DE102019112717A1

DE102019112717A1 - Antriebssystem für einen Schalter und ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters

Info

Publication number: DE102019112717A1
Application number: DE102019112717.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Schmid; Jürgen Schimbera; Kathrin Prüßing
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-19
Also published as: EP3963613C0; JP2022533323A; KR20220005586A; WO2020229122A1; EP3963613B1; CN113811968A; BR112021021132A2; EP3963613A1; KR102744625B1; US20220262581A1

Abstract

Es ist ein Antriebsystem (3) für einen Schalter (1, 30) und ein Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters (1, 30) offenbart. Eine Antriebswelle (16) verbindet das Antriebssystem (3) mit dem mindestens einen Schalter (1, 30). Ein Motor (12) dient zum Antreiben der Antriebswelle (16). Ein Feedbacksystem (4) ist dazu eingerichtet, eine Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen und, basierend auf dieser Position, ein Feedbacksignal zu erzeugen. Eine Steuervorrichtung (2) kann, abhängig von dem Feedbacksignal, auf den Betrieb des Motors (12) einzuwirken, wobei die Steuervorrichtung (2) ein Fahrprofil (22) auswählt, das entsprechend auf den Motor (12) wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Schalter sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters.
Für die Regelung von Spannung in unterschiedlichen Transformatoren existiert eine Vielzahl an Schaltern für unterschiedliche Aufgaben und mit unterschiedlichen Anforderungen. Für die Betätigung der jeweiligen Schalter müssen diese über ein Antriebssystem angetrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich unter anderem um Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender oder Vorwähler.
Ein Antrieb für einen der oben genannten Schalter ist beispielsweise aus DE 20 2010 011 521 U1 bekannt. In diesem Laststufenschalterantrieb ist ein Motor angeordnet, der über Gestänge starr mit den entsprechenden Laststufenschaltern verbunden ist. Die Betätigung erfolgt mittels Verdrahtung, sprich durch Betätigung von Motorschützen wird der Motor ein- bzw. ausgeschaltet. Über die Antriebswelle werden dann die Laststufenschalter betätigt. Nach der Montage und der Inbetriebnahme sind funktionale Änderungen am Antrieb nicht möglich. Dadurch wird der Antrieb starr und unflexibel. Einfachste Anpassungen erfordern komplexe Umbaumaßnahmen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders oder Vorwählers anzugeben, durch welches die Flexibilität des Antriebs und die Sicherheit bei der Schaltung erhöht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für mindestens einen Schalter gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters bereitzustellen, welches ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters zur Verfügung stellt, durch welches die Flexibilität des Antriebs und die Sicherheit bei der Schaltung erhöht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 14 umfasst.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist für mindestens einen Schalter geeignet und umfasst eine Antriebswelle, welche das Antriebssystem mit dem mindestens einen Schalter verbindet. Mindestens ein Motor ist vorgesehen, der mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Ein Feedbacksystem ist vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, eine Position der Antriebswelle zu bestimmen. Auf Basis dieser Position wird ein Feedbacksignal erzeugt. Eine Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, dass, in Abhängigkeit von dem Feedbacksignal, ein gespeichertes Fahrprofil aus mehreren Fahrprofilen ausgewählt wird. Das ausgewählte Fahrprofil wirkt entsprechend auf den Motor ein.
Die Steuervorrichtung umfasst eine Steuereinheit und ein Leistungsteil, wobei das Leistungsteil zur Energieversorgung des mindestens einen Motors dient. Die gespeicherten Fahrprofile sind in einem Speicher des Leistungsteils hinterlegt. Alternativ sind die Fahrprofile in einem Speicher der Steuervorrichtung oder der Steuereinheit hinterlegt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Feedbacksystem mindestens einen Absolutwertgeber, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle verbunden ist, zu erfassen. Auf Basis der erfassten Position kann wenigstens ein Ausgangssignal erzeugt werden, das dazu eingerichtet ist, die Position der Antriebswelle anhand des wenigstens eines Ausgangssignals zu ermitteln.
Der Absolutwertgeber kann als Multiturn-Drehgeber oder Singleturn-Drehgeber ausgeführt sein.
Gemäß einer möglichen weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Absolutwertgeber dazu eingerichtet sein, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle anhand eines ersten Abtastverfahrens zu erfassen. Das Abtastverfahren kann ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives oder ein induktives Abtastverfahren sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Feedbacksystem mindestens einen Absolutwertgeber und einen Hilfskontakt beinhalten, der in Kombination mit dem Absolutwertgeber dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle zu erfassen. Die weitere Welle ist mit der Antriebswelle verbunden. Auf Basis der erfassten Position wird wenigstens ein Ausgangssignal erzeugt. Anhand des wenigstens einen Ausgangssignals wird die Position der Antriebswelle ermittelt.
Der Absolutwertgeber kann als Singleturn-Drehgeber oder inkrementeller Geber oder virtueller Geber ausgeführt sein. Der Hilfsschalter kann als mindestens ein Mikroschalter oder Resolver ausgeführt sein.
Das Fahrprofil ist durch zwei Variablen definiert und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Antriebssystem derart ausgestaltet sein, dass die Steuervorrichtung auf zwei Motoren wirkt. Die Steuervorrichtung umfasst mindestens eins optional zwei Leistungsteile, wobei jeder Motor mit einem gemeinsamen Leistungsteil oder jeder Motor mit eigenem Leistungsteil zusammenwirkt.
Die Steuervorrichtung ist erfindungsgemäß derart gestaltet, dass sie mit einen der beiden Motoren zusammenwirkt. Dieser Motor fährt das Fahrprofil des Ist-Werts des Feedbacksystems des anderen Motors ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters zeichnet sich dadurch aus, dass ein Antriebssystem eine mit mindestens einem Motor verbundene Antriebswelle aufweist. Zunächst wird vor Beginn der Umschaltung ein Fahrprofil ausgewählt, das einen Betrieb des Antriebssystems zur Umschaltung von einer aktuellen Schaltstellung auf eine erreichbare Schaltstellung beschreibt. Während des Betriebs des Antriebssystems wird mit einem Feedbacksystem eine Position der Antriebswelle des mindestens einen Motors erfasst. Ein Feedbacksignal wird aus dem erfassten Ist-Wert der Position der Antriebswelle erzeugt. Aus einem Vergleich des Ist-Werts der Position der Antriebswelle mit dem Fahrprofil wird ermittelt, ob eine Abweichung vom Ist-Wert und dem Fahrprofil vorliegt. Bei Vorliegen einer Abweichung wird der mindestens eine Motor derart gesteuert, dass die Abweichung des Ist-Werts vom Fahrprofil minimiert wird. Bei Erreichen der erreichbaren Schaltstellung stoppt das Antriebssystem.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die Verwendung der Fahrprofile eine hohe Flexibilität und Variabilität bei der Umschaltung in einem Schalter erreicht werden kann. Mechanisch Veränderungen im Schalter die die Umschaltung beeinflussen können werden durch die Verwendung der Fahrprofile aufgefangen; es ist somit möglich die Fahrprofile entsprechend anzupassen.
Mindestens ein Fahrprofil wird für die Antriebswelle zum Antreiben des Schalters bestimmt. In der Regel wird eine Vielzahl von Fahrprofilen für einen Schalter bestimmt. Das mindestens eine und bestimmte Fahrprofil wird für die Verwendung bei einer Schaltung gespeichert.
Eine absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle wird mit mindestens einem Absolutwertgeber des Feedbacksystems bestimmt. Dabei wird, basierend auf der erfassten Position, wenigstens ein Ausgangssignal erzeugt, mit dem die Position der Antriebswelle ermittelt wird.
Eine Steuervorrichtung umfasst eine Steuereinheit und/oder ein Leistungsteil, mit denen der mindestens eine Motor derart gesteuert oder geregelt wird, dass die durch das Fahrprofil zu erreichende Schaltstellung innerhalb einer durch das Fahrprofil vorgegebenen Zeit erreicht wird.
Jedes der Fahrprofile wird durch zwei Variablen definiert und stellt eine zweidimensionale Polynomfunktion n-ter Ordnung dar. Die Polynomfunktion ist in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet.
Durch das Fahrprofil werden eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment des mindestens einen Motors vorgegeben. Dabei wird durch das Fahrprofil auch vorgegeben, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle, welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit durch den Motor an der Antriebswelle umgesetzt wird.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, ein Antriebssystem zum Antreiben eines Schalters mit einem Feedbacksystem und einer Steuervorrichtung auszustatten, wodurch ermöglicht wird, dass der Schalter über ein bestimmtes Fahrprofil betätigt wird. Üblicherweise erfolgt, beispielsweise die Betätigung eines Laststufenschalters derart, dass ein Motor mit konstanter Drehzahl eine Antriebswelle betätigt, die parallel Wählerkontakte bewegt und einen Federenergiespeicher aufzieht, der nach dem Auslösen auf den Lastumschalter wirkt. Das Antriebssystem nach dem verbesserten Konzept ist in der Lage die Antriebswelle gezielt, sprich nach einem vorher ausgewählten Fahrprofil, anzutreiben. Das Fahrprofil gibt nicht nur eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment vor. Das Fahrprofil gibt auch vor, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle, welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit an der Antriebswelle umgesetzt wird. Durch die Nutzung derartiger Fahrprofile können gezielte Abschnitte einer Schaltung des Schalters beeinflusst werden. So ist es möglich, anhand der Antriebswellenposition, die Geschwindigkeit oder das Drehmoment zu erhöhen. Da im Schalter an der Antriebswelle unterschiedliche zu betätigende Teile angeordnet sind, können diese explizit geschont werden. So ist, beispielsweise zu Beginn einer Umschaltung ein höheres Drehmoment erforderlich, um Kontakte zu lösen oder in Bewegung zu versetzen. Unmittelbar danach kann das Drehmoment reduziert werden. Dies ist explizit mit dem Fahrprofil möglich. Über das Feedbacksignal wird die aktuelle Position der Antriebswelle, also Ist-Wert, mit dem Fahrprofil verglichen, also Soll-Wert. Das System wird damit flexibel und sicher.
Die Begrifflichkeit der „Position der Antriebswelle“ beinhaltet Messgrößen, aus denen die Position der Antriebswelle, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig bestimmt werden kann.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform dient das Antriebssystem dazu, eine Welle des Schalters, Laststufenschalters oder eine entsprechende Komponente des Laststufenschalters anzutreiben. Dadurch wird der Laststufenschalter veranlasst, eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung oder eine Vorwählerbetätigung.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Schalter, insbesondere mit der Welle des Schalters, verbunden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform, ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Laststufenschalter, insbesondere mit der Welle des Laststufenschalters, verbunden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Motor, insbesondere mit einer Motorwelle des Motors, verbunden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform entspricht eine Position, insbesondere eine absolute Position, der Motorwelle, einer Position der Antriebswelle. Das heißt, von der Position der Motorwelle lässt sich, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig auf die Position der Antriebswelle schließen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Einwirken ein Steuern, Regeln, Bremsen, Beschleunigen oder Anhalten des Motors. Das Regeln kann, beispielsweise eine Positionsregelung, eine Geschwindigkeitsregelung, eine Beschleunigungsregelung oder eine Drehmomentregelung umfassen. Zumindest im Falle solcher Regelungen kann man davon sprechen, dass das Antriebssystem ein Servoantriebssystem darstellt.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst das Antriebssystem eine Überwachungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, anhand des Feedbacksignals, die eine oder mehreren Operationen des Schalters zu überwachen. Die Überwachung umfasst insbesondere eine Überwachung dahingehend, ob einzelne Operationen oder Teile ordnungsgemäß, insbesondere innerhalb vordefinierter Zeitfenster, durchgeführt werden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung eine Steuereinheit und ein Leistungsteil zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors. Die Steuereinheit ist zur Ansteuerung des Leistungsteils eingerichtet. Im Leistungsteil ist mindestens ein Fahrprofil hinterlegt, welches aus zwei Variablen gebildet und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet werden kann.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil als Umrichter oder Servoumrichter ausgestaltet oder als äquivalente elektronische, insbesondere vollelektronische, Einheit für Antriebsmaschinen.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen enthält die Steuervorrichtung das Feedbacksystem ganz oder teilweise.
Die absolute Position der Antriebswelle kann von der Steuervorrichtung, beispielsweise verglichen werden. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuervorrichtung eine Fehlermeldung ausgeben oder eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, eine Rotorposition des Motors zu ermitteln und einen Wert für die Position der Antriebswelle, in Abhängigkeit der Rotorposition, zu bestimmen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform handelt es sich bei der Rotorposition um einen Winkelbereich, in dem sich ein Rotor des Motors befindet, gegebenenfalls kombiniert mit einer Anzahl von vollständigen Rotationen des Rotors.
Je nach Ausgestaltung, insbesondere Polpaarzahl, des Rotors kann damit die Position oder absolute Position der Motorwelle bis auf mindestens 180° genau bestimmt werden, beispielsweise durch die Steuervorrichtung. Durch Untersetzung mittels einem oder mehrerer Getriebe ist die dadurch erzielbare Genauigkeit der Position der Antriebswelle deutlich größer. Die Auswertung durch die Steuervorrichtung entspricht hier gewissermaßen einer virtuellen Geberfunktion. Auch bei einem vollständigen Ausfall eines Absolutwertgebers des Feedbacksystems kann daher wenigstens ein Notbetrieb aufrechterhalten werden und/oder der Laststufenschalter in eine sichere Position gebracht werden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem einen Absolutwertgeber, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle verbunden ist, zu erfassen und, basierend auf der erfassten Position, wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, einen Wert für die Position der Antriebswelle, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals, zu ermitteln.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Absolutwertgeber einen Multiturn-Drehgeber oder Singleturn-Geber.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle, anhand eines Abtastverfahrens, zu erfassen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem eine Kombination aus einem Geber und einem Hilfskontakt, die in der Kombination dazu eingerichtet und angeordnet sind, die absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle verbunden ist, zu erfassen und, basierend auf der erfassten Position, wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, einen Wert für die Position der Antriebswelle, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals, zu ermitteln.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind der Geber und der Hilfskontakt direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Geber als Singleturn-Drehgeber oder inkrementeller Geber oder virtueller Geber ausgeführt und der Hilfsschalter als mindestens ein Mikroschalter oder Resolver oder Sin-Cos-Geber.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind der Geber und der Hilfskontakt dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle, anhand eines Abtastverfahrens, zu erfassen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann das Fahrprofil aus zwei Variablen gebildet sein und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem abgebildet werden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind die Variablen direkte Größen oder indirekte Größen des Antriebssystems, wie zum Beispiel, Zeit, Drehwinkel der Antriebswelle, Strom, Spannung, Geschwindigkeit, Drehmoment oder Beschleunigung.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann eine Variable durch jeweils eine Achse des Koordinatensystems abgebildet werden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung auf einen zweiten Motor wirken.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ein zweites Leistungsteil aufweisen, welches auf einen zweiten Motor wirkt.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung derart auf einen zweiten Motor wirken, dass dieser das Fahrprofil des Ist-Werts des Feedbacksystems des ersten Motors abfährt.
Gemäß wenigsten einer Ausführungsform kann der Schalter als ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler ausgebildet sein.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Antreiben eines Schalters angegeben. Das Verfahren umfasst das Bestimmen und Auswählen von einem Fahrprofil für die Antriebswelle zum Antreiben des Schalters durch die Steuervorrichtung, das Erzeugen eines Feedbacksignals, basierend auf der Position der Antriebswelle und das Steuern eines Motors zum Antreiben des Schalters, abhängig von dem Feedbacksignal und dem Fahrprofil.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur in der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems gemäß dem verbesserten Konzept;
2a ein Fahrprofil für das Antriebssystem, das den Drehwinkel der Antriebswelle als Funktion der Zeit darstellt;
2b ein Fahrprofil für das Antriebssystem, das das Drehmoment als Funktion des Drehwinkels der Antriebswelle darstellt;
3 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems, gemäß dem verbesserten Konzept für mehrere Schalter;
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems gemäß dem verbesserten Konzept mit mehreren Leistungsteilen;
5 eine schematische Darstellung des Antriebs für einen Laststufenschalter, mit dem zwischen den verschiedenen Anzapfungen (Schaltstellungen) eines Transformators geschalten werden kann; und
6 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antreiben eines Schalters.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems 3 für einen Schalter 1. Das Antriebssystem 3 ist über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 1 verbunden. Das Antriebssystem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebssystems 3 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweis einen Umrichter (nicht dargestellt) zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 enthält, sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus (nicht dargestellt). Das Antriebssystem 3 weist ein Gebersystem 13 auf, welches als Feedbacksystem 4 dient oder Teil des Feedbacksystems 4 ist und mit dem Leistungsteil 11 verbunden ist. Ferner ist das Gebersystem 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.
Das Gebersystem 13 ist dazu eingerichtet, mindestens einen ersten Wert für eine Position, insbesondere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition der Antriebswelle 16, zu erfassen. Dazu kann das Gebersystem 13 zum Beispiel einen Absolutwertgeber, insbesondere einen Multi-Turn-Absolutwertgeber, umfassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der absoluten Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. Das Gebersystem 13 kann jedoch auch einen Single-Turn-Absolutwertgeber und/oder einen virtuellen Geber und/oder Hilfsschalter umfassen. Zum Beispiel kann die Position der Antriebswelle 16 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmt werden, beispielsweise, über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes.
Das Feedbacksystem 4 ist dazu eingerichtet, einen Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.
Die Steuervorrichtung 2 und insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11 sind dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, basierend auf dem Wert welches das Feedbacksystem 4 erzeugt.
Das Leistungsteil 11 weist einen Speicher 5 mit hinterlegten Fahrprofilen 22 (nicht dargestellt) auf. Das Gebersystem 13, das als Feedbacksystem 4 verwendet wird, meldet dem Leistungsteil 11 die Position der Welle und überwacht damit, ob die Antriebswelle 16 das Fahrprofil 22 richtig abfährt bzw. die vorgegebenen Parameter einhält. Die Fahrprofile 22 können auch in der Steuervorrichtung 2 oder Steuereinheit gespeichert sein.
Im Leistungsteil 11 sind mehrere Fahrprofile 22 hinterlegt. Über die Steuereinheit 10 wird eines der Fahrprofile 22 ausgewählt.
2a zeigt ein mögliches Fahrprofil 22 des Motors 12 für eine Schalthandlung des Schalters 1. Das beispielhafte Fahrprofil 22 ist eine Polynomfunktion n-ter Ordnung mit zwei Variablen, welche in ein zweidimensionales kartesisches Koordinatensystem 20 aufgetragen sind. Bei dem in 2a gezeigten Fahrprofil 22 ist auf der X-Achse 24 die Zeit t, sprich, wie lange die Antriebswelle 16 den Motor 12 betätigt, aufgetragen. Auf der Y-Achse 25 ist der Drehwinkel ω der Antriebswelle 16 aufgetragen. Die in 2a auf den Achsen 24, 25 aufgetragen Größen sind lediglich Beispiele und sollen nicht als Beschränkung der Erfindung verstanden werden. Die auf der X-Achse 24 und der Y-Achse 25 aufgetragenen Variablen können direkte Größen oder indirekte Größen des Antriebssystems 3 sein. Direkte Größen können beispielsweise die Zeit t, ein Drehwinkel der Antriebswelle 16, Strom oder Spannung sein. Indirekte Größen können Geschwindigkeit, Drehmoment, Beschleunigung oder ähnliches sein.
2b zeigt ein mögliches Fahrprofil 22 des Motors 12 für eine Schalthandlung des Schalters 1, welches in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem 20 aufgetragen ist. Hier ist die indirekte Größe des Drehmoments M(t) als Funktion des Drehwinkels ω aufgetragen und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung dargestellt. Bei dem in 2a gezeigten Fahrprofil 22 ist auf der X-Achse 24 der Drehwinkel ω aufgetragen. Auf der Y-Achse 25 ist das auf die Antriebswelle 16 wirkende Drehmoment M(t) aufgetragen.
Das Fahrprofil 22 gibt einen Soll-Wert vor, den die Antriebswelle 16 abzufahren hat. Beim Abfahren des Fahrprofils 22 kann der Ist-Wert, der über das Feedbacksystem 4 erfasst wird, eine Abweichung vom Soll-Wert aufweisen. Abhängig von der vorgegeben möglichen Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert kann das Wirken auf den Motor 12 entweder abgebrochen oder fortgeführt werden. Die Abweichung kann entweder manuell eingestellt werden oder mittels eines Einlernprozesses ermittelt werden.
3 zeigt das Antriebssystem 3, welches zwei Schalter 1, 30 antreibt. Das zweite Gebersystem 13, welches ebenso als Feedbacksystem 4 verwendet wird, meldet dem Leistungsteil 11, bzw. das Leistungsteil 11 fragt die Position ab, ebenfalls die Position der zweiten Antriebswelle 16 und überwacht damit, ob die zweite Antriebswelle 16 das Fahrprofil 22 richtig abfährt bzw. die vorgegebenen Größen einhält. Dabei können die beiden Motoren 12, 32 entweder dem vorgegeben Fahrprofil 22 folgen oder einer der Motoren 12 fährt das vorgegebene Fahrprofil 22 ab und der zweite Motor 32 folgt dem Ist-Wert des ersten Motors 12, also in einer Art „Master-Slave“ Funktion. Die Daten hierfür erhält der zweite Motor 32 vom Leistungsteil 11. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Schalter 1, 30, nur leicht zeitversetzt, das gleiche Fahrprofil 22 in der gleichen Zeit t abfahren. Sollten beide unabhängig voneinander dasselbe Fahrprofil 22 fahren müssen, kann bei einer Störung oder Verzögerung bei einem der Schalter 1, 30, der zweite Schalter schneller fertig werden, sodass kein synchrones Antreiben und damit kein synchrones Schalten vorliegt. Dies kann jedoch in einigen Fällen gerade erforderlich sein. Durch den „Master-Slave“ Betrieb kann ein sicherer Parallelbetrieb gewährleistet werden.
4 zeigt eine Ausführungsform des Antriebssystems 3, bei dem ein zweites Leistungsteil 40 mit einem separaten Motor 32 und einem Feedbacksystem 4 vorgesehen sind. Auch hier können die beide Motoren 12, 32 entweder dem vorgegeben Fahrprofil 22 folgen oder ein Motor 12 folgt dem Fahrprofil 22 und der zweite Motor 32 folgt dem Ist-Wert des ersten Motors 12, der durch das erste Feedbacksystem 4 zur Verfügung gestellt wird, also in einer Art „Master-Slave“ Funktion. Diese vorteilhafte Ausführungsform erlaubt den Parallelbetrieb von mehreren Schaltern, die räumlich weit voneinander entfernt sind. Die Leistungsteile 11, 40 sind mit einem Feldbus 6, wie zum Beispiel einem Powerlink, miteinander verbunden. Es findet lediglich ein Datenaustausch statt und keine Energieübertragung. Weiterhin kann es aus wirtschaftlichen Gründen von Vorteil sein, mehrere kleinere Leistungsteile statt einem großen Leistungsteil zu verwenden.
5 zeigt einen schematischen Aufbau eines Antriebskonzepts eines Schalters 1, 30, der als Laststufenschalter 170 ausgebildet ist. Bei diesem können die Schaltstellungen N₁ , N2,..., N_N angefahren werden die mit den verschiedenen Stufen einer Regelwicklung 19 eines Transformators 180 verbunden sind. Obwohl für die Beschreibung der einzelnen Schaltstellung N₁ , N₂ ,..., N_N des Schalters 1, 30 das Konzept eines Laststufenschalter 170 gewählt worden ist, soll dies nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Antriebskonzept auch bei Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender oder Vorwähler Anwendung findet.
Für den Antrieb eines Wählers 18 und des Lastumschalters 17 ist ein Motor 12 vorgesehen, der über ein Getriebe 15 auf den Laststufenschalter 170 mit dem Wähler 18 und den Lastumschalter 17 wirkt. Über eine Motorwelle 14 und eine Antriebswelle 16 wirkt der Motor 12 auf den Laststufenschalter 170, um in einer Aufwärtsrichtung N+ von einer Schaltstellung N_N auf die nächst höhere Schaltstellung N_N+1 oder in einer Abwärtsrichtung N- von einer Schaltstellung N_N auf die nächst niedere Schaltstellung N_N-1 zu schalten. Dabei wird mit dem Wähler der zu beschaltende Schaltstellung (Stufenstellung) vorgewählt und der Lastumschalter führt die eigentliche Lastumschaltung aus.
In 6 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antreiben mindestens eines Schalters 1, 30 dargestellt. Der mindestens eine Schalter 1, 30 umfasst zumindest ein Antriebssystem 3, das eine mit mindestens einem Motor 12 verbundene Antriebswelle 16 aufweist. Die Schaltung von einer aktuellen Schaltstellung N_A (siehe 5) auf eine erreichbare Schaltstellung N_E (siehe 5) kann mit einem Fahrprofil 22 beschrieben werden, welches durch ein Polynom n-ter Ordnung beschrieben und/oder dargestellt werden kann. Die Schaltung kann sowohl in der Aufwärtsrichtung N+ als auch in einer Abwärtsrichtung N- erfolgen. Vor Beginn der Schaltung wird ein Fahrprofil 22 ausgewählt, das einen Betrieb des Antriebssystems 3 zur Umschaltung von der aktuellen Schaltstellung N_A auf die erreichbare Schaltstellung N_E beschreibt. Während des Betriebs des Antriebssystems 3 wird mit einem Feedbacksystem 4 eine Position der Antriebswelle 16 des mindestens einen Motors 1, 30 erfasst. Die erfasste Position der Antriebswelle 16 wird durch einen Ist-Wert der Position der Antriebswelle 16 definiert. Ein Feedbacksignal wird aus dem erfassten Ist-Wert der Position der Antriebswelle 16 erzeugt.
Das ausgewählte Fahrprofil 22 repräsentiert einen Soll-Wert (eine Reihe von Soll-Werten), den das Antriebssystem 3 abfahren soll, um die Schaltung von der aktuellen Schaltstellung N_A auf die zu erreichende Schaltstellung N_A z.B. in der vorgegebenen Zeit, zu bewerkstelligen. Gemäß der Erfindung wird ein Vergleich des Ist-Werts der Position der Antriebswelle 16 mit Fahrprofil 22 (Soll-Wert) durchgeführt, im Idealfall in Echtzeit oder leicht verzörgert. Aus dem Vergleich kann ermittelt werden, ob eine Abweichung vom Ist-Wert und dem Fahrprofil 22 vorliegt.
Bei dem Vorliegen einer Abweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Fahrprofil 22 greift eine Steuervorrichtung 2 ein, die den mindestens einen Motor 12 derart steuert, dass die Abweichung des Ist-Werts vom Fahrprofil 22 minimiert wird. Während des Abfahrens des Fahrprofils wird immer der Vergleich zwischen dem Ist-Wert und dem Fahrprofil 22 (Soll-Wert) durchgeführt. Falls eine Abweichung festgesellt wird, wird von der Steuervorrichtung 2 entsprechend gegengesteuert (z.B. Drehmoment des Motors 12 erhöhen/erniedrigen; Drehzahl des Motors 12 erhöhen/erniedrigen, etc.). Bei Erreichen der erreichbaren Schaltstellung N_E stoppt das Antriebssystem 3. Eine weitere Schaltung kann dann ggf. mit einem anderen Fahrprofil 22 eingeleitet werden. Sollte die Abweichung eine über ein bestimmtes Maß, welches vorher definiert wurde, steigen, kann die Umschaltung abgebrochen werden. Dann wird entweder das gesamte System stillgesetzt, die Antriebswelle und damit der Schalter in eine definierte sichere Position zurückgefahren und in die Startposition zurückgefahren werden. Hierfür kann das zu Beginn ausgewählte Fahrprofil 22 rückwärts abgefahren werden oder ein weiteres Fahrprofil durch die Steuervorrichtung 2 oder Steuereinheit 10 ausgewählt und abgefahren werden.
Die Fahrprofile werden für den jeweiligen Schalter bestimmt, mit denen die Antriebswelle 16 mit dem Motor in idealer Weise angetrieben werden soll. Das mindestens eine und bestimmte Fahrprofil wird für die Verwendung bei einer Schaltung gespeichert. Hierzu kann eine entsprechende Speichereinrichtung vorgesehen sein.
Eine absolute Position der Antriebswelle 16 oder eine absolute Position einer weiteren Welle wird mit mindestens einem Gebersystem 13 des Feedbacksystems 4 bestimmt.
Die Steuervorrichtung 2 umfasst eine Steuereinheit 10 und/oder einen Leistungsteil 11, mit denen der mindestens eine Motor 12 derart gesteuert oder geregelt wird, dass die durch das Fahrprofil 22 zu erreichende Schaltstellung N_E innerhalb einer durch das Fahrprofil 22 vorgegebenen Zeit erreicht wird und die zu erreichende Schaltstellung N_E annähernd mit dem vordefinierten Fahrprofil 22 erreicht wird.
Durch das Fahrprofil 22 wird z.B. eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment des mindestens einen Motors 13 vorgegeben. Das Fahrprofil 22 gibt somit vor, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle 16, welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit durch den Motor 13 an der Antriebswelle 16 umgesetzt werden soll. Die Steuervorrichtung dient nun dazu den Motor 13 entsprechend zu steuern, damit die Vorgaben des Fahrprofils 22 umgesetzt werden.
Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung einer besonderen Ausführungsform beschrieben. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1, 30: Schalter
2: Steuervorrichtung
3: Antriebssystem
4: Feedbacksystem
5: Speicher
6: Feldbus
10: Steuereinheit
11, 40: Leistungsteil
12: Motor
13, 32: Gebersystem
14: Motorwelle
15, 34: Getriebe
16, 31: Antriebswelle
170: Laststufenschalter
17: Lastumschalter
18: Wähler
19: Regelwicklung
20: Koordinatensystem
22: Fahrprofil
24: X-Achse
25: Y-Achse
N₁, N₂,..., N_N: Schaltstellung
N+: Aufwärtsrichtung
N-: Abwärtsrichtung
N_A: aktuelle Schaltstellung
N_E: erreichbare Schaltstellung
t: Zeit
ω: Drehwinkel
M(t): Drehmoment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202010011521 U1 [0003]

Claims

Antriebsystem (3) für mindestens einen Schalter (1, 30) umfassend: eine Antriebswelle (16), welche das Antriebssystem (3) mit dem mindestens einen Schalter (1, 30) verbindet, mindestens einen Motor (12), der mit der Antriebswelle (16) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch - ein Feedbacksystem (4), welches dazu eingerichtet ist, eine Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen und, basierend auf dieser Position, ein Feedbacksignal zu erzeugen; - eine Steuervorrichtung (2), welche, in Abhängigkeit von dem Feedbacksignal, ein gespeichertes Fahrprofil (22) aus mehreren Fahrprofilen auswählt und entsprechend dem ausgewählten Fahrprofil (22) auf den Motor (12) wirkt.
Antriebssystem (3) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (2) eine Steuereinheit (10) und ein Leistungsteil (11) umfasst, wobei das Leistungsteil (11) zur Energieversorgung des mindestens einen Motors (12) dient und die gespeicherten Fahrprofile (22) in einem Speicher (5) des Leistungsteils (11) hinterlegt sind.
Antriebssystem (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feedbacksystem (4) mindestens ein Gebersystem (13) umfasst, das dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine absolute Position der Antriebswelle (16) oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle (16) verbunden ist, zu erfassen, wobei, auf Basis der erfassten, absoluten Position, wenigstens ein Ausgangssignal erzeugbar ist, mit dem die Position der Antriebswelle (16) ermittelbar wird.
Antriebssystem (3) nach Anspruch 3, wobei das Gebersystem (13) einen Absolutwertgeber umfasst, der als Multiturn-Drehgeber oder Singleturn-Drehgeber ausgeführt ist.
Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Gebersystem (13) dazu eingerichtet ist, die Position der Antriebswelle (16) oder die Position der weiteren Welle anhand eines ersten Abtastverfahrens zu erfassen.
Antriebssystem (3) nach Anspruch 5, wobei das Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives oder ein induktives Abtastverfahren umfasst.
Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Feedbacksystem (4) mindestens ein Gebersystem (13) und einen Hilfskontakt beinhaltet, die in Kombination dazu eingerichtet und angeordnet sind, eine absolute Position der Antriebswelle (16) oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle (16) verbunden ist, zu erfassen und, basierend auf der erfassten Position, wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen; und dazu eingerichtet ist, die Position der Antriebswelle (16) anhand des wenigstens eines Ausgangssignals zu ermitteln.
Antriebssystem (3) nach Anspruch 7, wobei das Gebersystem (13) als Absolutwertgeber (13) ausgebildet ist, der als Singleturn-Drehgeber oder inkrementeller Geber oder Virtuelle-Drehgeber ausgeführt ist und der Hilfskontakt als mindestens ein Mikroschalter oder Resolver ausgeführt ist.
Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Fahrprofil (22) durch zwei Variablen definiert ist und als eine Polynomfunktion n-ter Ordnung in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (20) abgebildet ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuervorrichtung (2) auf zwei Motoren (12) wirkt.
Antriebssystem nach Anspruch 10, wobei die Steuervorrichtung (2) zwei Leistungsteile (4, 40) umfasst, wobei jeweils eines mit einem der beiden Motoren (12) zusammenwirkt.
Antriebssystem (3) nach der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuervorrichtung (2) derart mit einem der beiden Motoren (12) zusammenwirkt, so dass dieser das Fahrprofil (22) des Ist-Werts des Feedbacksystems (4) des anderen Motors (12) abfährt.
Antriebssystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schalter (1) ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler ist.
Verfahren zum Antreiben mindestens eines Schalters (1,30), mit einem Antriebssystem (3), das eine mit mindestens einem Motor (12) verbundene Antriebswelle (16) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: - dass vor Beginn der Umschaltung ein Fahrprofil (22) ausgewählt wird, das einen Betrieb des Antriebssystems (3) zur Umschaltung von einer aktuellen Schaltstellung (N_A) auf eine erreichbare Schaltstellung (N_E) beschreibt; - dass während des Betriebs des Antriebssystems (3) mit einem Feedbacksystem (4) eine Position der Antriebswelle (16) des mindestens einen Motors (1, 30) erfasst wird, wobei die erfasste Position der Antriebswelle (16) einen Ist-Wert der Position der Antriebswelle (16) definiert; - dass ein Feedbacksignals aus dem erfassten Ist-Wert der Position der Antriebswelle (16) erzeugt wird; - dass aus einem Vergleich des Ist-Werts der Position der Antriebswelle (16) mit Fahrprofil (22) ermittelt wird, ob eine Abweichung vom Ist-Wert und dem Fahrprofil (22) vorliegt; - dass bei Vorliegen einer Abweichung der mindestens eine Motor (12) derart gesteuert wird, dass die Abweichung des Ist-Werts vom Fahrprofil (22) minimiert wird; und - dass bei Erreichen der erreichbaren Schaltstellung (N_E) das Antriebssystem (3) stoppt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei mindestens ein Fahrprofil (22) für die Antriebswelle (16) zum Antreiben des Schalters (1, 30) bestimmt wird und das mindestens eine und bestimmte Fahrprofil (22) für die Verwendung bei einer Schaltung gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-15, wobei eine absolute Position der Antriebswelle (16) oder eine absolute Position einer weiteren Welle mit mindestens einem Gebersystem (13) des Feedbacksystems (4) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, wobei eine Steuervorrichtung (2) eine Steuereinheit (10) und/oder ein Leistungsteil (11) umfasst, mit denen der mindestens eine Motor (12) derart gesteuert oder geregelt wird, dass die durch das Fahrprofil (22) zu erreichende Schaltstellung (N_E) innerhalb einer durch das Fahrprofil (22) vorgegebenen Zeit erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, wobei das Fahrprofil (22) durch zwei Variablen definiert wird und eine zweidimensionale Polynomfunktion n-ter Ordnung darstellt, die in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (20) abgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 16-18, wobei durch das Fahrprofil (22) eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment des mindestens einen Motors (13) vorgegeben werden, und wobei durch das Fahrprofil (22) vorgegeben wird, zu welchem Zeitpunkt oder bei welcher Position der Antriebswelle (16), welches Drehmoment oder welche Geschwindigkeit durch den Motor (13) an der Antriebswelle (16) umgesetzt werden.