EP3963612B1 - Schalteranordnung mit antriebssystem und verfahren zum antreiben eines schalters - Google Patents

Schalteranordnung mit antriebssystem und verfahren zum antreiben eines schalters Download PDF

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EP3963612B1
EP3963612B1 EP20721208.5A EP20721208A EP3963612B1 EP 3963612 B1 EP3963612 B1 EP 3963612B1 EP 20721208 A EP20721208 A EP 20721208A EP 3963612 B1 EP3963612 B1 EP 3963612B1
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EP
European Patent Office
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drive shaft
switch
values
switch assembly
shaft
Prior art date
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Active
Application number
EP20721208.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3963612A1 (de
Inventor
Benjamin Dittmann
Eugen NAGEL
Sebastian Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP3963612B1 publication Critical patent/EP3963612B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor
    • H01H2003/266—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor having control circuits for motor operating switches, e.g. controlling the opening or closing speed of the contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/0005—Tap change devices
    • H01H9/0027—Operating mechanisms

Definitions

  • the invention relates to a switch arrangement with a switch and a drive system for the switch as well as a method for driving a switch.
  • switches for different tasks and with different requirements. In order to operate the respective switches, they must be driven by a drive system. These switches include on-load tap changers, load diverter switches, selectors, double reversers, reversers, pre-selectors, circuit breakers, load switches or isolating switches.
  • on-load tap-changers are used for uninterrupted switching between different winding taps of an electrical device, such as a power transformer or a controllable choke. This can be used to change the transformation ratio of the transformer or the inductance of the choke, for example. Double reversing switches are used to reverse the polarity of windings during power transformer operation.
  • a switch arrangement comprising a switch, in particular an on-load tap changer, and a drive system for the switch, the drive system including a drive shaft which connects the drive system to the switch; a motor with a rotor for driving the drive shaft; and a feedback system which is configured to determine at least two values for a position of the drive shaft; to generate a feedback signal based on the at least two values; and a control device which is configured to influence an operation of the motor depending on the feedback signal.
  • the improved concept is based on the idea of equipping a drive shaft for driving the switch with a feedback system that is able to detect at least two values for a position of the drive shaft.
  • the operation of the motor is influenced based on a feedback signal that is generated depending on both values.
  • a switch arrangement is specified with a switch and a drive system for the switch.
  • the drive system has a drive shaft which connects the drive system to the switch, a motor for driving the drive shaft and a feedback system.
  • the feedback system is designed to determine at least two values for a position of the drive shaft and to generate a feedback signal based on the at least two values.
  • the drive system has a control device which is designed to influence an operation of the motor depending on the feedback signal.
  • the switch can be designed as a load tap changer or a load diverter switch or a selector or a double reversing switch or a reversing switch or a pre-selector or a circuit breaker or a load switch or a disconnector.
  • values for the position of the drive shaft also includes those values of measured quantities from which the position of the drive shaft can be clearly determined, if necessary within a tolerance range.
  • the control device can check the plausibility of the position determination or compare the two values, thereby increasing the reliability of the position determination and reducing the corresponding residual risk of incorrect position determination.
  • a partial failure of the feedback device such that only one value can be determined for the position of the drive shaft, does not necessarily lead to the immediate shutdown of the drive shaft.
  • At least the switch can still be moved to a safe operating position in a controlled manner despite the partial failure.
  • this increases the operational reliability of the drive system, the switch and the equipment.
  • determining two values for the position of the drive shaft increases safety by reliably detecting a partial failure, and availability because a circuit can be safely completed despite the partial failure.
  • the drive system serves to drive a shaft of the switch, e.g. on-load tap-changer or a corresponding component of the on-load tap-changer.
  • This causes the on-load tap-changer to carry out one or more operations, for example a switchover between two winding taps of an operating device or parts of the switchover, such as a Load switching, a selector operation, a pre-selector operation or a double reversing 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 load diverter switch, selector, double reverser, reverser, circuit breaker, load switch or disconnector, in particular the shaft of the load diverter switch, selector, double reverser, reverser, circuit breaker, load switch or disconnector.
  • 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, in particular an absolute position, of the drive shaft. This means that the position of the motor shaft can be clearly deduced from the position of the drive shaft, possibly within a tolerance range.
  • the action includes controlling, regulating, braking, accelerating or stopping the motor.
  • 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, on-load tap changer, load diverter switch, selector, double reverser, reverser, preselector, circuit breaker, load switch or disconnector based on the feedback signal.
  • the monitoring particularly comprises monitoring as to whether individual operations or parts thereof are carried out correctly, in particular within predefined time windows.
  • the control device comprises a control unit and a power unit for the controlled or regulated energy supply of the motor.
  • the control unit is designed to control the power unit depending on at least a setpoint, in particular a position, speed or acceleration setpoint.
  • the power unit is designed as a converter or servo converter or as an equivalent electronic, in particular fully electronic, unit for drive machines.
  • control device contains the feedback system in whole or in part.
  • the feedback system is designed to determine a first value of the at least two values for the position of the drive shaft according to a first method and to determine a second value of the at least two values for the position of the drive shaft according to a second method, wherein the two methods can differ from one another. This creates at least one redundancy or even a diverse redundancy, which further increases operational reliability.
  • the two methods can be based on the same or different technical or physical principles or use the same or different components (hardware components).
  • one of the at least two values for the position of the drive shaft is a first value for an absolute position of the drive shaft.
  • another of the at least two values for the position of the drive shaft is a second value for an absolute position of the drive shaft.
  • the first and second values for the absolute position of the drive shaft can, for example, be compared by the control device. If there is a significant deviation, the control device can issue an error message or initiate a safety measure.
  • one of the at least two values for the position of the drive shaft is an incremental value for a position of the drive shaft or a value for a relative position of the drive shaft.
  • the first and/or second value for the absolute position can then be determined by the control device be compared with the incremental or relative value, whereby the plausibility of the first and/or second value for the absolute position can be checked.
  • the control device can issue an error message and/or initiate a safety measure.
  • the feedback system is configured to determine a rotor position of the motor and to determine one of the at least two values for the position of the drive shaft 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 with an accuracy of at least 180°, for example by the control device.
  • the control device By reducing the gear ratio using one or more gears, the accuracy of the position of the drive shaft that can be achieved is significantly greater.
  • the evaluation by the control device corresponds to a virtual encoder function in a way. Even if an absolute encoder in the feedback system fails completely, at least emergency operation can be maintained and/or the switch, in particular the on-load tap changer, can be brought into a safe position.
  • the feedback system includes an absolute value encoder that is designed and arranged to detect the absolute position of the drive shaft or an absolute position of another shaft that is connected to the drive shaft and to generate at least one output signal based on the detected position.
  • the feedback system is designed to determine one of the at least two values for the position of the drive shaft, in particular the first and/or the second value for the absolute position, based on the at least one output signal.
  • the absolute encoder is attached directly or indirectly to the motor shaft, the drive shaft or a shaft coupled thereto.
  • the absolute encoder has a first output for outputting the first or second value for the absolute position and a second output for outputting the incremental or relative value for the position.
  • absolute encoder includes both devices that determine two values for the position in different ways and devices that contain two separate encoders, at least one of which is an absolute encoder.
  • the absolute encoder comprises a multi-turn encoder.
  • the absolute encoder is configured to detect the position of the drive shaft or the position of the further shaft using a first scanning method.
  • the absolute encoder is configured to additionally detect the position of the drive shaft or the position of the further shaft using a second scanning method which is independent of the first scanning method.
  • the first or second sensing method includes an optical, a magnetic, a capacitive, a resistive or an inductive sensing method.
  • the first scanning method differs from the second scanning method.
  • the absolute encoder is positively connected to the drive shaft, the motor shaft or the further shaft.
  • the absolute encoder is additionally connected to the drive shaft, the motor shaft or the other shaft in a force-fitting or material-fitting manner, for example by an adhesive connection.
  • the positive and additional material or force-fitting connection further increases the fastening of the absolute encoder and ultimately the operational reliability.
  • a method for driving an on-load tap changer comprises determining at least two values for an absolute position of a drive shaft for driving the on-load tap changer, generating a feedback signal based on the at least two values and controlling a motor for driving the on-load tap changer depending on the feedback signal.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a switch arrangement 1 according to the improved concept with a switch 17 and a drive system 3, which is connected to the switch 17 via a drive shaft 16.
  • the switch 17 can be an on-load tap changer, load changeover switch, selector, double reverser, reverser, preselector, circuit breaker, load switch or disconnector.
  • the drive system 3 contains a motor 12, which can drive the drive shaft 16 via a motor shaft 16 and optionally via a gear 15.
  • a control device 2 of the drive system 3 comprises a power section 11, which contains, for example, a converter (not shown here), for the controlled or regulated energy supply of the motor 12, and a control unit 10 for controlling the power section 11, for example via a bus 18.
  • 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 sensor system 13 is directly or indirectly coupled to the drive shaft 16.
  • the encoder system 13 is designed to detect a first value for a position, namely an angular position, for example an absolute angular position, of the drive shaft 16.
  • the encoder system 13 can comprise, 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 related to the absolute Position of the drive shaft 16 is attached.
  • the position of the drive shaft 16 can be clearly determined from the position of the motor shaft 14, for example via a transmission ratio of the gearbox 15.
  • the fastening of the absolute encoder is designed, for example, as a combination of a positive connection with a force-fitting and/or material-fitting connection.
  • the feedback system 4 is also designed to detect a second value for the position of the drive shaft 16.
  • the sensor system 13 can be configured to detect the second value, in particular using a method which differs from a method by which the first value for the position of the drive shaft 16 is detected.
  • control device 2 can be set up to determine the second value from a rotor position of the motor 12, effectively thus having a virtual sensor for detecting the second value.
  • a rotor position of the motor 12 can be used. Since the strength of the feedback varies periodically, the rotor position can be determined approximately, in particular by means of signal analysis, for example FFT analysis. Since a full revolution of the drive shaft 16 corresponds to a large number of revolutions of the rotor, the position of the drive shaft 16 can be deduced from this with much greater accuracy.
  • the control device in particular the control unit 10 and/or the power unit 11, is designed to control or regulate the motor 12 depending on a feedback signal which the feedback system generates based on the first and the second value.
  • the control device 2 for example the control unit 10, can, for example, compare the two values for the position of the drive shaft 16 and/or carry out a plausibility check of the position determination.
  • FIG 2 shows a schematic representation of another exemplary embodiment of a switch arrangement 1 according to the improved concept, which is based on the embodiment according to Figure 1 based on.
  • the switch device 1 optionally has a control cabinet 21 within which the control unit 10, the power unit 11 and an optional human-machine interface 19 are arranged.
  • the human-machine interface 19 is connected to the control unit 10 and can be used, for example, for control, maintenance or configuration purposes during or outside of operation.
  • the motor 12, the motor shaft 14, the encoder system 13 and/or the gearbox 15 can be arranged inside or outside the control cabinet.
  • the switch arrangement 1, in particular the control unit 10, is coupled to a safety device 20, which comprises, for example, a circuit breaker, in order to disconnect the switch arrangement 1 or an electrical device to which the switch arrangement 1 is assigned from a power network, for example in the event of an error or a malfunction of the switch arrangement 1.
  • a safety device 20 which comprises, for example, a circuit breaker, in order to disconnect the switch arrangement 1 or an electrical device to which the switch arrangement 1 is assigned from a power network, for example in the event of an error or a malfunction of the switch arrangement 1.
  • a switch arrangement 1 increases the operational reliability of the drive system 3, the switch 17 and the equipment.
  • the described double position determination and corresponding adjustments reduce the residual risk of incorrect position determination.

Landscapes

  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Lock And Its Accessories (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssystem für den Schalter sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters.
  • In Umspannwerken existiert eine Vielzahl an Schaltern für unterschiedliche Aufgaben und mit unterschiedlichen Anforderungen. Für die Betätigung der jeweiligen Schalter müssen diese über ein Antriebssystem angetrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich unter anderem um Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter.
  • So dienen Laststufenschalter beispielsweise zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines elektrischen Betriebsmittels, wie etwa eines Leistungstransformators oder einer regelbaren Drossel. Dadurch können beispielsweise das Übersetzungsverhältnis des Transformators oder die Induktivität der Drossel verändert werden. Doppelwender dienen zum Umpolen von Wicklungen während des Leistungstransformatorbetriebs.
  • All diese Schalter stellen eine hochgradig sicherheitsrelevante Komponente des elektrischen Betriebsmittels dar, weil die Umschaltung während das Betriebsmittel im Betrieb ist erfolgt und dementsprechend beispielsweise an ein Energienetz angeschlossen ist. Störungen beim Betrieb können in extremen Fällen gravierende technische und wirtschaftliche Folgen haben. Das Dokument WO2012/135209 offenbart eine Schalteranordnung umfassend einen Schalter, insbesondere Laststufenschalter, und ein Antriebssystem für den Schalter, das Antriebssystem beinhaltend eine Antriebswelle, welche das Antriebssystem mit dem Schalter verbindet; einen Motor mit einem Rotor zum Antreiben der Antriebswelle; und ein Feedbacksystem, welches dazu eingerichtet ist wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle zu bestimmen; basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen; und eine Steuervorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors einzuwirken.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalter, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters anzugeben, durch welches die Sicherheit des Betriebs erhöht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, eine Antriebswelle zum Antreiben des Schalters mit einem Feedbacksystem auszustatten, welches in der Lage ist, wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle zu erfassen. Der Betrieb des Motors wird basierend auf einem Feedbacksignal beeinflusst, welches abhängig von beiden Werten erzeugt wird.
  • Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Schalteranordnung mit einem Schalter und einem Antriebssystem für den Schalter angegeben. Das Antriebssystem weist eine Antriebswelle, welche das Antriebssystem mit dem Schalter verbindet, einen Motor zum Antreiben der Antriebswelle und ein Feedbacksystem auf. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle zu bestimmen und basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen. Außerdem weist das Antriebssystem eine Steuervorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors einzuwirken.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann der Schalter als ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder ein Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler oder ein Leistungsschalter oder ein Lastschalter oder ein Trennschalter ausgebildet sein.
  • Die Begrifflichkeit der "Werte für die Position der Antriebswelle" beinhaltet auch solche Werte von Messgrößen, aus denen die Position der Antriebswelle, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig bestimmt werden kann.
  • Durch die Bestimmung von mindestens zwei Werten für die Position der Antriebswelle kann die Steuervorrichtung eine Plausibilität der Positionsbestimmung oder einen Abgleich der beiden Werte vornehmen und dadurch die Sicherheit der Positionsbestimmung erhöhen und das entsprechende Restrisiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung zu verringern. Zudem führt ein Teilausfall der Feedbackvorrichtung, derart, dass nur noch ein Wert für die Position der Antriebwelle bestimmt werden kann, nicht gezwungenermaßen zum sofortigen Stillsetzen der Antriebswelle. Zumindest kann der Schalter trotz des Teilausfalls noch geregelt in eine sichere Betriebsposition bewegt werden. Letztendlich wird damit die Betriebssicherheit des Antriebssystems, des Schalters und des Betriebsmittels erhöht. Zusammenfassend steigert die Bestimmung zweier Werte für die Position der Antriebswelle die Sicherheit, indem ein Teilausfall sicher erkannt wird, und Verfügbarkeit, da trotz Teilausfall eine Schaltung sicher zu Ende geführt wird.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform dient das Antriebssystem dazu, eine Welle des Schalters, z.B. Laststufenschalters oder eine entsprechende Komponente des Laststufenschalters, anzutreiben. Dadurch wird der Laststufenschalter beispielsweise veranlasst, eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung, Vorwählerbetätigung oder eine Doppelwenderbetätigung.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Schalter, insbesondere der Welle des Schalters, verbunden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter, insbesondere der Welle des Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters, verbunden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Motor, insbesondere einer Motorwelle des Motors, verbunden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform entspricht eine Position, insbesondere eine absolute Position, der Motorwelle, einer Position, insbesondere absoluten 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, Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters zu überwachen. Die Überwachung umfasst insbesondere eine Überwachung dahingehend, ob einzelne Operationen oder Teile davon 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 in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert, insbesondere Positions-, Geschwindigkeits,- oder Beschleunigungssollwert, eingerichtet.
  • 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.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, einen ersten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer ersten Methode zu ermitteln und einen zweiten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer zweiten Methode zu ermitteln, wobei sich die beiden Methoden voneinander unterscheiden können. Dadurch wird mindestens eine Redundanz oder sogar eine diversitäre Redundanz erzeugt, welche die Betriebssicherheit weiter erhöht.
  • Die beiden Methoden können beispielsweise auf gleichen oder unterschiedlichen technischen oder physikalischen Prinzipien beruhen oder gleiche oder unterschiedliche Bauteile (Hardwarekomponenten) einsetzen.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist ein weiterer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein zweiter Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
  • Der erste und der zweite Wert für die absolute Position der Antriebswelle können von der Steuervorrichtung beispielsweise verglichen werden. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuervorrichtung eine Fehlermeldung ausgeben oder eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein inkrementeller Wert für eine Position der Antriebswelle oder ein Wert für eine relative Position der Antriebswelle.
  • Der erste und/oder der zweite Wert für die absolute Position kann dann von der Steuervorrichtung mit dem inkrementellen oder relativen Wert abgeglichen werden, wodurch die Plausibilität des ersten und/oder zweiten Wertes für die absolute Position geprüft werden kann. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuervorrichtung eine Fehlermeldung ausgeben und/oder eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, eine Rotorposition des Motors zu ermitteln und einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle in Abhängigkeit der Rotorposition zu bestimmen.
  • Gemäß der Erfindung 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 Schalter, insbesondere 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 der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle, insbesondere den ersten und/oder den zweiten Wert für die absolute Position, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals zu ermitteln.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist der Absolutwertgeber einen ersten Ausgang zur Ausgabe des ersten oder zweiten Wertes für die absolute Position und einen zweiten Ausgang zur Ausgabe des inkrementellen oder relativen Wertes für die Position auf. Von der Begrifflichkeit "Absolutwertgeber" umfasst sind sowohl Vorrichtungen, die zwei Werte für die Position auf unterschiedliche Weise ermitteln, als auch Vorrichtungen, die zwei separate Geber beinhalten, von denen mindestens einer ein Absolutwertgeber ist.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Absolutwertgeber einen Multiturn-Drehgeber.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle anhand eines ersten Abtastverfahrens zu erfassen.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle zusätzlich anhand eines zweiten Abtastverfahrens, welches von dem ersten Abtastverfahren unabhängig ist, zu erfassen.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das erste oder das zweite Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheidet sich das erste Abtastverfahren von dem zweiten Abtastverfahren.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber formschlüssig mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber zusätzlich kraftschlüssig oder stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.
  • Durch die formschlüssige und zusätzlich stoff- oder kraftschlüssige Verbindung wird die Befestigung des Absolutwertgebers und letztlich die Betriebssicherheit weiter erhöht.
  • Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Antreiben eines Laststufenschalters angegeben. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen von wenigstens zwei Werten für eine absolute Position einer Antriebswelle zum Antreiben des Laststufenschalters, ein Erzeugen eines Feedbacksignals basierend auf den wenigstens zwei Werten und ein Steuern eines Motors zum Antreiben des Laststufenschalters abhängig von dem Feedbacksignal.
  • 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 bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
  • Es zeigen
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept; und
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept mit einem Schalter 17 und einem Antriebssystem 3, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 17 verbunden ist. Der Schalter 17 kann ein Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter sein. Das Antriebssystem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 16 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebssystems 3 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweise einen, hier nicht gezeigten, Umrichter enthält, zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus 18. Das Antriebssystem 3 weist ein Gebersystem 13 auf, welches als Feedbacksystem 4 dient oder Teil des Feedbacksystems 4 ist und mit dem Leistungsteil 11 verbunden ist. Ferner ist das Gebersystem 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.
  • Das Gebersystem 13 ist dazu eingerichtet, einen ersten Wert für eine Position, nämlich eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 zu erfassen. Dazu kann das Gebersystem 13 beispielsweise einen Absolutwertgeber, insbesondere Multi-Turn-Absolutwertgeber, umfassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der absoluten Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. Beispielsweise ist die Position der Antriebswelle 16 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmbar, beispielsweise über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 15.
  • Die Befestigung des Absolutwertgebers ist beispielsweise als Kombination einer formschlüssigen Verbindung mit einer kraft- und/oder stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt.
  • Das Feedbacksystem 4 ist außerdem dazu eingerichtet, einen zweiten Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.
  • Dazu kann das Gebersystem 13 dazu eingerichtet sein, den zweiten Wert zu erfassen, insbesondere unter Anwendung einer Methode, welche sich von einer Methode, nach der der erste Wert für die Position der Antriebswelle 16 erfasst wird, unterscheidet.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 2 dazu eingerichtet sein, den zweiten Wert aus einer Rotorposition des Motors 12 zu ermitteln, effektiv also einen virtuellen Geber zum Erfassen des zweiten Wertes aufweisen. Dazu kann beispielsweise eine induktive Rückkopplung durch die Bewegung des Rotors in Motorwicklungen des Motors 12 ausgenutzt werden. Da eine Stärke der Rückkopplung periodisch variiert, kann insbesondere mittels Signalanalyse, zum Beispiel FFT Analyse, die Rotorposition näherungsweise bestimmt werden. Da eine volle Umdrehung der Antriebswelle 16 einer Vielzahl von Umdrehungen des Rotors entspricht, kann daraus mit sehr viel höherer Genauigkeit auf die Position der Antriebswelle 16 geschlossen werden.
  • Die Steuervorrichtung 2, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11, ist dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, welches das Feedbacksystem basierend auf dem ersten und dem zweiten Wert erzeugt.
  • Die Steuervorrichtung 2, beispielsweise die Steuereinheit 10 kann beispielsweise die beiden Werte für die Position der Antriebswelle 16 abgleichen und/oder eine Plausibilitätsprüfung der Positionsbestimmung durchführen.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform nach Figur 1 basiert.
  • Die Schaltervorrichtung 1 weist hier optional einen Schaltschrank 21 auf, innerhalb dessen die Steuereinheit 10, das Leistungsteil 11 und eine optionale Mensch-Maschine-Schnittstelle 19 angeordnet sind. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 19 ist mit der Steuereinheit 10 verbunden und kann beispielsweise Kontroll-, Wartungs- oder Konfigurationszwecken während oder außerhalb des Betriebes dienen.
  • Der Motor 12, die Motorwelle 14 das Gebersystem 13 und/oder das Getriebe 15 können innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks angeordnet sein.
  • Die Schalteranordnung 1, insbesondere die Steuereinheit 10 ist an eine Sicherheitsvorrichtung 20 gekoppelt, welche beispielsweise einen Leistungsschalter oder circuit breaker umfasst, um die Schalteranordnung 1 oder ein elektrisches Betriebsmittel, welchem die Schalteranordnung 1 zugeordnet ist, von einem Energienetz zu trennen, beispielsweise im Falle eines Fehlers oder einer Störung der Schalteranordnung 1.
  • Durch eine Schalteranordnung 1 nach dem verbesserten Konzept wird die Betriebssicherheit des Antriebssystems 3, des Schalters 17 und des Betriebsmittels erhöht. Durch die beschriebene doppelte Positionsbestimmung und entsprechende Abgleiche wird das Restrisiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung verringert.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Schalteranordnung
    2
    Steuervorrichtung
    3
    Antriebssystem
    4
    Feedbacksystem
    10
    Steuereinheit
    11
    Leistungsteil
    12
    Motor
    13
    Gebersystem
    14
    Motorwelle
    15
    Getriebe
    16
    Antriebswelle
    17
    Schalter
    18
    Bus
    19
    Mensch-Maschine-Schnittstelle
    20
    Sicherheitsvorrichtung
    21
    Schaltschrank

Claims (14)

  1. Schalteranordnung (1) umfassend einen Schalter (17), insbesondere Laststufenschalter, und ein Antriebssystem (3) für den Schalter (17), das Antriebssystem (3) beinhaltend
    - eine Antriebswelle (12), welche das Antriebssystem (3) mit dem Schalter (17) verbindet;
    - einen Motor (12) mit einem Rotor zum Antreiben der Antriebswelle (16); und
    - ein Feedbacksystem (4), welches dazu eingerichtet ist
    - wenigstens zwei Werte für eine Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen;
    - eine Rotorposition des Motors (12) zu ermitteln und einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) in Abhängigkeit der Rotorposition zu bestimmen, wobei die Rotorposition einen Winkelbereich, in dem sich der Rotor des Motors befindet, mit einer Anzahl von vollständigen Rotationen des Rotors kombiniert; und
    - basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen; und
    - eine Steuervorrichtung (2), welche dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors (12) einzuwirken.
  2. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei
    - das Feedbacksystem dazu eingerichtet ist, jeden der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) nach einer zugehörigen Methode zu ermitteln,
    - sich alle Methoden zur Ermittlung der wenigstens zwei Werte voneinander unterscheiden oder identisch sind.
  3. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle (16) ist.
  4. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) ein zweiter Wert für eine absolute Position der Antriebswelle (16) ist.
  5. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) ein inkrementeller Wert für eine Position der Antriebswelle (16) oder ein Wert für eine relative Position der Antriebswelle (16) ist.
  6. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Feedbacksystem
    - einen Absolutwertgeber beinhaltet, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die 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, einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) anhand des wenigstens einen Ausgangssignals zu ermitteln.
  7. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 6, wobei der Absolutwertgeber als Multiturn-Drehgeber ausgeführt ist.
  8. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Absolutwertgeber dazu eingerichtet ist, die Position der Antriebswelle (16) oder die Position der weiteren Welle anhand eines ersten Abtastverfahrens zu erfassen.
  9. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 8, wobei der Absolutwertgeber dazu eingerichtet ist, die Position der Antriebswelle (16) oder die Position der weiteren Welle zusätzlich anhand eines zweiten Abtastverfahrens, welches von dem ersten Abtastverfahren unabhängig ist, zu erfassen.
  10. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das erste Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives oder ein induktives Abtastverfahren beinhaltet.
  11. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Absolutwertgeber formschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weiteren Welle verbunden ist.
  12. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 11, wobei der Absolutwertgeber zusätzlich kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weiteren Welle verbunden ist.
  13. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der Schalter (1) ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler oder ein Leistungsschalter oder ein Lastschalter oder ein Trennschalter ist.
  14. Verfahren zum Antreiben eines Schalters (17) einer Schalteranordnung gemäß Anspruch 1, das Verfahren umfassend
    - Bestimmen von wenigstens zwei Werten für eine absolute Position einer Antriebswelle (16) zum Antreiben des Schalters (17);
    - Erzeugen eines Feedbacksignals basierend auf den wenigstens zwei Werten; und
    - Steuern eines Motors (12) zum Antreiben des Schalters (17) abhängig von dem Feedbacksignal.
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