Die Erfindung betrifft eine Lasttrennschaltung, welche zum stromlosen Verbinden und Trennen einer elektrischen Einrichtung und einer Gleichstromquelle eine Steckverbindung mit wenigstens einem elektrischen Kontakt umfasst, wobei in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Kontakt ein Halbleiterschaltelement angeordnet ist.

Bei elektrischen Verbindungen von insbesondere Gleichstromquellen mit sonstigen elektrischen Einrichtungen kann es bei einer Trennung eines Kontaktes unter Last zur Bildung eines Lichtbogens kommen. Dabei treten häufig Beschädigungen der Kontaktelemente auf bis hin zum Verschweißen des Kontakts. Für elektrische Kontakte, die unter Last trennbar sein sollen, sieht man daher in der Regel eine Überdimensionierung vor, wodurch mögliche Beschädigungen der Kontaktelemente durch die Lichtbogenbildung gemindert werden. Die Gefahr für Personen bleibt jedoch bestehen.

Es sind deshalb verschiedene Systeme bekannt, um elektrische Kontakte vor einem Verbinden oder Trennen stromlos zu schalten. So beschreibt etwa die DE 22 53 975 A1 eine Lasttrennschaltung zum Verbinden und Trennen mittels eines Hauptkontaktes. Dabei ist eine Steuerung vorgesehen, die ein Halbleiterschaltelement in Abhängigkeit des Schaltzustands eines Hilfskontakts ansteuert. Das Halbleiterschaltelement wird vor dem Schließen des Hauptkontaktes eingeschaltet und nach dem Öffnen des Hauptkontaktes ausgeschaltet.

Aus der US 4 772 809 A ist eine Lasttrennschaltung bekannt, die einen Halbleiterschalter aufweist, der mit einem Relaisschalter in Serie zu einer Last und einer Stromversorgung angeordnet ist.

Die DE 198 38 492 A1 beschreibt eine Steckverbindungsanordnung zur Verbindung einer Stromquelle mit einem Verbraucher, wobei zwischen Stromquelle und Verbraucher eine Schalteinrichtung angeordnet ist, deren Steuerstrom ebenfalls über die Steckverbindung angeschlossen wird. Dabei eilen die Kontakte für die Hauptstromkreise vor, während die Kontakte für den Steuerstrom nacheilen, so dass die Hauptstromkreise bereits geschlossen sind, ehe der Steuerstromkreis eingeschaltet wird. Dadurch wird ein Stromfluss in den Hauptstromkreisen beim Verbinden oder Trennen der Kontakte der Hauptstromkreise verhindert. Für den Anschluss von beispielsweise Photovoltaikgeneratoren an Wechselrichter ist diese Anordnung nicht geeignet, weil die an der Transistorschaltung auftretenden Verluste den Wirkungsgrad verschlechtern.

Eine andere Möglichkeit, eine Stromquelle unter Last von einer elektrischen Einrichtung zu trennen beschreibt die DE 102 25 259 B3. Dabei wird ein als Lasttrenner ausgebildeter elektrischer Steckverbinder angegeben, mit dem ein Lichtbogen vermieden oder zumindest reduziert werden soll. Dies wird erreicht durch einen bei einem Aussteckvorgang voreilenden Hauptkontakt und einen parallel geschalteten nacheilenden Hilfskontakt, so dass beim Ausstecken des Steckverbinders der Hauptkontakt zwangsläufig zuerst und der Hilfskontakt zuletzt von seinem Gegensteckteil getrennt werden und ein in Reihe mit dem Hilfskontakt geschaltetes Halbleiterschaltelement zur Lichtbogenvermeidung bzw. Lichtbogenlöschung. Dabei wird das Halbleiterschaltelement gepulst angesteuert, so dass es während des Aussteckvorgangs zwischen einer Kontakttrennung des Hauptkontakts und des Hilfskontakts zumindest einmal geöffnet und ein Lichtbogen verhindert oder zumindest reduziert wird.

Für eine ordnungsgemäße Funktion ist eine genaue Abstimmung der Taktfrequenz des Halbleiterelements mit dem möglichen Zeitablauf während eines Aussteckvorgangs erforderlich. Zudem wird durch die gepulste Ansteuerung des Halbleiterelements ein entstehender Lichtbogen immer wieder gelöscht, jedoch nicht gänzlich vermieden. Der Kontakt ist also nicht stromlos, wodurch weiterhin eine Gefahr für Personen besteht.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Lösung zum Trennen und Verbinden eines elektrischen Kontakts anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Lasttrennschaltung der eingangs genannten Art, bei der parallel zu dem Halbleiterschaltelement ein Schalter angeordnet ist, welcher einen Hauptkontakt und einen Hilfskontakt umfasst, wobei der Hauptkontakt und der Hilfskontakt in einer Weise gekoppelt sind, dass sich der Schaltzustand des Hilfskontakts vor einem Schließen und nach einem Öffnen des Hauptkontakts ändert und wobei eine Steuerung vorgesehen ist, welche das Halbleiterschaltelement in Abhängigkeit des Schaltzustandes des Hilfskontaktes vor einem Schließen des Hauptkontaktes einschaltet und nach einem Öffnen des Hauptkontaktes ausschaltet.

Durch diese Schaltung wird der Strom während eines Verbindungs- oder Trennvorganges des elektrischen Kontakts zur Gänze abgeschaltet, so dass eine Lichtbogenbildung sicher verhindert wird. Zudem wird der Hauptkontakt ohne Leistung geschaltet, wodurch die Lebensdauer des Schalters erheblich verlängert wird. Dabei fließt der Laststrom nur während des Verbindungs- oder Trennvorganges durch das Halbleiterschaltelement, wobei diese Zeitspanne durch die Verzögerung zwischen den Schaltzeitpunkten des Hilfskontakts und des Hauptkontakts bestimmt wird. Diese Verzögerungszeit ergibt sich durch die Bauform des Schalters, dessen Betätigung entweder manuell oder elektromagnetisch über ein Relais erfolgen kann. Die Schaltstellung des Hilfskontakts wird von der Steuerung abgefragt und führt zum Ein- bzw. Ausschalten des Halbleiterschaltelements.

Bei verbundenem elektrischen Kontakt und eingeschaltetem Schalter fließt der Laststrom ausschließlich über den Hauptkontakt des Schalters, weil der elektrische Widerstand des parallel dazu angeordneten, weiterhin eingeschalteten Halbleiterschaltelements größer ist. Es ergeben sich demnach keine unerwünschten Verluste am Halbleiterschaltelement, welches zudem nur so groß dimensioniert werden muss, dass es dem Laststrom während der Verzögerungszeit zwischen den Schaltzeitpunkten des Hilfskontakts und des Hauptkontakts zuzüglich eines Sicherheitswertes standhält.

Weiters ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der wenigstens eine elektrische Kontakt durch eine mechanische Sperrvorrichtung gesichert ist und dass die mechanische Sperrvorrichtung in der Weise mit dem Schalter gekoppelt ist, dass ein Trennen des wenigstens einen elektrischen Kontakts nur nach dem Öffnen des Hauptkontakts möglich ist und dass ein Verbinden des wenigstens einen elektrischen Kontakts nur bei geöffnetem Hauptkontakt möglich ist. Personen können auf diese Weise daran gehindert werden, den Verbindungs- bzw. Trennvorgang falsch auszuführen.

Zudem ist erfindungsgemäß in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement der Kontakt eines Relais angeordnet und die Spule des Relais ist mit der Steuerung verbunden, sodass der Kontakt des Relais vor einem Einschalten des Halbleiterschaltelements geschlossen und nach einem Ausschalten des Halbleiterschaltelements geöffnet wird. Dabei ist durch die galvanische Trennung der Strom sicher abgeschaltet. Die Betätigung des Relais erfolgt dabei mittels Steuerung bei einem Verbindungsvorgang vor dem Einschalten des Halbleiterschaltelements und bei einem Trennvorgang nach dem Abschalten des Leistungshalbleiters.

Für die Ausbildung des Hauptkontakts und des Hilfskontakts in einem Schalter ist es vorteilhaft, wenn ein Kontaktelement des Hauptkontakts und ein Kontaktelement des Hilfskontakts mit einem Betätigungselement des Schalters gekoppelt sind. Die Kontaktelemente können dabei relativ zueinander fest oder beweglich angeordnet sein, wobei sich aus dem Schaltweg des Betätigungselements die Verzögerungszeiten zwischen den Schaltzeitpunkten des Hauptkontakts und des Hilfskontakts ergeben.

Als mechanische Sperrvorrichtung zur Sicherung des wenigstens einen elektrischen Kontakts kann dann beispielsweise der Schalter so ausgeführt sein, dass das Betätigungselement des Schalters den wenigstens einen elektrischen Kontakt bei geschlossenem Hauptkontakt abschirmt und/oder fixiert und so der elektrische Kontakt nicht getrennt oder verbunden werden kann. Der wenigstens eine elektrische Kontakt ist dabei günstigerweise als Steck- und/oder Schraubverbindung in der Weise ausgebildet und durch das Betätigungselement des Schalters gehalten, dass ein Trennen des Kontakts durch einen Zug an einem mit dem Kontakt verbunden Kabel verhindert wird.

Vorteilhaft ist es, wenn in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement ein Widerstand angeordnet ist. Dieser Widerstand wirkt zusätzlich zum elektrischen Widerstand des Halbleiterschaltelements und verhindert, dass bei geschlossenem Hauptkontakt Strom durch das Halbleiterschaltelement fließt.

Um bei einem Ausfall (z.B. Durchlegieren) des Halbleiterschaltelements zu verhindern, dass durch den zu trennenden elektrische Kontakt weiterhin Strom fließt, ist es vorteilhaft, wenn in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement eine elektrische Sicherung angeordnet ist. Diese Sicherung ist dabei als träge Sicherung ausgebildet, die erst auslöst, wenn der Laststrom länger als die bis zur Abschaltung des Halbleiterschaltelements vorgesehene Verzögerungszeit fließt. Als Verpolschutz ist es zudem vorteilhaft, wenn in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement eine Diode angeordnet ist. Dadurch wird mit der sperrenden Diode verhindert, dass bei einer mit vertauschten Polen angeschlossenen Stromquelle an eine elektrische Einrichtung Strom fließt.

Aufgrund der geringen Verluste bei verbundenem elektrischen Kontakt und geschlossenem Hauptkontakt ist die erfindungsgemäße Lasttrennschaltung vorteilhafterweise für Anlagen geeignet, bei der die Gleichstromquelle als Gleichstromgenerator, insbesondere als Photovoltaikgenerator und die elektrische Einrichtung als Wechselrichter ausgebildet ist. Derartige Anlagen erfordern eine Lösung für die Lasttrennung ohne Lichtbogenbildung, wenn von Sonnenlicht beschienene Solarpaneele vom Wechselrichter getrennt werden müssen. Zudem ist für ein wirtschaftliches Betreiben von Photovoltaikanlagen ein hoher Wirkungsgrad gefordert. Das wird durch die für den Dauerbetrieb vorgesehene Kontaktierung über den Hauptkontakt gewährleistet, dessen elektrischer Widerstand weitaus geringer als der des Halbleiterschalters ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1:

Stromlose Lasttrennschaltung beim Verbinden elektrischer Kontakte

Fig. 2:

Lasttrennschaltung mit Stromverlauf während des Einschaltvorganges

Fig. 3:

Lasttrennschaltung mit Stromverlauf im Dauerbetrieb

Fig. 4:

Lasttrennschaltung mit Stromverlauf während des ersten Ausschaltvorgang-Schrittes

Fig. 5:

Lasttrennschaltung mit Stromverlauf während des zweiten Ausschaltvorgang-Schrittes

Fig. 6:

Lasttrennschaltung mit abgeschaltetem Strom

Fig. 7:

Lasttrennschaltung mit zusätzlicher Diode als Verpolschutz und zusätzlichem Relais zur galvanischen Trennung

Fig. 8:

Zeitlicher Verlauf von Strom und Steuersignal beim Einschalten

Fig. 9:

Zeitlicher Verlauf von Strom und Steuersignal beim Ausschalten

In Figur 1 ist eine mögliche Schaltungsvariante für eine erfindungsgemäße Lasttrennschaltung zur Anschaltung eines Photovoltaikgenerators 9 an einen Wechselrichter 10 dargestellt. Die elektrischen Kontakte 1 werden dabei in der Weise verbunden, dass der Pluspol direkt an den Wechselrichter 10 und der Minuspol über die Elemente der Lasttrennschaltung an den Wechselrichter 10 geschaltet sind.

Die Elemente der Lasttrennschaltung bilden ein Schalter 3 mit einem Hauptkontakt 4 und einem mit diesem gekoppelten Hilfskontakt 5 und ein parallel dazu angeordnetes Halbleiterschaltelement 2. In Reihe mit dem Halbleiterschaltelement 2 können ein Widerstand 7 und eine elektrische Sicherung 8 angeordnet sein. Zudem ist eine Steuerung 6 vorgesehen, die über einen Steuerkreis den Schaltzustand des Hilfskontakts 5 ausliest. Der Schalter 3 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass der Hauptkontakt 4 als Schließer und der Hilfskontakt 5 als Öffner fungiert. Bei vollständig offenem Hauptkontakt 4 ist der Hilfskontakt 5 dann geschlossen, wie in Figur 1 dargestellt. Bei Betätigung des Schalters 3 öffnet der Hilfskontakt 5 und nach einer Verzögerungszeit, die sich aus dem Schaltweg des Schalters 3 ergibt, schließt der Hauptkontakt 4. Der Steuerkreis mit dem Hilfskontakt 5 ist dann beispielsweise so geschaltet, dass bei offenem Hilfskontakt 5 eine Steuerspannung U_K an der Steuerung 6 anliegt. Am Ausgang der Steuerung liegt die Gatespannung U_G des Halbleiterschaltelements 2 an, welches z.B. als N-Kanal-MOSFET mit Freilaufdiode ausgebildet ist. Sobald die elektrischen Kontakte 1 des Photovoltaikgenerators 9 verbunden sind, liegt am Halbleiterschaltelement 2 eine Spannung U_T an.

In Figur 2 ist dieselbe Schaltung mit betätigtem Schalter 3 dargestellt. Der Schalter 3 befindet sich dabei in einer Mittelstellung, in der der Hilfskontakt 5 bereits geöffnet, aber der Hauptkontakt 4 noch nicht geschlossen ist. Der Strom verläuft dann durch das Halbleiterschaltelement 2, das ab dem Öffnungszeitpunkt des Hilfskontakts 5 eingeschaltet ist.

Bei weiterer Betätigung des Schalters 3 schließt sich der Hauptkontakt 4, wie in Figur 3 dargestellt. Aufgrund des gegenüber dem Halbleiterschaltelement 2 niedrigeren elektrischen Widerstandes verläuft der Strom nun ausschließlich über diesen geschlossenen Hauptkontakt 4. Damit ist der Zustand des Dauerbetriebs erreicht. Das Halbleiterschaltelement 2 bleibt währenddessen weiter eingeschaltet.

Im Falle einer Trennung des Photovoltaikgenerators 9 vom Wechselrichter 10 muss zunächst wieder der Schalter 3 betätigt werden, bevor die elektrischen Kontakte 1 gelöst werden können. Die Einhaltung dieser Bedingung kann entweder durch eine deutliche Kennzeichnung oder vorteilhafterweise durch eine entsprechende mechanische Sicherungseinrichtung erreicht werden, beispielsweise durch die Abschirmung und Fixierung der elektrischen Kontakte 1 mittels eines Betätigungselements des Schalters 3. Wie in Figur 4 dargestellt, wird also zunächst der Schalter 3 betätigt. Der Hauptkontakt 4 öffnet und während der Schaltzeit sind somit beide Kontakte 4, 5 des Schalters 3 offen. Der Laststrom kommutiert von dem lastfrei geöffneten Hauptkontakt 4 auf das nach wie vor eingeschaltete Halbleiterschaltelement 2. Durch die lastfreie Öffnung des Hauptkontakts ist dabei die Bildung eines Lichtbogens ausgeschlossen.

Bei weiterer Betätigung des Schalters 3 schließt der Hilfskontakt 5, wie in Figur 5 dargestellt. Darauf hin schaltet die Steuerung 6 das Halbleiterschaltelement 2 ab. Abhängig von der Bauweise des Schalters 3 kann die Abschaltung des Halbleiterschaltelements 2 auch auf andere Weise erfolgen. Ist beispielsweise der Hilfskontakt 5 als Wechselschalter ausgebildet (gepunktete Linien), kann der Steuerung 6 eine Zeitspanne vorgegeben werden, nach der bei betätigtem Wechselschalter das Halbleiterschaltelement 2 abgeschaltet wird.

In Figur 6 ist die Lasttrennschaltung mit abgeschaltetem Halbleiterschaltelement 2 dargestellt, bei der nun die elektrischen Kontakte 1 stromlos ohne Lichtbogenbildung getrennt werden können.

Die in Figur 7 dargestellte Lasttrennschaltung ist mit zusätzlichen Schutzelementen ausgebildet. In Reihe mit dem Halbleiterschaltelement 2 ist eine Diode D als Verpolschutz vorgesehen. Ein Relais 11 ist in der Weise zur galvanischen Trennung angeordnet, dass die Spule an die Steuerung 6 angeschaltet ist. Von den zwei Kontakten des Relais 11 ist einer in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement 2 und einer in der Verbindungsleitung des Pluspols des Photovoltaikgenerators 9 und des Wechselrichters 10 angeordnet. Abhängig von den Anforderungen an die Sicherheit kann auch ein Relais 11 mit nur einem Kontakt vorgesehen sein. Die Betätigung des Relais 11 erfolgt dabei mittels Steuerung 6 bei einem Verbindungsvorgang vor dem Einschalten des Halbleiterschaltelements 2 und bei einem Trennvorgang nach dem Abschalten des Halbleiterschaltelements 2.

In Figur 8 ist der Verlauf der Ströme und Spannungen während eines Verbindungsvorganges elektrischer Kontakte 1 dargestellt. Zunächst ist der Hauptkontakt 4 des Schalters 3 offen und das Halbleiterschaltelement 2 abgeschaltet, wie in Figur 1 dargestellt. Der Hilfskontakt 5 des Schalters 3 ist geschlossen, so dass keine Steuerspannung U_K und keine Gatespannung U_G vorhanden sind.

Der erste Schritt des Verbindungsvorganges besteht in der stromlosen Verbindung der elektrischen Kontakte 1. Dabei steigt während der Verbindungszeit a die Spannung U_T am Halbleiterschaltelement 2 an. Es verstreicht in weiterer Folge eine Zeitspanne b, bis der Schalter 3 betätigt wird.

Bei Betätigung des Schalters 3 öffnet sich zunächst der Hilfskontakt 5 und an der Steuerung 6 baut sich die Steuerspannung U_K auf, die von der Steuerung 6 als Gatespannung U_G an das Halbleiterschaltelement 2 geschaltet wird. Damit wird das Halbleiterschaltelement 2 eingeschaltet und es beginnt ein Strom I_T zu fließen, während die Spannung U_T am Halbleiterschaltelement 2 gegen Null geht.

Bis zum Schließen des Hauptkontakts 4 verstreicht die Verzögerungszeit c, die durch den Schaltweg des Schalters 3 definiert ist. Während der Schließzeit d verringert sich der Strom I_T durch das Halbleiterschaltelement 2 und der Strom I_S durch den Hauptkontakt 4 des Schalters 3 steigt an, bis der Laststrom nur mehr durch den Hauptkontakt 4 fließt. Damit ist der Dauerbetriebszustand erreicht.

Ein Trennvorgang der elektrischen Kontakte 1 wird mit der Betätigung des Schalters 3 eingeleitet. Die entsprechenden Verläufe der Ströme und Spannungen sind in Figur 9 dargestellt.

Der Hauptkontakt 4 des Schalters 3 öffnet sich. Der Strom I_S durch den Hauptkontakt 4 verringert sich während einer Öffnungszeit e und der Strom I_T durch das Halbleiterschaltelement 2 steigt an, bis der Laststrom nur mehr durch das Halbleiterschaltelement 2 fließt. Nach dem Verstreichen der Schaltzeit f des Schalters 3 schließt der Hilfskontakt 5 und die Steuerspannung U_K sinkt auf Null. Damit beginnt eine Todzeit g zu laufen, nach deren Ablauf auch die Gatespannung U_G mittels Steuerung 6 abgeschaltet wird.

Die Todzeit g ist dabei so eingestellt, dass eine in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement 2 angeordnete träge elektrische Sicherung 8 nicht auslöst. Erst wenn der Laststrom länger als die Todzeit g, beispielsweise infolge eines Durchlegierens des Halbleiterschaltelements 2, durch die elektrische Sicherung 8 fließt, löst diese aus und unterbricht den Stromfluss.

Mit dem Abschalten der Gatespannung U_G ist das Halbleiterschaltelement 2 gesperrt und die elektrischen Kontakte 1 sind stromlos. Am Halbleiterschaltelement 2 liegt eine Zeitspanne h lang eine Spannung U_T an, bis die elektrischen Kontakte 1 mit einer Trennungszeit i getrennt werden.