Anordnung und Verfahren für eine automatische Konfiguration eines Magnetantriebs

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine automatische Konfiguration eines Magnetantriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren für eine automatische Konfi guration eines Magnetantriebs gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 8.

Aus der Betriebsanleitung „3TM Vakuum-Schütz 7,2 kV - 15 kV, 3-polig, 4,15 kV - 6,9 kV, 1-polig", Bestell-Nr.: 9229 0106 100 0, Siemens AG 2020, ist ein Schaltgerät für Mittelspan nung bekannt, das eine Vakuumschalteinrichtung mit einem elektro-magnetischen Antrieb aufweist. Der Magnetantrieb kann dabei eine Magnetkraft auf eine sogenannte Ankerplatte ausü ben und diese anziehen. Die Bewegung der Ankerplatte wird me chanisch in eine Bewegung zum Anpressen des beweglichen Kon takts an den Festkontakt innerhalb der Vakuumschalteinrich tung übersetzt. Bei diesem Gerät werden wie bei Magnetantrie ben von Schaltern und Schützen häufig zwei Magnetspulen ver wendet, die abhängig von der Höhe der Eingangsspannung entwe der parallel (z. B. für AC/DC in Ländern mit 115 V Netzspan nung) oder seriell (z. B. für AC/DC in Ländern mit 230 V Netzspannung) verschaltet werden müssen. Auch wenn die Netz- Nennspannung des Kunden bekannt ist, so ist in frühen Phasen einer Anlagenplanung oft noch nicht entschieden, welche Span nungsversorgung für den Schütz (Wechselspannung, Gleichspan nung, Nennspannung) gewählt wird. Eine Auswahl der Spannungs versorgung wird durch den Kunden oft erst getroffen, wenn der Gesamtleistungsbedarf aller Anlagenkomponenten bekannt ist und auch die Steuerungsgeräte zur Ansteuerung der Schütze ausgewählt wurden. Bei der Verschaltung der Spulen muss auf die richtige Polari tät der Spulenanschlüsse geachtet werden. Auf der Ansteuer elektronik befinden sich wie auf Seiten 27 und 28 der Bedie nungsanleitung gezeigt vier Steckkontakte X5, X6, X7, X8 mit je zwei Steckern, auf die die 2 x 2 Spulenanschlüsse gesteckt werden müssen. Es gibt also insgesamt 24 verschiedene Steck möglichkeiten, von denen nur 12 (parallel oder seriell) rich tig verschaltet sind. Das manuelle Verschalten, das im Werk für das jeweilige Auslieferungsland vorkonfiguriert wird, ist daher fehleranfällig.

Zusätzlich muss auch die Ansteuerelektronik entsprechend der Höhe der verwendeten Eingangsspannung konfiguriert werden. Dies geschieht entweder durch Steckbrücken oder Schalter auf der Elektronik oder bei Verwendung eines Mikrocontrollers durch entsprechende Parameterkonfiguration. Auch dieser Schritt wird im Werk vorkonfiguriert. Die Konfiguration der Ansteuerelektronik ist nötig, da je nach Spulenkonfiguration (parallel, seriell, Nennspannung) auf unterschiedliche Ein schalt- und Halteströme geregelt werden muss.

Um es Kunden zu ermöglichen, das Schaltgerät nachträglich auf eine andere Spannung als ab Werk eingestellt umzukonfigurie ren, sind die Anschlüsse hinter einer verschraubten Abdeck platte zugänglich. Die Konfiguration des Schützes wird als Zeichnung und Text in allen benötigten Sprachen in kunden tauglicher Form dem Produkt beigefügt, z.B. in Form eines Ge rätehandbuchs oder einer separaten Montageanleitung. Die Be schreibungen sind daher sehr umfangreich. Ist die Beschrei bung nicht vor Ort verfügbar, so ist eine korrekte Konfigura tion schwierig bis unmöglich.

Ein weiteres Problem ist die Ersatzteillagerhaltung beim Kun den. Ein schneller Austausch eines defekten Schützes erfor dert entweder die individuelle Konfiguration inklusive des Umsteckens der Spulenanschlüsse eines vorhandenen Reserve schützes oder die Bevorratung aller benötigten Varianten. Ausgehend von dem bekannten Schütz stellt sich an die Erfin dung die Aufgabe, eine Anordnung anzugeben, mit der einfach, schnell und sicher eine Umrüstung des Magnetantriebs auf eine andere Eingangsspannung möglich ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung für ei ne automatische Konfiguration eines Magnetantriebs gemäß An spruch 1.

Um geringe Ausfallzeiten der Energieverteilungsanlage zu er reichen, ist ein möglichst einfacher Austausch ohne aufwendi ge und fehleranfällige Verschaltung der Spulen ein Mehrwert für den Kunden. Kurze Ausfallzeiten bei Störungen sind mitt lerweile ein wirtschaftlich entscheidender Faktor bei der Auswahl eines Schützes, da im Bereich der Energieverteilung die Ausfallzeiten in den Strompreis einfließen. Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass der manuelle Konfi gurationsaufwand entfällt, was weniger fehleranfällig und schneller ist als bisher. Ferner werden trotz der etwas höhe ren Herstellungskosten (inkl. Stückprüfungskosten und Konfi gurationskosten) einer erfindungsgemäßen Anordnung Einsparun gen bei der Herstellung erzielt, weil ein manueller Konfigu rationsaufwand und eine Überprüfung der korrekten Verdrah tung, ggf. sogar nach dem Vier-Augen-Prinzip, entfallen.

Der Vorteil einer automatischen Erkennung der Höhe der Ein gangsspannung und die damit verbundene automatische Spulen verschaltung und Konfiguration der Ansteuerelektronik besteht darin, dass zum einen Fehler bei der manuellen Verschaltung und Konfiguration vermieden werden und zum anderen weniger Varianten gefertigt werden müssen.

Die Kundendokumentation kann bedeutend im Umfang reduziert werden und wird bei Ersatz eines Schützes nicht mehr vor Ort benötigt. Die Ersatzteilhaltung beim Kunden wird wesentlich vereinfacht, weil die Anzahl der Varianten in der Ersatzteil haltung reduziert wird. Der Begriff automatisch zielt im Sinne der Erfindung darauf ab, dass eine Konfiguration nicht mehr manuell durch einen Techniker erfolgen muss, sondern selbsttätig maschinell er folgt. Bevorzugt kommt dabei eine im Schütz verbaute Elektro nik zum Einsatz.

Ein Magnetantrieb ist eine bei z.B. Mittelspannungsanlagen übliche Bauweise für Schalteinrichtungen, bei der durch eine oder mehrere Spulen unter Spannung ein Magnetfeld erzeugt wird, das ein anderes ferromagnetisches Metallstück, z.B. ei ne Ankerplatte genannte Metallplatte, anzieht. Diese Anzie hung bewirkt eine Bewegung, die auf einen beweglichen Kontakt in der Schalteinrichtung übertragen wird und diesen auf den Festkontakt presst. Typischerweise werden zwei Spulen einge setzt, die parallel oder seriell schaltbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Magnetkraft annäherungsweise gleich gehal ten werden kann, selbst wenn die Eingangsspannung wie ein gangs erwähnt durch unterschiedliche Nennspannungen der Stromversorgung in unterschiedlichen Ländern für die Spulen unterschiedlich ausfällt. Die beiden Spulen des Magnetan triebs üben im eingeschalteten Zustand eine anziehende Kraft auf den Magnetanker aus. Die Übertragungsmechanik übersetzt die Bewegung des Magnetankers in eine Bewegung des bewegli chen Kontakts zum Festkontakt hin und weist hierfür z.B. ei nen Kniehebel auf. Der Magnetantrieb weist steuerbare Schalt einrichtungen für die Spulen auf.

Eine Ansteuerungseinrichtung ist z.B. eine elektronische Schaltung oder ein Prozessor, der anhand einer gemessenen Eingangsspannung konfigurierbar ist, um den Magnetantrieb bzw. dessen Spulen zu steuern. Es werden Einschalt- und Hal teströme für die Spulen geregelt.

Eine Vakuumschalteinrichtung im Sinne der Erfindung weist z.B. ein fluiddichtes Gehäuse auf, in dessen Inneren ein Va kuum herrscht (bzw. ein extrem niedriger Gasdruck unter 0,1 % Atmosphärendruck) . Wird ein beweglicher Kontakt von einem Festkontakt z.B. mittels einer Federkraft schnell weggezogen, so wird ein entstehender Lichtbogen rasch gelöscht, u.a. weil kaum ionisierbares Medium für einen Stromfluss vorliegt. Va kuumschalteinrichtungen sind besonders gut zum Schalten von Wechselstrom geeignet, weil beim Nulldurchgang der Spannung ein Lichtbogen stets abreißt.

Die Konfigurationseinrichtung ist ein Kernaspekt der Erfin dung. Sie weist z.B. eine Spannungsmesseinrichtung auf, um die Eingangsspannung zu messen. Ferner kann die Konfigurati onseinrichtung die Ansteuerungseinrichtung auf die gemessene Eingangsspannung konfigurieren, d.h. der Ansteuerungseinrich tung die gemessene Eingangsspannung als digitalen oder analo gen Wert mitteilen. Ferner kann die Konfigurationseinrichtung selbsttätig die steuerbaren Schalteinrichtungen ansteuern und auf diese Weise die Spulen in Abhängigkeit von der gemessenen Eingangsspannung parallel oder seriell verschalten. Die Kon figurationseinrichtung weist z.B. eine elektronische Schal tung oder einen Prozessor zur Datenverarbeitung auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Konfigurationseinrichtung ausgebildet, die Spulen für eine gemessene Eingangsspannung von 90 V bis 150 V parallel zu schalten und für eine gemessene Eingangsspannung von 180 V bis 250 V seriell zu schalten. Dies ist ein Vor teil, weil die Magnetkraft der Spulen auf das vorgesehene Ni veau geregelt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Konfigurationseinrichtung ausgebildet, die Spulen für eine gemessene Eingangsspannung von 20 V bis 29 V parallel zu schalten und für eine gemessene Eingangsspannung von 40 V bis 72 V seriell zu schalten. Dies ist ein Vorteil, weil die Magnetkraft der Spulen auf das vorgesehene Niveau geregelt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung ist die Konfigurationseinrichtung ausgebil det, als Eingangsspannung eine Wechselspannung zu messen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung ist die Konfigurationseinrichtung ausgebil det, als Eingangsspannung eine Gleichspannung zu messen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung ist die Konfigurationseinrichtung ausgebil det, die Ansteuerungseinrichtung auf die gemessene Eingangs spannung zu konfigurieren, indem Einschalt- und Halteströme festgelegt werden. Dies ist ein Vorteil, weil die Magnetkraft der Spulen auf das vorgesehene Niveau geregelt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung weisen die steuerbaren Schalteinrichtungen mindestens eine der folgenden Schalteinrichtungen auf:

MOSFET, IGBT, Relais. Ein MOSFET ist ein Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor und ein IGBT ist ein Bipolar transistor mit isolierter Gate-Elektrode. Ein Relais ist ein durch elektrischen Strom betriebener, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten .

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung ist die Konfigurationseinrichtung ausgebil det, vor jedem Schaltvorgang die Eingangsspannung zu messen und die Ansteuerungseinrichtung zu konfigurieren und die Spu len zu verschalten. Die Detektion der Höhe der Eingangsspan nung findet vor jedem Schaltvorgang statt. Dadurch ergibt sich z.B. eine Verzögerung der Einschaltung. Bei einer Wech selspannung als Eingangsspannung kann z.B. eine Halbwelle, also 10 ms bei 50 Hz und 8,3 ms bei 60 Hz, abgewartet werden, um die Eingangsspannung sicher zu detektieren. Bei einer Gleichspannung als Eingangsspannung ergibt sich keine Verzö gerung. Findet die Detektion der Eingangsspannung über einen Analog-Digital Wandler statt, dann ergibt sich hier noch eine zusätzliche Verzögerungszeit durch die Wandlung und Auswer tung in der Firmware. Bei dieser Verzögerungszeit handelt es sich aber um wenige ps bis maximal 1 ms, je nach Art des Wandlers. Sie ist deshalb vernachlässigbar. Eine zusätzliche Verzögerung, die im Bereich von einigen ms liegt, würde bei der Verwendung von Relais zur Spulenumschaltung entstehen. Diese Verzögerung tritt bei der Verwendung von elektronischen Schaltern wie MOSFET und IGBT nicht auf. Diese Ausführungs form hat den Vorteil, dass bei Änderungen der Eingangsspan nung im laufenden Betrieb kein manueller Eingriff zur Para metrierung der Anordnung erforderlich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung ist die Konfigurationseinrichtung ausgebil det, die Eingangsspannung bei der Erstinbetriebnahme zu mes sen und die Konfiguration der Ansteuerungseinrichtung sowie die Verschaltung der Spulen als einen Datensatz auf einem Da tenspeicher zu sichern. Die Höhe der Eingangsspannung wird z.B. nur einmalig automatisch bei der Erstinbetriebnahme beim Endkunden durch eine oder mehrere Probeschaltungen ermittelt. Alle notwendigen Konfigurationen für die Spulenverschaltung und die Einstellung der Einschalt- und Halteströme werden persistent auf dem Datenspeicher gespeichert und können nach der Inbetriebnahme nur noch durch manuelles Eingreifen geän dert bzw. überschrieben werden.

Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass keine Verzö gerung bei der Einschaltung auftritt. Ferner ist diese Aus führungsform unempfindlicher gegenüber (kleineren) Schwankun gen der Eingangsspannung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung ist der Datenspeicher ausgebildet, den Da tensatz auch im spannungsfreien Zustand sicher speichern zu können. Der Datenspeicher kann z.B. als sog. nichtflüchtiger Speicher ausgebildet sein, d.h., dass die gespeicherten In formationen auf Dauer erhalten bleiben - also auch während der Rechner nicht in Betrieb ist oder nicht mit Strom ver sorgt wird. Genutzt werden können z.B. solid-state-disks (SSD) oder Flash-Speicher oder nichtflüchtige Arbeitsspeicher (non-volatile random access memory - NVRAM RAM). Auch ein „Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory"

(EEPROM) kann mit Vorteil eingesetzt werden.

Ausgehend von dem bekannten Schütz stellt sich an die Erfin dung die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem einfach, schnell und sicher eine Umrüstung des Magnetantriebs auf eine andere Eingangsspannung möglich ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren für eine automatische Konfiguration eines Magnetantriebs gemäß An spruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 9 bis 14 erläu tert. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Anordnung erläutert.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt die Figur in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Anordnung 1.

Die Anordnung 1 weist eine Vakuumschalteinrichtung 8-14 mit einem Gehäuse 14 auf, das fluiddicht und evakuiert 13 ist. Im Inneren des Gehäuses 14 wird ein beweglicher Kontakt 11 an eine Festkontakt 12 angepresst. Dargestellt ist damit der ge schlossene Zustand des Schalters mit eingeschaltetem Magnet antrieb 2-4,16-19. Ein Schaltstab 8 ist durch das Gehäuse 14 mit dem beweglichen Kontakt 11 verbunden, wobei z.B. ein nicht dargestellter Faltenbalg die Beweglichkeit sicher stellt. Für ein mechanisches Trennen der Kontakte 11,12 ist eine Federeinrichtung 10 vorgesehen, die an einer Stützplatte 9 abstützt und im dargestellten geschlossenen Zustand vorge spannt ist.

Der Schaltstab 8 ist mit einem Kniehebel 5-7 verbunden, wobei der erste Schenkel 6 und der zweite Schenkel 5 winkelsteif verbunden, aber um das Gelenk 7 drehbar gelagert sind. Der zweite Schenkel 5 ist mit einer Ankerplatte 4 aus Metall, z.B. Eisen, verbunden. Diese Übertragungsmechanik 5-7 über- setzt eine Bewegung des Magnetankers 4 in eine Bewegung des beweglichen Kontakts 11 zum Festkontakt 12 hin.

Der Magnetantrieb 2-4,16-19 weist zwei Spulen 2,3 auf, die mit steuerbaren Schalteinrichtungen 16-19 entweder parallel oder seriell schaltbar sind. Im dargestellten eingeschalteten Zustand wird durch die Spulen 2,3, eine anziehende Kraft F auf den Magnetanker 4 ausgeübt und dieser zu den Spulen 2,3 hinbewegt.

Eine Ansteuerungseinrichtung 15 für den Magnetantrieb 2-4,16- 19 kann mittels einer Konfigurationseinrichtung 20 auf eine Eingangsspannung konfiguriert werden, die mittels einer Span nungsmesseinrichtung 21 an einer Netzleitung 22 gemessen wird. Die Ansteuerungseinrichtung 15 regelt Einschalt- und Halteströme für die Spulen 2,3.

Der Magnetantrieb 2-4,16-19 weist steuerbare Schalteinrich tungen 16-19 für die Spulen 2,3 auf. Die Konfigurationsein richtung 20 verschaltet die Spulen 2,3 in Abhängigkeit von der gemessenen Eingangsspannung mittels der steuerbaren Schalteinrichtungen 16-19 parallel oder seriell.

Die Konfigurationseinrichtung 20 weist intern Datenkommunika tionsverbindungen 30 auf, die einen Prozessor 24 mit einem Datenspeicher 23 sowie mit einer Spannungsmesseinrichtung 21 und der Ansteuerungseinrichtung 15 verbinden. Ferner sind die Schalteinrichtungen 16-19 per Datenkommunikationsverbindungen 30 mit dem Prozessor 24 und der Ansteuerungseinrichtung 15 verbunden.