Beschreibung
GleichspannungsSchalter Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungsschalter mit zwei Anschlüssen, zwischen denen sich ein Betriebsstrompfad mit einem mechanischen Schalter und parallel dazu ein Nebenstrom- pfad mit einem Halbleiterschalter erstrecken. Das Abschalten eines Gleichstroms (DC-Stroms) ist wegen feh¬ lendem Nulldurchgang schwieriger als das Abschalten eines Wechselstroms (AC-Stroms) . Während der Lichtbogen, der beim Öffnen der Kontakte entsteht, beim AC-Strom bei geeigneter Auslegung im nächsten Stromnulldurchgang verlischt, brennt er beim DC-Strom auch über größere Abstände bis zur Zerstörung des Schalters weiter.
Es sind verschiedene Konzepte bekannt, eine sichere Abschal¬ tung eines DC-Stroms zu bewirken. Ein solches Konzept beruht darauf, dass ein Gegenstrom erzeugt wird, der den Laststrom kompensiert, sodass der Strom in einem mechanischen Schalter einen Nulldurchgang erfährt. Der Schalter kann dann stromlos geöffnet werden, sodass ein Lichtbogen nicht entsteht oder verlischt. Bei einem weiteren Konzept kommutiert der Strom zunächst in einen Halbleiterschalter, von dem er lichtbogenlos abgeschaltet werden kann.
Ein generelles Problem bei der Abschaltung eines Gleichstroms ist, dass die induktiv im Gleichspannungsnetzwerk gespeicher- te Energie so abgebaut werden muss, dass eine Schädigung der Komponenten des Gleichspannungsnetzwerks vermieden wird. Es ist bekannt, dafür spannungsbegrenzende Elemente zu verwen¬ den. Diese haben aber eine begrenzte Lebensdauer. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichspannungsschalter anzugeben, der einen verbesserten Abbau der induktiv im Gleichspannungsnetz gespeicherten Energie erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungsschalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungsschalter weist einen ers- ten und zweiten Anschluss zur seriellen Einbindung in einen ersten Pol eines Gleichspannungsnetzwerks auf. Zwischen den Anschlüssen erstreckt sich ein Nebenstrompfad mit einem Halbleiterschalter und parallel zum Nebenstrompfad ein Betriebs¬ strompfad mit einem mechanischen Schalter und in Serie dazu der primärseitigen Wicklung eines Transformators. Die sekun- därseitige Wicklung des Transformators ist zwischen eine Spannungsquelle und einen dritten Anschluss zur Einbindung in einen zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks geschaltet. Zwischen der Spannungsquelle und dem dritten Anschluss ist ein Schalter in Serie zur sekundärseitigen Wicklung des
Transformators angeordnet. Die Spannungsquelle ist weiterhin über eine Diode und einen Ladewiderstand mit dem ersten An¬ schluss verbunden. Schließlich ist eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Schalters vorhanden, die ausgestaltet ist, nach dem Öffnen des mechanischen Schalters die Spannung der
Spannungsquelle wiederholt zu ermitteln wird und den Schalter derart intervallartig einzuschalten, so dass die ermittelte Spannung unterhalb eines festlegbaren Schwellwertes bleibt. Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungs¬ schalter die induktiv im Gleichspannungsnetzwerk gespeicherte Energie direkt über den Schalter abgebaut. Anderweitige Ele¬ mente zur Überspannungsbegrenzung wie Varistoren sind unnötig. Wenn die Steuerung den Schalter abgeschaltet hat, steigt die Spannung über der Spannungsquelle mit der Zeit an, solan¬ ge noch Energie induktiv gespeichert ist. Die Steuerung er- fasst die Spannung über der Spannungsquelle fortlaufend oder in Intervallen. Wird ein festlegbarer Schwellwert für die Spannung, der oberhalb der Betriebsspannung des Gleichspan- nungsnetzwerks liegt, überschritten oder erreicht, wird der Schalter eingeschaltet. Dadurch entsteht ein Strompfad vom ersten Pol des Gleichspannungsnetzwerks zum zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks. Dadurch wird ein zeitlich begrenz-
ter Freilaufkreis geschaffen und die Spannung an der Spannungsquelle sinkt ab.
Zweckmäßig schaltet die Steuerung den Schalter wieder ab, wenn die Spannung unter einen weiteren Schwellwert sinkt. Der weitere Schwellwert kann dem Schwellwert entsprechen oder aber niedriger als der Schwellwert liegen. Zweckmäßig liegt auch der weitere Schwellwert oberhalb der Betriebsspannung des Gleichspannungsnetzwerks.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungsschalters gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vor- zugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Gleichspannungsschalter noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- Der dritte Anschluss kann statt mit einem zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks auch mit einem anderen Erdpotential verbunden werden.
- Parallel zur Sekundärseite des Transformators kann ein zweiter Widerstand geschaltet sein. Dieser Widerstand ist be- vorzugt so dimensioniert, dass mindestens der maximal abzu¬ schaltende Strom bei Nennspannung abfließen kann.
- Parallel zur Sekundärseite des Transformators kann eine Di¬ ode geschaltet sein.
- Der Nebenstrompfad kann zwei antiseriell geschaltete HL- Schalter umfassen und der Hauptstrompfad die Primärseite ei¬ nes weiteren Transformators. Auf diese Weise kann der Gleich¬ spannungsschalter als bidirektionaler Schalter gestaltet wer- den. Mit anderen Worten wird der Schalter dadurch in die Lage versetzt, Gleichstrom beider Richtungen abzuschalten. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Sekundärseiten der Transformato¬ ren in Serie geschaltet sind und der von der Sekundärseite
des Transformators abgewandte Anschluss der Sekundärseite des weiteren Transformators über einen weiteren Schalter mit dem dritten Anschluss verbunden ist. - Die Spannungsquelle umfasst bevorzugt eine Energiespeicher¬ vorrichtung, insbesondere einen Kondensator. Ein Kondensator eignet sich vor allem zur schnellen Abgabe der nötigen Energie, um einen Kurzschlussstrom oder auch einen normalen Betriebsstrom im Gleichspannungsnetzwerk zu kompensieren und so einen Nulldurchgang des Stroms zu erzwingen.
- Die Spannungsquelle kann als separate Vorrichtung, bei¬ spielsweise als separater Kondensator vorgesehen sein, die unabhängig von anderen Komponenten des Gleichspannungsnetz- werks an den Transformator angeschlossen ist. Dadurch kann eine Bereitschaft der Spannungsquelle unabhängig von sonsti¬ gen Gegebenheiten sichergestellt werden, beispielsweise durch eine eigene Aufladeschaltung für die Spannungsquelle. - Die Spannungsquelle kann als Teil einer weiteren Schaltung gestaltet sein, beispielsweise als Zwischenkreiskondensator eines Umrichters, der beispielsweise anderweitig mit dem Gleichspannungsnetzwerk in Beziehung steht. Hierdurch werden vorhandene Ressourcen des Aufbaus erneut verwendet und somit insgesamt eine Einsparung an Komponenten erzielt.
- Der mechanische Schalter kann eine Schaltzeit von weniger als 5 ms aufweisen. Da der Stromnulldurchgang auf der Entladung eines Energiespeichers beruht, ist der Zeitraum, inner- halb dessen ein Stromnulldurchgang stattfindet, typischerwei¬ se auf nur wenige Millisekunden begrenzt. Vorteilhaft kann der mechanische Schalter innerhalb dieser Zeit öffnen, um ei¬ ne sichere Unterdrückung oder Löschung des Lichtbogens zu be¬ wirken .
- Die Vorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass die se- kundärseitige Wicklung des Transformators kurzschließbar ist. Dazu kann beispielsweise eine mit einem Halbleiterschalter
oder einem schnellen mechanischen Schalter versehene Verbindung zwischen den Wicklungsenden der sekundärseitigen Wicklung des Transformators vorgesehen sein. Durch ein Kurzschließen der sekundärseitigen Wicklung des Transformators wird die Induktivität der primärseitigen Wicklung des Trans¬ formators auf einen sehr niedrigen Wert gesenkt und somit der Einfluss der primärseitigen Wicklung des Transformators auf die Eigenschaften des Gleichspannungsnetzwerks vorteilhaft vermindert .
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei¬ spiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale sche¬ matisiert dargestellt und es zeigen
Figur 1: einen unidirektionalen Gleichspannungsschalter in einem Ausschnitt aus einem Gleichspannungsnetzwerk,
Figur 2: einen bidirektionalen Gleichspannungsschalter in einem Ausschnitt aus einem Gleichspannungsnetzwerk.
Figur 1 zeigt als Ausführungsbeispiel für die Erfindung einen Gleichspannungsschalter 12 in einem Ausschnitt aus einem Gleichspannungsnetzwerk 10. Das Gleichspannungsnetzwerk 10 wird aus einer Gleichspannungsquelle 11 gespeist und somit mit einer Gleichspannung versorgt. Bei dem Gleichspannungs¬ netzwerk 10 kann es sich um ein Netzwerk in der HGÜ- Stromversorgung handeln oder beispielsweise um ein Netzwerk in einem Fahrzeug, beispielsweise einer Lokomotive oder einem Triebwagen oder im Bereich der Einspeisung in ein Netzwerk für elektrisch betrieben Fahrzeuge. Grundsätzlich ist das Prinzip auf allen Spannungsebenen von Niederspannung über Mittelspannung bis zur Hochspannung anwendbar. Zwischen der nicht dargestellten Last und der Gleichspannungsquelle 11 ist der Gleichspannungsschalter 12 angeordnet. Der Gleichspannungsschalter 12 ist dabei mit einer ersten und zweiten Anschlussklemme 121, 122 seriell in einen ersten Pol 111 des Gleichspannungsnetzwerks 10 eingebunden. Eine dritte An-
schlussklemme 123 ist mit einem zweiten Pol des Gleichspan¬ nungsnetzwerks 10 verbunden.
Zwischen erster und zweiter Anschlussklemme 121, 122 weist der Gleichspannungsschalter 12 eine Serienschaltung aus der primärseitigen Wicklung eines Transformators 14 und einem mechanischen Schalter 13 auf. Diese Serienschaltung stellt den Hauptstrompfad dar, durch den der Strom im normalen Betrieb des Gleichspannungsnetzwerks 10 fließt. Der mechanische
Schalter 13 und die Primärwicklung des Transformators 14 wei¬ sen nur einen äußerst geringen Widerstand auf und verursachen daher nur sehr geringe Verluste. Parallel zu der Serienschal¬ tung ist ein Hauptschalter 15 in Form eines IGBT angeordnet, der einen Nebenstrompfad darstellt, der im normalen Betrieb vom Strom nicht bzw. nur geringfügig durchflössen wird, da der IGBT auch eingeschaltet einen deutlich höheren Widerstand oder Spannungsabfall als der mechanische Schalter 13 auf¬ weist. Der Gleichspannungsschalter 12 umfasst weiterhin einen Freilaufpfad über eine Freilaufdiode 19 als Verbindung zwischen der zweiten und dritten Anschlussklemme 122, 123. Der Frei¬ laufpfad ist optional und wird dann verbaut, wenn die in der Netzinduktivität 1111, beispielsweise in Kabeln gespeicherte Energie bei schnell unterbrochenem Strom möglicherweise zu Zerstörungen führen kann.
Ausgehend von der ersten der Anschlussklemmen 121, der die Primärwicklung des Transformators 14 zugewandt ist, ist eine weitere Verbindung über eine Diode 163 und einen Ladewiderstand 162 zu einem Kondensator 161 vorhanden. Der davon abseitig gelegene Anschluss des Kondensators 161 ist mit der dritten Anschlussklemme 123 verbunden. Der Potentialpunkt zwischen dem Kondensator 161 und dem Ladewiderstand 162 ist mit der Sekundärwicklung des Transforma¬ tors 14 verbunden. Von dieser weiterführend ist ein Schalter 152 in Form eines IGBT angeordnet, dessen zweiter Anschluss
mit der dritten Anschlussklemme 123 und damit mit dem zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks 10 verbunden ist. Im norma¬ len Betriebsfall ist der Schalter 152 abgeschaltet und, so dass sich der Kondensator 161 nicht entladen kann. Der Kon- densator 161 ist im normalen Betriebsfall ständig geladen.
Durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses im Transformator 14 kann die nötige Spannung für den Kondensator 161 und somit die genaue Auslegung der Komponenten bestimmt werden. Dabei können die Komponenten beispielsweise für eine schnelle Ab¬ schaltung oder für geringe Baugrößen optimiert werden. Für das Windungszahlverhältnis zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators 14 werden zweckmäßig Werte zwischen 0,01 und 0,1 verwendet. Auf der Sekundärseite wird nur eine Spannung benötigt, die größer ist als der Spannungs¬ abfall an den Halbleitern beim zu kommutierenden Strom, was bei einer Niederspannungsanwendung unter 10V liegt. Die nötige Kapazität des Kondensators 161 und die Höhe der nötigen Ladespannung ergeben sich aus der Spannung des Gleichspan- nungsnetzwerks 10 und dem Übersetzungsverhältnis des Trans¬ formators 14.
Zunächst fließt im normalen Betrieb der gesamte Strom durch den mechanischen Schalter 13. Zum Einleiten des Abschaltvor- ganges schaltet eine Steuerung 17 für den Gleichspannungs¬ schalter 12 zunächst den Hauptschalter 15 ein. Wegen des größeren Durchlasswiderstandes wird zunächst nur ein kleiner Teil des Stromes vom mechanischen Schalter 13in den Hauptschalter 15 kommutieren. Um diese Kommutierung zu erzwingen, wird der Schalter 152 eingeschaltet, wodurch sich der Kondensator 161 über den Transformator 14 entlädt. Dadurch wird eine Spannung im Hauptstrompfad mit dem mechanischen Schalter 13 erzeugt, so dass der Strom vollständig in den Hauptschal¬ ter 15 kommutiert. Dann wird der mechanische Schalter 13 stromlos geöffnet und der Schalter 152 wieder geschlossen. Im letzten Schritt muss nun auch der Hauptschalter 15 abgeschaltet werden, damit der Stromfluss komplett unterbrochen wird.
Die gespeicherte Energie in der Netzinduktivität 1112 kann sich über die Freilaufdiode 19 entladen. Die Energie in der Netzinduktivität 1111 würde am Eingang des Gleichspannungs¬ schalters 12 eine hohe Überspannung erzeugen. Um diese Ener- gie abzubauen und die Spannung zu begrenzen, wird der Schalter 152 nun wieder periodisch ein- und ausgeschaltet. Damit wird die Energie im Ladewiderstand 162 in Wärme umgesetzt und der Stromfluss durch Netzinduktivität 1111, Diode 163 und La¬ dewiderstand 162 abgebaut. In den Pulspausen, wenn der Schal- ter 152 abgeschaltet ist, kann der Strom weiterfließen in den Kondensator 161, so dass es nicht zu einem schnellen Stromab¬ bruch kommt. Während der Zeiten, in denen der Schalter 152 angeschaltet ist, wird der Kondensator 161 dann wieder etwas entladen, um die Spannung zu begrenzen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in Fi¬ gur 2 dargestellt. Der Gleichspannungsschalter 20 gemäß Figur 2 ist im Gegensatz zum Gleichspannungsschalter 12 der Figur 1 dafür ausgelegt, bidirektional arbeiten zu können, d.h. einen Stromfluss in beide Richtungen abschalten zu können. Übereinstimmende Komponenten der beiden Gleichspannungsschalter 12, 20 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Gleichspannungsschalter 20 ist dabei wiederum mit einer ersten und zweiten Anschlussklemme 121, 122 seriell in den ersten Pol 111 des Gleichspannungsnetzwerks 10 eingebunden. Eine dritte Anschlussklemme 123 ist mit dem zweiten Pol des Gleichspan¬ nungsnetzwerks 10 verbunden.
Zwischen erster und zweiter Anschlussklemme 121, 122 weist der Gleichspannungsschalter 20 eine Serienschaltung aus der primärseitigen Wicklung des Transformators 14, dem mechanischen Schalter 13 und der primärseitigen Wicklung eines weiteren Transformators 24 auf. Diese Serienschaltung stellt den Hauptstrompfad dar, durch den der Strom im normalen Betrieb des Gleichspannungsnetzwerks 10 fließt. Parallel zu der Se¬ rienschaltung ist eine weitere Serienschaltung aus dem Hauptschalter 15 und dem antiseriell angeordneten weiteren Hauptschalter 25 angeordnet, die den Nebenstrompfad darstellt. Pa-
rallel zum Hauptschalter 15 ist Diode 163 geschaltet, wobei diese als Bauteil im Hauptschalter 15 integriert sein kann. Parallel zum weiteren Hauptschalter 25 ist Diode 263 geschal¬ tet, wobei diese als Bauteil im weiteren Hauptschalter 25 in- tegriert sein kann.
Der Gleichspannungsschalter 12 umfasst weiterhin einen Freilaufpfad über eine Freilaufdiode 19 als Verbindung zwischen der zweiten und dritten Anschlussklemme 122, 123 und einen weiteren Freilaufpfad mit einer weiteren Freilaufdiode 191 zwischen der ersten und dritten Anschlussklemme 121, 123.
Ausgehend vom Potentialpunkt zwischen dem Hauptschalter 15 und dem weiteren Hauptschalter 25 ist eine Verbindung über den Ladewiderstand 162 zum Kondensator 161 vorhanden. Der davon abseitig gelegene Anschluss des Kondensators 161 ist mit der dritten Anschlussklemme 123 verbunden.
Der Potentialpunkt zwischen dem Kondensator 161 und dem Lade- widerstand 162 ist mit der Sekundärwicklung des Transforma¬ tors 14 verbunden. Von dieser weiterführend ist der Schalter 152 angeordnet, dessen zweiter Anschluss mit der dritten Anschlussklemme 123 und damit mit dem zweiten Pol des Gleich¬ spannungsnetzwerks 10 verbunden ist. Zwischen dem Schalter 152 und dem Kondensator 161 ist parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 14 eine Diode 271 angeordnet.
Der Potentialpunkt zwischen dem Kondensator 161 und dem Ladewiderstand 162 ist weiterhin mit der Sekundärwicklung des weiteren Transformators 24 verbunden. Von dieser weiterführend ist ein weiterer Schalter 252 angeordnet, dessen zweiter Anschluss mit der dritten Anschlussklemme 123 und damit mit dem zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks 10 verbunden ist. Zwischen dem weiteren Schalter 252 und dem Kondensator 161 ist parallel zur Sekundärwicklung des weiteren Transformators 24 eine Diode 272 angeordnet.
Der bidirektionale Gleichspannungsschalter 20 umfasst in anderen Worten zwei anti-seriell geschaltete unidirektionale Gleichspannungsschalter 12, wobei die Elemente mechanischer Schalter 13, Ladewiderstand 162 und Kondensator 161 nur ein- mal benötigt werden.
Bei Abschaltung eines Stromes von links nach rechts, d.h. von der Seite der Netzinduktivität 1111, wird die Pulserzeugung durch den Schalter 152 und den Transformator 14 für die Er- zeugung der Kommutierungsspannung und zum Abbau der Energie in der Netzinduktivität 1111 verwendet. Freilaufdiode 19 dient dem Abbau der Energie in Netzinduktivität 1112.
Bei Abschaltung eines Stromes von rechts nach links wird die Pulserzeugung durch den weiteren Schalter 252 und den weiteren Transformator 24 für die Erzeugung der Kommutierungsspannung und zum Abbau der Energie in der Netzinduktivität 1112 verwendet. Die Freilaufiode 191 dient zum Abbau der Energie in Netzinduktivität 1111. Die beiden Dioden 271, 272 parallel zu den Sekundärwicklungen der Transformatoren 14, 24 dienen als Freilaufkreis für die Streuinduktivitäten und können auch durch Widerstände ersetzt werden, analog zum unidirektionalen Gleichspannungsschalter 12.