Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten von Gleichströmen in einem Pol eines Gleichspannungsnetzes umfassend zwei seriell mit dem Pol verbindbaren Anschlussklemmen, zwischen denen sich ein Betriebsstrompfad mit einem mechanischen Schalter erstreckt, der durch einen Abschaltzweig überbrückbar ist, in dem eine Leistungsschalteinheit angeordnet ist, die eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen mit wenigstens einem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter aufweist, und Kommutierungsmitteln zum Kommutieren des Stroms von dem Betriebsstrompfad in den Abschaltzweig, wobei die Submodule der Leistungsschalteinheit eine erste und eine zweite Schaltrichtungsgruppe ausbilden, die jeweils zum Abschalten von Strömen in einer unidirektionalen Schaltrichtung eingerichtet sind, wobei die Schaltrichtung der ersten Schaltrichtungsgruppe entgegengesetzt zur Schaltrichtung der zweiten Schaltrichtungsgruppe orientiert ist.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der
Der vorbekannten Vorrichtung haftet der Nachteil an, dass sich bei einer Schaltfähigkeit von Strömen in beiden Richtungen der Leistungshalbleiteraufwand verdoppelt. Für jede Stromrichtung ist eine Schaltrichtungsgruppe vorgesehen. Dabei muss jede Schaltrichtungsgruppe in der Lage sein, sowohl die hohen Kurzschlussströme zu schalten, als auch den entstehenden hohen Spannungen Stand zu halten. Der Mehraufwand zum Erreichen der Schaltfähigkeit in beiden Richtungen ist somit enorm.
Eine weitere Vorrichtung zum bidirektionalen Schalten von Gleichströmen ist in der
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die kostengünstig ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die erste Schaltrichtungsgruppe zum Abschalten von Last- und Kurzschlussströmen und die zweite Schaltrichtungsgruppe ausschließlich zum Abschalten von Lastströmen eingerichtet ist und Schutzmittel zum Schutz der zweiten Schaltrichtungsgruppe im Kurzschlussfall vorgesehen sind.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass Kurzschlussströme oftmals nur in einer Richtung abgeschaltet werden müssen, wohingegen Lastströme in beiden Richtungen geführt und geschaltet werden müssen. Im Rahmen der Erfindung wird daher das bisherige Schaltkonzept dahin erweitert, dass die notwendige bidirektionale Laststromschaltfähigkeit durch eine erste und zweite Schaltrichtungsgruppe bereitgestellt wird. Die zweite Schaltrichtungsgruppe ist jedoch im Rahmen der Erfindung nur auf die Anforderung der Stromträgfähigkeit des Laststromes ausgelegt. Dieser für geringere Ströme ausgelegte Halbleiterpfad muss daher vor möglichen Fehlerströmen geschützt werden. Hierfür sind Schutzmittel vorgesehen, die beispielsweise beim Auftreten eines Kurzschlusses einen Schutz der zweiten Schaltrichtungsgruppe bereitstellen. Die erste Schaltrichtungsgruppe ist zum Führen und Schalten auch hoher Kurzschlussströme eingerichtet. Im Rahmen der Erfindung können Kurzschlussströme daher in nur einer Richtung abgeschaltet werden. Die Lastströme sind hingegen in beiden Richtungen abschaltbar. Der Halbleiteraufwand zur Ausgestaltung der zweiten Schaltrichtungsgruppe hat sich gegenüber der eingangs genannten vorbekannten Vorrichtung somit beträchtlich verringert. Der erfindungsgemäße Schalter ist daher kostengünstiger. Dabei wird die erfindungsgemäße Vorrichtung den meisten in der Praxis gestellten Anforderungen gerecht. Somit ist im Rahmen der Erfindung ein praxistauglicher kostengünstiger Leistungshalbleiterschalter bereitgestellt.
Zweckmäßigerweise umfassen die Schutzmittel einen Parallelpfad zum Überbrücken der zweiten Schaltrichtungsgruppe. Im Fehlerfall, also beim Auftreten hoher Ströme, wird gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Kurzschlussstrom über den Parallelpfad geführt, so dass die zweite zum Führen geringerer Ströme ausgelegte Schaltrichtungsgruppe geschützt ist.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist in dem Parallelpfad ein mechanischer Schalter angeordnet. Im Kurzschlussfall ist der besagte Schalter geschlossen, so dass ein niederinduktiver Überbrückungspfad zum Schutz der zweiten Schaltrichtungsgruppe bereitgestellt ist. Um den Laststrom mit der zweiten Schaltrichtungsgruppe zu schalten, wird der mechanische Schalter im Parallelpfad geöffnet.
Gemäß einer diesbezüglich abweichenden Variante der Erfindung sind in dem Parallelpfad eine Diode und/oder ein Thyristor angeordnet. Jede in dem Parallelpfad angeordnete Diode und jeder dort angeordnete Thyristor weist eine Durchlassrichtung auf, die der Schaltrichtung der ersten Schaltrichtungsgruppe entspricht. Dabei ist jede Diode und jeder Thyristor zum Führen hoher Kurzschlussströme ausgelegt. Die Kurzschlussströme, die von der ersten Schaltrichtungsgruppe abgeschaltet werden können, werden somit über die Diode und den Thyristor geführt, die für diese hohen Ströme ausgelegt sind und somit nicht zerstört werden.
Zweckmäßigerweise weist der Parallelpfad eine größere Leitfähigkeit in Durchlassrichtung der Diode und/oder des Thyristors auf, als der von ihm überbrückte Pfad einschließlich der zweiten Schaltrichtungsgruppe. Gemäß dieser Weiterentwicklung ist sichergestellt, dass der Kurzschlussstrom aufgrund eines möglicherweise geringeren ohmschen Widerstands nicht über die Freilaufdioden der zweiten Schaltrichtungsgruppe geführt werden. Mit anderen Worten weisen die Leistungshalbleiter des Parallelpfades eine höhere Leitfähigkeit auf, als die Freilaufdioden der zweiten Schaltrichtungsgruppe.
Zweckmäßigerweise sind die Kommutierungsmittel im Abschaltzweig angeordnet und zum Erzeugen eines über den überbrückten Abschnitts des Betriebsstrompfades und den Abschaltzweig fließenden Kreisstromes eingerichtet, der dem Strom im mechanischen Schalter entgegengesetzt ist. Durch die Anordnung der Kommutierungsmittel im Abschaltzweig kann der konstante Betriebsstrom im Normalbetrieb verlustfrei über den Betriebspfad geführt werden, in dem lediglich ein niederohmiger mechanischer Schalter angeordnet ist. Leistungselektronische Hilfsschalter im Betriebsstrompfad mit hohen Verlusten im Gefolge sind demnach überflüssig geworden. Die im Abschaltzweig angeordneten Kommutierungsmittel sind, beispielsweise Teil der Leistungsschalteinheit der zweiten Schaltrichtungsgruppe und daher durch die Schutzmittel vor zu hohen Strömen geschützt. Die Kommutierungsmittel sind auf den maximalen Fehlerstrom ausgelegt und zweckmäßigerweise in der ersten Schaltrichtungsgruppe angeordnet. Nach der Kommutierung des Stromes wird der mechanische Schalter geöffnet. Sobald dieser eine ausreichende Spannungsfestigkeit bereitstellt, können die Kommutierungsmittel zum Abschalten der über den Abschaltzweig fließenden Ströme eingesetzt werden.
Bevorzugt handelt es sich bei den Kommutierungsmitteln um zweipolige Submodule, die in Reihenschaltung miteinander in den Abschaltzweig beispielsweise als Teil der ersten Schaltrichtungsgruppe geschaltet sind. Dabei weist jedes Submodul einen Energiespeicher, wie beispielsweise einen Kondensator, auf, dem eine Leistungshalbleiterschaltung parallel geschaltet ist. Diese Submodule können beispielsweise eine Halb- oder Vollbrückenschaltung ausbilden. An den beiden Submodulklemmen eines jeden Submoduls kann dann entweder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung, eine Nullspannung und bei einer Vollbrückenschaltung auch die inverse Energiespeicherspannung erzeugt werden. Auf diese Art und Weise können Kreisströme erzeugt werden, die in beiden Richtungen in der besagten Masche fließen.
Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, Kommutierungsmittel in Gestalt eines leistungselektronischen Hilfsschalters im Betriebsstrompfad anzuordnen. Der leistungselektronische Hilfsschalter ist beispielsweise ein IGBT mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode. Wird der besagte IGBT in seine Sperrstellung überführt, erhöht sich der Widerstand im Betriebsstrompfad, so dass der Strom in den Abschaltzweig kommutiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Submodule der Leistungsschalteinheit zumindest teilweise jeweils einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter und eine gegensinnig parallel dazu geschaltete Freilaufdiode auf. Solche Submodule dienen nicht als Kommutierungsmittel. Statt einer gegensinnig parallelen Freilaufdiode können auch rückwärts leitfähige Leistungshalbleiterschalter eingesetzt werden. Die zweipoligen Submodule sind in Reihe angeordnet, wobei die Freilaufdioden den über den Abschaltzweig fließenden Strom nur in einer Richtung führen können. Abschaltbar sind die Ströme nur in der Durchlassrichtung des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters. Zur bidirektionalen Abschaltfähigkeit sind die Submodule antiseriell angeordnet, so dass zwei Schaltrichtungsgruppen ausgebildet sind.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung weisen die Submodule der Leistungsschalteinheit zumindest teilweise jeweils einen Energiespeicher und eine parallel zum Energiespeicher geschaltete Reihenschaltung aus zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern mit gegensinnig parallel hierzu angeordneten Freilaufdioden auf, wobei eine Submodulanschlussklemme mit einem Potenzialpunkt zwischen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern und die andere Anschlussklemme mit einem Pol des Energiespeichers verbunden sind. Solche Submodule bilden eine so genannte Halbbrückenschaltung aus. Submodule mit einer Halbbrückenschaltung können bei zweckmäßiger Orientierung auch als Kommutierungsmittel eingesetzt werden, wie oben bereits ausgeführt ist.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Submodule der Leistungsschalteinheit zumindest teilweise einen Energiespeicher und zwei parallel zum Energiespeicher geschaltete Reihenschaltungen mit jeweils zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode auf, wobei eine erste Anschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern der ersten Reihenschaltung und eine zweite Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern der zweiten Reihenschaltung verbunden ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung umfasst die Leistungsschalteinheit zumindest teilweise Submodule mit Vollbrückenschaltung. Solche Submodule können Ströme in beiden Richtungen führen und schalten. Sie sind darüber hinaus in der Lage, Spannungen in die aus Abschaltzweig und Betriebsstrompfad gebildeten Masche zu erzeugen, die in der besagten Masche einen Kreisstrom zum Kommutieren der Ströme vom Betriebsstrompfad in den Abschaltzweig sorgen.
Zweckmäßigerweise sind die Anschlussklemmen eines jeden Submoduls über eine Diode oder einen Thyristor miteinander verbindbar. Die Diode oder der Thyristor ermöglicht daher ein Überbrücken des Submoduls und stellen somit in die Submodule integrierte Schutzmittel dar.
Zum Abbau einer netzgespeicherten und beim Schalten abzubauenden Energie weist die Leistungsschalteinheit Varistoren und/oder Ableiter in Parallelschaltung zu wenigstens einem Submodul auf.
Zweckmäßigerweise sind die Varistoren und/oder Ableiter zumindest teilweise einem Energiespeicher parallel geschaltet.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach in Betrieb nehmen zu können, ist zweckmäßigerweise ein Ladezweig vorgesehen, der entweder mit einem Erdpotenzial oder einem entgegengesetzt zum Pol polarisierten Gegenpol verbunden ist. Der Ladezweig ist an seinem vom Gegenpol oder Erdpotenzial abgewandten Ende mit dem Abschaltzweig verbunden. Zweckmäßigerweise ist im Ladezweig ein ohmscher Widerstand angeordnet.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Der Abschaltzweig 5 verfügt über eine Leistungsschalteinheit 9 mit einer ersten Schaltrichtungsgruppe 10 und einer zweiten Schaltrichtungsgruppe 11. Jede Schaltrichtungsgruppe 10, 11 weist eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen 12 auf, von denen für jede Schaltrichtungsgruppe 10 und 11 jeweils nur eines dargestellt ist. Jedes Submodul 12 verfügt beispielsweise über einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 13, dem eine Freilaufdiode 14 gegensinnig parallel geschaltet ist. Parallel zu den Submodulen 12 sind figürlich nicht dargestellte Ableiter angeordnet, mit denen eine im Netz gespeicherte und beim Schalten freiwerdende Energie abgebaut werden kann. Fließt nun ein Kurzschlussstrom vom Verzweigungspunkt 6 zum Verzweigungspunkt 7 über den Abschaltzweig 5, wird dieser über die in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschalter 13 der ersten Schaltrichtungsgruppe 10 sowie über die in Reihe geschalteten Freilaufdioden 14 der zweiten Schaltrichtungsgruppe 11 geführt. Ein Stromfluss in dieser Richtung kann lediglich von der Schaltrichtungsgruppe 10 abgeschaltet werden. Hierzu werden die Leistungshalbleiterschalter 13 dieser Gruppe durch ein Steuersignal in ihre Sperrstellung überführt. Fließt ein Strom vom Verzweigungspunkt 7 über den Abschaltzweig 5 zum Verzweigungspunkt 6 wird dieser über die in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschalter 13 der zweiten Schaltrichtungsgruppe 11 sowie die in Reihe geschalteten Freilaufdioden 14 der ersten Schaltrichtungsgruppe 10 geführt. Ein Strom in dieser Richtung kann lediglich von der zweiten Schaltrichtungsgruppe abgeschaltet werden. Hierzu werden die Leistungshalbleiterschalter 13 der zweiten Schaltrichtungsgruppe 11 in ihre Trennstellung überführt. Um den Strom vom Betriebsstrompfad 4 in den Abschaltzweig 5 und somit über die Leistungsschalteinheit 9 zu kommutieren, sind figürlich nicht dargestellte Kommutierungsmittel vorgesehen. Diese umfassen beispielsweise einen im Betriebsstrompfad angeordneten Hilfsschalter, der ebenfalls zwei Schaltrichtungsgruppen ausbildet, so dass dessen Leistungshalbleiterschalter 13 einen Stromfluss in beiden Richtungen sperren und somit für eine Kommutierung in dem Abschalzweig sorgen. Der schnelle mechanische Schalter 8 kann dann geöffnet und anschließend der Strom durch die Leistungsschalteinheit 9 abgeschaltet werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Kommutierungsmittel im Abschaltzweig 5 angeordnet und zum Erzeugen dieser Spannung, in der aus dem Betriebsstrompfad 4 und dem Abschaltzweig 5 gebildeten Masche eingerichtet sind. Zum Erzeugen einer Spannung dienen beispielsweise zweipolige Submodule mit jeweils einem Energiespeicher und einer Leistungshalbleiterschaltung, die bevorzugt eine Vollbrückenschaltung miteinander ausbilden. An den beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls kann nun entweder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Energiespeicherspannung erzeugt werden. Somit ist ein Kreisstrom in der besagten Masche erzeugbar, der dem über den Betriebsstrompfad 4 fließenden Strom entgegengesetzt ist. Es kommt zur Kommutierung des Gesamtstromes in den Abschaltzweig 5. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch weitere hier nicht genannte Kommutierungsmittel einsetzbar.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 können nun Lastströme in beiden Richtungen abgeschaltet und geführt werden. Zunächst wird der Laststrom mit Hilfe der oben beschriebenen Kommutierungsmittel in den Abschaltzweig 5 kommutiert. Fließt der Laststrom von der Anschlussklemme 3 zur Anschlussklemme 2, wird dieser von der zweiten Schaltrichtungsgruppe 11 abgeschaltet. Die erste Schaltrichtungsgruppe 10 übernimmt das Abschalten von Lastströmen, die von der Anschlussklemme 2 zur Anschlussklemme 3 fließen.
Es wird im Rahmen der Erfindung davon ausgegangen, dass Kurzschlussströme nur von der Anschlussklemme 2 zur Anschlussklemme 3 fließen. Tritt nun ein Kurzschluss in dieser Richtung hinter der Vorrichtung 15 auf, so schließt der mechanische Schalter 17 und schützt damit die leistungselektronischen Bauteile der zweiten Schaltrichtungsgruppe 11. Der Fehlerstrom wird von der ersten Schaltungsgruppe 10 abgeschaltet.
Soll nun ein Laststrom, der von Anschlussklemme 3 zur Anschlussklemme 2 fließt, abgeschaltet werden, so ist der Schalter 17 offen. Der Strom kommutiert in die zweite Schaltrichtungsgruppe 11 und kann von dieser abgeschaltet werden.
In der Regel wird jedoch eine einzige Diode D1 im Parallelpfad 16 oder ein einziger mechanischer Schalter oder ein einziger Thyristor nicht ausreichend sein, so dass eine Reihenschaltung solcher Bauteile im Parallelpfad 16 angeordnet ist. Diese Reihenschaltung von beispielsweise Thyristoren kann in die Submodule der zweiten Schaltrichtungsgruppe 11 integriert werden, so dass kompakte Bauteile bereitgestellt sind. Dies reduziert darüber hinaus den Isolations- und Konstruktionsaufwand.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Submodule 12 der Leistungsschalteinheit 9 mit einem Energiespeicher und einer Leistungshalbleiterschaltung ausgerüstet, die zusammen eine Halb- oder bevorzugt eine Vollbrückenschaltung ausbilden. Dabei kann jedes Submodul zwischen seinen Submodulanschlussklemmen jeweils eine wie in
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, einen erheblichen Teil der Leistungselektronik einzusparen, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung 15 Fehlerströme in nur einer Richtung abschalten muss.
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