EP4338181B1 - Schaltereinheit - Google Patents

Schaltereinheit

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EP4338181B1
EP4338181B1 EP22734884.4A EP22734884A EP4338181B1 EP 4338181 B1 EP4338181 B1 EP 4338181B1 EP 22734884 A EP22734884 A EP 22734884A EP 4338181 B1 EP4338181 B1 EP 4338181B1
Authority
EP
European Patent Office
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actuating shaft
motor
switching
shaft
actuating
Prior art date
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Active
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EP22734884.4A
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English (en)
French (fr)
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EP4338181C0 (de
EP4338181A1 (de
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Georg Kellendorfer
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.)
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Publication date
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Publication of EP4338181A1 publication Critical patent/EP4338181A1/de
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Publication of EP4338181C0 publication Critical patent/EP4338181C0/de
Publication of EP4338181B1 publication Critical patent/EP4338181B1/de
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    • H01H9/0005—Tap change devices
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    • 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
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H2009/0061—Monitoring tap change switching devices

Definitions

  • the invention relates to a switching unit with a load tap changer and a drive unit as well as a method for performing a switching operation by means of the switching unit.
  • Load-operated tap changers are known from the prior art and typically comprise a load switch and a selector. They are usually actuated by a motor drive in conjunction with a spring energy storage device. When performing a changeover, the motor drive pre-tensions the springs of the energy storage device. This either compresses compression springs or extends tension springs. At a defined mechanical point, the energy stored in the springs is released abruptly, and the load-operated tap changer is actuated. This type of actuation offers no way to control the energy required for the changeover, at least not from the moment the spring energy is released.
  • WO-A-2020/229122 reveals a state-of-the-art load tap changer.
  • the object of the invention is therefore to create a switching unit without spring energy storage that intelligently uses the energy required for switching and is simple and compact in design.
  • a further object of the invention is to create a method for carrying out a switching operation using the switching unit, which can be carried out safely and efficiently.
  • the switching unit according to the invention enables particularly efficient actuation of the switching elements and thus the switching of the load tap changer.
  • the actuating shaft is initially accelerated and absorbs kinetic energy. During this phase, the actuating shaft is mechanically connected to the switching elements but does not yet actuate them. Only from a point defined by the design are the switching elements actuated.
  • the kinetic energy of the actuating shaft and the energy from the motor of the drive system are used to actuate the switching elements and thus perform a switching of the load tap changer.
  • the mass of the actuating shaft and the motor of the drive system are optimally matched to the switching elements. When the switching elements are actuated, this prevents the motor speed from dropping below a minimum value. As a result, switching times are always maintained.
  • the actuating shaft can have cams on its outer surface that are partially distributed around its circumference.
  • the switching unit can have several switching elements, including vacuum interrupters and/or selector contacts.
  • the switching elements could include actuating levers that, by means of rollers, move along the outer surface of the actuating shaft. When the actuating shaft rotates, the switching elements are only actuated when the respective roller of an actuating lever engages a cam.
  • the vacuum interrupters are opened and closed accordingly during actuation.
  • the selector contacts make contact with fixed contacts that are connected to tapped sections of a control winding.
  • the motor shaft rotates several times during a switchover.
  • the actuating shaft rotates at least once and at most three times during a switchover, i.e., at least 360 degrees or at most 1080 degrees.
  • the switching process is divided into several steps.
  • the actuating shaft is accelerated by the motor of the drive system.
  • the actuating shaft stores kinetic energy.
  • the switching mechanism is actuated. The energy required for this is drawn from the kinetic energy of the actuating shaft and additional energy from the motor of the drive system.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a switch unit 1 with a load tap changer 17 and a drive system 3, which is connected via a drive shaft 16 to the load tap changer 17 and its actuating shaft 20 and the several switching elements 21.
  • This drive system 3 is used to perform the method for The switching operation of the load tap changer is carried out.
  • the load tap changer 17 can include a load changeover switch, selector, double reversing switch, reversing switch, and/or preselector, or it can be configured as a load selector.
  • the switching elements 21 can be designed as vacuum switching tubes and/or simple contacts or selector contacts immersed in oil.
  • the drive system 3 includes a motor 12, which can drive the drive shaft 16 via a motor shaft 14 and, optionally, via a gearbox 15.
  • the drive shaft 16 is connected to the actuating shaft 20 in the load tap changer 17.
  • a control device 2 of the drive system 3 includes a power section 11, which contains, for example, an inverter (not shown) for the controlled or regulated power supply of the motor 12, as well as a control unit 10 for controlling the power section 11, for example, via a bus 19.
  • the drive system 3 has a feedback system 4, which is functionally assigned to the drive shaft 16.
  • the feedback system 4 can be a sensor system 13.
  • the sensor system 13 can be part of the feedback system 4.
  • the feedback system 4, or the sensor system 13, is connected to the power unit 11. Furthermore, the sensor system 13 is directly or indirectly coupled to the drive shaft 16.
  • the encoder system 13 is configured to detect an initial value for a position, such as an angular position, in particular an absolute angular position, of the drive shaft 16 and thus also of the actuating shaft 20.
  • the encoder system 13 can, for example, include an absolute encoder, in particular a multi-turn absolute encoder or a single-turn rotary encoder, which is attached to the drive shaft 16, the motor shaft 14, or another shaft whose position is uniquely linked to the position of the drive shaft 16.
  • the position of the drive shaft 16 or actuating shaft 20 can be uniquely determined from the position of the motor shaft 14, such as via a gear ratio of the transmission 15.
  • the encoder system 13 can include a virtual rotary encoder that determines the position of the motor shaft 14 and derives the position of the drive shaft 16 or the actuating shaft 20 from it.
  • the feedback system 4 is configured to detect a value for the position of the drive shaft 16 and thus also a position of the actuating shaft 20.
  • an encoder system 13 which is designed as a multi-turn absolute encoder or a single-turn rotary encoder, the value for the position of the drive shaft 16 is provided as a protocol.
  • the value for the position of the drive shaft 16 is determined from the rotor position of the motor 12.
  • inductive feedback can be used, for example, through the movement of the rotor in the motor windings of the motor 12. Since a certain strength of the feedback Since the rotor position varies periodically, it can be approximately determined, particularly using signal analysis such as FFT analysis. Because one full revolution of the drive shaft 16 corresponds to a multitude of rotor revolutions, the position of both the drive shaft 16 and the actuating shaft 20 can be determined with much higher accuracy.
  • the encoder system 13 can also be configured as a combination of a virtual rotary encoder and an auxiliary contact that is directly or indirectly connected to the drive shaft 16. The value for the position of the drive shaft 16 is then derived from the signals of the virtual rotary encoder and the auxiliary contact.
  • the control device 2 in particular the control unit 10 and/or the power part 11, is designed to control or regulate the motor 12, depending on a feedback signal which the feedback system 4 generates based on the value.
  • the control device 2 for example the control unit 10, uses the value for the position of the drive shaft 16 or actuating shaft 20 to determine the position of the load tap changer 17.
  • the control device 2, for example the control unit 10, controls and regulates the motor 12 so that it maintains a predetermined speed according to the specifications.
  • the system When performing a switching operation or when the load tap changer 17 is actuated, the system always attempts to accelerate the drive system 3, and in particular the motor 12, to a predetermined speed, maintain this speed during the switching operation, and reduce the motor speed to 0 at the end of the switching operation. During the switching operation or when the load tap changer 17 is actuated, the speed of the motor 12 must not fall below a predetermined minimum value.
  • the actuating shaft 20 and the switching means 21 are mechanically connected or coupled to each other.
  • the actuating shaft 20 can have cams which, from a certain point in the rotation of the actuating shaft 20, open and close the switching means 21, in particular vacuum switching tubes, for example via toggle levers. It is assumed that the energy required to actuate the switching means 21 is always the same. In other words, a constant torque must always be applied to actuate the switching means 21.
  • the motor 12 provides the energy required to actuate the switching means 21 only with a delay, and thus the speed of the motor 12 initially drops. After a delay, the motor 12 then provides the energy, which also increases the speed.
  • Figure 2 shows a possible driving profile of the motor 12 for switching or actuating the switch unit 1, and in particular the division of the switching into several steps in different diagrams 25 and 26.
  • these diagrams are arranged one above the other.
  • the rotational speed n of the motor 12 is plotted against time.
  • the actuating shaft 20 is accelerated by the motor 12 of the drive system 3.
  • the rotational speed of the motor 12 increases linearly in a first step 60 over a certain time until a certain value, i.e., a certain rotational speed, is reached. This is the first step 60 of the switching process or the switching operation.
  • the second diagram 26 which is shown below the first diagram 25, the course of the kinetic energy is shown. The kinetic energy is calculated from the rotational speed and the inertia of the actuating shaft 20 and the inertia of the switching means 21.
  • the first step 60 of the switching process is shown in a delimited manner. While the motor 12 of the drive system 3 accelerates the actuating shaft 20, the kinetic energy increases in the entire mechanical system of the switch unit 1.
  • the switching means 21 are actuated.
  • the kinetic energy of the actuating shaft 20 is used to actuate the switching means 21.
  • the momentum of the mass of the actuating shaft 20 assists the motor 12 in actuating the switching means 21.
  • the actuating shaft 20 is used as a storage device for kinetic energy.
  • the speed of the motor 12 briefly drops when the switching means 21 are actuated and then rises again to the predetermined value.
  • the moment of inertia of the actuating shaft 20 is small in this example. Therefore, only a small torque is required to accelerate the actuating shaft 20. Very little kinetic energy is stored in the actuating shaft 20. Since this energy is significantly less than the work required to actuate the switching elements 21, the speed of the motor 12 drops sharply because the non-ideal drive system 3 requires a certain amount of time to replenish the lost energy. In other words, the energy extracted from the system is very large in relation to the kinetic energy present before the actuation of the switching elements 21. This causes the minimum speed 34 to fall below the required value, which negatively affects the switching operation. For example, switching times in the load tap changer 17 cannot be maintained.
  • the second pair of diagrams 40, 41 in Figure 3b Figure 1 shows the driving profile of an embodiment of the switch unit 1 in which the moment of inertia of the actuating shaft 20 is very high. Therefore, a large torque 42 must be applied to accelerate the actuating shaft 20. A significant amount of kinetic energy is stored in the actuating shaft 20. Since this energy is considerably greater than the work required to actuate the switching means 21, the motor speed hardly drops once the torque of the switching means 21 is applied. In other words, the energy extracted from the system is very small in relation to the kinetic energy present before the actuation of the switching means 21. The minimum speed 44 is not undercut, which has a positive effect on the switching process.
  • the third area 44 shows the torque required to decelerate the actuating shaft 20.
  • FIG. 1 A driving profile of an optimal embodiment of the switch unit 1 is shown, in which the moment of inertia of the The actuating shaft 20 and the motor 12 are matched to the torque 53 required when actuating the switching means 20.
  • the mass of the actuating shaft 20 is precisely such that, when actuating the switching means 21, the rotational speed remains just above a minimum value and the torque 52 for accelerating the actuating shaft 20 does not become too high. A smaller, more suitable motor 12 can be selected.
  • the moment of inertia of the actuating shaft 20 is chosen to be so large that the absolute value of the torque 52 for accelerating and braking the actuating shaft 20 is greater than or equal to the torque required by the switching means 21 during switching or actuating the load tap changer 17.
  • Figure 4 Figure 60 shows a method for performing a switching operation using a switch unit 1.
  • the actuating shaft 20 is accelerated by the motor 12 of the drive system 3.
  • the actuating shaft 20 absorbs kinetic energy.
  • the switching means 21 are not yet actuated.
  • the switching means 21 are actuated.
  • the kinetic energy of the actuating shaft 20 and the energy of the drive system 3 are used.
  • the actuating shaft 20 is decelerated by the drive system 3.
  • switching refers to the operation of the load tap changer. This involves switching from one winding tap of a tap-changer to an adjacent winding tap-changer of the same tap-changer.

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltereinheit mit einem Laststufenschalter und einer Antriebseinheit sowie einem Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels der Schaltereinheit.
  • Laststufenschalter sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen üblicherweise einen Lastumschalter und einen Wähler auf. Die Betätigung der Laststufenschalter erfolgt meist mittels eines Motorantriebs in Verbindung mit einem Federenergiespeicher. Beim Durchführen einer Umschaltung spannt der Motorantrieb die Federn des Federenergiespeichers vor. Hierbei werden entweder Druckfedern zusammengedrückt oder Zugfedern gestreckt. Ab einem definierten mechanischen Punkt wird die, in die Federn eingebrachte, Energie schlagartig freigegeben und der Laststufenschalter betätigt. Diese Art der Betätigung weist keine Möglichkeit auf, die für die Umschaltung benötigte Energie, zumindest ab dem Zeitpunkt, an dem die Federenergie freigegeben wird, zu kontrollieren. WO-A-2020/229122 offenbart einen Laststufenschalter aus dem Stand der Technik.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Schaltereinheit ohne Federenergiespeicher zu schaffen, die die für die Umschaltung benötigte Energie intelligent nutzt und dabei einfach und kompakt aufgebaut ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Schalteinheit gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche bilden dabei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels der Schalteinheit zu schaffen, welche sicher und effizient durchführbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 6 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche bilden dabei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Erfindung schlägt gemäß einem ersten Aspekt eine Schaltereinheit vor, umfassend:
    • einen Laststufenschalter mit einer Betätigungswelle, der ein Schaltmittel betätigt;
    • ein Antriebssystem mit einem Motor;
      wobei
    • das Antriebssystem mit dem Laststufenschalter mechanisch gekoppelt ist und diesen betätigt;
    • das Antriebssystems beim Betätigen des Laststufenschalters die Betätigungswelle als Speicher für kinetische Energie nutzt, derart, dass die Betätigungswelle beschleunigt wird und das Schaltmittel mittels kinetischer Energie aus der Betätigungswelle und weiterer Energie, die durch den Motor zur Verfügung gestellt wird, betätigt werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Schaltereinheit gelingt eine besonders effiziente Betätigung der Schaltmittel und damit die Durchführung einer Umschaltung des Laststufenschalters. Die Betätigungswelle wird zunächst beschleunigt und nimmt kinetische Energie auf. Während dieser Phase ist die Betätigungswelle zwar mit den Schaltmitteln mechanisch verbunden, betätigt diese jedoch noch nicht. Erst ab einem, durch die Konstruktion, definierten Punkt werden die Schaltmittel betätigt. Hier werden dann die kinetische Energie der Betätigungswelle und die Energie aus dem Motor des Antriebssystems genutzt, um die Schaltmittel zu betätigen und damit eine Umschaltung des Laststufenschalters durchzuführen. Die Masse der Betätigungswelle und der Motor des Antriebssystems sind optimal auf die Schaltmittel abgestimmt. Beim Betätigen der Schaltmittel wird somit verhindert, dass die Drehzahl des Motors derart einbricht, dass ein Mindestwert der Drehzahl unterschritten wird. Dadurch werden Schaltzeiten stets eingehalten. Überschaltwiderstände werden nicht zu lange mit einem Kreisstrom beaufschlagt. Weiterhin wird ein genau angepasster Motor genutzt, der nicht überdimensioniert ist. Die Schaltereinheit wird damit kostengünstig. Der Schwung der Betätigungswelle wird also genutzt, um eine Lastumschaltung optimal durchzuführen.
  • Die Schaltereinheit kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, wobei
    • die Betätigungswelle und das Schaltmittel derart mechanisch gekoppelt sind, dass die Betätigungswelle die Schaltmittel nach einem festgelegten Drehwinkel betätigt.
  • Dabei kann die Betätigungswelle auf ihrer Außenfläche Nocken aufweisen die partiell umlaufend verteilt sind. Die Schaltereinheit kann mehrere Schaltmittel aufweisen, die Vakuumschaltröhren und/oder Wählerkontakte umfassen. Die Schaltmittel könnte Betätigungshebel umfassen, die mittels Rollen die Außenfläche der Betätigungswelle abfahren. Beim Drehen der Betätigungswelle werden die Schaltmittel erst dann betätigt, wenn die jeweilige Rolle eines Betätigungshebels auf eine Nocke trifft. Die Vakuumschaltröhren werden beim Betätigen entsprechend geschlossen und geöffnet. Die Wählerkontakte kontaktieren Festkontakte, die mit Stufenanzapfungen einer Regelwicklung verbunden sind.
  • Die Schaltereinheit kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, wobei
    • die Betätigungswelle bei einer Betätigung des Laststufenschalters mindestens einmal gedreht und die Motorwelle mehrmals gedreht wird.
  • Je nach Ausführungsform eines Getriebes zwischen dem Motor und der Betätigungswelle dreht sich die Motorwelle beim Durchführen einer Umschaltung mehrere Male. Die Betätigungswelle dreht sich bei einer Umschaltung mindestens einmal und maximal dreimal, also mindestens um 360 Grad oder maximal um 1080 Grad.
  • Die Schaltereinheit kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, wobei
    • ein Moment zum Beschleunigen der Betätigungswelle annähernd oder größer einem Moment zum Betätigen des Schaltmittels bzw. der Schaltmittel ist.
  • Die Erfindung schlägt gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels einer Schaltereinheit vor, wobei:
    • in einem ersten Schritt die Betätigungswelle durch den Motor des Antriebssystems beschleunigt wird, die Betätigungswelle dabei kinetische Energie aufnimmt und kein Schaltmittel betätigt wird;
    • in einem zweiten Schritt das Schaltmittel mittels der kinetischen Energie aus der Betätigungswelle und einer Energie aus dem Antriebssystem betätigt werden;
    • in einem dritten Schritt die Betätigungswelle durch den Motor des Antriebssystems abgebremst wird.
  • Bei der Durchführung einer Umschaltung mittels der Schaltereinheit, insbesondere bei der Durchführung einer Umschaltung des Laststufenschalters bzw. dessen Betätigung, ist der Umschaltvorgang in mehrere Schritte aufgeteilt. In einem ersten Schritt wird die Betätigungswelle mit dem Motor des Antriebssystems beschleunigt. Dabei speichert die Betätigungswelle kinetische Energie. In einem zweiten Schritt erfolgt die Betätigung der Schaltmittel. Die hierfür benötigte Energie wird aus der kinetischen Energie der Betätigungswelle und weiterer Energie aus dem Motor des Antriebssystems entnommen.
  • Nachfolgend sind die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung der Schaltereinheit;
    Fig. 2
    ein Fahrprofil eines Motors eines Antriebssystems der Schaltereinheit in zwei Diagrammen;
    Fig. 3a-3b
    drei Fahrprofile von Antriebssystemen mit unterschiedlichen Betätigungswelle anhand von je zwei Diagrammen;
    Fig. 4
    ein Ablaufdiagramm für eine Umschaltung einer Schaltereinheit.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schaltereinheit 1 mit einem Laststufenschalter 17 und einem Antriebssystem 3, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Laststufenschalter 17 und dessen Betätigungswelle 20 und den mehreren Schaltmitteln 21 verbunden ist. Mit diesem Antriebssystem 3 wird das Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung des Laststufenschalters durchgeführt. Der Laststufenschalter 17 kann einen Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender und/oder Vorwähler umfassen oder auch als Lastwähler ausgestaltet sein. Die Schaltmittel 21 können als Vakuumschaltröhren und/oder einfache Kontakte oder Wählerkontakte, die in Öl angeordnet sind, ausgebildet sein. Das Antriebssystem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und, optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Die Antriebswelle 16 ist mit der Betätigungswelle 20 im Laststufenschalter 17 verbunden. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebssystems 3 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweise einen Umrichter (nicht dargestellt) zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus 19 enthält. Das Antriebssystem 3 weist ein Feedbacksystem 4 auf, welches funktional der Antriebswelle 16 zugeordnet ist. Das Feedbacksystem 4 kann ein Gebersystem 13 sein. Ebenso kann das Gebersystem 13 ein Teil des Feedbacksystems 4 sein. Das Feedbacksystem 4 bzw. das Gebersystem 13 ist mit dem Leistungsteil 11 verbunden. 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, wie zum Beispiel eine Winkelposition, insbesondere eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 und damit auch der Betätigungswelle 20 zu erfassen. Dazu kann das Gebersystem 13 beispielsweise einen Absolutwertgeber, insbesondere einen Multi-Turn-Absolutwertgeber oder einen Single-Turn-Drehgeber, umfassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. Beispielsweise ist die Position der Antriebswelle 16 oder Betätigungswelle 20 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmbar, wie zum Beispiel über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 15. Weiterhin kann das Gebersystem 13 einen virtuellen Drehgeber umfassen, der die Position der Motorwelle 14 bestimmt und daraus die Position der Antriebswelle 16 oder der Betätigungswelle 20 ableitet.
  • Das Feedbacksystem 4 ist dazu eingerichtet, einen Wert für die Position der Antriebswelle 16 und damit auch eine Position der Betätigungswelle 20 zu erfassen. Bei einem Gebersystem 13, das als Multi-Turn-Absolutwertgeber oder Single-Turn-Drehgeber ausgestaltet ist, wird der Wert für die Position der Antriebswelle 16 als Protokoll zur Verfügung gestellt.
  • Bei der Ausführung des Gebersystems 13 als virtueller Drehgeber wird der Wert für die Position der Antriebswelle 16 aus einer Rotorposition des Motors 12 ermittelt. Dazu kann beispielsweise eine induktive Rückkopplung durch die Bewegung des Rotors in Motorwicklungen des Motors 12 ausgenutzt werden. Da eine Stärke der Rückkopplung periodisch variiert, kann, insbesondere mittels Signalanalyse, wie zum Beispiel durch FFT Analyse, die Rotorposition annäherungsweise 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 und auch der Betätigungswelle 20 geschlossen werden.
  • Das Gebersystem 13 kann auch als eine Kombination aus einem virtuellen Drehgeber und einem Hilfskontakt, der direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 verbunden ist, ausgebildet sein. Der Wert für die Position der Antriebswelle 16 wird dann aus den Signalen des virtuellen Drehgebers und des Hilfskontakts gebildet.
  • Die Steuervorrichtung 2, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11, ist dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, welches das Feedbacksystem 4, basierend auf dem Wert, erzeugt.
  • Die Steuervorrichtung 2, beispielsweise die Steuereinheit 10, nutzt den Wert für die Position der Antriebswelle 16 oder Betätigungswelle 20 für die Positionsbestimmung des Laststufenschalters 17. Die Steuervorrichtung 2, beispielsweise die Steuereinheit 10, steuert und regelt den Motor 12 so, dass dieser eine vorgegebene Drehzahl entsprechend den Vorgaben hält.
  • Bei der Durchführung einer Umschaltung bzw. beim Betätigen des Laststufenschalters 17 wird stets versucht, dass das Antriebssystem 3 und insbesondere der Motor 12 auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt wird, diese Drehzahl während der Umschaltung hält und am Ende der Umschaltung die Drehzahl des Motors auf 0 gesenkt wird. Während der Umschaltung bzw. beim Betätigen des Lastumschalters 17 darf die Drehzahl des Motors 12 einen vorgegebenen Mindestwert nicht unterschreiten.
  • Die Betätigungswelle 20 und die Schaltmittel 21 sind mechanisch miteinander verbunden bzw. gekoppelt. Die Betätigungswelle 20 kann Nocken aufweisen, die ab einem bestimmten Punkt der Drehung der Betätigungswelle 20 die Schaltmittel 21, insbesondere Vakuumschaltröhren, beispielsweise über Kniehebel, öffnen und schließen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die zum Betätigen der Schaltmittel 21 benötigte Energie stets gleich ist. Mit anderen Worten muss stets ein konstantes Moment aufgebracht werden, um die Schaltmittel 21 betätigen.
  • Da es sich nicht um ein ideales System handelt, ist davon auszugehen, dass der Motor 12 die für die Betätigung der Schaltmittel 21 benötigte Energie erst verzögert zur Verfügung stellt und somit die Drehzahl des Motors 12 zunächst einbricht. Mit einer Verzögerung stellt der Motor 12 dann die Energie zur Verfügung, wodurch auch die Drehzahl steigt.
  • Figur 2 zeigt ein mögliches Fahrprofil des Motors 12 für eine Umschaltung bzw. Betätigung der Schaltereinheit 1 und insbesondere die Aufteilung der Umschaltung in mehrere Schritte in unterschiedlichen Diagrammen 25,26. Zur besseren Erläuterung sind diese Diagramme untereinander angeordnet dargestellt. Im ersten Diagramm 25 ist die Drehzahl n des Motors 12 über die Zeit aufgetragen. Die Betätigungswelle 20 wird über den Motor 12 des Antriebssystems 3 beschleunigt. Wie hier zu erkennen ist, nimmt die Drehzahl des Motors 12 in einem ersten Schritt 60 in einer bestimmten Zeit linear zu, bis ein bestimmter Wert, also eine bestimmte Drehzahl, erreicht ist. Hierbei handelt es sich um den ersten Schritt 60 des Umschaltverfahrens bzw. der Umschaltung. Im zweiten Diagramm 26, welches unterhalb des ersten Diagramms 25 abgebildet ist, wird der Verlauf der kinetischen Energie dargestellt. Die kinetische Energie wird aus der Drehzahl und der Massenträgheit der Betätigungswelle 20 und der Massenträgheit der Schaltmittel 21 gebildet.
  • Auch hier ist der erste Schritt 60 der Umschaltung abgegrenzt dargestellt. Während der Motor 12 des Antriebssystems 3 die Betätigungswelle 20 beschleunigt, nimmt die kinetische Energie im gesamten mechanischen System der Schaltereinheit 1 zu.
  • Im zweiten Schritt 70 erfolgt nun die Betätigung der Schaltmittel 21. Vorteilhafterweise wird zusätzlich zur Energie aus dem Motor 12, die kinetische Energie der Betätigungswelle 20 genutzt, um die Schaltmittel 21 zu betätigen. Mit anderen Worten unterstützt der Schwung der Masse der Betätigungswelle 20 den Motor 12 bei der Betätigung der Schaltmittel 21. Die Betätigungswelle 20 wird als Speicher für kinetische Energie verwendet. Im zweiten Schritt 60 ist zu sehen, dass die Drehzahl des Motors 12 beim Betätigen der Schaltmittel 21 kurzzeitig sinkt und dann wieder auf den vorgegebenen Wert ansteigt.
  • Durch das Betätigen der Schaltmittel 21, insbesondere wenn die Malteserräder der Schaltmittel 21 betätigt werden, wird ab einem bestimmten Punkt deren Massenträgheit plötzlich an die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 angekoppelt. Es kommt zu einer Verschiebung von kinetischer Energie aus der Betätigungswelle 20 in die Schaltmittel 21. Nachdem die Gesamtenergie gleichbleibt, muss die Drehzahl der Betätigungswelle zwangsläufig sinken. Da nun die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 und die der Schaltmittel 21 beschleunigt werden muss, damit der Motor die vorgegebene Drehzahl erreicht, steigt auch die kinetische Energie an. Beim Betätigen der Schaltmittel 21 ist es besonders wichtig, dass die Drehzahl einen bestimmten Mindestwert 27 nicht unterschreitet. Die Unterschreitung des Mindestwertes könnte zur Folge haben, dass die Schaltmittel 21 zu langsam betätigt werden würden. Schaltzeiten werden dann nicht eingehalten, sodass Lichtbögen in den Schaltmitteln 21 nicht erlöschen könnten oder Überschaltwiderstände zu lange belastet werden würden.
  • In den Figuren 3a bis 3c werden die Kombinationen aus drei unterschiedlichen Betätigungswellen 20 als Speicher für kinetische Energie und dem Motor 12 anhand von drei Fahrprofilen beschrieben. Im ersten oberen Diagramm 30 in Figur 3a werden die auftretenden Momente, die beim Betätigen des Laststufenschalters 17 in einem zeitlichen Abschnitt auftreten, gezeigt. Die erste Fläche 32 zeigt das benötigte Moment für die Beschleunigung der Betätigungswelle 20. Die zweite Fläche 33 zeigt das benötigte Moment für die Betätigung der Schaltmittel 21. Die dritte Fläche 34 zeigt das benötigte Moment zum Abbremsen der Betätigungswelle 20. Im Diagramm 31 darunter wird der Drehzahlverlauf des Motors 12 über die Zeit dargestellt.
  • Die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 ist in diesem Beispiel klein. Deshalb muss ein kleines Moment aufgebracht werden, um die Betätigungswelle 20 zu beschleunigen. Nur wenig kinetische Energie wird in der Betätigungswelle 20 gespeichert. Da diese Energie deutlich kleiner ist, als die Arbeit, welche zur Betätigung der Schaltmittel 21 benötigt wird, bricht die Drehzahl des Motors 12 stark ein, da das nicht ideale Antriebssystem 3 eine gewisse Zeit benötigt, um die verlorene Energie wieder ins System nachzuschieben bzw. einzubringen. Mit anderen Worten ist, die aus dem System entnommene Energie in Relation zu der vor der Betätigung der Schaltelemente 21 vorhandenen kinetischen Energie sehr groß. Dabei wird der Mindestwert der Drehzahl 34 unterschritten, was sich negativ auf die Umschaltung auswirkt. So können beispielsweise Schaltzeiten im Laststufenschalter 17 nicht eingehalten werden.
  • Das zweite Diagrammpaar 40, 41 in Figur 3b zeigt das Fahrprofil einer Ausführungsform der Schaltereinheit 1, bei der die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 sehr groß ist. Damit muss ein großes Moment 42 aufgebracht werden, um die Betätigungswelle 20 zu beschleunigen. Sehr viel kinetische Energie wird in der Betätigungswelle 20 gespeichert. Da diese Energie deutlich größer ist, als die Arbeit, welche zur Betätigung der Schaltmittel 21 benötigt wird, bricht die Drehzahl des Motors kaum ein, sobald das Moment der Schaltmittel 21 auftritt. Mit anderen Worten ist, die aus dem System entnommene Energie in Relation zu der vor der Betätigung der Schaltmittel 21 vorhandenen kinetischen Energie sehr klein. Dabei wird der Mindestwert 44 der Drehzahl nicht unterschritten, was sich auf die Umschaltung positiv auswirkt. Allerdings wird in diesem Fall ein sehr leistungsstarker Motor 12 benötigt, um die Betätigungswelle 20 auf die entsprechende Drehzahl n zu bringen. Leistungsstarke Motoren machen ein Antriebssystem teuer und damit unwirtschaftlich. Die dritte Fläche 44 zeigt das benötigte Moment zum Abbremsen der Betätigungswelle 20.
  • Im dritten Diagrammpaar 50, 51 in Figur 3c wird ein Fahrprofil einer optimalen Ausführungsform der Schaltereinheit 1 gezeigt, bei der die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 mit dem Motor 12 auf das beim Betätigen der Schaltmittel 20 benötigte Moment 53 abgestimmt sind. Dabei ist die Masse der Betätigungswelle 20 gerade so groß, dass beim Betätigen der Schaltmittel 21 die Drehzahl gerade noch über einem Mindestwert bleibt und das Moment 52 für die Beschleunigung der Betätigungswelle 20 nicht zu groß wird. Ein kleinerer, passenderer Motor 12 kann ausgewählt werden.
  • Mit anderen Worten wird die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 so groß gewählt, dass das Moment 52 zum Beschleunigen und Bremsen der Betätigungswelle 20 vom Absolutwert größer oder gleich dem Moment ist, welches während der Umschaltung bzw. beim Betätigen des Laststufenschalters 17 durch die Schaltmittel 21 benötigt wird.
  • Figur 4 zeigt ein Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels Schaltereinheit 1. Dabei wird im ersten Schritt 60 die Betätigungswelle 20 durch den Motor 12 des Antriebssystems 3 beschleunigt. Die Betätigungswelle 20 nimmt kinetische Energie auf. Dabei werden die Schaltmittel 21 noch nicht betätigt. In einem zweiten Schritt 70 werden die Schaltmittel 21 betätigt. Hierbei wird die kinetische Energie der Betätigungswelle 20 und die Energie des Antriebssystems 3 verwendet. Im dritten Schritt 80 wird die Betätigungswelle 20 abgebremst durch das Antriebssystem 3 gebremst.
  • Als Umschaltung wird die Betätigung des Laststufenschalters verstanden. Hierbei findet eine Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators auf eine benachbarte Wicklungsanzapfung des Stufentransformators statt.

Claims (7)

  1. Schaltereinheit (1), umfassend:
    - einen Laststufenschalter (17) mit einer Betätigungswelle (20), die ein Schaltmittel (21) betätigt,
    - ein Antriebssystem (3) mit einem Motor (12);
    wobei
    - das Antriebssystem (3) mit dem Laststufenschalter (17) mechanisch gekoppelt ist und diesen betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Antriebssystem (3) beim Betätigen des Laststufenschalters (17) die Betätigungswelle (20) als Speicher für kinetische Energie nutzt, derart, dass die Betätigungswelle (20) beschleunigt wird und das Schaltmittel (21) mittels kinetischer Energie aus der Betätigungswelle (20) und zusätzlicher Energie, die durch den Motor (12) zur Verfügung gestellt wird, betätigt wird.
  2. Schaltereinheit (1) nach Anspruch 1, wobei
    - die Betätigungswelle (20) und das Schaltmittel (21) derart mechanisch gekoppelt sind, dass die Betätigungswelle (20) das Schaltmittel (21) nach einem festgelegten Drehwinkel betätigt.
  3. Schaltereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei
    - die Betätigungswelle (21) bei einer Betätigung des Laststufenschalters (17) mindestens einmal gedreht wird und die Motorwelle (14) mehrmals gedreht wird.
  4. Schaltereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
    - ein Moment zum Beschleunigen der Betätigungswelle (20) annähernd oder größer einem Moment zum Betätigen des Schaltmittels (21) ist.
  5. Schaltereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
    - mehrere Schaltmittel (21) vorgesehen sind, die als Vakuumschaltröhren und/oder Wählerkontakte ausgebildet sind.
  6. Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels einer Schaltereinheit (1) gemäß Anspruch 1 bis 5, wobei:
    - in einem ersten Schritt (60) die Betätigungswelle (20) durch den Motor (12) des Antriebssystems (3) beschleunigt wird, die Betätigungswelle (20) kinetische Energie aufnimmt und kein Schaltmittel (21) betätigt wird;
    - in einem zweiten Schritt (70) das Schaltmittel (21) mittels der kinetischen Energie aus der Betätigungswelle (20) und einer Energie aus dem Antriebssystem (3) betätigt wird.
  7. Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung nach Anspruch 6, wobei:
    - in einem dritten Schritt (80) die Betätigungswelle (20) durch den Motor (12) des Antriebssystems (3) bis zu deren Stillstand gebremst wird.
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