Die Erfindung betrifft eine Schaltereinheit mit einem Laststufenschalter und einer Antriebseinheit sowie einem Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels der Schaltereinheit.

Laststufenschalter sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen üblicherweise einen Lastumschalter und einen Wähler auf. Die Betätigung der Laststufenschalter erfolgt meist mittels eines Motorantriebs in Verbindung mit einem Federenergiespeicher. Beim Durchführen einer Umschaltung spannt der Motorantrieb die Federn des Federenergiespeichers vor. Hierbei werden entweder Druckfedern zusammengedrückt oder Zugfedern gestreckt. Ab einem definierten mechanischen Punkt wird die, in die Federn eingebrachte, Energie schlagartig freigegeben und der Laststufenschalter betätigt. Diese Art der Betätigung weist keine Möglichkeit auf, die für die Umschaltung benötigte Energie, zumindest ab dem Zeitpunkt, an dem die Federenergie freigegeben wird, zu kontrollieren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Schaltereinheit ohne Federenergiespeicher zu schaffen, die die für die Umschaltung benötigte Energie intelligent nutzt und dabei einfach und kompakt aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Schalteinheit gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche bilden dabei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels der Schalteinheit zu schaffen, welche sicher und effizient durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 6 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche bilden dabei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schlägt gemäß einem ersten Aspekt eine Schaltereinheit vor, umfassend:

- einen Laststufenschalter mit einer Betätigungswelle, der ein Schaltmittel betätigt; ein Antriebssystem mit einem Motor; wobei

- das Antriebssystem mit dem Laststufenschalter mechanisch gekoppelt ist und diesen betätigt;

- das Antriebssystems beim Betätigen des Laststufenschalters die Betätigungswelle als Speicher für kinetische Energie nutzt, derart, dass die Betätigungswelle beschleunigt wird und das Schaltmittel mittels kinetischer Energie aus der Betätigungswelle und weiterer Energie, die durch den Motor zur Verfügung gestellt wird, betätigt werden. Durch die erfindungsgemäße Schaltereinheit gelingt eine besonders effiziente Betätigung der Schaltmittel und damit die Durchführung einer Umschaltung des Laststufenschalters. Die Betätigungswelle wird zunächst beschleunigt und nimmt kinetische Energie auf. Während dieser Phase ist die Betätigungswelle zwar mit den Schaltmitteln mechanisch verbunden, betätigt diese jedoch noch nicht. Erst ab einem, durch die Konstruktion, definierten Punkt werden die Schaltmittel betätigt. Hier werden dann die kinetische Energie der Betätigungswelle und die Energie aus dem Motor des Antriebssystems genutzt, um die Schaltmittel zu betätigen und damit eine Umschaltung des Laststufenschalters durchzuführen. Die Masse der Betätigungswelle und der Motor des Antriebssystems sind optimal auf die Schaltmittel abgestimmt. Beim Betätigen der Schaltmittel wird somit verhindert, dass die Drehzahl des Motors derart einbricht, dass ein Mindestwert der Drehzahl unterschritten wird. Dadurch werden Schaltzeiten stets eingehalten. Überschaltwiderstände werden nicht zu lange mit einem Kreisstrom beaufschlagt. Weiterhin wird ein genau angepasster Motor genutzt, der nicht überdimensioniert ist. Die Schaltereinheit wird damit kostengünstig. Der Schwung der Betätigungswelle wird also genutzt, um eine Lastumschaltung optimal durchzuführen.

Die Schaltereinheit kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, wobei

- die Betätigungswelle und das Schaltmittel derart mechanisch gekoppelt sind, dass die Betätigungswelle die Schaltmittel nach einem festgelegten Drehwinkel betätigt.

Dabei kann die Betätigungswelle auf ihrer Außenfläche Nocken aufweisen die partiell umlaufend verteilt sind. Die Schaltereinheit kann mehrere Schaltmittel aufweisen, die Vakuumschaltröhren und/oder Wählerkontakte umfassen. Die Schaltmittel könnte Betätigungshebel umfassen, die mittels Rollen die Außenfläche der Betätigungswelle abfahren. Beim Drehen der Betätigungswelle werden die Schaltmittel erst dann betätigt, wenn die jeweilige Rolle eines Betätigungshebels auf eine Nocke trifft. Die Vakuumschaltröhren werden beim Betätigen entsprechend geschlossen und geöffnet. Die Wählerkontakte kontaktieren Festkontakte, die mit Stufenanzapfungen einer Regelwicklung verbunden sind.

Die Schaltereinheit kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, wobei

- die Betätigungswelle bei einer Betätigung des Laststufenschalters mindestens einmal gedreht und die Motorwelle mehrmals gedreht wird.

Je nach Ausführungsform eines Getriebes zwischen dem Motor und der Betätigungswelle dreht sich die Motorwelle beim Durchführen einer Umschaltung mehrere Male. Die Betätigungswelle dreht sich bei einer Umschaltung mindestens einmal und maximal dreimal, also mindestens um 360 Grad oder maximal um 1080 Grad. Die Schaltereinheit kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, wobei ein Moment zum Beschleunigen der Betätigungswelle annähernd oder größer einem Moment zum Betätigen des Schaltmittels bzw. der Schaltmittel ist.

Die Erfindung schlägt gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels einer Schaltereinheit vor, wobei: in einem ersten Schritt die Betätigungswelle durch den Motor des Antriebssystems beschleunigt wird, die Betätigungswelle dabei kinetische Energie aufnimmt und kein Schaltmittel betätigt wird; in einem zweiten Schritt das Schaltmittel mittels der kinetischen Energie aus der Betätigungswelle und einer Energie aus dem Antriebssystem betätigt werden; in einem dritten Schritt die Betätigungswelle durch den Motor des Antriebssystems abgebremst wird.

Bei der Durchführung einer Umschaltung mittels der Schaltereinheit, insbesondere bei der Durchführung einer Umschaltung des Laststufenschalters bzw. dessen Betätigung, ist der Umschaltvorgang in mehrere Schritte aufgeteilt. In einem ersten Schritt wird die Betätigungswelle mit dem Motor des Antriebssystems beschleunigt. Dabei speichert die Betätigungswelle kinetische Energie. In einem zweiten Schritt erfolgt die Betätigung der Schaltmittel. Die hierfür benötigte Energie wird aus der kinetischen Energie der Betätigungswelle und weiterer Energie aus dem Motor des Antriebssystems entnommen.

Nachfolgend sind die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Schaltereinheit;

Fig. 2 ein Fahrprofil eines Motors eines Antriebssystems der Schaltereinheit in zwei

Diagrammen;

Fig. 3a-3b drei Fahrprofile von Antriebssystemen mit unterschiedlichen Betätigungswelle anhand von je zwei Diagrammen;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm für eine Umschaltung einer Schaltereinheit.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schaltereinheit 1 mit einem Laststufenschalter 17 und einem Antriebssystem 3, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Laststufenschalter 17 und dessen Betätigungswelle 20 und den mehreren Schaltmitteln 21 verbunden ist. Mit diesem Antriebssystem 3 wird das Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung des Laststufenschalters durchgeführt. Der Laststufenschalter 17 kann einen Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender und/oder Vorwähler umfassen oder auch als Lastwähler ausgestaltet sein. Die Schaltmittel 21 können als Vakuumschaltröhren und/oder einfache Kontakte oder Wählerkontakte, die in Öl angeordnet sind, ausgebildet sein. Das Antriebssystem 3 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und, optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Die Antriebswelle 16 ist mit der Betätigungswelle 20 im Laststufenschalter 17 verbunden. Eine Steuervorrichtung 2 des Antriebssystems 3 umfasst ein Leistungsteil 11 , welches beispielsweise einen Umrichter (nicht dargestellt) zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11 , beispielsweise über einen Bus 19 enthält. Das Antriebssystem 3 weist ein Feedbacksystem 4 auf, welches funktional der Antriebswelle 16 zugeordnet ist. Das Feedbacksystem 4 kann ein Gebersystem 13 sein. Ebenso kann das Gebersystem 13 ein Teil des Feedbacksystems 4 sein. Das Feedbacksystem 4 bzw. das Gebersystem 13 ist mit dem Leistungsteil 11 verbunden. Ferner ist das Gebersystem 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.

Das Gebersystem 13 ist dazu eingerichtet, einen ersten Wert für eine Position, wie zum Beispiel eine Winkelposition, insbesondere eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 und damit auch der Betätigungswelle 20 zu erfassen. Dazu kann das Gebersystem 13 beispielsweise einen Absolutwertgeber, insbesondere einen Multi-Turn-Absolutwertgeber oder einen Single-Turn-Drehgeber, umfassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. Beispielsweise ist die Position der Antriebswelle 16 oder Betätigungswelle 20 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmbar, wie zum Beispiel über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 15. Weiterhin kann das Gebersystem 13 einen virtuellen Drehgeber umfassen, der die Position der Motorwelle 14 bestimmt und daraus die Position der Antriebswelle 16 oder der Betätigungswelle 20 ableitet.

Das Feedbacksystem 4 ist dazu eingerichtet, einen Wert für die Position der Antriebswelle 16 und damit auch eine Position der Betätigungswelle 20 zu erfassen. Bei einem Gebersystem 13, das als Multi-Turn-Absolutwertgeber oder Single-Turn-Drehgeber ausgestaltet ist, wird der Wert für die Position der Antriebswelle 16 als Protokoll zur Verfügung gestellt.

Bei der Ausführung des Gebersystems 13 als virtueller Drehgeber wird der Wert für die Position der Antriebswelle 16 aus einer Rotorposition des Motors 12 ermittelt. Dazu kann beispielsweise eine induktive Rückkopplung durch die Bewegung des Rotors in Motorwicklungen des Motors 12 ausgenutzt werden. Da eine Stärke der Rückkopplung periodisch variiert, kann, insbesondere mittels Signalanalyse, wie zum Beispiel durch FFT Analyse, die Rotorposition annäherungsweise bestimmt werden. Da eine volle Umdrehung der Antriebswelle 16 einer Vielzahl von Umdrehungen des Rotors entspricht, kann daraus mit sehr viel höherer Genauigkeit auf die Position der Antriebswelle 16 und auch der Betätigungswelle 20 geschlossen werden.

Das Gebersystem 13 kann auch als eine Kombination aus einem virtuellen Drehgeber und einem Hilfskontakt, der direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 verbunden ist, ausgebildet sein. Der Wert für die Position der Antriebswelle 16 wird dann aus den Signalen des virtuellen Drehgebers und des Hilfskontakts gebildet.

Die Steuervorrichtung 2, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11 , ist dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, welches das Feedbacksystem 4, basierend auf dem Wert, erzeugt.

Die Steuervorrichtung 2, beispielsweise die Steuereinheit 10, nutzt den Wert für die Position der Antriebswelle 16 oder Betätigungswelle 20 für die Positionsbestimmung des Laststufenschalters 17. Die Steuervorrichtung 2, beispielsweise die Steuereinheit 10, steuert und regelt den Motor 12 so, dass dieser eine vorgegebene Drehzahl entsprechend den Vorgaben hält.

Bei der Durchführung einer Umschaltung bzw. beim Betätigen des Laststufenschalters 17 wird stets versucht, dass das Antriebssystem 3 und insbesondere der Motor 12 auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt wird, diese Drehzahl während der Umschaltung hält und am Ende der Umschaltung die Drehzahl des Motors auf 0 gesenkt wird. Während der Umschaltung bzw. beim Betätigen des Lastumschalters 17 darf die Drehzahl des Motors 12 einen vorgegebenen Mindestwert nicht unterschreiten.

Die Betätigungswelle 20 und die Schaltmittel 21 sind mechanisch miteinander verbunden bzw. gekoppelt. Die Betätigungswelle 20 kann Nocken aufweisen, die ab einem bestimmten Punkt der Drehung der Betätigungswelle 20 die Schaltmittel 21 , insbesondere Vakuumschaltröhren, beispielsweise über Kniehebel, öffnen und schließen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die zum Betätigen der Schaltmittel 21 benötigte Energie stets gleich ist. Mit anderen Worten muss stets ein konstantes Moment aufgebracht werden, um die Schaltmittel 21 betätigen.

Da es sich nicht um ein ideales System handelt, ist davon auszugehen, dass der Motor 12 die für die Betätigung der Schaltmittel 21 benötigte Energie erst verzögert zur Verfügung stellt und somit die Drehzahl des Motors 12 zunächst einbricht. Mit einer Verzögerung stellt der Motor 12 dann die Energie zur Verfügung, wodurch auch die Drehzahl steigt. Figur 2 zeigt ein mögliches Fahrprofil des Motors 12 für eine Umschaltung bzw. Betätigung der Schaltereinheit 1 und insbesondere die Aufteilung der Umschaltung in mehrere Schritte in unterschiedlichen Diagrammen 25,26. Zur besseren Erläuterung sind diese Diagramme untereinander angeordnet dargestellt. Im ersten Diagramm 25 ist die Drehzahl n des Motors 12 über die Zeit aufgetragen. Die Betätigungswelle 20 wird über den Motor 12 des Antriebssystems 3 beschleunigt. Wie hier zu erkennen ist, nimmt die Drehzahl des Motors 12 in einem ersten Schritt 60 in einer bestimmten Zeit linear zu, bis ein bestimmter Wert, also eine bestimmte Drehzahl, erreicht ist. Hierbei handelt es sich um den ersten Schritt 60 des Umschaltverfahrens bzw. der Umschaltung. Im zweiten Diagramm 26, welches unterhalb des ersten Diagramms 25 abgebildet ist, wird der Verlauf der kinetischen Energie dargestellt. Die kinetische Energie wird aus der Drehzahl und der Massenträgheit der Betätigungswelle 20 und der Massenträgheit der Schaltmittel 21 gebildet.

Auch hier ist der erste Schritt 60 der Umschaltung abgegrenzt dargestellt. Während der Motor 12 des Antriebssystems 3 die Betätigungswelle 20 beschleunigt, nimmt die kinetische Energie im gesamten mechanischen System der Schaltereinheit 1 zu.

Im zweiten Schritt 70 erfolgt nun die Betätigung der Schaltmittel 21 . Vorteilhafterweise wird zusätzlich zur Energie aus dem Motor 12, die kinetische Energie der Betätigungswelle 20 genutzt, um die Schaltmittel 21 zu betätigen. Mit anderen Worten unterstützt der Schwung der Masse der Betätigungswelle 20 den Motor 12 bei der Betätigung der Schaltmittel 21. Die Betätigungswelle 20 wird als Speicher für kinetische Energie verwendet. Im zweiten Schritt 60 ist zu sehen, dass die Drehzahl des Motors 12 beim Betätigen der Schaltmittel 21 kurzzeitig sinkt und dann wieder auf den vorgegebenen Wert ansteigt.

Durch das Betätigen der Schaltmittel 21 , insbesondere wenn die Malteserräder der Schaltmittel 21 betätigt werden, wird ab einem bestimmten Punkt deren Massenträgheit plötzlich an die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 angekoppelt. Es kommt zu einer Verschiebung von kinetischer Energie aus der Betätigungswelle 20 in die Schaltmittel 21. Nachdem die Gesamtenergie gleichbleibt, muss die Drehzahl der Betätigungswelle zwangsläufig sinken. Da nun die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 und die der Schaltmittel 21 beschleunigt werden muss, damit der Motor die vorgegebene Drehzahl erreicht, steigt auch die kinetische Energie an. Beim Betätigen der Schaltmittel 21 ist es besonders wichtig, dass die Drehzahl einen bestimmten Mindestwert 27 nicht unterschreitet. Die Unterschreitung des Mindestwertes könnte zur Folge haben, dass die Schaltmittel 21 zu langsam betätigt werden würden. Schaltzeiten werden dann nicht eingehalten, sodass Lichtbögen in den Schaltmitteln 21 nicht erlöschen könnten oder Überschaltwiderstände zu lange belastet werden würden. In den Figuren 3a bis 3c werden die Kombinationen aus drei unterschiedlichen Betätigungswellen 20 als Speicher für kinetische Energie und dem Motor 12 anhand von drei Fahrprofilen beschrieben. Im ersten oberen Diagramm 30 in Figur 3a werden die auftretenden Momente, die beim Betätigen des Laststufenschalters 17 in einem zeitlichen Abschnitt auftreten, gezeigt. Die erste Fläche 32 zeigt das benötigte Moment für die Beschleunigung der Betätigungswelle 20. Die zweite Fläche 33 zeigt das benötigte Moment für die Betätigung der Schaltmittel 21. Die dritte Fläche 34 zeigt das benötigte Moment zum Abbremsen der Betätigungswelle 20. Im Diagramm 31 darunter wird der Drehzahlverlauf des Motors 12 über die Zeit dargestellt.

Die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 ist in diesem Beispiel klein. Deshalb muss ein kleines Moment aufgebracht werden, um die Betätigungswelle 20 zu beschleunigen. Nur wenig kinetische Energie wird in der Betätigungswelle 20 gespeichert. Da diese Energie deutlich kleiner ist, als die Arbeit, welche zur Betätigung der Schaltmittel 21 benötigt wird, bricht die Drehzahl des Motors 12 stark ein, da das nicht ideale Antriebssystem 3 eine gewisse Zeit benötigt, um die verlorene Energie wieder ins System nachzuschieben bzw. einzubringen. Mit anderen Worten ist, die aus dem System entnommene Energie in Relation zu der vor der Betätigung der Schaltelemente 21 vorhandenen kinetischen Energie sehr groß. Dabei wird der Mindestwert der Drehzahl 34 unterschritten, was sich negativ auf die Umschaltung auswirkt. So können beispielsweise Schaltzeiten im Laststufenschalter 17 nicht eingehalten werden.

Das zweite Diagrammpaar 40, 41 in Figur 3b zeigt das Fahrprofil einer Ausführungsform der Schaltereinheit 1 , bei der die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 sehr groß ist. Damit muss ein großes Moment 42 aufgebracht werden, um die Betätigungswelle 20 zu beschleunigen. Sehr viel kinetische Energie wird in der Betätigungswelle 20 gespeichert. Da diese Energie deutlich größer ist, als die Arbeit, welche zur Betätigung der Schaltmittel 21 benötigt wird, bricht die Drehzahl des Motors kaum ein, sobald das Moment der Schaltmittel 21 auftritt. Mit anderen Worten ist, die aus dem System entnommene Energie in Relation zu der vor der Betätigung der Schaltmittel 21 vorhandenen kinetischen Energie sehr klein. Dabei wird der Mindestwert 44 der Drehzahl nicht unterschritten, was sich auf die Umschaltung positiv auswirkt. Allerdings wird in diesem Fall ein sehr leistungsstarker Motor 12 benötigt, um die Betätigungswelle 20 auf die entsprechende Drehzahl n zu bringen. Leistungsstarke Motoren machen ein Antriebssystem teuer und damit unwirtschaftlich. Die dritte Fläche 44 zeigt das benötigte Moment zum Abbremsen der Betätigungswelle 20.

Im dritten Diagrammpaar 50, 51 in Figur 3c wird ein Fahrprofil einer optimalen Ausführungsform der Schaltereinheit 1 gezeigt, bei der die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 mit dem Motor 12 auf das beim Betätigen der Schaltmittel 20 benötigte Moment 53 abgestimmt sind. Dabei ist die Masse der Betätigungswelle 20 gerade so groß, dass beim Betätigen der Schaltmittel 21 die Drehzahl gerade noch über einem Mindestwert bleibt und das Moment 52 für die Beschleunigung der Betätigungswelle 20 nicht zu groß wird. Ein kleinerer, passenderer Motor 12 kann ausgewählt werden.

Mit anderen Worten wird die Massenträgheit der Betätigungswelle 20 so groß gewählt, dass das Moment 52 zum Beschleunigen und Bremsen der Betätigungswelle 20 vom Absolutwert größer oder gleich dem Moment ist, welches während der Umschaltung bzw. beim Betätigen des Laststufenschalters 17 durch die Schaltmittel 21 benötigt wird.

Figur 4 zeigt ein Verfahren zur Durchführung einer Umschaltung mittels Schaltereinheit 1 . Dabei wird im ersten Schritt 60 die Betätigungswelle 20 durch den Motor 12 des Antriebssystems 3 beschleunigt. Die Betätigungswelle 20 nimmt kinetische Energie auf. Dabei werden die Schaltmittel 21 noch nicht betätigt. In einem zweiten Schritt 70 werden die Schaltmittel 21 betätigt. Hierbei wird die kinetische Energie der Betätigungswelle 20 und die Energie des Antriebssystems 3 verwendet. Im dritten Schritt 80 wird die Betätigungswelle 20 abgebremst durch das Antriebssystem 3 gebremst.

Als Umschaltung wird die Betätigung des Laststufenschalters verstanden. Hierbei findet eine Umschaltung von einer Wicklungsanzapfung eines Stufentransformators auf eine benachbarte Wicklungsanzapfung des Stufentransformators statt.