EP3963613B1 - Antriebssystem für einen schalter und ein verfahren zum antreiben eines schalters - Google Patents

Antriebssystem für einen schalter und ein verfahren zum antreiben eines schalters Download PDF

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EP3963613B1
EP3963613B1 EP20721211.9A EP20721211A EP3963613B1 EP 3963613 B1 EP3963613 B1 EP 3963613B1 EP 20721211 A EP20721211 A EP 20721211A EP 3963613 B1 EP3963613 B1 EP 3963613B1
Authority
EP
European Patent Office
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drive shaft
motor
switch
drive
travel profile
Prior art date
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Active
Application number
EP20721211.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3963613A1 (de
EP3963613C0 (de
Inventor
Sebastian Schmid
Jürgen Schimbera
Kathrin Prüßing
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 EP3963613A1 publication Critical patent/EP3963613A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3963613B1 publication Critical patent/EP3963613B1/de
Publication of EP3963613C0 publication Critical patent/EP3963613C0/de
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    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
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    • H01F21/12—Variable inductances or transformers of the signal type discontinuously variable, e.g. tapped
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    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H2009/0061—Monitoring tap change switching devices
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0027—Operating mechanisms

Definitions

  • the invention relates to a drive system for a switch and a method for driving a switch.
  • switches for regulating voltage in different transformers for different tasks and with different requirements. In order to operate the respective switches, they must be driven via a drive system. These switches include on-load tap changers, diverter switches, selectors, double turners, turners or preselectors.
  • a drive for one of the switches mentioned above is off DE 20 2010 011 521 U1 known.
  • a motor is arranged in this on-load tap changer drive, which is rigidly connected to the corresponding on-load tap changers via a linkage.
  • the actuation is done by wiring, i.e. the motor is switched on or off by actuating motor contactors.
  • the on-load tap changers are then actuated via the drive shaft.
  • functional changes to the drive are not possible. This makes the drive rigid and inflexible. The simplest adjustments require complex conversion measures.
  • the patent specification WO 00/36621 A1 describes an actuating device for operating and controlling an electrical switching device for use in a high or medium voltage transmission network.
  • the actuating device comprises a rotating electrical machine, which is connected to a movable contact via a coupling without having a mechanical spring.
  • the clutch converts the rotational movement of the rotating electrical machine into a translational movement of the movable contact.
  • a further object of the invention is a method for driving at least one To provide a switch, which provides an improved concept for driving a switch, which increases the flexibility of the drive and the safety of the switching.
  • the drive system according to the invention is suitable for at least one switch and comprises a drive shaft which connects the drive system to the at least one switch. At least one motor is provided which is coupled to the drive shaft. A feedback system is provided which is set up to determine a position of the drive shaft. A feedback signal is generated based on this position. A control device is set up to select a stored driving profile from several driving profiles depending on the feedback signal. The selected driving profile affects the engine accordingly.
  • the control device comprises a control unit and a power section, wherein the power section serves to supply energy to the at least one motor.
  • the saved driving profiles are stored in a memory of the power unit. Alternatively, the driving profiles are stored in a memory of the control device or the control unit.
  • the feedback system includes at least one absolute value encoder and an auxiliary contact, which, in combination with the absolute value encoder, is set up and arranged to detect an absolute position of the drive shaft or an absolute position of another shaft.
  • the other shaft is connected to the drive shaft.
  • At least one output signal is generated based on the detected position.
  • the position of the drive shaft is determined based on the at least one output signal.
  • the absolute encoder can be designed as a single-turn encoder, an incremental encoder or a virtual encoder.
  • the auxiliary switch can be designed as at least one microswitch or resolver.
  • the driving profile is defined by two variables and mapped as an nth-order polynomial function in a two-dimensional Cartesian coordinate system.
  • the drive system can be designed such that the control device acts on two motors.
  • the control device comprises at least one, optionally two power sections, with each motor interacting with a common power section or each motor with its own power section.
  • control device is designed such that it interacts with one of the two motors.
  • This motor follows the driving profile of the actual value of the feedback system of the other motor.
  • the method according to the invention for driving at least one switch is characterized in that a drive system has a drive shaft connected to at least one motor.
  • a driving profile is selected that describes operation of the drive system for switching from a current switching position to an achievable switching position.
  • a position of the drive shaft of the at least one motor is recorded using a feedback system.
  • a feedback signal is generated from the recorded actual value of the position of the drive shaft.
  • the advantage of the method according to the invention is that a high degree of flexibility and variability can be achieved when switching in a switch by using the driving profiles. Mechanical changes in the switch that can influence the switching are compensated for by using the driving profiles; It is therefore possible to adapt the driving profiles accordingly.
  • At least one driving profile is determined for the drive shaft to drive the switch. As a rule, a large number of driving profiles are determined for a switch. The at least one specific driving profile is saved for use in a circuit.
  • An absolute position of the drive shaft or an absolute position of another shaft is determined with at least one absolute value encoder of the feedback system. Based on the detected position, at least one output signal is generated, with which the position of the drive shaft is determined.
  • a control device comprises a control unit and/or a power unit with which the at least one motor is controlled or regulated in such a way that the switching position to be achieved by the driving profile is reached within a time predetermined by the driving profile.
  • Each of the driving profiles is defined by two variables and represents a two-dimensional polynomial function of the nth order.
  • the polynomial function is mapped in a two-dimensional Cartesian coordinate system.
  • the driving profile specifies a speed or a torque of the at least one motor.
  • the driving profile also specifies at what time or at what position of the drive shaft, which torque or speed is implemented by the motor on the drive shaft.
  • the improved concept is based on the idea of equipping a drive system for driving a switch with a feedback system and a control device, thereby enabling the switch to be actuated via a specific driving profile.
  • an on-load tap changer is actuated in such a way that a motor at constant speed actuates a drive shaft, which moves selector contacts in parallel and draws up a spring energy storage device, which acts on the diverter switch after it has been triggered.
  • the drive system based on the improved concept is able to drive the drive shaft in a targeted manner, i.e. according to a previously selected driving profile.
  • the driving profile doesn't just specify a speed or a torque.
  • the driving profile also specifies at what time or at what position of the drive shaft, which torque or speed is implemented on the drive shaft.
  • specific sections of a circuit of the switch can be influenced. This makes it possible to increase the speed or torque based on the drive shaft position. Since different parts to be actuated are arranged in the switch on the drive shaft, these can be explicitly protected. For example, at the beginning of a switchover, a higher torque is required to release contacts or set them in motion. Immediately afterwards the torque can be reduced. This is explicitly possible with the driving profile.
  • the current position of the drive shaft i.e. actual value
  • the driving profile i.e. target value
  • position of the drive shaft includes measurement variables from which the position of the drive shaft can be clearly determined, if necessary within a tolerance range.
  • the drive system serves to drive a shaft of the switch, on-load tap changer or a corresponding component of the on-load tap changer to drive.
  • This causes the on-load tap changer to carry out one or more operations, for example a switch between two winding taps of a piece of equipment or parts of the switch, such as a load switch, a selector operation or a preselector operation.
  • the drive shaft is connected directly or indirectly, in particular via one or more gears, to the switch, in particular to the shaft of the switch.
  • the drive shaft is connected directly or indirectly, in particular via one or more gears, to the on-load tap changer, in particular to the shaft of the on-load tap changer.
  • the drive shaft is connected directly or indirectly, in particular via one or more gears, to the motor, in particular to a motor shaft of the motor.
  • a position, in particular an absolute position, of the motor shaft corresponds to a position of the drive shaft. This means that the position of the drive shaft can be clearly deduced from the position of the motor shaft, if necessary within a tolerance range.
  • the action includes controlling, regulating, braking, accelerating or stopping the engine.
  • the control can include, for example, position control, speed control, acceleration control or torque control.
  • the drive system represents a servo drive system.
  • the drive system comprises a monitoring unit which is designed to monitor the one or more operations of the switch based on the feedback signal.
  • the monitoring includes, in particular, monitoring as to whether individual operations or parts are carried out properly, in particular within predefined time windows.
  • the control device comprises a control unit and a power section for the controlled or regulated energy supply to the motor.
  • the control unit is set up to control the power section.
  • At least one driving profile is stored in the power section, which is formed from two variables and as an nth order polynomial function in a two-dimensional Cartesian coordinate system can be depicted.
  • 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 absolute position of the drive shaft can be compared by the control device, for example. If there is a significant deviation, the control device can issue an error message or initiate a safety measure.
  • the feedback system is set up to determine a rotor position of the motor and to determine a value for the position of the drive shaft, depending on 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 be determined precisely to at least 180°, for example by the control device.
  • the control device By reducing gears using one or more gears, the accuracy that can be achieved in the position of the drive shaft is significantly greater.
  • the evaluation by the control device here corresponds, so to speak, to a virtual transmitter function. Even in the event of a complete failure of an absolute value encoder in the feedback system, at least emergency operation can be maintained and/or the on-load tap changer can be brought into a safe position.
  • the feedback system includes an absolute encoder that is configured 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, based on the detected position, at least one output signal to create.
  • the feedback system is set up to determine a value for the position of the drive shaft based on the at least one output signal.
  • the absolute value encoder is attached directly or indirectly to the motor shaft, the drive shaft or a shaft coupled thereto.
  • the absolute encoder comprises a multiturn encoder or singleturn 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 scanning method.
  • the scanning method includes an optical, a magnetic, a capacitive, a resistive or an inductive scanning method.
  • the feedback system includes a combination of a transmitter and an auxiliary contact, which in combination are designed and arranged to detect the absolute position of the drive shaft or an absolute position of a further shaft which is connected to the drive shaft and, based on the detected position to generate at least one output signal.
  • the feedback system is set up to determine a value for the position of the drive shaft based on the at least one output signal.
  • the encoder and the auxiliary contact are attached directly or indirectly to the motor shaft, the drive shaft or a shaft coupled thereto.
  • the encoder is designed as a single-turn rotary encoder or incremental encoder or virtual encoder and the auxiliary switch is designed as at least one microswitch or resolver or sin-cos encoder.
  • the driving profile can be formed from two variables and mapped as an nth-order polynomial function in a two-dimensional Cartesian coordinate system.
  • the variables are direct variables or indirect variables of the drive system, such as, for example, time, angle of rotation of the drive shaft, current, voltage, speed, torque or acceleration.
  • a variable can be represented by one axis of the coordinate system.
  • control device can act on a second motor.
  • control device can have a second power part which acts on a second motor.
  • control device can act on a second motor in such a way that it follows the driving profile of the actual value of the feedback system of the first motor.
  • the switch can be designed as an on-load tap changer or a diverter switch or selector or a double turner or a turner or a preselector.
  • a method of driving a switch includes determining and selecting a drive profile for the drive shaft to drive the switch by the control device, generating a feedback signal based on the position of the drive shaft, and controlling a motor to drive the switch depending on the feedback signal and the drive profile.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a drive system 3 for a switch 1.
  • the drive system 3 is connected to the switch 1 via a drive shaft 16.
  • the drive system 3 includes a motor 12, which can drive the drive shaft 16 via a motor shaft 14 and optionally via a gear 15.
  • a control device 2 of the drive system 3 comprises a power section 11, which contains, for example, a converter (not shown) for the controlled or regulated energy supply of the motor 12, and a control unit 10 for controlling the power section 11, for example via a bus (not shown).
  • the drive system 3 has a sensor system 13, which serves as a feedback system 4 or is part of the feedback system 4 and is connected to the power section 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 at least 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 is attached to the drive shaft 16, the motor shaft 14 or another shaft whose position is clearly linked to the absolute position of the drive shaft 16.
  • the encoder system 13 can also include a single-turn absolute encoder and/or a virtual encoder and/or auxiliary switch.
  • the position of the drive shaft 16 can be from the position of the motor shaft 14 can be clearly determined, for example, via a transmission ratio of the transmission.
  • the feedback system 4 is set up to record a value for the position of the drive shaft 16.
  • the control device 2 and in particular the control unit 10 and/or the power section 11 are set up to control or regulate the motor 12 depending on a feedback signal based on the value that the feedback system 4 generates.
  • the power unit 11 has a memory 5 with stored driving profiles 22 (not shown).
  • the driving profiles 22 can also be stored in the control device 2 or control unit.
  • driving profiles 22 are stored in the power section 11. One of the driving profiles 22 is selected via the control unit 10.
  • Figure 2a shows a possible driving profile 22 of the motor 12 for a switching operation of the switch 1.
  • the exemplary driving profile 22 is an nth-order polynomial function with two variables, which are plotted in a two-dimensional Cartesian coordinate system 20.
  • the time t i.e. how long the drive shaft 16 actuates the motor 12
  • the angle of rotation ⁇ of the drive shaft 16 is plotted on the Y axis 25.
  • Sizes plotted on axes 24, 25 are merely examples and should not be construed as a limitation of the invention.
  • the variables plotted on the X-axis 24 and the Y-axis 25 can be direct variables or indirect variables of the drive system 3.
  • Direct variables can be, for example, time t, an angle of rotation of the drive shaft 16, current or voltage.
  • Indirect variables can be speed, torque, acceleration or similar.
  • Figure 2b shows a possible driving profile 22 of the motor 12 for a switching operation of the switch 1, which is plotted in a two-dimensional Cartesian coordinate system 20.
  • the indirect magnitude of the torque M(t) is plotted as a function of the angle of rotation ⁇ and shown as an nth order polynomial function.
  • the angle of rotation ⁇ is plotted on the X-axis 24.
  • the torque M(t) acting on the drive shaft 16 is plotted on the Y axis 25.
  • the driving profile 22 specifies a target value that the drive shaft 16 has to travel.
  • the actual value which is recorded via the feedback system 4
  • the action on the motor 12 can either be canceled or continued.
  • the deviation can either be set manually or determined using a teach-in process.
  • Figure 3 shows the drive system 3, which drives two switches 1, 30.
  • the two motors 12, 32 can either follow the specified driving profile 22 or one of the motors 12 follows the specified driving profile 22 and the second motor 32 follows the actual value of the first motor 12, i.e. in a kind of “master-slave” function .
  • the second motor 32 receives the data for this from the power section 11. This ensures that both switches 1, 30 run the same driving profile 22 in the same time t, with only a slight time delay.
  • the second switch can be completed more quickly, so that there is no synchronous driving and therefore no synchronous switching. However, in some cases this may be necessary.
  • the “master-slave” operation ensures safe parallel operation.
  • Figure 4 shows an embodiment of the drive system 3, in which a second power part 40 with a separate motor 32 and a feedback system 4 are provided.
  • the two motors 12, 32 can either follow the specified driving profile 22 or one motor 12 follows the driving profile 22 and the second motor 32 follows the actual value of the first motor 12, which is provided by the first feedback system 4, i.e in a kind of "master-slave" function.
  • This advantageous embodiment allows the parallel operation of several switches that are spatially far apart from each other.
  • the power parts 11, 40 are connected to one another with a fieldbus 6, such as a Powerlink. There is only data exchange and no energy transfer. Furthermore, for economic reasons it can be advantageous to use several smaller power units instead of one large power unit.
  • FIG. 5 shows a schematic structure of a drive concept of a switch 1, 30, which is designed as an on-load tap changer 170.
  • the switching positions N 1 , N 2 ,..., N N are approached, which are connected to the various stages of a control winding 19 of a transformer 180.
  • the concept of an on-load tap changer 170 was chosen for the description of the individual switching position N 1 , N 2 ,..., N N of the switch 1, 30, this should not be construed as a limitation of the invention. It goes without saying for an expert that the drive concept can also be used for diverter switches, selectors, double turners, turners or preselectors.
  • a motor 12 which acts via a gear 15 on the on-load tap changer 170 with the selector 18 and the diverter switch 17.
  • the motor 12 acts on the on-load tap changer 170 via a motor shaft 14 and a drive shaft 16 in order to move in an upward direction N+ from one switching position N N to the next higher switching position N N+1 or in a downward direction N- from one switching position N N to the next to switch to the lower switching position N N-1 .
  • the selector is used to preselect the switching position (tap position) to be connected and the diverter switch carries out the actual load transfer.
  • FIG. 6 a flowchart of the method according to the invention for driving at least one switch 1, 30 is shown.
  • the at least one switch 1, 30 comprises at least one drive system 3, which has a drive shaft 16 connected to at least one motor 12.
  • the switching from a current switching position N A (see Fig. 5 ) to an accessible switching position N E (see Fig. 5 ) can be described with a driving profile 22, which can be described and/or represented by an nth order polynomial.
  • the switching can take place both in the upward direction N+ and in a downward direction N-.
  • a driving profile 22 is selected, which describes an operation of the drive system 3 for switching from the current switching position N A to the achievable switching position N E.
  • a position of the drive shaft 16 of the at least one motor 1, 30 is detected using a feedback system 4.
  • the detected position of the drive shaft 16 is defined by an actual value of the position of the drive shaft 16.
  • a feedback signal is generated from the recorded actual value of the position of the drive shaft 16.
  • the selected driving profile 22 represents a target value (a series of target values) that the drive system 3 should use in order to achieve the shift from the current switching position N A to the switching position N E to be achieved, for example in the specified time .
  • a comparison of the actual value of the position of the drive shaft 16 with the driving profile 22 (target value) is carried out, ideally in real time or slightly delayed.
  • a control device 2 intervenes, which controls the at least one motor 12 in such a way that the deviation of the actual value from the driving profile 22 is minimized. While the driving profile is running, the comparison between the actual value and the driving profile 22 (target value) is always carried out. If a deviation is detected, the control device 2 counteracts accordingly (eg increase/decrease the torque of the motor 12; increase/decrease the speed of the motor 12, etc.). When the achievable switching position N E is reached, the drive system 3 stops. A further switching can then, if necessary, be initiated with a different driving profile 22. If the deviation rises above a certain level that was previously defined, the switchover can be aborted.
  • the drive shaft and thus the switch are moved back to a defined safe position and moved back to the starting position.
  • the initially selected driving profile 22 can be traveled backwards or a further driving profile can be selected and traveled by the control device 2 or control unit 10.
  • the driving profiles are determined for the respective switch, with which the drive shaft 16 is to be driven with the motor in an ideal manner.
  • the at least one specific driving profile is saved for use in a circuit.
  • a corresponding storage device can be provided for this purpose.
  • An absolute position of the drive shaft 16 or an absolute position of another shaft is determined with at least one encoder system 13 of the feedback system 4.
  • the control device 2 comprises a control unit 10 and/or a power section 11, with which the at least one motor 12 is controlled or regulated in such a way that the switching position N E to be achieved by the driving profile 22 is reached within a time specified by the driving profile 22 and the The switching position N E to be achieved is approximately achieved with the predefined driving profile 22.
  • a speed or a torque of the at least one motor 13 is specified by the driving profile 22.
  • the driving profile 22 thus specifies at what time or at what position of the drive shaft 16, which torque or which speed should be implemented by the motor 13 on the drive shaft 16.
  • the control device now serves to control the motor 13 accordingly so that the specifications are met the driving profile 22 can be implemented.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Schalter sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters.
  • Für die Regelung von Spannung in unterschiedlichen Transformatoren 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 oder Vorwähler.
  • Ein Antrieb für einen der oben genannten Schalter ist beispielsweise aus DE 20 2010 011 521 U1 bekannt. In diesem Laststufenschalterantrieb ist ein Motor angeordnet, der über Gestänge starr mit den entsprechenden Laststufenschaltern verbunden ist. Die Betätigung erfolgt mittels Verdrahtung, sprich durch Betätigung von Motorschützen wird der Motor ein- bzw. ausgeschaltet. Über die Antriebswelle werden dann die Laststufenschalter betätigt. Nach der Montage und der Inbetriebnahme sind funktionale Änderungen am Antrieb nicht möglich. Dadurch wird der Antrieb starr und unflexibel. Einfachste Anpassungen erfordern komplexe Umbaumaßnahmen.
  • Die Patentschrift WO 00/36621 A1 beschreibt eine Betätigungsvorrichtung zum Betreiben und Steuern eines elektrischen Schaltgeräts für den Einsatz in einem Hoch- oder Mittelspannungsübertragungsnetz. Die Betätigungseinrichtung umfasst dabei eine rotierende elektrische Maschine, welche über eine Kupplung mit einem beweglichen Kontakt in Verbindung steht, ohne dabei eine mechanische Feder aufzuweisen. Die Kupplung wandelt die Rotationsbewegung der rotierenden elektrischen Maschine in eine Translationsbewegung des beweglichen Kontakts um.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders oder Vorwählers anzugeben, durch welches die Flexibilität des Antriebs und die Sicherheit bei der Schaltung erhöht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für mindestens einen Schalter gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters bereitzustellen, welches ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters zur Verfügung stellt, durch welches die Flexibilität des Antriebs und die Sicherheit bei der Schaltung erhöht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 9 umfasst.
  • Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist für mindestens einen Schalter geeignet und umfasst eine Antriebswelle, welche das Antriebssystem mit dem mindestens einen Schalter verbindet. Mindestens ein Motor ist vorgesehen, der mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Ein Feedbacksystem ist vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, eine Position der Antriebswelle zu bestimmen. Auf Basis dieser Position wird ein Feedbacksignal erzeugt. Eine Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, dass, in Abhängigkeit von dem Feedbacksignal, ein gespeichertes Fahrprofil aus mehreren Fahrprofilen ausgewählt wird. Das ausgewählte Fahrprofil wirkt entsprechend auf den Motor ein.
  • Die Steuervorrichtung umfasst eine Steuereinheit und ein Leistungsteil, wobei das Leistungsteil zur Energieversorgung des mindestens einen Motors dient. Die gespeicherten Fahrprofile sind in einem Speicher des Leistungsteils hinterlegt. Alternativ sind die Fahrprofile in einem Speicher der Steuervorrichtung oder der Steuereinheit hinterlegt.
  • Das Feedbacksystem beinhaltet mindestens einen Absolutwertgeber und einen Hilfskontakt, der in Kombination mit dem Absolutwertgeber dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle zu erfassen. Die weitere Welle ist mit der Antriebswelle verbunden. Auf Basis der erfassten Position wird wenigstens ein Ausgangssignal erzeugt. Anhand des wenigstens einen Ausgangssignals wird die Position der Antriebswelle ermittelt.
  • Der Absolutwertgeber kann als Singleturn-Drehgeber oder inkrementeller Geber oder virtueller Geber ausgeführt sein. Der Hilfsschalter kann als mindestens ein Mikroschalter oder Resolver ausgeführt sein.
  • Das Fahrprofil ist durch zwei Variablen definiert und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Antriebssystem derart ausgestaltet sein, dass die Steuervorrichtung auf zwei Motoren wirkt. Die Steuervorrichtung umfasst mindestens eins optional zwei Leistungsteile, wobei jeder Motor mit einem gemeinsamen Leistungsteil oder jeder Motor mit eigenem Leistungsteil zusammenwirkt.
  • Die Steuervorrichtung ist erfindungsgemäß derart gestaltet, dass sie mit einen der beiden Motoren zusammenwirkt. Dieser Motor fährt das Fahrprofil des Ist-Werts des Feedbacksystems des anderen Motors ab.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters zeichnet sich dadurch aus, dass ein Antriebssystem eine mit mindestens einem Motor verbundene Antriebswelle aufweist. Zunächst wird vor Beginn der Umschaltung ein Fahrprofil ausgewählt, das einen Betrieb des Antriebssystems zur Umschaltung von einer aktuellen Schaltstellung auf eine erreichbare Schaltstellung beschreibt. Während des Betriebs des Antriebssystems wird mit einem Feedbacksystem eine Position der Antriebswelle des mindestens einen Motors erfasst. Ein Feedbacksignal wird aus dem erfassten Ist-Wert der Position der Antriebswelle erzeugt. Aus einem Vergleich des Ist-Werts der Position der Antriebswelle mit dem Fahrprofil wird ermittelt, ob eine Abweichung vom Ist-Wert und dem Fahrprofil vorliegt. Bei Vorliegen einer Abweichung wird der mindestens eine Motor derart gesteuert, dass die Abweichung des Ist-Werts vom Fahrprofil minimiert wird. Bei Erreichen der erreichbaren Schaltstellung stoppt das Antriebssystem.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die Verwendung der Fahrprofile eine hohe Flexibilität und Variabilität bei der Umschaltung in einem Schalter erreicht werden kann. Mechanisch Veränderungen im Schalter die die Umschaltung beeinflussen können werden durch die Verwendung der Fahrprofile aufgefangen; es ist somit möglich die Fahrprofile entsprechend anzupassen.
  • Mindestens ein Fahrprofil wird für die Antriebswelle zum Antreiben des Schalters bestimmt. In der Regel wird eine Vielzahl von Fahrprofilen für einen Schalter bestimmt. Das mindestens eine und bestimmte Fahrprofil wird für die Verwendung bei einer Schaltung gespeichert.
  • Eine absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle wird mit mindestens einem Absolutwertgeber des Feedbacksystems bestimmt. Dabei wird, basierend auf der erfassten Position, wenigstens ein Ausgangssignal erzeugt, mit dem die Position der Antriebswelle ermittelt wird.
  • Eine Steuervorrichtung umfasst eine Steuereinheit und/oder ein Leistungsteil, mit denen der mindestens eine Motor derart gesteuert oder geregelt wird, dass die durch das Fahrprofil zu erreichende Schaltstellung innerhalb einer durch das Fahrprofil vorgegebenen Zeit erreicht wird.
  • Jedes der Fahrprofile wird durch zwei Variablen definiert und stellt eine zweidimensionale Polynomfunktion n-ter Ordnung dar. Die Polynomfunktion ist in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet.
  • Durch das Fahrprofil werden eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment des mindestens einen Motors vorgegeben. Dabei wird durch das Fahrprofil auch vorgegeben, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle, welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit durch den Motor an der Antriebswelle umgesetzt wird.
  • Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, ein Antriebssystem zum Antreiben eines Schalters mit einem Feedbacksystem und einer Steuervorrichtung auszustatten, wodurch ermöglicht wird, dass der Schalter über ein bestimmtes Fahrprofil betätigt wird. Üblicherweise erfolgt, beispielsweise die Betätigung eines Laststufenschalters derart, dass ein Motor mit konstanter Drehzahl eine Antriebswelle betätigt, die parallel Wählerkontakte bewegt und einen Federenergiespeicher aufzieht, der nach dem Auslösen auf den Lastumschalter wirkt. Das Antriebssystem nach dem verbesserten Konzept ist in der Lage die Antriebswelle gezielt, sprich nach einem vorher ausgewählten Fahrprofil, anzutreiben. Das Fahrprofil gibt nicht nur eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment vor. Das Fahrprofil gibt auch vor, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle, welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit an der Antriebswelle umgesetzt wird. Durch die Nutzung derartiger Fahrprofile können gezielte Abschnitte einer Schaltung des Schalters beeinflusst werden. So ist es möglich, anhand der Antriebswellenposition, die Geschwindigkeit oder das Drehmoment zu erhöhen. Da im Schalter an der Antriebswelle unterschiedliche zu betätigende Teile angeordnet sind, können diese explizit geschont werden. So ist, beispielsweise zu Beginn einer Umschaltung ein höheres Drehmoment erforderlich, um Kontakte zu lösen oder in Bewegung zu versetzen. Unmittelbar danach kann das Drehmoment reduziert werden. Dies ist explizit mit dem Fahrprofil möglich. Über das Feedbacksignal wird die aktuelle Position der Antriebswelle, also Ist-Wert, mit dem Fahrprofil verglichen, also Soll-Wert. Das System wird damit flexibel und sicher.
  • Die Begrifflichkeit der "Position der Antriebswelle" beinhaltet Messgrößen, aus denen die Position der Antriebswelle, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig bestimmt werden kann.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform dient das Antriebssystem dazu, eine Welle des Schalters, Laststufenschalters oder eine entsprechende Komponente des Laststufenschalters anzutreiben. Dadurch wird der Laststufenschalter veranlasst, eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung oder eine Vorwählerbetätigung.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Schalter, insbesondere mit der Welle des Schalters, verbunden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform, ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Laststufenschalter, insbesondere mit der Welle des Laststufenschalters, verbunden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Motor, insbesondere mit einer Motorwelle des Motors, verbunden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform entspricht eine Position, insbesondere eine absolute Position, der Motorwelle, einer Position der Antriebswelle. 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 Überwachungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, anhand des Feedbacksignals, die eine oder mehreren Operationen des Schalters zu überwachen. Die Überwachung umfasst insbesondere eine Überwachung dahingehend, ob einzelne Operationen oder Teile ordnungsgemäß, insbesondere innerhalb vordefinierter Zeitfenster, durchgeführt werden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung eine Steuereinheit und ein Leistungsteil zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors. Die Steuereinheit ist zur Ansteuerung des Leistungsteils eingerichtet. Im Leistungsteil ist mindestens ein Fahrprofil hinterlegt, welches aus zwei Variablen gebildet und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet werden kann.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil als Umrichter oder Servoumrichter ausgestaltet oder als äquivalente elektronische, insbesondere vollelektronische, Einheit für Antriebsmaschinen.
  • Gemäß verschiedener Ausführungsformen enthält die Steuervorrichtung das Feedbacksystem ganz oder teilweise.
  • Die absolute Position der Antriebswelle kann 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 das Feedbacksystem dazu eingerichtet, eine Rotorposition des Motors zu ermitteln und einen Wert 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, beispielsweise durch die Steuervorrichtung. Durch Untersetzung mittels einem oder mehrerer Getriebe ist die dadurch erzielbare Genauigkeit der Position der Antriebswelle deutlich größer. Die Auswertung durch die Steuervorrichtung entspricht hier gewissermaßen einer virtuellen Geberfunktion. Auch bei einem vollständigen Ausfall eines Absolutwertgebers des Feedbacksystems kann daher wenigstens ein Notbetrieb aufrechterhalten werden und/oder der Laststufenschalter in eine sichere Position gebracht werden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem einen Absolutwertgeber, 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 Wert für die Position der Antriebswelle, 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 umfasst der Absolutwertgeber einen Multiturn-Drehgeber oder Singleturn-Geber.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle, anhand eines Abtastverfahrens, zu erfassen.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem eine Kombination aus einem Geber und einem Hilfskontakt, die in der Kombination dazu eingerichtet und angeordnet sind, 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 Wert für die Position der Antriebswelle, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals, zu ermitteln.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind der Geber und der Hilfskontakt direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Geber als Singleturn-Drehgeber oder inkrementeller Geber oder virtueller Geber ausgeführt und der Hilfsschalter als mindestens ein Mikroschalter oder Resolver oder Sin-Cos-Geber.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann das Fahrprofil aus zwei Variablen gebildet sein und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet werden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind die Variablen direkte Größen oder indirekte Größen des Antriebssystems, wie zum Beispiel, Zeit, Drehwinkel der Antriebswelle, Strom, Spannung, Geschwindigkeit, Drehmoment oder Beschleunigung.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann eine Variable durch jeweils eine Achse des Koordinatensystems abgebildet werden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung auf einen zweiten Motor wirken.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ein zweites Leistungsteil aufweisen, welches auf einen zweiten Motor wirkt.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung derart auf einen zweiten Motor wirken, dass dieser das Fahrprofil des Ist-Werts des Feedbacksystems des ersten Motors abfährt.
  • Gemäß wenigsten einer Ausführungsform kann der Schalter als ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler ausgebildet sein.
  • Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters angegeben. Das Verfahren umfasst das Bestimmen und Auswählen von einem Fahrprofil für die Antriebswelle zum Antreiben des Schalters durch die Steuervorrichtung, das Erzeugen eines Feedbacksignals, basierend auf der Position der Antriebswelle und das Steuern eines Motors zum Antreiben des Schalters, abhängig von dem Feedbacksignal und dem Fahrprofil.
  • 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 Umständen nur in 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 eines Antriebssystems gemäß dem verbesserten Konzept;
    Figur 2a
    ein Fahrprofil für das Antriebssystem, das den Drehwinkel der Antriebswelle als Funktion der Zeit darstellt;
    Figur 2b
    ein Fahrprofil für das Antriebssystem, das das Drehmoment als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt;
    Figur 3
    eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems, gemäß dem verbesserten Konzept für mehrere Schalter;
    Figur 4
    eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems gemäß dem verbesserten Konzept mit mehreren Leistungsteilen;
    Figur 5
    eine schematische Darstellung des Antriebs für einen Laststufenschalter, mit dem zwischen den verschiedenen Anzapfungen (Schaltstellungen) eines Transformators geschalten werden kann; und
    Figur 6
    eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antreiben eines Schalters.
  • Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems 3 für einen Schalter 1. Das Antriebssystem 3 ist über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 1 verbunden. Das Antriebssystem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebssystems 3 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweis einen Umrichter (nicht dargestellt) zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 enthält, sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus (nicht dargestellt). Das Antriebssystem 3 weist ein Gebersystem 13 auf, welches als Feedbacksystem 4 dient oder Teil des Feedbacksystems 4 ist und mit dem Leistungsteil 11 verbunden ist. Ferner ist das Gebersystem 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.
  • Das Gebersystem 13 ist dazu eingerichtet, mindestens einen ersten Wert für eine Position, insbesondere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition der Antriebswelle 16, zu erfassen. Dazu kann das Gebersystem 13 zum Beispiel einen Absolutwertgeber, insbesondere einen 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. Das Gebersystem 13 kann jedoch auch einen Single-Turn-Absolutwertgeber und/oder einen virtuellen Geber und/oder Hilfsschalter umfassen. Zum Beispiel kann die Position der Antriebswelle 16 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmt werden, beispielsweise, über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes.
  • Das Feedbacksystem 4 ist dazu eingerichtet, einen Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.
  • Die Steuervorrichtung 2 und insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11 sind dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, basierend auf dem Wert welches das Feedbacksystem 4 erzeugt.
  • Das Leistungsteil 11 weist einen Speicher 5 mit hinterlegten Fahrprofilen 22 (nicht dargestellt) auf. Das Gebersystem 13, das als Feedbacksystem 4 verwendet wird, meldet dem Leistungsteil 11 die Position der Welle und überwacht damit, ob die Antriebswelle 16 das Fahrprofil 22 richtig abfährt bzw. die vorgegebenen Parameter einhält. Die Fahrprofile 22 können auch in der Steuervorrichtung 2 oder Steuereinheit gespeichert sein.
  • Im Leistungsteil 11 sind mehrere Fahrprofile 22 hinterlegt. Über die Steuereinheit 10 wird eines der Fahrprofile 22 ausgewählt.
  • Figur 2a zeigt ein mögliches Fahrprofil 22 des Motors 12 für eine Schalthandlung des Schalters 1. Das beispielhafte Fahrprofil 22 ist eine Polynomfunktion n-ter Ordnung mit zwei Variablen, welche in ein zweidimensionales kartesisches Koordinatensystem 20 aufgetragen sind. Bei dem in Figur 2a gezeigten Fahrprofil 22 ist auf der X-Achse 24 die Zeit t, sprich, wie lange die Antriebswelle 16 den Motor 12 betätigt, aufgetragen. Auf der Y-Achse 25 ist der Drehwinkel ω der Antriebswelle 16 aufgetragen. Die in Figur 2a auf den Achsen 24, 25 aufgetragen Größen sind lediglich Beispiele und sollen nicht als Beschränkung der Erfindung verstanden werden. Die auf der X-Achse 24 und der Y-Achse 25 aufgetragenen Variablen können direkte Größen oder indirekte Größen des Antriebssystems 3 sein. Direkte Größen können beispielsweise die Zeit t, ein Drehwinkel der Antriebswelle 16, Strom oder Spannung sein. Indirekte Größen können Geschwindigkeit, Drehmoment, Beschleunigung oder ähnliches sein.
  • Figur 2b zeigt ein mögliches Fahrprofil 22 des Motors 12 für eine Schalthandlung des Schalters 1, welches in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem 20 aufgetragen ist. Hier ist die indirekte Größe des Drehmoments M(t) als Funktion des Drehwinkels ω aufgetragen und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung dargestellt. Bei dem in Figur 2a gezeigten Fahrprofil 22 ist auf der X-Achse 24 der Drehwinkel ω aufgetragen. Auf der Y-Achse 25 ist das auf die Antriebswelle 16 wirkende Drehmoment M(t) aufgetragen.
  • Das Fahrprofil 22 gibt einen Soll-Wert vor, den die Antriebswelle 16 abzufahren hat. Beim Abfahren des Fahrprofils 22 kann der Ist-Wert, der über das Feedbacksystem 4 erfasst wird, eine Abweichung vom Soll-Wert aufweisen. Abhängig von der vorgegeben möglichen Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert kann das Wirken auf den Motor 12 entweder abgebrochen oder fortgeführt werden. Die Abweichung kann entweder manuell eingestellt werden oder mittels eines Einlernprozesses ermittelt werden.
  • Figur 3 zeigt das Antriebssystem 3, welches zwei Schalter 1, 30 antreibt. Das zweite Gebersystem 13, welches ebenso als Feedbacksystem 4 verwendet wird, meldet dem Leistungsteil 11, bzw. das Leistungsteil 11 fragt die Position ab, ebenfalls die Position der zweiten Antriebswelle 16 und überwacht damit, ob die zweite Antriebswelle 16 das Fahrprofil 22 richtig abfährt bzw. die vorgegebenen Größen einhält. Dabei können die beiden Motoren 12, 32 entweder dem vorgegeben Fahrprofil 22 folgen oder einer der Motoren 12 fährt das vorgegebene Fahrprofil 22 ab und der zweite Motor 32 folgt dem Ist-Wert des ersten Motors 12, also in einer Art "Master-Slave" Funktion. Die Daten hierfür erhält der zweite Motor 32 vom Leistungsteil 11. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Schalter 1, 30, nur leicht zeitversetzt, das gleiche Fahrprofil 22 in der gleichen Zeit t abfahren. Sollten beide unabhängig voneinander dasselbe Fahrprofil 22 fahren müssen, kann bei einer Störung oder Verzögerung bei einem der Schalter 1, 30, der zweite Schalter schneller fertig werden, sodass kein synchrones Antreiben und damit kein synchrones Schalten vorliegt. Dies kann jedoch in einigen Fällen gerade erforderlich sein. Durch den "Master-Slave" Betrieb kann ein sicherer Parallelbetrieb gewährleistet werden.
  • Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Antriebssystems 3, bei dem ein zweites Leistungsteil 40 mit einem separaten Motor 32 und einem Feedbacksystem 4 vorgesehen sind. Auch hier können die beide Motoren 12, 32 entweder dem vorgegeben Fahrprofil 22 folgen oder ein Motor 12 folgt dem Fahrprofil 22 und der zweite Motor 32 folgt dem Ist-Wert des ersten Motors 12, der durch das erste Feedbacksystem 4 zur Verfügung gestellt wird, also in einer Art "Master-Slave" Funktion. Diese vorteilhafte Ausführungsform erlaubt den Parallelbetrieb von mehreren Schaltern, die räumlich weit voneinander entfernt sind. Die Leistungsteile 11, 40 sind mit einem Feldbus 6, wie zum Beispiel einem Powerlink, miteinander verbunden. Es findet lediglich ein Datenaustausch statt und keine Energieübertragung. Weiterhin kann es aus wirtschaftlichen Gründen von Vorteil sein, mehrere kleinere Leistungsteile statt einem großen Leistungsteil zu verwenden.
  • Figur 5 zeigt einen schematischen Aufbau eines Antriebskonzepts eines Schalters 1, 30, der als Laststufenschalter 170 ausgebildet ist. Bei diesem können die Schaltstellungen N1, N2,..., NN angefahren werden die mit den verschiedenen Stufen einer Regelwicklung 19 eines Transformators 180 verbunden sind. Obwohl für die Beschreibung der einzelnen Schaltstellung N1, N2,..., NN des Schalters 1, 30 das Konzept eines Laststufenschalter 170 gewählt worden ist, soll dies nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Antriebskonzept auch bei Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender oder Vorwähler Anwendung findet.
  • Für den Antrieb eines Wählers 18 und des Lastumschalters 17 ist ein Motor 12 vorgesehen, der über ein Getriebe 15 auf den Laststufenschalter 170 mit dem Wähler 18 und den Lastumschalter 17 wirkt. Über eine Motorwelle 14 und eine Antriebswelle 16 wirkt der Motor 12 auf den Laststufenschalter 170, um in einer Aufwärtsrichtung N+ von einer Schaltstellung NN auf die nächst höhere Schaltstellung NN+1 oder in einer Abwärtsrichtung N- von einer Schaltstellung NN auf die nächst niedere Schaltstellung NN-1 zu schalten. Dabei wird mit dem Wähler der zu beschaltende Schaltstellung (Stufenstellung) vorgewählt und der Lastumschalter führt die eigentliche Lastumschaltung aus.
  • In Figur 6 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antreiben mindestens eines Schalters 1, 30 dargestellt. Der mindestens eine Schalter 1, 30 umfasst zumindest ein Antriebssystem 3, das eine mit mindestens einem Motor 12 verbundene Antriebswelle 16 aufweist. Die Schaltung von einer aktuellen Schaltstellung NA (siehe Fig. 5) auf eine erreichbare Schaltstellung NE (siehe Fig. 5) kann mit einem Fahrprofil 22 beschrieben werden, welches durch ein Polynom n-ter Ordnung beschrieben und/oder dargestellt werden kann. Die Schaltung kann sowohl in der Aufwärtsrichtung N+ als auch in einer Abwärtsrichtung N- erfolgen. Vor Beginn der Schaltung wird ein Fahrprofil 22 ausgewählt, das einen Betrieb des Antriebssystems 3 zur Umschaltung von der aktuellen Schaltstellung NA auf die erreichbare Schaltstellung NE beschreibt. Während des Betriebs des Antriebssystems 3 wird mit einem Feedbacksystem 4 eine Position der Antriebswelle 16 des mindestens einen Motors 1, 30 erfasst. Die erfasste Position der Antriebswelle 16 wird durch einen Ist-Wert der Position der Antriebswelle 16 definiert. Ein Feedbacksignal wird aus dem erfassten Ist-Wert der Position der Antriebswelle 16 erzeugt.
  • Das ausgewählte Fahrprofil 22 repräsentiert einen Soll-Wert (eine Reihe von Soll-Werten), den das Antriebssystem 3 abfahren soll, um die Schaltung von der aktuellen Schaltstellung NA auf die zu erreichende Schaltstellung NE, z.B. in der vorgegebenen Zeit, zu bewerkstelligen. Gemäß der Erfindung wird ein Vergleich des Ist-Werts der Position der Antriebswelle 16 mit Fahrprofil 22 (Soll-Wert) durchgeführt, im Idealfall in Echtzeit oder leicht verzörgert.
  • Aus dem Vergleich kann ermittelt werden, ob eine Abweichung vom Ist-Wert und dem Fahrprofil 22 vorliegt.
  • Bei dem Vorliegen einer Abweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Fahrprofil 22 greift eine Steuervorrichtung 2 ein, die den mindestens einen Motor 12 derart steuert, dass die Abweichung des Ist-Werts vom Fahrprofil 22 minimiert wird. Während des Abfahrens des Fahrprofils wird immer der Vergleich zwischen dem Ist-Wert und dem Fahrprofil 22 (Soll-Wert) durchgeführt. Falls eine Abweichung festgesellt wird, wird von der Steuervorrichtung 2 entsprechend gegengesteuert (z.B. Drehmoment des Motors 12 erhöhen/erniedrigen; Drehzahl des Motors 12 erhöhen/erniedrigen, etc.). Bei Erreichen der erreichbaren Schaltstellung NE stoppt das Antriebssystem 3. Eine weitere Schaltung kann dann ggf. mit einem anderen Fahrprofil 22 eingeleitet werden. Sollte die Abweichung eine über ein bestimmtes Maß, welches vorher definiert wurde, steigen, kann die Umschaltung abgebrochen werden. Dann wird entweder das gesamte System stillgesetzt, die Antriebswelle und damit der Schalter in eine definierte sichere Position zurückgefahren und in die Startposition zurückgefahren werden. Hierfür kann das zu Beginn ausgewählte Fahrprofil 22 rückwärts abgefahren werden oder ein weiteres Fahrprofil durch die Steuervorrichtung 2 oder Steuereinheit 10 ausgewählt und abgefahren werden.
  • Die Fahrprofile werden für den jeweiligen Schalter bestimmt, mit denen die Antriebswelle 16 mit dem Motor in idealer Weise angetrieben werden soll. Das mindestens eine und bestimmte Fahrprofil wird für die Verwendung bei einer Schaltung gespeichert. Hierzu kann eine entsprechende Speichereinrichtung vorgesehen sein.
  • Eine absolute Position der Antriebswelle 16 oder eine absolute Position einer weiteren Welle wird mit mindestens einem Gebersystem 13 des Feedbacksystems 4 bestimmt.
  • Die Steuervorrichtung 2 umfasst eine Steuereinheit 10 und/oder einen Leistungsteil 11, mit denen der mindestens eine Motor 12 derart gesteuert oder geregelt wird, dass die durch das Fahrprofil 22 zu erreichende Schaltstellung NE innerhalb einer durch das Fahrprofil 22 vorgegebenen Zeit erreicht wird und die zu erreichende Schaltstellung NE annähernd mit dem vordefinierten Fahrprofil 22 erreicht wird.
  • Durch das Fahrprofil 22 wird z.B. eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment des mindestens einen Motors 13 vorgegeben. Das Fahrprofil 22 gibt somit vor, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle 16, welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit durch den Motor 13 an der Antriebswelle 16 umgesetzt werden soll. Die Steuervorrichtung dient nun dazu den Motor 13 entsprechend zu steuern, damit die Vorgaben des Fahrprofils 22 umgesetzt werden.
  • Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung einer besonderen Ausführungsform beschrieben. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
    • Bezugszeichen
    • 1, 30
    Schalter
    2
    Steuervorrichtung
    3
    Antriebssystem
    4
    Feedbacksystem
    5
    Speicher
    6
    Feldbus
    10
    Steuereinheit
    11, 40
    Leistungsteil
    12
    Motor
    13, 32
    Gebersystem
    14
    Motorwelle
    15, 34
    Getriebe
    16, 31
    Antriebswelle
    170
    Laststufenschalter
    17
    Lastumschalter
    18
    Wähler
    19
    Regelwicklung
    20
    Koordinatensystem
    22
    Fahrprofil
    24
    X-Achse
    25
    Y-Achse
    N1, N2,..., NN
    Schaltstellung
    N+
    Aufwärtsrichtung
    N-
    Abwärtsrichtung
    NA
    aktuelle Schaltstellung
    NE
    erreichbare Schaltstellung
    t
    Zeit
    ω
    Drehwinkel
    M(t)
    Drehmoment

Claims (14)

  1. Antriebsystem (3) für mindestens einen Schalter (1, 30) umfassend:
    eine Antriebswelle (16), welche das Antriebssystem (3) mit dem mindestens einen Schalter (1, 30) verbindet, mindestens einen Motor (12), der mit der Antriebswelle (16) gekoppelt ist,
    - ein Feedbacksystem (4), welches dazu eingerichtet ist, eine Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen und, basierend auf dieser Position, ein Feedbacksignal zu erzeugen,
    - eine Steuervorrichtung (2), welche, in Abhängigkeit von dem Feedbacksignal, ein gespeichertes Fahrprofil (22) aus mehreren Fahrprofilen auswählt und entsprechend dem ausgewählten Fahrprofil (22) auf den Motor (12) wirkt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Feedbacksystem (4) mindestens ein Gebersystem (13) und einen Hilfskontakt beinhaltet, die in Kombination dazu eingerichtet und angeordnet sind, eine absolute 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, die Position der Antriebswelle (16) anhand des wenigstens eines Ausgangssignals zu ermitteln.
  2. Antriebssystem (3) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (2) eine Steuereinheit (10) und ein Leistungsteil (11) umfasst, wobei das Leistungsteil (11) zur Energieversorgung des mindestens einen Motors (12) dient und die gespeicherten Fahrprofile (22) in einem Speicher (5) des Leistungsteils (11) hinterlegt sind.
  3. Antriebssystem (3) nach Anspruch 1 bis 2, wobei
    das Gebersystem (13) als Absolutwertgeber (13) ausgebildet ist, der als Singleturn-Drehgeber oder inkrementeller Geber oder Virtuelle-Drehgeber ausgeführt ist und der Hilfskontakt als mindestens ein Mikroschalter oder Resolver ausgeführt ist.
  4. Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fahrprofil (22) durch zwei Variablen definiert ist und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (20) abgebildet ist.
  5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuervorrichtung (2) auf zwei Motoren (12) wirkt.
  6. Antriebssystem nach Anspruch 5, wobei
    die Steuervorrichtung (2) zwei Leistungsteile (4, 40) umfasst, wobei jeweils eines mit einem der beiden Motoren (12) zusammenwirkt.
  7. Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei
    die Steuervorrichtung (2) derart mit einem der beiden Motoren (12) zusammenwirkt, so dass dieser das Fahrprofil (22) des Ist-Werts des Feedbacksystems (4) des anderen Motors (12) abfährt.
  8. Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schalter (1) ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler ist.
  9. Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters (1,30), mit einem Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 1-8, das eine mit mindestens einem Motor (12) verbundene Antriebswelle (16) aufweist, umfassend die Schritte:
    - dass vor Beginn der Umschaltung ein Fahrprofil (22) ausgewählt wird, das einen Betrieb des Antriebssystems (3) zur Umschaltung von einer aktuellen Schaltstellung (NA) auf eine erreichbare Schaltstellung (NE) beschreibt;
    - dass während des Betriebs des Antriebssystems (3) mit einem Feedbacksystem (4) eine Position der Antriebswelle (16) des mindestens einen Motors (12) erfasst wird, wobei die erfasste Position der Antriebswelle (16) einen Ist-Wert der Position der Antriebswelle (16) definiert;
    - dass ein Feedbacksignals aus dem erfassten Ist-Wert der Position der Antriebswelle (16) erzeugt wird;
    - dass aus einem Vergleich des Ist-Werts der Position der Antriebswelle (16) mit Fahrprofil (22) ermittelt wird, ob eine Abweichung vom Ist-Wert und dem Fahrprofil (22) vorliegt;
    - dass bei Vorliegen einer Abweichung der mindestens eine Motor (12) derart gesteuert wird, dass die Abweichung des Ist-Werts vom Fahrprofil (22) minimiert wird; und
    - dass bei Erreichen der erreichbaren Schaltstellung (NE) das Antriebssystem (3) stoppt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei mindestens ein Fahrprofil (22) für die Antriebswelle (16) zum Antreiben des Schalters (1, 30) bestimmt wird und das mindestens eine und bestimmte Fahrprofil (22) für die Verwendung bei einer Schaltung gespeichert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 10, wobei eine absolute Position der Antriebswelle (16) oder eine absolute Position einer weiteren Welle mit mindestens einem Gebersystem (13) des Feedbacksystems (4) bestimmt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 11, wobei eine Steuervorrichtung (2) eine Steuereinheit (10) und/oder ein Leistungsteil (11) umfasst, mit denen der mindestens eine Motor (12) derart gesteuert oder geregelt wird, dass die durch das Fahrprofil (22) zu erreichende Schaltstellung (NE) innerhalb einer durch das Fahrprofil (22) vorgegebenen Zeit erreicht wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 12, wobei das Fahrprofil (22) durch zwei Variablen definiert wird und eine zweidimensionale Polynomfunktion n-ter Ordnung darstellt, die in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (20) abgebildet ist.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 - 13 , wobei durch das Fahrprofil (22) eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment des mindestens einen Motors (12) vorgegeben werden, und wobei durch das Fahrprofil (22) vorgegeben wird, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle (16), welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit durch den Motor (12) an der Antriebswelle (16) umgesetzt werden.
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