Erzeugen einer Motorspannung für einen Schalterantrieb

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Stromrichter zum Erzeugen einer Motorspannung für einen Elektromotor eines Schalterantriebs eines elektrischen Schalters.

Elektrische Schalter wie Leistungsschalter oder Trennschalter weisen in der Regel wenigstens ein bewegbares Schaltelement zum Unterbrechen und Schließen eines Strompfads auf. Zum Be wegen des Schaltelements wird mechanische Energie benötigt, die häufig von einem Elektromotor bereitgestellt wird, der das Schaltelement direkt oder über ein Getriebe antreibt oder eine Energiespeichereinrichtung auflädt. Als Energiespeicher einrichtung wird beispielsweise ein Federspeicher mit einer von dem Elektromotor spannbaren Feder verwendet. Durch norma tive Vorgaben und Kundenanforderungen sind die elektrischen Versorgungsspannungen, die den Elektromotoren zur Verfügung stehen, sehr vielfältig und unterscheiden sich neben der Spannungshöhe auch in der Spannungsform (Gleichspannung, ein- oder mehrphasige Wechselspannung). Um einen Elektromotor an verschiedenen Versorgungsspannungen betreiben zu können, wird beispielsweise ein Stromrichter eingesetzt, mit dem aus der jeweiligen Versorgungsspannung eine Motorspannung für den Elektromotor erzeugbar ist. Ein derartiger Stromrichter wan delt beispielsweise eine Versorgungsspannung zunächst in eine Zwischenkreisgleichspannung um und erzeugt die Motorspannung durch eine Pulsweitenmodulation der Zwischenkreisgleichspan nung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Stromrichter zum Erzeugen einer Motorspannung für einen Elektromotor eines Schalteran triebs eines elektrischen Schalters anzugeben, um die Motor spannung flexibel aus verschiedenen und sich ändernden Ver sorgungsspannungen erzeugen zu können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Stromrichter mit den Merkma len des Anspruchs 9, einen elektrischen Schalter mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer Motor spannung für einen Elektromotor eines Schalterantriebs eines elektrischen Schalters wird aus einer Versorgungsspannung ei ne Zwischenkreisgleichspannung erzeugt und die Motorspannung wird durch eine Pulsweitenmodulation der Zwischenkreisgleich spannung erzeugt. Dabei wird ein Toleranzbereich für eine Än derung der Zwischenkreisgleichspannung vorgegeben und es wird fortlaufend ein Istwert der Zwischenkreisgleichspannung ge messen. Nach der ersten Messung des Istwerts wird der Istwert in einer Spannungsvariablen gespeichert. Nach jeder weiteren Messung des Istwerts wird geprüft, ob eine Abweichung des Istwerts von dem in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert innerhalb des Toleranzbereichs liegt, und der Istwert wird in der Spannungsvariablen gespeichert, wenn die Abweichung des Istwerts von dem in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert außerhalb des Toleranzbereichs liegt. Nach jeder Speicherung eines Istwerts in der Spannungsvariablen wird ein von diesem Istwert abhängiger Tastgrad der Pulsweitenmodulation berech net und die Pulsweitenmodulation wird mit diesem Tastgrad durchgeführt .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Motorspannung also durch eine Pulsweitenmodulation einer Zwischenkreis gleichspannung erzeugt, die aus einer Versorgungsspannung er zeugt wird. Dabei wird der Tastgrad der Pulsweitenmodulation der jeweiligen Versorgungsspannung angepasst, um die Motor spannung aus verschiedenen und sich ändernden Versorgungs spannungen erzeugen zu können. Eine Neuberechnung des Tast grads erfordert jedoch eine relativ hohe Rechenleistung. Die Erfindung sieht daher vor, den Tastgrad nur bei einer wesent lichen Änderung der Zwischenkreisgleichspannung neu zu be rechnen. Dazu wird ein Toleranzbereich für die Änderung der Zwischenkreisgleichspannung vorgegeben und es wird eine Span nungsvariable verwendet, in der ein gemessener Wert der Zwi schenkreisgleichspannung gespeichert wird. Der Tastgrad wird nur dann neu berechnet, wenn eine Äbweichung eines aktuellen Istwerts der Zwischenkreisgleichspannung von dem in der Span nungsvariablen gespeicherten Wert außerhalb des Toleranzbe reichs liegt. Bei jeder Neuberechnung des Tastgrads wird fer ner der Wert der Spannungsvariablen auf den aktuellen Istwert der Zwischenkreisgleichspannung aktualisiert. Dadurch werden Neuberechnungen des Tastgrads bei nur geringen Änderungen der Versorgungsspannung vermieden und somit werden vorteilhaft Zeit und Rechenleistung für Neuberechnungen des Tastgrads eingespart.

Der Toleranzbereich kann symmetrisch oder asymmetrisch um den in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert vorgegeben wer den. Ferner können die Grenzen des Toleranzbereichs durch Ab solutwerte oder Relativwerte der Äbweichung des Istwerts von dem in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert vorgegeben werden.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Berechnungs anzahl von Berechnungen des Tastgrades erfasst. Mit anderen Worten werden die (Neu-) Berechnungen des Tastgrads gezählt. Dadurch kann vorteilhaft analysiert werden, ob der Toleranz bereich sinnvoll gewählt ist, und der Toleranzbereich kann erforderlichenfalls angepasst werden. Ferner können Instabi litäten einer Versorgungsspannung und/oder des Schalteran triebs erkannt werden, die zu häufigen starken Schwankungen der Zwischenkreisgleichspannung führen.

Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass ein Schwellenwert für die Berechnungsanzahl vorgegeben wird, die Berechnungsan zahl mit dem Schwellenwert verglichen wird und ein Warnsignal erzeugt wird, wenn die Berechnungsanzahl den Schwellenwert erreicht oder übertrifft. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Berechnungsanzahl auf einer Anzei geeinheit angezeigt wird.

Ein erfindungsgemäßer Stromrichter zum Erzeugen einer Motor spannung für einen Elektromotor eines Antriebs eines elektri schen Schalters umfasst zwei Stromrichtereinheiten, eine Mes seinheit und eine Steuereinheit. Eine erste Stromrichterein heit ist eingerichtet, aus einer Versorgungsspannung eine Zwischenkreisgleichspannung zu erzeugen. Die Messeinheit ist eingerichtet, fortlaufend einen Istwert der Zwischenkreis gleichspannung zu messen. Die zweite Stromrichtereinheit ist eingerichtet, die Motorspannung durch eine Pulsweitenmodula tion der Zwischenkreisgleichspannung zu erzeugen. Die Steuer einheit ist eingerichtet, einen vorgebbaren Toleranzbereich für eine Änderung der Zwischenkreisgleichspannung zu spei chern, nach der ersten Messung des Istwerts den Istwert in einer Spannungsvariablen zu speichern, nach jeder weiteren Messung des Istwerts zu prüfen, ob eine Abweichung des Ist werts von dem in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert innerhalb des Toleranzbereichs liegt, und den Istwert in der Spannungsvariablen zu speichern, wenn die Abweichung des Ist werts von dem in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert außerhalb des Toleranzbereichs liegt, und nach jeder Speiche rung eines Istwerts in der Spannungsvariablen einen von die sem Istwert abhängigen Tastgrad der Pulsweitenmodulation zu berechnen und die Pulsweitenmodulation mit diesem Tastgrad zu steuern.

Bei einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stromrichters ist die Steuereinheit eingerichtet, eine Berechnungsanzahl von Berechnungen des Tastgrades zu erfassen. Ferner kann die Steuereinheit eingerichtet sein, einen vorgebbaren Schwellen wert für die Berechnungsanzahl zu speichern, die Berechnungs anzahl mit dem Schwellenwert zu vergleichen und ein Warnsig nal zu erzeugen, wenn die Berechnungsanzahl den Schwellenwert erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann der Stromrichter eine Anzeigeeinheit aufweisen, die eingerichtet ist, die Be rechnungsanzahl anzuzeigen.

Ein erfindungsgemäßer Stromrichter ermöglicht die Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile eines derartigen Stromrichters entsprechen daher den oben genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein erfindungsgemäßer elektrischer Schalter umfasst einen Schalterantrieb mit einem Elektromotor und einen erfindungs gemäßen Stromrichter zum Erzeugen einer Motorspannung für den Elektromotor. Insbesondere kann der elektrische Schalter ein Leistungsschalter oder ein Trennschalter sein.

Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch eine Steuer einheit diese veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 ein Blockschaltbild eines elektrischen Schalters,

FIG 2 einen Schaltplan eines Stromrichters,

FIG 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen ei ner Motorspannung.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit densel ben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 (FIG 1) zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungs beispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 1, beispielsweise eines Leistungsschalters oder eines Trenn schalters. Der Schalter 1 umfasst einen erfindungsgemäßen Stromrichter 3, einen Schalterantrieb 5 mit einem Elektromo tor 7 und einer Energiespeichereinrichtung 9 und ein Schalt element 11. Der Stromrichter 3 ist eingerichtet, in unten an hand von Figur 3 (FIG 3) näher beschriebener Weise aus einer Versorgungsspannung eine Motorspannung für den Elektromotor 7 zu erzeugen. Durch den Elektromotor 7 ist die Energiespei chereinrichtung 9 aufladbar. Beispielsweise ist die Energie speichereinrichtung 9 ein Federspeicher mit einer durch den Elektromotor 7 spannbaren Feder. Durch in der Energiespei chereinrichtung 9 gespeicherte Energie ist das Schaltele ment 11 bewegbar. Durch Bewegen des Schaltelements 11 ist ein Strompfad unterbrechbar und schließbar. Alternative Ausfüh rungsbeispiele des Schalters 1 sehen beispielsweise statt ei ner Energiespeichereinrichtung 9 vor, dass das Schaltele ment 11 durch den Elektromotor 7 direkt oder über ein Getrie be antreibbar ist.

Figur 2 (FIG 2) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Stromrichters 3. Der Stromrichter 3 weist zwei Stromrichtereinheiten 13, 15, einen Zwischenkreis 17, eine Messeinheit 19 und eine Steuereinheit 21 auf. Jede Stromrich tereinheit 13, 15 weist zwei in Reihe geschaltete Schaltein heiten 23, 24 auf, zwischen denen jeweils ein Stromrichteran schluss 25, 26 angeordnet ist. Die Schalteinheiten 23, 24 sind beispielsweise steuerbare Halbleiterschalter wie IGBT oder MOSFET. Alternativ sind die Schalteinheiten 23 der ers ten Stromrichtereinheit 13 Dioden und die Schalteinheiten 24 der zweiten Stromrichtereinheit 15 steuerbare Halbleiter schalter wie IGBT oder MOSFET. Der Zwischenkreis 17 umfasst zwei Zwischenkreisleitungen 27, 28, die die beiden Stromrich tereinheiten 13, 15 miteinander verbinden, und einen Zwi schenkreiskondensator 29, dessen Elektroden jeweils mit einer der Zwischenkreisleitungen 27, 28 verbunden sind. Die Mess einheit 19 ist eingerichtet, eine Zwischenkreisgleichspannung zwischen den Zwischenkreisleitungen 27, 28 zu messen. Mit der Steuereinheit 21 sind die steuerbaren Schalteinheiten 23, 24 ansteuerbar.

Im Betrieb des Stromrichters 3 wird eine Versorgungsspannung zwischen den Stromrichteranschluss 25 einer ersten Stromrich tereinheit 13 und eine der Zwischenkreisleitungen 27, 28 ge legt. Mit der ersten Stromrichtereinheit 13 wird die Zwi schenkreisgleichspannung aus der Versorgungsspannung erzeugt. Die Versorgungsspannung kann eine einphasige Wechselspannung oder eine Gleichspannung sein. Wenn die Versorgungsspannung eine einphasige Wechselspannung ist, wird sie durch die erste Stromrichtereinheit 13 zu der Zwischenkreisgleichspannung gleichgerichtet. Wenn die Versorgungsspannung eine Gleich spannung ist, wird sie beispielsweise direkt als Zwischen kreisgleichspannung verwendet, wobei eine Schalteinheit 23 der ersten Stromrichtereinheit 13 ständig geöffnet und die andere Schalteinheit 23 der ersten Stromrichtereinheit 13 ständig geschlossen ist. Mit der zweiten Stromrichterein heit 15 wird die Motorspannung für den Elektromotor 7 in un ten näher beschriebener Weise durch eine Pulsweitenmodulation der Zwischenkreisgleichspannung erzeugt. Dazu wird eine Mo torwicklung des Elektromotors 7 mit dem Stromrichteran schluss 26 der zweiten Stromrichtereinheit 15 verbunden.

Das in FIG 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Stromrich ters 3 ist zum Erzeugen einer einphasigen Motorspannung ein gerichtet. Andere Ausführungsbeispiele können vorsehen, dass durch den Stromrichter 3 eine mehrphasige Motorspannung er zeugbar ist, wobei die zweite Stromrichtereinheit 15 für jede Phase der Motorspannung ein Paar von Schalteinheiten 24 und einen dazwischen angeordneten Stromrichteranschluss 26 auf weist. Zusätzlich oder alternativ können andere Ausführungs beispiele vorsehen, dass die erste Stromrichtereinheit 13 für jede Phase einer mehrphasigen Versorgungsspannung ein Paar von Schalteinheiten 23 und einen dazwischen angeordneten Stromrichteranschluss 25 aufweist, um die Zwischenkreis gleichspannung aus einer mehrphasigen Versorgungsspannung zu erzeugen. Figur 3 (FIG 3) zeigt ein Ablaufdiagramm 100 eines Ausfüh rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeu gen einer vorgegebenen Motorspannung mit einem in FIG 1 ge zeigten Stromrichter 1. Das Verfahren wird durch ein von der Steuereinheit 21 ausgeführtes Computerprogramm implementiert, das Istwerte der Zwischenkreisgleichspannung auswertet, die von der Messeinheit 19 gemessen werden.

In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird ein Toleranzbe reich für eine Änderung der Zwischenkreisgleichspannung vor gegeben. Der Toleranzbereich wird symmetrisch oder asymmet risch um einen Wert vorgegeben, der während des Verfahrens in einer Spannungsvariablen gespeichert wird. Die Grenzen des Toleranzbereichs werden durch Absolutwerte oder Relativwerte der Abweichung des Istwerts von dem jeweils in der Spannungs variablen gespeicherten Wert vorgegeben.

In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird der Stromrichter 3 aktiviert und erstmalig ein Istwert der Zwischenkreis gleichspannung gemessen.

In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird der aktuelle Ist wert der Zwischenkreisgleichspannung in der Spannungsvariab len gespeichert.

In einem vierten Verfahrensschritt 104 wird ein von dem in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert abhängiger Tastgrad der Pulsweitenmodulation berechnet, um die Motorspannung durch eine Pulsweitenmodulation der Zwischenkreisgleichspan nung zu erzeugen.

In einem fünften Verfahrensschritt 105 wird die Zwischen kreisgleichspannung mit dem in dem vierten Verfahrens schritt 104 berechneten Tastgrad pulsweitenmoduliert, wobei die Schalteinheiten 24 der zweiten Stromrichtereinheit 15 durch die Steuereinheit 21 entsprechend angesteuert werden. In einem sechsten Verfahrensschritt 106 wird ein aktueller Istwert der Zwischenkreisgleichspannung gemessen.

In einem siebten Verfahrensschritt 107 wird geprüft, ob eine Abweichung des in dem sechsten Verfahrensschritt 106 gemesse nen Istwerts von dem in der Spannungsvariablen gespeicherten Wert innerhalb des in dem ersten Verfahrensschritt 101 vorge gebenen Toleranzbereichs liegt. Wenn dies der Fall ist, wird das Verfahren mit einem achten Verfahrensschritt 108 fortge setzt. Andernfalls wird das Verfahren mit dem dritten Verfah rensschritt 103 fortgesetzt.

In dem achten Verfahrensschritt 108 wird geprüft, ob die Energiespeichereinrichtung 9 vollständig aufgeladen ist. Wenn dies der Fall ist (das heißt, wenn die Energiespeicherein richtung 9 vollständig aufgeladen ist), wird das Verfahren mit einem neunten Verfahrensschritt 109 fortgesetzt. Andern falls wird das Verfahren mit dem fünften Verfahrens schritt 105 fortgesetzt.

In dem neunten Verfahrensschritt 109 wird der Elektromotor 7 abgeschaltet und das Verfahren beendet.

Optional kann vorgesehen sein, dass bei dem Verfahren die Be rechnungen des Tastgrades gezählt werden. Ferner kann vorge sehen sein, dass die Berechnungsanzahl angezeigt wird und/oder ein Warnsignal erzeugt wird, wenn die Berechnungsan zahl einen vorgebbaren Schwellenwert erreicht oder über trifft. Beispielsweise wird dazu in dem zweiten Verfahrens schritt 102 eine Zählvariable für die Berechnungsanzahl mit dem Wert Null initialisiert. Ferner kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Verfahrensschritt 101 zusätzlich ein Schwellenwert für die Berechnungsanzahl vorgegeben wird. In dem vierten Verfahrensschritt 104 wird dann zusätzlich der in der Zählvariablen gespeicherte Wert um Eins inkrementiert.

Der in der Zählvariablen momentan gespeicherte Wert wird bei spielsweise auf einer Anzeigeeinheit 22 des Stromrichters 3 angezeigt. Wenn in dem ersten Verfahrensschritt 101 ein Schwellenwert für die Berechnungsanzahl vorgegeben wurde, kann in dem vierten Verfahrensschritt 104 ferner nach dem In- krementieren des in der Zählvariablen gespeicherten Werts dieser Wert mit dem Schwellenwert verglichen werden und ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgegeben werden, wenn der in der Zählvariablen gespeicherte Wert mit der Be rechnungsanzahl übereinstimmt oder die Berechnungsanzahl übertrifft. Wenn der Schalter 1 keine Energiespeichereinrichtung 9 auf weist, sondern das Schaltelement 11 direkt oder über ein Ge triebe von dem Elektromotor 7 antreibbar ist, wird in dem achten Verfahrensschritt 108 geprüft, ob das Schaltelement 11 eine Schaltstellung erreicht hat, in die es durch den Elekt- romotor 7 zu bewegen ist. Wenn dies der Fall ist (das heißt, wenn das Schaltelement 11 die Schaltstellung erreicht hat), wird das Verfahren mit einem neunten Verfahrensschritt 109 fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit dem fünften Verfahrensschritt 105 fortgesetzt. Die anderen Verfahrens- schritte 101 bis 107 und 109 werden wie oben beschrieben aus geführt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.