
  • the Drive system 3 has a transmitter system 13 which serves as feedback system 4 or is part of feedback system 4 and is connected to power unit 11. Furthermore, the encoder system 13 is coupled directly or indirectly to the drive shaft 16.
  • the encoder system 13 is set up to detect a first value for a position, in particular an angular position, for example an absolute angular position, of the drive shaft 16.
  • the encoder system 13 can include, for example, an absolute encoder, in particular a multi-turn absolute encoder, which on the drive shaft 16, the motor shaft 14 or another shaft, whose position clearly matches the absolute Position of the drive shaft 16 is linked, is attached.
  • the position of the drive shaft 16 can be clearly determined from the position of the motor shaft 14, for example via a transmission ratio of the transmission 15.
  • the attachment of the absolute value encoder is designed, for example, as a combination of a form-fitting connection with a non-positive and / or material connection.
  • the feedback system 4 is also set up to detect a second value for the position of the drive shaft 16.
  • the encoder system 13 can be set up to detect the second value, in particular using a method which differs from a method according to which the first value for the position of the drive shaft 16 is detected.
  • control device 2 can be set up to determine the second value from a rotor position of the motor 12, that is to say effectively have a virtual encoder for detecting the second value.
  • a virtual encoder for detecting the second value.
  • an inductive feedback through the movement of the rotor in the motor windings of the motor 12 can be used. Since the strength of the feedback varies periodically, the rotor position can be determined approximately by means of signal analysis, for example FFT analysis. Since one full revolution of the drive shaft 16 corresponds to a large number of revolutions of the rotor, the position of the drive shaft 16 can be inferred therefrom with much greater accuracy.
  • the control device 2 in particular the control unit 10 and / or the power section 11, is set up to control or regulate the motor 12, depending on a feedback signal that the feedback system generates based on the first and second values.
  • the control device 2 for example the control unit 10 can, for example, compare the values for the position of the drive shaft 16 and / or carry out a plausibility check of the position determination.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a switch arrangement 1 according to the improved concept, which is based on the embodiment according to FIG.
  • the switch device 1 here optionally has a switch cabinet 21 within which the control unit 10, the power unit 11 and an optional human-machine interface 19 are arranged.
  • the man-machine interface 19 is connected to the control unit 10 and can be used, for example, for control, maintenance or configuration purposes during or outside of operation.
  • the motor 12, the motor shaft 14, the encoder system 13 and / or the transmission 15 can be arranged inside or outside the control cabinet.
  • the switch arrangement 1, in particular the control unit 10, is coupled to a safety device 20, which includes, for example, a power switch or circuit breaker in order to disconnect the switch arrangement 1 or electrical equipment to which the switch arrangement 1 is assigned from an energy network, for example in the event of a fault or malfunction of the switch arrangement 1.
  • a safety device 20 which includes, for example, a power switch or circuit breaker in order to disconnect the switch arrangement 1 or electrical equipment to which the switch arrangement 1 is assigned from an energy network, for example in the event of a fault or malfunction of the switch arrangement 1.

Abstract

Eine Schalteranordnung weist einen Schalter (17) und ein Antriebssystem (3) auf. Das Antriebssystem weist eine Antriebswelle (16), welche das Antriebssystem mit dem Schalter (17) verbindet, einen Motor (12) zum Antreiben der Antriebswelle (16) und ein Feedbacksystem auf. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen und basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen. Außerdem weist das Antriebssystem eine Steuervorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors (12) einzuwirken.

Description

SCHALTERANORDNUNG MIT ANTRIEBSSYSTEM UND VERFAHREN ZUM ANTREI
BEN EINES SCHALTERS
Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssys tem für den Schalter sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters.
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, Lastumschalter, 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.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, eine Antriebswelle zum Antreiben des Schal ters mit einem Feedbacksystem auszustatten, welches in der Lage ist, wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle zu erfassen. Der Betrieb des Motors wird basie rend auf einem Feedbacksignal beeinflusst, welches abhängig von beiden Werten erzeugt wird. Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssystem für den Schalter angegeben. Das Antriebssystem weist eine An triebswelle, welche das Antriebssystem mit dem Schalter verbindet, einen Motor zum An treiben der Antriebswelle und ein Feedbacksystem auf. Das Feedbacksystem ist dazu ein gerichtet, wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle zu bestimmen und basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen. Außerdem weist das Antriebssystem eine Steuervorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, abhän gig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors einzuwirken.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann der Schalter als ein Laststufenschalter o- der ein Lastumschalter oder ein Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler oder ein Leistungsschalter oder ein Lastschalter oder ein Trennschalter ausge bildet sein.
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 zu verringern. Zudem führt ein Teilausfall der Feedbackvorrichtung, derart, dass nur noch ein Wert für die Position der Antriebwelle bestimmt werden kann, nicht gezwungenermaßen zum sofortigen Stillsetzen der Antriebswelle. Zumindest kann der Schalter trotz des Teilausfalls noch ge regelt in eine sichere Betriebsposition bewegt werden. Letztendlich wird damit die Betriebs sicherheit des Antriebssystems, des Schalters und des Betriebsmittels erhöht. Zusammen fassend steigert die Bestimmung zweier Werte für die Position der Antriebswelle die Sicher heit, indem ein Teilausfall sicher erkannt wird, und Verfügbarkeit, da trotz Teilausfall eine Schaltung sicher zu Ende geführt wird.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform dient das Antriebssystem dazu, eine Welle des Schalters, z.B. Laststufenschalters oder eine entsprechende Komponente des Laststufen schalters, anzutreiben. Dadurch wird der Laststufenschalter beispielsweise veranlasst, eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung, Vorwählerbetätigung oder eine Doppelwender betätigung.
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 Lastumschalter, Wähler, Doppelwen der, Wender, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter, insbesondere der Welle des Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Leistungsschalters, Lastschal ters oder Trennschalters, 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. Zumindest im Falle solcher Regelungen kann man davon sprechen, dass das Antriebssystem ein Servoantriebssystem darstellt.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst das Antriebssystem eine Überwa chungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, anhand des Feedbacksignals die eine oder mehreren Operationen des Schalters, Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Dop pelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters zu überwachen. Die Überwachung umfasst insbesondere eine Überwachung dahingehend, ob einzelne Operationen oder Teile davon ordnungsgemäß, insbesondere innerhalb vorde finierter Zeitfenster durchgeführt werden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung eine Steuerein heit und ein Leistungsteil zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors. Die Steuereinheit ist zur Ansteuerung des Leistungsteils in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert, insbesondere Positions-, Geschwindigkeits,- oder Beschleunigungssoll wert, eingerichtet.
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 können. Dadurch wird mindestens eine Redundanz oder sogar eine diversitäre Redundanz erzeugt, welche die Betriebssicherheit weiter er höht.
Die beiden Methoden können beispielsweise auf gleichen oder unterschiedlichen techni schen oder physikalischen Prinzipien beruhen oder gleiche oder unterschiedliche Bauteile (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.
Der erste und der zweite Wert für die absolute Position der Antriebswelle können von der Steuervorrichtung beispielsweise verglichen werden. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuervorrichtung eine Fehlermeldung ausgeben oder eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
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 Steuervor- richtung mit dem inkrementeilen oder relativen Wert abgeglichen werden, wodurch die Plau sibilität des ersten und/oder zweiten Wertes für die absolute Position geprüft werden kann. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuervorrichtung eine Fehlermeldung ausge ben und/oder eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
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 Steuervorrichtung. Durch Untersetzung mittels einem oder mehrerer Getriebe ist die dadurch erzielbare Genauigkeit der Position der Antriebswelle deutlich grö ßer. Die Auswertung durch die Steuervorrichtung entspricht hier gewissermaßen einer vir tuellen Geberfunktion. Auch bei einem vollständigen Ausfall eines Absolutwertgebers des Feedbacksystems kann daher wenigstens ein Notbetrieb aufrechterhalten werden und/oder der Schalter, insbesondere Laststufenschalter, 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, als 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.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Antreiben eines Laststu fenschalters angegeben. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen von wenigstens zwei Wer ten für eine absolute Position einer Antriebswelle zum Antreiben des Laststufenschalters, ein Erzeugen eines Feedbacksignals basierend auf den wenigstens zwei Werten und ein Steuern eines Motors zum Antreiben des Laststufenschalters abhängig von dem Feed backsignal.
Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich un- mittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Stufenschalteranordnung. Ins besondere können einzelne oder mehrere der bezüglich der Stufenschalteranordnung be schriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens ent sprechend implementiert sein.
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 Ausführungs form 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 Antriebssystem 3, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 17 verbunden ist. Der Schalter 17 kann ein Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wen der, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter sein. Das Antriebssys tem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 16 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebs systems 3 umfasst ein Leistungsteil 1 1 , welches beispielsweise einen, hier nicht gezeigten, Umrichter enthält, zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 1 1 , beispielsweise über einen Bus 18. Das Antriebssystem 3 weist ein Gebersystem 13 auf, welches als Feedbacksystem 4 dient oder Teil des Feedbacksystems 4 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 ersten Wert für eine Position, insbeson dere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 zu erfassen. Dazu kann das Gebersystem 13 beispielsweise einen Absolutwertgeber, insbesondere Multi-Turn-Absolutwertgeber, umfassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der absoluten Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. 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- und/oder stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt.
Das Feedbacksystem 4 ist außerdem dazu eingerichtet, einen zweiten Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.
Dazu kann das Gebersystem 13 dazu eingerichtet sein, den zweiten Wert zu erfassen, ins besondere 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 2 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 2, 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 basierend auf dem ersten und dem zweiten Wert erzeugt.
Die Steuervorrichtung 2, 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.
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 Schaltervorrichtung 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 während oder außerhalb des Betriebes dienen.
Der Motor 12, die Motorwelle 14 das Gebersystem 13 und/oder das Getriebe 15 können innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks 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 Antriebssystems 3, des Schalters 17 und des Betriebsmittels erhöht. Durch die beschriebene doppelte Positionsbestimmung und entsprechende Abgleiche wird das Rest risiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung verringert.
Bezugszeichen
1 Schalteranordnung
2 Steuervorrichtung
3 Antriebssystem
4 Feedbacksystem
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

Ansprüche
1. Schalteranordnung (1 ) umfassend einen Schalter (17), insbesondere Laststufenschal ter, und ein Antriebssystem (3) für den Schalter (17), das Antriebssystem (3) beinhal tend
eine Antriebswelle (12), welche das Antriebssystem (3) mit dem Schalter (17) verbin det;
einen Motor (12) zum Antreiben der Antriebswelle (16); und
ein Feedbacksystem (4), welches dazu eingerichtet ist
- wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen; und
- basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen; und eine Steuervorrichtung (2), welche dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Feed backsignal auf einen Betrieb des Motors (12) einzuwirken.
2. Schalteranordnung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei
das Feedbacksystem dazu eingerichtet ist, jeden der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) nach einer zugehörigen Methode zu ermitteln, sich alle Methoden zur Ermittlung der wenigstens zwei Werte voneinander unterschei den oder identisch sind.
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 einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) ein zweiter Wert für eine absolute Position der Antriebswelle (16) ist.
5. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) ein inkrementeller Wert für eine Position der Antriebswelle (16) oder ein Wert für eine relative Position der Antriebs welle (16) ist.
6. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Feedbacksystem dazu eingerichtet ist, eine Rotorposition des Motors (12) zu ermitteln und einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (17) in Abhängigkeit der Ro torposition zu bestimmen.
7. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Feedbacksystem 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.
8. Schalteranordnung (1 ) nach Anspruch 7, wobei der Absolutwertgeber als Multiturn- Drehgeber ausgeführt ist.
9. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Absolutwertge ber dazu eingerichtet ist, die Position der Antriebswelle (16) oder die Position der wei teren Welle anhand eines ersten Abtastverfahrens zu erfassen.
10. Schalteranordnung (1 ) nach Anspruch 9, wobei der Absolutwertgeber dazu eingerich tet ist, die Position der Antriebswelle (16) oder die Position der weiteren Welle zusätz lich anhand eines zweiten Abtastverfahrens, welches von dem ersten Abtastverfahren unabhängig ist, zu erfassen.
1 1. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , wobei das erste Ab tastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives oder ein induktives Ab tastverfahren beinhaltet.
12. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , wobei der Absolutwertge ber formschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weiteren Welle verbunden ist.
13. Schalteranordnung (1 ) nach Anspruch 12, wobei der Absolutwertgeber zusätzlich kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weiteren Welle verbunden ist.
14. Schalteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -13, wobei der Schalter (1 ) ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler oder ein Leistungsschalter oder ein Lastschalter oder ein Trennschalter ist.
15. Verfahren zum Antreiben eines Schalters (17), das Verfahren umfassend
Bestimmen von wenigstens zwei Werten für eine absolute Position einer Antriebswelle (16) zum Antreiben des Schalters (17);
Erzeugen eines Feedbacksignals basierend auf den wenigstens zwei Werten; und Steuern eines Motors (12) zum Antreiben des Schalters (17) abhängig von dem Feed backsignal.
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