WO2013029941A2 - Magnetaktor und verfahren zu dessen einsatz an elektrischen schaltanlagen - Google Patents

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WO2013029941A2
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magnetic actuator
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coil
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Christian Bachmann
Andreas GÖDECKE
Christoph Huber
Michael HÖGE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/0062—Testing or measuring non-electrical properties of switches, e.g. contact velocity

Definitions

  • the invention relates to switching operations on medium-voltage switchgear, especially modern high-performance switching ⁇ systems with magnetic actuators for switching on and off the system.
  • These actuators have superior dynamics with respect to older spring-loaded systems. They are easier on ⁇ built and thus cheaper in construction.
  • the requirement for the average life of today's medium-voltage switchgear with regard to the expected operating time is high. For example, more than 25 years are expected here. With such a long life is It is very important to ensure the correct operation of the equipment at all times. In this case, an imminent failure of a system can be signaled in advance, so that a timely maintenance is possible. For this purpose, only expensive and error-prone models for corresponding additional sensors have heretofore been known.
  • the problem of the loading of the switching electrodes by arcs mentioned under 1. is achieved on the one hand by overdimensioning of the movable components.
  • a massive fortifications of co-moving compo ⁇ components in the form of larger cross sections in force-transmitting parts or high-performance materials such as fiber-reinforced carbon fibers are used for example.
  • passive dampers for example gas dampers, are used in order to reduce the accelerations when the switching electrodes hit the end position.
  • the invention has for its object to reduce the burden of circuit breakers in the medium voltage range and to keep the service life at a high level or improve.
  • the invention is based on the finding that, with a virtual sensor system and with adapted evaluation logic, self-monitoring for a magnetic actuator is internally realizable.
  • bistable linear actuator is operated, in which preferably by inserting a shunt resistor in one or more of the existing
  • Circuits are present on the at least one upper actuator coil of the magnetic actuator and on the at least one lower Ak ⁇ torspule of Magnetaktors. Furthermore, a circuit results from the current measurement, which is expediently tapped in the coil, which initiates a movement of the armature.
  • Another advantage is the use of a Bremsumpolung, with one, the upper or the lower
  • a circuit for Bremsumpolung is used on a corresponding coil of a magnetic actuator, which holds this stable in ⁇ example in the off position of the medium-voltage switchgear.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that only one magnetic circuit is evaluated in accordance with a coil, so that, for example, a current measurement is provided only on the obe ⁇ ren actuator coil. To increase the accuracy of a measurement can be evaluated simultaneously in another variant of the invention, both measuring circuits.
  • the speed of the armature can be advantageously determined, and by integration the position of the armature within the magnet actuator can be determined.
  • the measured maximum speed is compared against a stored Referenzgeschwin ⁇ speed.
  • the reference speed or at ⁇ more complete reference data are determined in test series for correct functioning protected than enough.
  • an error message is tone ⁇ sets, at the same time a particular problem is addressed with the.
  • one of the parameters is the damping of the mechanical system.
  • the damping of the system first increases.
  • the attenuation value exceeds a predetermined reference value and a corresponding error message is issued, which contains an addressing of the determined, determined error.
  • Switching electrode is now no longer actively driven, but is braked.
  • the monitoring of the position under comparison against a reference position ensures that the braking effect or reverse acceleration is introduced at the right time. This has safety-related quali ⁇ ity with respect to malfunction of the actuator system.
  • the speed of the actuator or the armature and an associated lifting rod and of electrodes and force transmission elements before reaching the end position a switching electrode reduced.
  • the acceleration during the mechanical impact on the end position is thus reduced, resulting in a reduction of the mechanical load.
  • a further embodiment of the invention provides that the introduction of a braking effect does not start after reaching a certain position of the armature, but after a fixed, set time. This time begins to run with the actuator movement.
  • the start of the actuator movement is detected as follows: It is stored a reference curve, which is recorded at fixed actuator and once the real ge ⁇ metered current curve from the virtual sensor to a suitable selected amount is deviated, it can be assumed that the magnetic actuator is emotional. As a result of this movement, a reverse voltage is detected in the coil according to Lenz's rule, which leads to a drop in the coil current. This time is assumed to be the zero point of the time measurement .
  • a bistable magnetic actuator 10 with current measurement 6 and with a circuit for reversing the voltage, so that an activation of the brake function 7 can be displayed; a schematic, not to scale true view of a Magnetaktors 10 with a front side posi ⁇ tioned, movable with the armature lifting rod 9, wherein a hub via the lever 13 on a switch ⁇ electrode 11 of an electrical switchgear ⁇ is portable.
  • Modern, high-performance medium-voltage switchgears are operated with magnetic actuator. These electromagnetic actuators have high dynamics and are simple in design, so that they can be produced inexpensively.
  • the times of the switching operations in which form between the electrodes of the medium-voltage circuit breaker arcs to reduce.
  • a longer life of the electrode material in which form between the electrodes of the medium-voltage circuit breaker arcs to reduce.
  • the introduction of constant control or monitoring makes sense at the same time.
  • FIG. 1 shows the embodiment of a magnetic actuator according to the invention.
  • FIG. 2 shows a magnetic actuator 10 whose stroke can be transmitted to a switching electrode 11 of a medium-voltage switchgear for switching on / off.
  • the invention provides the solution for the substantial Verrin ⁇ delay of the mechanical load of the switching electrode 11, which occur at the reduction of arcing, in particular when switching off of medium-voltage switchgear.
  • the mechanical load occurs so far therein that the off ⁇ shift operation is shortened by a high rate of switching ⁇ electrode, so that the duration of the
  • egg ⁇ ne virtual sensor system which is powered by electricity or current profile measurement with measurement data and is read out with entspre ⁇ chender evaluation logic and evaluated is applied. This provides the same data for a Bremsumpolung 7 so ⁇ that the armature is decelerated before reaching its stable holding position and does not apply at maximum speed on ⁇ . Based on the current measurement in connection with the virtual sensor technology results in an active monitoring or active control of the magnetic actuator.
  • FIG. 1 shows in section a bistable, electromagnetic linear actuator.
  • This linear actuator consists of a yoke 1, an armature 2, a monolithic connected to the armature 2 lifting rod 9, which protrudes on both sides and an upper actuator coil 3 and a lower actuator coil 4. Furthermore, the armature 2 on its peripheral surface with permanent magnets. 5 busy.
  • the anchor 2 can be bistable either up or down, depending on
  • the current measurement can be coupled one or more times to one or more coils of a magnetic actuator 10.
  • the lower actuator coil 4 is the
  • Bremspololung 7 coupled, in the form of a conventional
  • Brake reversal is realized.
  • the brake reversal ensures that in the region of the actuator coil to which the brake pole is coupled, the armature 2 is braked in advance when hitting the end position on this coil.
  • the actuator 2 with the lifting rod 9 is in the lower bistable position in the region of the lower actuator coil 4.
  • the embodiment of a magnetic actuator 10 shown in FIG. 1 can thus transmit a stroke in both directions.
  • the dimensioning ratio between the upper and the lower actuator coil 3, 4 can be set individually.
  • the armature 2 is located with the lifting rod 9 relative to the solenoid actuator 10 in the lower position, which means an open switching position for the switching electrode 11. That is, the switching gap 12 is present in this state and the switch is open.
  • a variant of the invention is coupled with an inverse model stored in the evaluation logic or is evaluated therewith.
  • the inverse model is constructed according to the following slip ⁇ chung:
  • the data means X: the position of the armature 2
  • R ma es (x, l) the magnetic resistance of the respective magnetic circuit as a function of the position x and the current I of the respective actuator coil, N: the number of windings of the actuator coil 3, 4,
  • R the ohmic resistance of the actuator coil 3, 4,
  • the speed X and, by integration, the position X of the actuator can be determined.
  • the measured maximum velocity v max can be compared against a stored reference velocity v re f.
  • Reference values or reference curves are previously determined in test series for correct operation, so that they are adequately secured. When falling below a setpoint ⁇ value such as a speed, so if the maximum speed is less than the Referenzge ⁇ speed, an error message is issued.
  • the inverse model can also be used in such a way that the trajectory x (t) is used as the basis for a parameterization.
  • a parametric model of the mechanics is stored in the evaluation logic.
  • a parameter set is determined, for example, by the least squares method. This represents the optimum set of parameters with which the measured trajectory can be optimally reproduced.
  • An important factor is the damping, so that this parameter is expediently selected for the mechanical system. This means that the exceeding of a damping value initiates an error indication ⁇ dung.
  • the position signal x (t) from the inverse model can be monitored for exceeding a reference position. If this reference position is reached, then the energization of an actuator coil can be reversed to decelerate. The force effect of the actuator or armature with its lifting rod wech ⁇ rare sign then, that the electrodes are no longer actively driven but braked.
  • the monitoring of the position with simultaneous comparison against a reference position ensures that the braking effect or the reverse acceleration is not attached at a wrong time. This would potentially lead to a serious safety-related malfunction.
  • the invention relates to the use of a virtual sensor system, wherein the measurement of the current flow 6 in the corresponding actuation coil, the upper or the lower actuator coil 3, 4, is evaluated.
  • the use of the signal supplied by the virtual sensor system contributes to the self-monitoring of the actuator system as well as to the detection of error cases.
  • a regulation or a control can be performed by supporting the side of the virtual sensor.

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Abstract

Magnetaktor (10) zur Erzeugung einer linearen Bewegung in Verbindung mit einer Hubstange (9), welche monolithisch mit einem zylinderförmigen Anker (2), welcher am äußeren Umfang mit Permanentmagneten belegt ist, ausgebildet ist, und zentral an dessen Stirnseiten beidseitig zur Führung in einem Gehäuse heraussteht, wobei der Anker (2) mit der Hubstange (9) im Gehäuse durch mindestens eine obere Aktorspule (3) und mindestens eine untere Aktorspule (2), bistabil hin und her bewegbar ist, und wobei eine virtuelle Sensorik für den Magnetaktor (10) durch eine Strommessung (6) an mindestens einer der mindestens einen oberen oder der mindestens einen unteren Spule (3, 4) durch eine Auswertelogik auswertbar ist zur Selbstüberwachung vorhanden ist und durch eine Auswertelogik auswertbar ist zur Überwachung des Magnetaktors (10).

Description

Beschreibung
Magnetaktor und Verfahren zu dessen Einsatz an elektrischen Schaltanlagen
Die Erfindung betrifft Schaltvorgänge an Mittelspannungs- Schaltanlagen, insbesondere an modernen Hochleistungs-Schalt¬ anlagen mit magnetischen Aktoren zum Ein- und Ausschalten der Anlage. Diese Aktoren weisen bezüglich älterer Federspeicher- Systeme eine überlegene Dynamik auf. Sie sind einfacher auf¬ gebaut und damit in der Konstruktion günstiger.
Trotz der neueren Entwicklungen von magnetischen Aktoren bleiben in Verbindung mit Schaltvorgängen in Mittelspannungs- Schaltanlagen grundlegende Probleme erhalten. Hier sind ins¬ besondere zu nennen:
1. Unter Einwirkung der Mittelspannung bilden sich bei
Schaltvorgängen in Mittelspannungs-Schaltanlagen zwischen den Elektroden der Leistungsschalter Lichtbögen aus, die das
Elektrodenmaterial schädigen und die Lebensdauer der Anlage begrenzen. Aus diesem Grund ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaltelektroden möglichst hoch zu wählen, um so die Lichtbögen schnell wieder zu löschen. Aus der hohen Geschwin- digkeit resultieren jedoch vor allem beim Anschlag der
Schaltelektroden in der Endstellung, der ausgeschalteten Stellung, hohe Beschleunigungen mit negativem Vorzeichen, die auch als Bremsbeschleunigungen bezeichnet werden. Diese betreffen die beweglichen Aktorkomponenten und ebenso die be- weglichen Übertragungskomponenten. Dadurch wird eine außerordentlich hohe Belastung für Material und Konstruktion dargestellt. Die Lebensdauer wird eingeschränkt und die Kosten der Konstruktion erhöhen sich. 2. Die Anforderung an die durchschnittliche Lebensdauer von heutigen Mittelspannungs-Schaltanlagen bezüglich der zu erwartenden Betriebszeit ist hoch. Hier werden beispielsweise mehr als 25 Jahre erwartet. Bei derart langen Standzeiten ist es von großer Wichtigkeit, jederzeit den korrekten Betrieb der Anlagen sicher zu stellen. Dabei kann bereits im Vorfeld ein bevorstehender Ausfall einer Anlage signalisiert werden, so dass eine rechtzeitige Wartung ermöglicht wird. Hierzu sind bisher lediglich teure und fehleranfällige Modelle für entsprechende Zusatzsensorik bekannt.
Das unter 1. genannte Problem der Belastung der Schaltelektro¬ den durch Lichtbögen wird zum einen durch Überdimensionierung der beweglichen Komponenten erreicht. Hierbei werden beispielsweise eine massive Befestigung von mitbewegten Kompo¬ nenten in Form von größeren Querschnitten bei Kraft übertragenden Teilen oder Hochleistungsmaterialien wie faserverstärkte Karbonfasern eingesetzt. Zum anderen werden passive Dämpfer, beispielsweise Gasdämpfer, eingesetzt, um die Be¬ schleunigungen beim Auftreffen der Schaltelektroden in der Endlage zu reduzieren.
Das unter 2. genannte Problem wird derzeit durch zusätzliche Sensorik erfasst. Beispielsweise werden zusätzliche Schalter verwendet, welche die Bewegungsdauer/Time of Flight messen, oder eine Positionssensorik, um bei Auftreffen der Elektroden die Traj ektorie/Bahnkurve des Aktors aufzuzeichnen. Eine Lösung gegen die hohen Bremsbeschleunigungen beim Schalten von Magnetaktoren ist bisher nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastungen an Leistungsschaltern im Mittelspannungsbereich zu verringern und die Standzeiten auf einem hohen Niveau zu halten oder zu verbessern .
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweiligen Gegenstände der unabhängig formulierten Patentansprüche.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer virtuellen Sensorik und mit einer angepassten Auswertelogik eine Selbstüberwachung für einen Magnetaktor intern reali- sierbar ist, wobei Daten der virtuellen Sensorik gelesen und ausgewertet werden, um damit eine aktive Überwachung bzw. ei¬ ne aktive Regelung der Bestromung des Magnetaktors zu betreiben .
Zur Realisierung der Erfindung wird ein marktüblicher bistabiler Linearaktor betrieben, bei dem bevorzugt durch Einfügen eines Shunt-Widerstandes in ein oder mehrere der vorhandenen
Anwendungen, beispielsweise eine Strommessung, eine Datenauf- nähme ermöglicht wird. Der hierüber gemessene Stromverlauf 1-^ wird digitalisiert und in eine Auswertelogik übertragen.
Stromkreise sind an der mindestens einen oberen Aktorspule des Magnetaktors und an der mindestens einer unteren Ak¬ torspule des Magnetaktors vorhanden. Weiterhin ergibt sich ein Stromkreis durch die Strommessung, die zweckmäßigerweise in der Spule abgegriffen wird, die eine Bewegung des Ankers initiiert .
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einsatz einer Bremsumpolung, die mit einer, der oberen oder der unteren
Spule, auf den Aktor einwirkt. Durch die Bremsumpolung wird erreicht, dass der Anker des Magnetaktors nicht durch eine initiierende Bestromung einer ausgewählten Spule beschleunigt wird und mit maximaler Geschwindigkeit auf irgendein Mittel zur Bestimmung der Endstellung auftrifft. Anders ausgedrückt wird vermieden, dass eine mechanisch sehr hohe Belastung durch rein mechanisches Abbremsen des Ankers geschieht.
Eine Schaltung zur Bremsumpolung wird an einer entsprechenden Spule eines Magnetaktors eingesetzt, die diesen stabil bei¬ spielsweise in der Aus-Stellung der Mittelspannungs- Schaltanlage hält.
Es ist besonders vorteilhaft, den gemessenen Stromfluss 1-^ zu jedem Zeitpunkt auszuwerten und gegen eine hinterlegte Refe¬ renzkurve Iref (t) zu vergleichen. Weicht die Stromkurve, im
Vergleich mit eventuell festgesetzten Schwellwerten, um einen festgelegten Betrag ab, so entspricht dies einem Fehlerfall. Ein Fehlerfall kann in einem fehlenden oder gebrochenen Verbindungskabel liegen oder die Bewegungstraj ektorie ist zu frühzeitig durch einen mechanischen Fehler gestoppt worden, womit in der Spule die rückinduzierten Ströme abgesenkt wor- den sind. Eine Auswertelogik setzt dann über eine geeignete Ausgabeschnittstelle eine Fehlermeldung ab. Damit wird eine Wartung veranlasst, die aktuelle Probleme an eine Schaltanla¬ ge adressiert. Weiterhin ist besonders vorteilhaft, wenn die Messdaten über ein in der Auswertelogik hinterlegtes inverses Modell des Magnetaktorsystems ausgewertet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass lediglich ein Magnetkreis entsprechend einer Spule ausgewertet wird, sodass beispielsweise lediglich an der obe¬ ren Aktorspule eine Strommessung vorgesehen ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit einer Messung lassen sich in einer anderen Variante der Erfindung auch beide Messkreise gleichzeitig auswerten.
Auf der Basis des inversen Modells in Verbindung mit der Strommessung an einer Aktorspule können in vorteilhafter Weise die Geschwindigkeit des Ankers und durch AufIntegration die Position des Ankers innerhalb des Magnetaktors ermittelt werden. In einer anderen Ausführung wird die gemessene Maximalgeschwindigkeit gegen eine hinterlegte Referenzgeschwin¬ digkeit verglichen. Die Referenzgeschwindigkeit oder auch an¬ dere Referenzdaten werden in Versuchsserien für eine korrekte Funktionsweise als genügend abgesichert ermittelt. Bei Unter¬ schreiten einer maximalen Geschwindigkeit, die als Referenzgeschwindigkeit angegeben ist, wird eine Fehlermeldung abge¬ setzt, mit der gleichzeitig ein bestimmtes Problem adressiert ist .
Wesentliche Vorteile ergeben sich aus der Variante der Erfin¬ dung, bei der das inverse Modell derart genutzt wird, dass die Aktortraj ektorie/Bahnkurve als Grundlage für eine Parame- terbestimmung genutzt wird. Dazu wird in der Auswertelogik beispielsweise ein parametrisches Modell der Mechanik hinter¬ legt. Durch Variation der Parameter wird durch das Verfahren des kleinsten Fehlerquadrates ein Parametersatz ermittelt, der die gemessene Aktor-Traj ektorie optimal reproduziert.
Durch Vorgabe von bestimmten Fenstern wird überprüft, ob die Parameter sich im gewünschten Bereich befinden.
Vorteilhafterweise ist einer der Parameter die Dämpfung des mechanischen Systems. Bei typischen Fehlerfällen, basierend auf Korrosion oder Verschmutzung durch Eindringen von Fremdkörpern, steigt zunächst die Dämpfung des Systems an. Damit überschreitet der Dämpfungswert einen vorgegebenen Referenzwert und es wird eine entsprechende Fehlermeldung abgesetzt, welche eine Adressierung des bestimmten, ermittelten Fehlers enthält.
Wesentliche Vorteile ergeben sich daraus, dass auf der Basis von Messwerten, die mittels der virtuellen Sensorik aufgenommen sind, wie beispielsweise das Positionssignal x(t), eine Überschreitung einer Referenzposition überwacht werden kann. Ist diese Referenzposition erreicht, so wird die Bestromung der entsprechenden Aktorspule, für die die Bremsumpolung vorgesehen ist, umgepolt. Die Kraftwirkung des Aktors auf die Mechanik wechselt daraufhin das Vorzeichen, sodass die
Schaltelektrode ab sofort nicht mehr aktiv angetrieben wird, sondern gebremst wird. Die Überwachung der Position unter Vergleich gegen eine Referenzposition stellt dabei sicher, dass die Bremswirkung bzw. umgekehrte Beschleunigung zum richtigen Zeitpunkt eingebracht wird. Diese hat in Bezug auf Fehlfunktionen des Aktorsystems sicherheitsrelevante Quali¬ tät .
Die vorteilhafte Einbringung einer Bremswirkung in das Magnetaktor getriebene Schaltsystem für Mittelspannungs- Schaltanlagen weist im Wesentlichen zwei Vorteile auf:
Zum einen wird die Geschwindigkeit des Aktors bzw. des Ankers und einer damit verbundenen Hubstange sowie von Elektroden und Kraftübertragungselementen vor Erreichen der Endposition einer Schaltelektrode herabgesetzt. Die Beschleunigung beim mechanischen Auftreffen auf die Endposition wird somit reduziert, was eine Reduktion der mechanischen Belastung zur Folge hat .
Des Weiteren ermöglicht die Umpolung der angelegten Spannung analog zur elektrischen Bremsung bei Elektrofahrzeugen eine Energierekuperation . Dies hat zur Folge, dass die Anforderungen an die bereitzustellende elektrische Antriebsleistung so- wie die Anforderungen an die elektrischen Energiespeicher/Kondensatoren sinken, was eine positive Auswirkung auf die Kosten des Aktorsystems zur Folge hat.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Einbringung einer Bremswirkung nicht nach dem Erreichen einer bestimmten Position des Ankers beginnt, sondern nach einer festen, eingestellten Zeit. Diese Zeit beginnt mit der Aktorbewegung zu laufen. Der Beginn der Aktorbewegung wird wie folgt detektiert: Es wird eine Referenzkurve hinterlegt, die bei fixiertem Aktor aufgenommen ist und sobald die real ge¬ messene Stromkurve aus der virtuellen Sensorik um einen geeigneten, ausgewählten Betrag abweicht, kann davon ausgegangen werden, dass der Magnetaktor sich bewegt. Durch diese Bewegung wird in der Spule nach der Lenz ' sehen Regel eine Ge- genspannung detektiert, die zu einem Absinken des Spulenstroms führt. Dieser Zeitpunkt wird als Nullpunkt der Zeit¬ messung angenommen.
Es ist vorteilhaft, die beschriebene Bremswirkung nach einer festgelegten Zeit nach Beginn der Bestromung der Aktorinitiierenden Spule zu starten. Die Ermittlung dieser Zeit basiert auf Daten der virtuellen Sensorik und besteht so weitgehend aus sicheren Messwerten.
Im Folgenden werden anhand der begleitenden, schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen: einen bistabilen Magnetaktor 10 mit Strommessung 6 sowie mit einer Schaltung zur Umpolung der Spannung, sodass eine Aktivierung der Bremsfunktion 7 darstellbar ist; eine schematische, nicht maßstabsgetreue Ansicht eines Magnetaktors 10 mit einer stirnseitig posi¬ tionierten, mit dem Anker bewegbaren Hubstange 9, wobei ein Hub über den Hebel 13 auf eine Schalter¬ elektrode 11 einer elektrischen Schaltanlage über¬ tragbar ist.
Moderne, Hochleistungs-Mittelspannungs-Schaltanlagen werden mit Magnetaktor betrieben. Diese elektromagnetischen Aktoren verfügen über eine hohe Dynamik und sind einfach aufgebaut, sodass sie günstig herstellbar sind. Zur Vermeidung von negativen Einwirkungen bei einer Mittelspannungs-Schaltanlage sind insbesondere die Zeiten der Schaltvorgänge, bei denen sich zwischen den Elektroden der Mittelspannungs- Leistungsschalter Lichtbögen bilden, zu reduzieren. Damit kann eine längere Standzeit des Elektrodenmaterials und damit die Lebensdauer der Anlage erhöht bzw. verbessert werden. Zur Realisierung einer sehr hohen Standzeit einer Mittelspan- nungs-Leistungs-Schaltanlage ist gleichzeitig die Einführung einer ständigen Kontrolle bzw. Überwachung sinnvoll.
Die Figur 1 zeigt die Ausführung eines Magnetaktors entspre- chend der Erfindung.
Die Figur 2 zeigt einen Magnetaktors 10, dessen Hub auf eine Schaltelektrode 11 einer Mittelspannungs-Schaltanlage zum Ein/Aus-Schalten übertragbar ist. Die Erfindung liefert die wesentliche Lösung für die Verrin¬ gerung der mechanischen Belastung von Schaltelektroden 11, welche zur Verkürzung von Lichtbögen, insbesondere beim Ausschalten von Mittelspannungs-Schaltanlagen, auftreten. Die mechanische Belastung tritt bisher darin auf, dass der Aus¬ schaltvorgang durch eine hohe Geschwindigkeit der Schalt¬ elektrode verkürzt wird, sodass sich auch die Dauer des
Lichtbogens verkürzt. Damit trifft jedoch die Schaltelektrode mit hoher Geschwindigkeit auf einen Anschlag für die Endstel¬ lung im ausgeschalteten Zustand auf. Erfindungsgemäß wird ei¬ ne virtuelle Sensorik angewandt, die durch Strom oder Stromprofilmessung mit Messdaten versorgt wird und mit entspre¬ chender Auswertelogik ausgelesen und ausgewertet wird. Dies liefert gleichzeitig die Daten für eine Bremsumpolung 7, so¬ dass der Anker vor Erreichen seiner stabilen Halteposition abgebremst wird und nicht mit maximaler Geschwindigkeit auf¬ trifft. Auf Grundlage der Strommessung in Verbindung mit der virtuellen Sensorik ergibt sich eine aktive Überwachung oder eine aktive Regelung des Magnetaktors.
In Figur 1 ist im Schnitt ein bistabiler, elektromagnetischer Linearaktor dargestellt. Dieser Linearaktor besteht aus einem Joch 1, einem Anker 2, einer monolithisch mit dem Anker 2 verbundener Hubstange 9, die stirnseitig zu beiden Seiten übersteht sowie einer oberen Aktorspule 3 und einer unteren Aktorspule 4. Weiterhin ist der Anker 2 an seiner Umfangsflache mit Permanentmagneten 5 belegt. Der Anker 2 kann bistabil entweder oben oder unten, je nach
Bestromung der oberen Aktorspule 3 oder der unteren Aktorspule 4, gehalten werden. Durch die Belegung des inneren Ankers 22 mit Permanentmagneten 5 kann die stabile Fixierung in Endstellung stromlos erfolgen. Der effektive Hub des Magnetsys- tems wird über die Hubstange 9 an eine Mittelspannungs- Schaltanlage übertragen. Dazu ist die Hubstange 9 mit einer Schaltelektrode 11 der Mittelspannungs-Schaltanlage direkt oder indirekt verbunden. Weiterhin ist in Figur 1 sichtbar, dass die obere Aktorspule
3 mit einer Schaltung zur Strommessung 6 mittels eines Shunt- widerstandes R geschaltet ist. Diese Schaltung kann für sich über einen Schalter T]_ ein- und ausgeschaltet werden. Entsprechend der Erfindung kann die Strommessung ein- oder mehrfach an einer oder mehreren Spulen eines Magnetaktors 10 angekoppelt werden. An der unteren Aktorspule 4 ist die
Bremsumpolung 7 angekoppelt, die in Form einer üblichen
Bremsumpolung realisiert ist. Die Bremsumpolung sorgt dafür, dass im Bereich der Aktorspule an der die Bremspolung angekoppelt ist, der Anker 2 beim Auftreffen auf die Endposition an dieser Spule vorher abgebremst wird. In dem in Figur 1 dargestellten Fall befindet sich der Aktor 2 mit der Hubstan- ge 9 in der unteren bistabilen Lage im Bereich der unteren Aktorspule 4.
Die in Figur 1 dargestellte Ausführung eines Magnetaktors 10 kann somit einen Hub in beiden Richtungen übertragen. Das Di- mensionierungsverhältnis zwischen der oberen und der unteren Aktorspule 3, 4 kann individuell eingestellt werden.
Bei gleichzeitiger Betrachtung der Figuren 1 und 2 ist erkennbar, dass sich der Anker 2 mit der Hubstange 9 relativ zum Magnetaktor 10 in der unteren Stellung befindet, was eine geöffnete Schaltstellung für die Schaltelektrode 11 bedeutet. Das heißt, der Schaltspalt 12 ist in diesem Zustand vorhanden und der Schalter ist geöffnet. Eine Variante der Erfindung ist mit einem in der Auswertelo¬ gik hinterlegten inversen Modell gekoppelt bzw. wird damit ausgewertet. Das inverse Modell ist nach der folgenden Glei¬ chung aufgebaut:
Figure imgf000012_0001
Die Daten bedeuten im Einzelnen: X : die Position des Ankers 2,
X : die Geschwindigkeit,
Rma es(x,l) den magnetischen Widerstand des jeweiligen Magnetkreises in Abhängigkeit von der Position x sowie dem Strom I der jeweiligen Aktorspule, N : die Anzahl der Wicklungen der Aktorspule 3, 4,
R : den Ohmschen Widerstand der Aktorspule 3, 4,
UQ : die von außen an die Aktorspule 3, 4 angelegte
Spannung . Die hier angelegte Spannung ergibt sich für den Spezialfall, dass lediglich ein Magnetkreis ausgewertet wird. Wie in Figur 1 dargestellt, ist lediglich im oberen Magnetkreis an der oberen Spule eine Strommessung vorgesehen. Analog lassen sich als Ausführungsvarianten der Erfindung auch beide Magnetkrei- se gleichzeitig auswerten, um so die Genauigkeit weiter zu erhöhen .
Allgemein kann zu jedem Zeitpunkt auf die oben beschriebene
Weise die Geschwindigkeit X und durch AufIntegration die Po- sition X des Aktors ermittelt werden. In ähnlicher Weise kann die gemessene maximale Geschwindigkeit vmax gegen eine hinterlegte Referenzgeschwindigkeit vref verglichen werden. Referenzwerte oder Referenzkurven werden vorher in Versuchsserien für eine korrekte Funktionsweise ermittelt, sodass sie ausreichend abgesichert sind. Bei Unterschreiten eines Soll¬ wertes wie beispielsweise einer Geschwindigkeit, wenn also die maximale Geschwindigkeit kleiner als die Referenzge¬ schwindigkeit ist, wird eine Fehlermeldung abgesetzt.
2x
Das inverse Modell lässt sich weiterhin derart nutzen, dass die Bahnkurve x(t) als Grundlage für eine Parametrierung ge- nutzt wird. Hierbei wird in der Auswertelogik ein parametrisches Modell der Mechanik hinterlegt. Durch Variation der Parameter wird beispielsweise durch die Methode des kleinsten Fehlerquadrates ein Parametersatz ermittelt. Dieser gibt den optimalen Satz an Parametern wieder, mit dem die gemessene Bahnkurve optimal reproduzierbar ist. Ein wesentlicher Faktor ist die Dämpfung, sodass dieser Parameter zweckmäßigerweise für das mechanische System ausgewählt wird. Dies bedeutet, dass die Überschreitung eines Dämpfungswertes eine Fehlermel¬ dung initiiert.
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Das Positionssignal x(t) aus dem inversen Modell kann auf die Überschreitung einer Referenzposition hin überwacht werden. Ist diese Referenzposition erreicht, so kann zur Abbremsung die Bestromung einer Aktorspule umgedreht werden. Die Kraft- Wirkung des Aktors bzw. des Ankers mit seiner Hubstange wech¬ selt daraufhin das Vorzeichen, d.h. die Elektroden werden nun nicht mehr aktiv angetrieben, sondern gebremst. Die Überwachung der Position mit gleichzeitigem Vergleich gegen eine Referenzposition stellt dabei sicher, dass die Bremswirkung bzw. die umgekehrte Beschleunigung nicht zu einem falschen Zeitpunkt angebracht wird. Dies würde potentiell zu einer gravierenden sicherheitsrelevanten Fehlfunktion führen.
Insgesamt betrifft die Erfindung die Anwendung einer virtuel- len Sensorik, wobei die Messung des Stromflusses 6 in der entsprechenden Aktuierungsspule, der oberen oder der unteren Aktorspule 3, 4, ausgewertet wird. Die Nutzung des von der virtuellen Sensorik gelieferten Signals trägt zur Selbstüberwachung des Aktorsystems bei sowie zur Detektion von Fehlerfällen. Durch die aktive magnetische Bremsung des Schaltersystems durch den Magnetaktor kann durch Unterstützung von Seiten der virtuellen Sensorik eine Regelung oder eine Steuerung ausgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetaktor (10) zur Erzeugung einer linearen Bewegung an einer Hubstange (9), welche monolithisch mit einem zylinderförmigen Anker (2) ausgebildet ist und beidseitig zur Führung in einem Gehäuse zentral an dem Anker hervorsteht, der am äu¬ ßeren Umfang mit Permanentmagneten belegt ist,
wobei der Anker (2) mit der Hubstange (9) im Gehäuse durch mindestens eine obere Aktorspule (3) und mindestens eine un¬ tere Aktorspule (4), hin und her bewegbar ist, und
wobei eine virtuelle Sensorik für den Magnetaktor (10) durch eine Strommessung (6) an mindestens einer der mindestens ei¬ nen oberen oder der mindestens einen unteren Aktorspule (3, 4) durch eine Auswertelogik auswertbar ist, zur Selbstüberwachung des Magnetaktors (10) .
2. Magnetaktor (10) nach Anspruch 1,
wobei die Hubstange (9) mit einer Schaltelektrode 11 einer Mittelspannungs-Schaltanlage zum Ein/Aus-Schalten verbunden ist .
3. Magnetaktor (10) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Strommessung (6) in mindestens einem Strommesskreis mittels Einfügens eines Shunt-Widerstandes (R) zur Strompro¬ filmessung im Magnetaktor (10) durchführbar ist.
4. Magnetaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an beiden der mindestens einen oberen oder der mindes- tens einen unteren Aktorspule (3, 4) eine Strommessung (6) vorgesehen ist.
5. Magnetaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strommessung (6) ständig eingesetzt ist und im Ver- gleich mit einer hinterlegten Referenzkurve auswertbar ist.
6. Magnetaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strommessung (6) mit einem in der Auswertelogik hinterlegten inversen Modell auswertbar ist.
7. Magnetaktor (10) nach Anspruch 6, wobei das inverse Modell als Basis zur Parameterbestimmung eingesetzt ist.
8. Magnetaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strommessung (6) zur Fehlerdetektion eingesetzt ist .
9. Magnetaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine gemessene maximale Geschwindigkeit des Ankers (2) gegen eine hinterlegte maximale Referenzgeschwindigkeit ver¬ gleichbar ist.
10. Magnetaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei abhängig von Messwerten der virtuellen Sensorik wie Position oder Laufzeit des Ankers (2) bzw. der Hubstange (9) eine Bremsumpolung (7) an der mindestens einen oberen oder der mindestens einen unteren Aktorspule (3) vorhanden ist.
11. Magnetaktor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System durch Vergleich eines Positionssignals (x/t) des Ankers (2) aus dem inversen Modell auf die Überschreitung einer Referenzposition (xjorems) hin überwachbar ist.
12. Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung einer Mit- telspannungs-Schaltanlage unter Einsatz eines Magnetaktors (10) entsprechend einem der Ansprüche 1-11,
wobei eine virtuelle Sensorik durch eine Strommessung (6) dargestellt wird, welche ein- oder mehrfach an mindestens ei¬ ner der mindestens einen oberen oder der mindestens einen unteren Aktorspule (3, 4) vorgenommen wird und durch eine Aus¬ wertelogik zur Selbstüberwachung des Magnetaktors (10) ausge- wertet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei durch eine Überwachung der Bremsposition durch Vergleich mit einer Referenzposition eine zeitlich korrekte Bremsung durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
wobei eine Bremsung an einer bestimmten Position des Ankers beginnt .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 - 14,
wobei eine Bremsung nach einer festen, einstellbaren Zeit, beginnend mit der Anker-Bewegung anfängt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-15,
wobei der Beginn einer Anker-Bewegung im Vergleich mit einer Referenzkurve ausgewertet wird, welche bei fixiertem Aktor ermittelt worden ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-16,
wobei der Magnetaktor (10) dazu vorgesehen ist, über die Li- nearbewegung der Hubstange (9) eines Magnetaktors (10) eine
Mittelspannungs-Schaltanlage durch Bewegen einer Schaltelekt¬ rode ein/aus zu schalten.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-17,
wobei die Strommessung (6) über einen Shunt-Widerstand (R) in mindestens einem Stromkreis zur Aufnahme von Messwerten für die virtuelle Sensorik durchgeführt wird, indem mindestens ein Stromprofil aufgenommen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-18,
wobei aktuelle Werte der Strommessung (6) ständig in Ver¬ gleich mit einer hinterlegten Referenzkurve ausgewertet wer¬ den .
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-19,
wobei die virtuelle Sensorik auf der Basis der Strommessung (6) zur Fehlerdetektion eingesetzt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-20,
wobei die Strommessung (6) im Vergleich mit einem in der Aus wertelogik hinterlegten inversen Modell eingesetzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21,
wobei das inverse Modell als Basis zur Parameterbestimmung eingesetzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22,
wobei in Abhängigkeit von gemessenen oder berechneten Werten der virtuellen Sensorik eine Bremsumpolung (7) an einer Aktu ierungsspule stattfindet, sodass der Anker (2) mit der
Hubstange (9) vor Erreichen einer Endstellung abgebremst wird .
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