[go: up one dir, main page]

WO2018172134A1 - Verfahren zum steuern eines gleichstromschalters, gleichstromschalter und gleichspannungssystem - Google Patents

Verfahren zum steuern eines gleichstromschalters, gleichstromschalter und gleichspannungssystem Download PDF

Info

Publication number
WO2018172134A1
WO2018172134A1 PCT/EP2018/056173 EP2018056173W WO2018172134A1 WO 2018172134 A1 WO2018172134 A1 WO 2018172134A1 EP 2018056173 W EP2018056173 W EP 2018056173W WO 2018172134 A1 WO2018172134 A1 WO 2018172134A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switch
turn
current
semiconductor switch
polarity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/056173
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Kaluza
Hubert Schierling
Benno Weis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to US16/495,917 priority Critical patent/US11075623B2/en
Priority to CN201880020506.5A priority patent/CN110463040B/zh
Priority to ES18714159T priority patent/ES2922103T3/es
Priority to EP18714159.3A priority patent/EP3583695B1/de
Publication of WO2018172134A1 publication Critical patent/WO2018172134A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6871—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor
    • H03K17/6874—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor in a symmetrical configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0812—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H03K17/08128—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/602—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors in integrated circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/68—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors specially adapted for switching AC currents or voltages
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0009—AC switches, i.e. delivering AC power to a load
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a DC switch. Furthermore, the invention relates to a DC switch and a DC voltage system.
  • DC switches In order to switch a direct current, DC switches are needed. In contrast to the switching of AC switches, these are constructed significantly more complex, since in DC operation, as it prevails, for example, in DC voltage networks, the current has no zero crossing at which a loss of power realized in a simple way who ⁇ can.
  • a fault current switch is a switch that opens when a forward and a reverse current differ by a specified amount.
  • the invention has for its object to improve a DC switch and its control.
  • a method for controlling a DC switch wherein the DC switch has a first turn-off semiconductor switch and a second turn-off semiconductor switch, wherein the first te and the second turn-off semiconductor switch are so zwi ⁇ rule a first terminal and a second terminal are arranged, that a current with a first polarity by the first turn-off semiconductor switch is feasible and the current with a relation to the first polarity opposite polarity by the second turn-off semiconductor switch is feasible, depending on a
  • the object is further voltage terminal by a direct current system with at least one energy source to a DC voltage, at least one electrical load with a DC and solved at least one such DC ⁇ switch.
  • the invention is based on the finding that a mecha ⁇ African DC switch is substituted by an electronic switch, preferably a transistor. Since this must shut off a current, a turn-off semiconductor switch is used. If the current and / or voltage direction reverses, for example in the case of
  • the turn-off semiconductor is often connected to a ner antiparallel diode provided, which then directs the current in the opposite direction.
  • the current can only be switched off independently of its current flow direction, also referred to as polarity, if a second switch-off semiconductor switch is used antiserially to the first switch.
  • Antiserially in this context means that the second semiconductor switch is arranged in series with the ers ⁇ th turn-off semiconductor switch, however, a current in the other direction, that can result in the opposite polarity. Also, this is operated at a home vers diode to enable operation of the DC scarf ⁇ ters for both polarities.
  • reverse blocking IGBTs in anti-parallel connection is ⁇ sets can be.
  • the two reverse blocking IBGTs are arranged in a parallel circuit and aligned so that the first turn-off semiconductor switch can conduct the current with a first polarity and the second abschaltba ⁇ re semiconductor switch can conduct the current of opposite polarity.
  • backward-blocking IGBTs it is also possible to arrange any other reverse-blocking switchable semiconductor switches in an anti- parallel circuit.
  • the antiserial arrangement when the antiparallel diode is integrated into the chip of the transistor.
  • Such a switch is also referred to as a reverse-conducting switch.
  • MOSFET or JFET it is possible to operate the channel in both current directions (antiparallel arrangement).
  • this switch arrangement it is possible to switch not only alternating currents but also direct currents.
  • the DC switch according to the invention additionally offers the possibility of interrupting the current in only one direction. For this purpose, exactly one of the turn-off semiconductor switch is turned off.
  • an electrical consumer for the Energy intake are disconnected from the network, for example, if this threatens an overload.
  • a return can feed of energy, such as a drive, nor are ⁇ enables, as it turns the current direction, that is, the polarity of the current changes.
  • the electrical consumer may still stored energy till ⁇ ben, even if the intake of energy was interrupted by the DC ⁇ power switch. This is possible due to the two turn-off semiconductor switch.
  • the still possible energy recovery increases the environmental compatibility of the system and helps to reduce (energy) costs.
  • hazardous conditions can be avoided ⁇ example, for maintenance, since a discharge of the energy consumer located in the electrical energy storage device with this DC switch is still possible.
  • the energy storage can be completely or at least almost completely discharged before the start of maintenance.
  • the shutdown of one of the turn-off semiconductor switch in case of failure takes place. As soon as an error is detected, the DC switch is switched off. The shutdown can only one current direction by switching off exactly one
  • the shutdown can also be done for both current directions by both turn off Semiconductor switches are turned off.
  • the error case can be detected, for example, by a current that is above an operationally permissible value.
  • Another Mög ⁇ friendliness is alternatively or additionally the
  • the rate of increase of the current corresponds to the time derivative of the current.
  • the shutdown of one of the turn-off semiconductor switches in response to the time derivative of the current reading takes place.
  • an error case can be detected due to an excessively high current increase.
  • This detection offers the advantage of opening the DC switch even before reaching high current values and of avoiding a load due to high currents both for the load and for the DC switch.
  • the turn-off semiconductor switches can sometimes even be significantly smaller and cheaper dimensioned.
  • the selection of the shut down turn-off semi conductor switch is carried out in dependence on the polarity of the current ⁇ measured value of the current. This is, has he reported ⁇ advantageous to the fault current that is to analyze the current in the event of a fault, in terms of its polarity. The information about the polarity requires only 1 bit, so that it can be transmitted very easily.
  • the local control device of the switch can determine whether the fault has occurred on the load side or the mains side of it. This is possible in a simple manner on the basis of Pola ⁇ rity of the current. Depending on the polarity of the current, ie depending on the direction of the current, then only the switch is opened, which is in the direction of the error. This allows special in a network-side fault, which may have arisen by a fault in another load or in the or one of the power supply devices, the uninterrupted continued operation of the supplied by the DC switch load.
  • Network-side and load-side faults can be identified by the polarity of the fault current, ie by the polarity of the current in the event of a fault. This can he be ⁇ stripped easily from the sign of the current measured value.
  • the shutdown occurs in a first polarity at a first limit value and at a polarity opposite to the first polarity at a second threshold, wherein the first threshold amount is at least 25% greater than the second threshold. It has proved to be advantageous if the triggering threshold of the DC switch for line-side fault currents is set higher than the triggering threshold of the switch for load-side fault currents. A difference of at least 25%, in particular the monitoring to a 30% higher fault current, causes a fault in a load preferably the directly upstream switch, that is the DC switch on the associated consumer triggers, giving a natural and desired selectivity to Episode has.
  • a short circuit is detected by means of a U C E monitoring and is off by the local control device, which is provided for driving the first and second turn-off semiconductor switch, in particular independently of a higher-level control.
  • the Gleichstromschal ⁇ ter with its anti-parallel turn-off semiconductor switches is combined with a already known from inverter circuits U C E monitoring, which in the case of a short-circuit current this in the range of a few ⁇ is automatically, without that a higher-level control must be present , U C E monitoring has an effect on the switchable solid state switch of the DC switch, at which a predetermined voltage level has been exceeded. This allows in particular in a network-side fault, which may have arisen by a fault in another load or in the power source, the uninterrupted continued operation of the supplied by the switch load.
  • the load on the respective turn-off capable semiconductor switch by forming a i * t value or i 2 * t-value he ⁇ averages is, the respective semiconductor switch is switched off on exceeding a load limit value.
  • the turn-off semiconductor switches of the DC switch are each equipped with a current measurement, which is thus able to detect slowly rising and / or dau ⁇ erhaft lying above the rated value currents and after a i * t or i 2 * t model or after another Algorithm for determining the semiconductor load to turn off any overcurrent, which would constitute an inadmissible load, in particular an unacceptably high thermal load of the semiconductor and the leads. As a result, slowly increasing overloads of the consumer can be detected.
  • the evaluation can be done in the electronics of the
  • the tripping threshold can be set or parameterized.
  • the current measurement circuit currents can recognize very quickly (preferably within ⁇ ⁇ half of a few, especially less than 10] is), can be dispensed with U C E ⁇ monitoring.
  • a difference between the current measurement and a wei ⁇ nic current measurement is formed, wherein the further current reading is detected at a position at which a current reading associated return current is assumed, wherein when the amount of the difference of at least one the turn-off ⁇ baren semiconductor switch is turned off.
  • switches can be arranged for both DC rails that are triggered together or separately. In this arrangement, the current difference in the two rails can be determined. The difference can be reported to a higher-level controller, for example for diagnostic purposes.
  • a residual current protection can be realized in a simple manner, without further elements such as a residual current circuit breaker is required.
  • the difference is frequency-selective, in particular for frequencies below 1 kHz formed. It has proved advantageous ⁇ way, if the local control device opens both semiconductor switches when the difference egg ne predetermined threshold of, for example 300 mA over-writing ⁇ tet. The measurement of the difference may be limited in the frequency domain, for example at frequencies below 1 kHz, to prevent a faulty response of the DC switch.
  • the DC switch has a comparator for detecting the polarity of the current. A comparator makes it easy to determine if the current has a positive or negative polarity.
  • the comparator is a reliable member which insbesonde ⁇ re suitable for use in safety related applications. As opposed to a software-based analysis of the current Po larity is proof of reliable Ver keeping much easier to provide and ensure ⁇ .
  • a protective element in particular a load ⁇ disconnector and / or a fuse is arranged between the first terminal and one of the semiconductor switches. If so, for example due to impermissibly high voltage peaks on the DC switch, especially on the disconnectable electronic semiconductor switches, this can not turn off in time or fails when switching off and a short-circuit current should still be switched off safely, upstream of the DC switch a fuse element, also referred to as a protective element upstream.
  • a fuse element also referred to as a protective element upstream.
  • the Schutzele ⁇ ment may be in a simple design to a fuse as a fuse or a detonating fuse. The response of the fuse can be evaluated by the local control device of the DC switch and reported to a higher-level control.
  • a switch-disconnector can be installed as a repair switch, which ensures that can be performed in the off position repair work on the electrical load. If the service switch is pressed, even though the electronic switch is still turned scarf ⁇ tet, can the presence of egg ⁇ nes arc, both in switch-disconnector as well as electrical loads are detected and then, by detecting and evaluating the high-frequency components of the voltage and current signals with one of the turn-off semiconductor switch of the DC switch are turned off. For this purpose, the same current measuring device can be used, as it is also used for detecting the polarity of the fault current. Thus, this method is particularly cost-effective, since no further hardware ⁇ required for the current measurement.
  • the higher-level control can, for example, switch on and off the DC switch via a BUS.
  • the state of the electronic switch can (one out, out ⁇ triggers, etc.) will be reported.
  • the height Overvoltage ⁇ gene and / or the magnitude of the current is detected and evaluated in detecting the level of the voltages and / or currents on the individual serial switches can be determined, where an overload or a short circuit has occurred and then be selectively switched off. In this case, it is turned off in an advantageous manner only in the direction where the error has occurred ⁇ .
  • the local control device has an interface to egg ⁇ ner parent control, wherein by means of the parent control the turn-off semiconductor switches are switched on and off.
  • At least one voltage value or current value of the DC switch can be forwarded to a higher-level control, preferably potential-free, via a BUS.
  • This voltage measurement opens up the possibility that selectivity can be ensured in order to reliably detect and characterize a fault and to determine its fault location.
  • this transmitted information has only 1 bit (
  • the selectivity can be generated by adjusting current / time characteristics in the switch electronics.
  • FIG. 1 shows a DC switch, connected to an electrical load and an energy source and
  • the DC switch 1 shows a DC switch 1, which is connected to a power source 5 and an electrical load 6.
  • the energy source 5 may be a gene ⁇ ator, photovoltaic system, an energy supply network or to an energy storage device, such as a Batte ⁇ rie act.
  • the DC switch 1 serves to disconnect the electrical load 6 from the power source 5 and turn off a current i.
  • a current measuring device 4 For measuring the current i is a current measuring device 4, which can be arranged within the DC switch 1 or outside of the DC switch 1 ⁇ . Between the first terminal 21 of the
  • DC switch 1 and the second terminal 22 are the turn-off semiconductor switches 2a, 2b antiserial angeord- net. This means that a current flow through the first half ⁇ conductor switch 2a flows through the second semiconductor switch 2b antiparallel diode. With opposite polarity, ie in the reverse current flow direction, the current flows through the second semiconductor switch 2b and through the antiparallel to the first semiconductor switch 2a diode.
  • An anti ⁇ parallel circuit of the two semiconductor switches 2a, 2b is not shown here. In this case, can be dispensed with diodes, but the semiconductor switches must then be backward disabled.
  • the local control device 3 For controlling the semiconductor switches 2a, 2b is the local control device 3, which is connected to the control terminals of the semiconductor switches 2a, 2b.
  • the control logic or control logic uses as input the signal of the current measuring device 4.
  • the interface 11 is used to the higher-level control 8.
  • a further protective element ei ⁇ ne fuse 9 can be integrated into the load feeder , at a high current load, regardless of the DC switch 1, in particular independently of the local control device 3, the protection of the electrical load 6 guaranteed.
  • FIG. 2 shows a DC voltage system 50 which has a large number of energy sources 5 and electrical consumers 6. To avoid repetition, reference is made to the description of FIG. 1 and to the reference numerals introduced there. These components are connected to each other via a busbar 7.
  • the busbar 7 in this case comprises a forward conductor and a return conductor which serves the current to the electrical load 6 (forward conductor) and back again (return conductor) to the energy source 5.
  • the individual energy sources 5 and the electrical consumers 6 are each one or, not shown, several
  • DC switch 1 separably connected to the busbar 7.
  • the possibility of residual current protection is to be explained in more detail, so that ei ⁇ Nige essential components of the DC switch 1 ge ⁇ are shown in detail.
  • the local control device 3 evaluates this signal, for example, by subtraction with the signal of the current measuring device 4 and initiates the protection reaction if necessary, by setting this semiconductor switch in the blocking state on the activation of at least one of the turn-off semiconductor switch 2a, 2b.
  • the invention relates to a method for determining the state of the individual components in the DC system 50.
  • the DC switch ⁇ has a first turn-off semiconductor switch and a second turn-off semiconductor switch, wherein the first and the second turn-off semiconductor switch are arranged such between a first terminal and a second connection that a current with a first Po ⁇ lartician by the first turn-off semiconductor switch is feasible and the current with a relation to the first polarity opposite polarity by the second turn-off semiconductor switch can be guided, being switched off depending on a current measurement of one of the turn-off semicon ⁇ conductor switch.
  • the inven ⁇ tion relates to a DC switch with a first and a second turn-off semiconductor switch and a local control device for performing such a method.
  • the invention relates to a Gleichthesessys ⁇ system with at least one power source to a DC voltage clamping ⁇ and at least one electrical load with a DC voltage connection and at least one such DC switch.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromschalters (1), insbesondere eines Fehlerstrom- schalters oder eines Schutzschalters, wobei der Gleichstrom- schalter (1) einen ersten abschaltbaren Halbleiterschalter (2a) und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter (2b) aufweist, wobei der erste und der zweite abschaltbare Halb- leiterschalter (2a,2b) derart zwischen einem ersten Anschluss (21) und einem zweiten Anschluss (22) angeordnet sind, dass ein Strom (i) mit einer ersten Polarität durch den ersten ab- schaltbaren Halbleiterschalter (2a) führbar ist und der Strom (i) mit einer gegenüber der ersten Polarität entgegengesetz- ten Polarität durch den zweiten abschaltbaren Halbleiter- schalter (2b) führbar ist, wobei in Abhängigkeit eines Strom- messwertes einer der abschaltbaren Halbleiterschalter (2a,2b) abgeschaltet wird. Weiter betrifft die Erfindung einen Gleichstromschalter (1) mit einem ersten und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter (2a,2b) und einer lokalen Steuervorrichtung (3) zur Durchführung eines solchen Verfah- rens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Gleichspan- nungssystem (50) mit mindestens einer Energiequelle (5) mit einer Gleichspannung sowie mindestens einen elektrischen Ver- braucher (6) mit einem Gleichspannungsanschluss und mindes- tens einen solchen Gleichstromschalter (1).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Steuern eines Gleichstromschalters, Gleich- Stromschalter und Gleichspannungssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromschalters. Weiter betrifft die Erfindung einen Gleichstromschalter und ein Gleichspannungssystem.
Um einen Gleichstrom schalten zu können, werden Gleichstromschalter benötigt. Im Gegensatz zum Schalten von Wechselstromschaltern sind diese deutlich komplexer aufgebaut, da im Gleichstrombetrieb, wie er beispielsweise in Gleichspannungs- netzen herrscht, der Strom keinen Nulldurchgang hat, an dem ein Verlöschen des Stromes auf einfache Weise realisiert wer¬ den kann.
Derzeit am Markt befindliche Gleichstromschalter sind daher vergleichsweise teuer. Zudem sind diese oftmals nicht kurz¬ schlussfest. Aufgrund ihrer Arbeitsweise sind sie zudem groß und schwer und somit nur unter großem Aufwand in Energieversorgungssysteme oder Antriebssysteme integrierbar. Ein Schutzschalter dient zum Abschalten von elektrischen
Stromkreisen, Leitern oder einzelnen Verbrauchern bei Überschreiten der zulässigen Strom- oder Spannungswerte. Dies betrifft beispielsweise sowohl einen Überstrom als auch einen Fehlerstrom. Ein Fehlerstromschalter ist ein Schalter, der öffnet, wenn sich ein Hin- und ein Rückstrom um einen festgelegten Betrag unterscheiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstromschalter und dessen Steuerung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromschalters gelöst, wobei der Gleichstromschalter einen ersten abschaltbaren Halbleiterschalter und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter aufweist, wobei der ers- te und der zweite abschaltbare Halbleiterschalter derart zwi¬ schen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss angeordnet sind, dass ein Strom mit einer ersten Polarität durch den ersten abschaltbaren Halbleiterschalter führbar ist und der Strom mit einer gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durch den zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter führbar ist, wobei in Abhängigkeit eines
Strommesswertes einer der abschaltbaren Halbleiterschalter abgeschaltet wird. Ferner wird die Aufgabe durch einen
Gleichstromschalter mit einem ersten und einem zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter und einer lokalen Steuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens gelöst, wobei der erste und der zweite abschaltbare Halbleiterschal¬ ter derart zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss angeordnet sind, dass ein Strom mit einer ersten Polarität durch den ersten abschaltbaren Halbleiterschalter führbar ist und der Strom mit einer gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durch den zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter führbar ist, wobei mittels der lokalen Steuervorrichtung der Strom durch den Gleichstromschalter in Abhängigkeit eines Strommesswertes durch Abschal¬ ten eines der abschaltbaren Halbleiterschalter abschaltbar ist. Weiter wird die Aufgabe durch ein Gleichspannungssystem mit mindestens einer Energiequelle mit einer Gleichspannung, mindestens einem elektrischen Verbraucher mit einem Gleich- spannungsanschluss und mindestens einem solchen Gleichstrom¬ schalter gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein mecha¬ nischer DC Schalter durch einen elektronischen Schalter substituiert wird, vorzugsweise einen Transistor. Da dieser ei- nen Strom abschalten muss, kommt ein abschaltbarer Halbleiterschalter zum Einsatz. Falls die Strom- und/oder Spannungsrichtung sich umkehrt, beispielsweise im Fall einer
Rekuperation, ist der abschaltbare Halbleiter häufig mit ei- ner antiparallelen Diode versehen, die dann den Strom in Gegenrichtung leitet. In diesem Fall kann der Strom nur dann unabhängig von seiner Stromflussrichtung, auch als Polarität bezeichnet, abgeschaltet werden wenn ein zweiter abschaltba- rer Halbleiterschalter antiseriell zum ersten Schalter eingesetzt wird. Antiseriell heißt in diesem Zusammenhang, dass der zweite abschaltbare Halbleiterschalter in Reihe zum ers¬ ten abschaltbaren Halbleiterschalter angeordnet ist, allerdings einen Strom in die andere Richtung, d.h. in entgegenge- setzter Polarität führen kann. Auch dieser wird mit einer In- vers Diode betrieben, um einen Betrieb des Gleichstromschal¬ ters für beide Polaritäten zu ermöglichen. Alternativ können auch rückwärtssperrende IBGTs in Antiparallelschaltung einge¬ setzt werden. Dabei sind die beiden rückwärtssperrenden IBGTs in einer Parallelschaltung angeordnet und so ausgerichtet, dass der erste abschaltbare Halbleiterschalter den Strom mit einer ersten Polarität führen kann und der zweite abschaltba¬ re Halbleiterschalter den Strom mit entgegengesetzter Polarität führen kann. Neben rückwärtssperrenden IGBTs können auch andere beliebige rückwärtssperrende abschaltbare Halbleiter¬ schalter in einer Antiparallelschaltung angeordnet werden.
Alternativ hat es sich als vorteilhaft bei der antiseriellen Anordnung erwiesen, wenn die antiparallele Diode in den Chip des Transistors integriert ist. Ein solcher Schalter wird auch als rückwärtsleitender Schalter bezeichnet. Weiter ist es möglich, im Fall eines MOSFET oder JFET den Kanal in beide Stromrichtungen zu betreiben (antiparallele Anordnung) . Mit dieser Schalteranordnung ist es möglich, neben Wechselströmen auch Gleichströme zu schalten. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass sich im Gegensatz zu mechanischen Schaltern kein Lichtbogen innerhalb des Schalters bilden kann, der gelöscht, d.h. beseitigt, werden muss. Dabei bietet der er- findungsgemäße Gleichstromschalter zusätzlich die Möglichkeit, den Strom in nur eine Richtung zu unterbrechen. Dazu wird dann genau einer der abschaltbaren Halbleiterschalter abgeschaltet. Somit kann ein elektrischer Verbraucher für die Energieaufnahme vom Netz getrennt werden, beispielsweise wenn dadurch eine Überlastung droht. Gleichzeitig kann ein Rück- speisen von Energie, beispielsweise eines Antriebs, noch er¬ möglicht werden, da sich dabei die Stromrichtung umdreht, d.h. die Polarität des Stroms sich ändert. Somit kann der elektrische Verbraucher gespeicherte Energie weiterhin abge¬ ben, selbst wenn die Aufnahme von Energie mittels des Gleich¬ stromschalters unterbrochen wurde. Dies ist aufgrund der zwei abschaltbaren Halbleiterschalter möglich.
Die weiterhin mögliche Energierückspeisung erhöht die Umweltverträglichkeit des Systems und hilft (Energie- ) Kosten zu senken. Darüber hinaus können gefährliche Zustände beispiels¬ weise für die Wartung vermieden werden, da ein Entladen der im elektrischen Verbraucher befindlichen Energiespeicher mit diesem Gleichstromschalter weiter möglich ist. Somit kann der Energiespeicher vor Beginn von Wartungsarbeiten vollständig oder zumindest nahezu vollständig entladen werden.
Bei Wechselspannungsnetzen (einphasig oder mehrphasig) werden Verbraucher häufig mit Schaltern (= Schützen) ein- und ausgeschaltet. Wird ein Reparaturschalter (= Lasttrennschalter) gefordert, kann er anstelle des Schalters eingesetzt werden. Zum Kurzschluss Schutz wird normalerweise ein Kurzschluss Schaltorgan (= Leistungsschalter) davor eingesetzt. Und zum Leitungsschutz und/oder Kurzschlussschutz des Verbrauchers kann auch eine Schmelzsicherung zum Einsatz kommen. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Gleichstromschalters kann das Konzept bei Wechselspannungsnetzen auf einfache Weise ohne Ver¬ änderung auf Gleichstromnetze übertragen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Abschaltung eines der abschaltbaren Halbleiterschalter im Fehlerfall. Sobald ein Fehlerfall erkannt wird, wird der Gleichstromschalter ausgeschaltet. Die Abschaltung kann dabei für nur eine Stromrichtung durch Abschalten genau eines
Schalters erfolgen. Alternativ kann die Abschaltung auch für beide Stromrichtungen erfolgen indem beide abschaltbaren Halbleiterschalter abgeschaltet werden. Der Fehlerfall kann beispielsweise durch einen Strom erkannt werden, der oberhalb eines betrieblich zulässigen Wertes liegt. Eine weitere Mög¬ lichkeit besteht darin, alternativ oder ergänzend die
Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes zu untersuchen und bei Überschreiten eines festgelegten Wertes auf einen Fehler zu schließen. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes entspricht der zeitlichen Ableitung des Stromes. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Abschaltung eines der abschaltbaren Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der zeitlichen Ableitung des Strommesswertes. Bei der Abhängigkeit von der zeitlichen Ab¬ leitung des Strommesswertes kann ein Fehlerfall aufgrund ei- nes zu hohen Stromanstiegs erkannt werden. Diese Erkennung bietet den Vorteil, schon vor Erreichen hoher Stromwerte den Gleichstromschalter zu öffnen und eine Belastung durch hohe Ströme sowohl für den Verbraucher als auch für den Gleichstromschalter zu vermeiden. Damit können die abschaltbaren Halbleiterschalter teilweise sogar deutlich kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Auswahl des abzuschaltenden abschaltbaren Halb- leiterschalters in Abhängigkeit von der Polarität des Strom¬ messwertes des Stroms. Dabei hat es sich als vorteilhaft er¬ wiesen, den Fehlerstrom, d.h. den Strom im Fehlerfall, hinsichtlich seiner Polarität zu analysieren. Die Information über die Polarität erfordert nur 1 bit, so dass diese sich besonders einfach übertragen lässt.
Durch das Vorzeichen des erfassten Fehlerstromes oder der Spannung kann die lokale Steuervorrichtung des Schalters bestimmen, ob der Fehler lastseitig oder netzseitig von ihm aufgetreten ist. Dies ist auf einfache Weise anhand der Pola¬ rität des Stroms möglich. Je nach Polarität des Stromes, d.h. je nach Richtung des Stromes, wird dann nur der Schalter geöffnet, der in Richtung des Fehlers liegt. Dies erlaubt ins- besondere bei einem netzseitigen Fehler, der durch einen Fehler in einer anderen Last oder in der oder einer der Energieversorgungseinrichtungen entstanden sein kann, den unterbrechungsfreien Weiterbetrieb der von dem Gleichstromschalter versorgten Last. Netzseitige und lastseitige Fehler lassen sich anhand der Polarität des Fehlerstromes, d.h. anhand der Polarität des Stromes im Fehlerfall erkennen. Dies kann auf einfache Weise anhand des Vorzeichens des Strommesswertes er¬ kannt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Abschaltung bei einer ersten Polarität bei einem ersten Grenzwert und bei einer der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität bei einem zweiten Grenzwert, wobei der erste Grenzwert betraglich mindestens 25% größer ist, als der zweite Grenzwert. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Auslöseschwelle des Gleichstromschalters für netzseitige Fehlerströme höher gelegt wird als die Auslöseschwelle des Schalters für lastseitige Fehlerströme. Ein Unterschied von mindestens 25%, insbesondere die Überwachung auf einen 30% höheren Fehlerstrom, bewirkt, dass bei einem Fehler in einer Last bevorzugt der direkt vorgelagerte Schalter, das heißt der Gleichstromschalter an dem dazugehörigen Verbraucher, auslöst, was eine natürliche und gewünschte Selektivität zur Folge hat.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Kurzschluss mittels einer UCE-Überwachung erkannt und wird durch die lokale Steuervorrichtung, die zur Ansteue- rung des ersten und des zweiten abschaltbaren Halbleiterschalters vorgesehen ist, insbesondere unabhängig von einer übergeordneten Steuerung, abgeschaltet. Der Gleichstromschal¬ ter mit seinen antiparallelen abschaltbaren Halbleiterschaltern wird mit einer bereits aus Wechselrichterschaltungen be- kannten UCE-Überwachung kombiniert, die im Falle eines Kurzschlussstromes diesen im Bereich von wenigen \is selbsttätig, ohne dass eine übergeordnete Steuerung vorhanden sein muss, abschalten kann. Die UCE-Überwachung wirkt dabei auf den ab- schaltbaren Halbleiterschalter des Gleichstromschalters, an dem ein vorgegebener Spannungspegel überschritten wurde. Dies erlaubt insbesondere bei einem netzseitigen Fehler, der durch einen Fehler in einer anderen Last oder in der Energiequelle entstanden sein kann, den unterbrechungsfreien Weiterbetrieb der von dem Schalter versorgten Last.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Belastung des jeweiligen abschaltbaren Halbleiter- Schalters durch Bildung eines i*t-Wertes oder i2*t-Wertes er¬ mittelt, wobei bei Überschreitung eines Belastungsgrenzwertes der jeweilige abschaltbare Halbleiterschalter abgeschaltet wird. Die abschaltbaren Halbleiterschalter des Gleichstromschalters werden jeweils mit einer Strommessung ausgestattet, die damit in der Lage ist, langsam ansteigende und/oder dau¬ erhaft über dem Bemessungswert liegende Ströme zu erfassen und nach einem i*t oder i2*t Modell oder nach einem anderen Algorithmus zur Bestimmung der Halbleiterbelastung einen evtl. Überstrom abzuschalten, der eine unzulässige Belastung, insbesondere eine unzulässig hohe thermische Belastung des Halbleiters und der Zuleitungen darstellen würde. Dadurch können langsam ansteigende Überlasten des Verbrauchers er- fasst werden. Die Auswertung kann in der Elektronik des
Schalters selbst oder durch die lokale Steuervorrichtung er- folgen. Im ersten Fall ist die Auslöseschwelle einstell- oder parametrierbar . Für den Fall, dass diese Strommessung Kurzschlussströme sehr schnell erkennen kann (vorzugsweise inner¬ halb von wenigen με, insbesondere weniger als 10 ]is) , kann auf eine UCE~Überwachung verzichtet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Differenz zwischen dem Strommesswert und einem wei¬ teren Strommesswert gebildet, wobei der weitere Strommesswert an einer Stelle erfasst wird, an der ein dem Strommesswert zugehöriger Rückstrom angenommen wird, wobei bei Überschreiten des Betrags der Differenz mindestens einer der abschalt¬ baren Halbleiterschalter abgeschaltet wird. In einem Abzweig zu einem elektrischen Verbraucher, der durch den Gleichstrom- Schalter abgesichert ist, können Schalter für beide DC- Schienen angeordnet werden, die gemeinsam oder getrennt ausgelöst werden. In dieser Anordnung kann die Stromdifferenz in den beiden Schienen ermittelt werden. Die Differenz kann da- bei beispielsweise zu Diagnosezwecken an eine überlagerte Steuerung gemeldet werden. So lässt sich auf einfache Weise ein Fehlerstromschutz realisieren, ohne dass weitere Elemente wie beispielsweise ein FI-Schutzschalter benötigt wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Differenz frequenzselektiv, insbesondere für Frequenzen unterhalb 1 kHz, gebildet. Es hat sich als vorteil¬ haft erwiesen, wenn die lokale Steuervorrichtung beide abschaltbaren Halbleiterschalter öffnet, wenn die Differenz ei- ne vorgegebene Schwelle von beispielsweise 300 mA überschrei¬ tet. Die Messung der Differenz kann im Frequenzbereich eingeschränkt sein, beispielsweise auf Frequenzen unter 1 kHz, um ein Fehlansprechen des Gleichstromschalters zu verhindern. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichstromschalter einen Komparator zur Erkennung der Polarität des Stroms aufweist. Mit einem Komparator lässt sich auf einfache Weise ermitteln, ob der Strom eine positive oder negative Polarität hat. D.h. man kann mittels des Kompa- rators die Stromrichtung erkennen, indem man untersucht ob der Strom einen Wert größer oder kleiner als null hat. Der Komparator ist ein zuverlässiges Bauteil der sich insbesonde¬ re für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen eignet. Im Gegensatz zu einer softwaregestützten Analyse der Po- larität des Stromes ist der Nachweis des zuverlässigen Ver¬ haltens deutlich einfacher zu erbringen und sicherzustellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem ersten Anschluss und einem der abschaltbaren Halbleiterschalter ein Schutzelement, insbesondere ein Last¬ trennschalter und/oder eine Sicherung, angeordnet. Falls doch einmal, beispielsweise durch unzulässig hohe Spannungsspitzen am Gleichstromschalter, insbesondere an den abschaltbaren elektronischen Halbleiterschaltern, dieser nicht rechtzeitig abschalten kann oder beim Abschalten versagt und ein Kurzschlussstrom trotzdem sicher abgeschaltet werden soll, wird vor den Gleichstromschalter ein Sicherungselement, auch als Schutzelement bezeichnet, vorgeschaltet. Bei dem Schutzele¬ ment kann es sich in einer einfachen Ausführung um eine Sicherung wie eine Schmelzsicherung oder eine Sprengsicherung handeln. Das Ansprechen der Sicherung kann durch die lokale Steuervorrichtung des Gleichstromschalters ausgewertet und an eine übergeordnete Steuerung gemeldet werden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Lasttrennschalter als Reparaturschalter eingebaut werden, der sicherstellt, dass in AUS-Stellung Reparaturarbeiten am elektrischen Verbraucher durchgeführt werden können. Falls der Reparaturschalter betätigt wird, obwohl der elektronische Schalter noch eingeschal¬ tet ist, kann durch Erfassen und Auswerten der hochfrequenten Anteile der Spannungs- und Stromsignale das Vorhandensein ei¬ nes Lichtbogens, sowohl im Lasttrennschalter als auch im elektrischen Verbraucher, erkannt werden und dann mit einem der abschaltbaren Halbleiterschalter des Gleichstromschalters abgeschaltet werden. Dazu kann die gleiche Strommessvorrichtung verwendet werden, wie sie auch für das Erkennen der Polarität des Fehlerstroms verwendet wird. Somit ist dieses Verfahren besonders kostengünstig, da kein weiterer Hardware¬ bedarf für die Strommessung entsteht.
Die übergeordnete Steuerung kann z.B. über einen BUS den Gleichstromschalter einschalten und ausschalten. Ebenso kann der Zustand des elektronischen Schalters (ein, aus, ausge¬ löst, etc.) gemeldet werde. Ferner wird die Höhe der Spannun¬ gen und/oder die Höhe des Stromes erfasst und ausgewertet: bei der Erfassung der Höhe der Spannungen und/oder der Ströme an den einzelnen seriellen Schaltern kann bestimmt werden, wo eine Überlast oder ein Kurzschluss aufgetreten ist und dann selektiv abgeschaltet werden. Dabei wird in vorteilhafter Weise nur in der Richtung abgeschaltet, wo der Fehler aufge¬ treten ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die lokale Steuervorrichtung eine Schnittstelle zu ei¬ ner übergeordneten Steuerung auf, wobei mittels der übergeordneten Steuerung die abschaltbaren Halbleiterschalter zu- und abschaltbar sind. Dabei kann mindestens ein Spannungswert oder Stromwert des Gleichstromschalters an eine übergeordnete Steuerung, vorzugsweise potentialfrei, über einen BUS weiter geleitet werden. Diese Spannungsmessung eröffnet die Möglichkeit, dass Selektivität sichergestellt werden kann, um einen Fehler zuverlässig zu erkennen und zu charakterisieren und seinen Fehlerort zu bestimmen. Dabei weist im einfachsten Fall diese übertragene Information nur 1 bit (|U| > Umax) oder 2 bit (U < -Umax oder U > Umax) auf. Alternativ oder ergänzend kann die Selektivität durch Einstellen von Strom- /Zeitkennlinien in der Elektronik des Schalters erzeugt werden .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er- läutert. Es zeigen:
FIG 1 ein Gleichstromschalter, verbunden mit einem elektrischen Verbraucher und einer Energiequelle und
FIG 2 ein Energieversorgungssystem
Die FIG 1 zeigt einen Gleichstromschalter 1, der mit einer Energiequelle 5 und einem elektrischen Verbraucher 6 verbunden ist. Bei der Energiequelle 5 kann es sich um einen Gene¬ rator, Photovoltaikanlage, ein Energieversorgungsnetz oder auch um einen Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batte¬ rie handeln. Der Gleichstromschalter 1 dient dazu, den elektrischen Verbraucher 6 von der Energiequelle 5 zu trennen und einen Strom i abzuschalten. Zur Messung des Stromes i dient eine Strommessvorrichtung 4, die innerhalb des Gleichstrom- Schalters 1 oder außerhalb des Gleichstromschalters 1 ange¬ ordnet sein kann. Zwischen dem ersten Anschluss 21 des
Gleichstromschalters 1 und dem zweiten Anschluss 22 sind die abschaltbaren Halbleiterschalter 2a, 2b antiseriell angeord- net. Das bedeutet, dass ein Stromfluss durch den ersten Halb¬ leiterschalter 2a durch die zum zweiten Halbleiterschalter 2b antiparalleler Diode fließt. Bei entgegengesetzter Polarität, d.h. bei umgekehrter Stromflussrichtung fließt der Strom durch den zweiten Halbleiterschalter 2b und durch die zum ersten Halbleiterschalter 2a antiparallele Diode. Eine Anti¬ parallele Schaltung der beiden Halbleiterschalter 2a, 2b ist hier nicht dargestellt. In diesem Fall kann auf Dioden verzichtet werden, jedoch müssen die Halbleiterschalter dann rückwärts sperrfähig sein.
Zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 2a, 2b dient die lokale Steuervorrichtung 3, die mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter 2a, 2b verbunden ist. Die Steuerlogik bzw. Regelungslogik verwendet dabei als Eingangsgröße das Signal der Strommessvorrichtung 4. Zur Verbindung mit einer hier nicht dargestellten übergeordneten Steuerung 8 dient die Schnittstelle 11 zu der übergeordneten Steuerung 8. Als weiteres Schutzelement kann in den Verbraucherabzweig ei¬ ne Sicherung 9 integriert werden, die bei einer hohen Strombelastung unabhängig von dem Gleichstromschalter 1, insbesondere unabhängig von der lokalen Steuervorrichtung 3, den Schutz des elektrischen Verbrauchers 6 gewährleistet.
Die FIG 2 zeigt ein Gleichspannungssystem 50, das eine Viel¬ zahl von Energiequellen 5 und elektrischen Verbrauchern 6 aufweist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 1 und auf die dort eingeführten Bezugszei- chen verwiesen. Diese Komponenten sind über eine Sammelschiene 7 miteinander verbunden. Die Sammelschiene 7 umfasst dabei einen Hinleiter und einen Rückleiter, der dem Strom zum elektrischen Verbraucher 6 (Hinleiter) und wieder zurück (Rückleiter) zur Energiequelle 5 dient. Die einzelnen Ener- giequellen 5 sowie die elektrischen Verbraucher 6 sind jeweils über einen oder, hier nicht dargestellt, mehrere
Gleichstromschalter 1 mit der Sammelschiene 7 trennbar verbunden. Die Energieübertragung innerhalb des Gleichspannungs- Systems zwischen den Komponenten erfolgt mittels Gleichspannung auf der Sammelschiene 7. Dabei liegt zwischen den beiden Leitern eine Gleichspannung an. An dem unteren elektrischen Verbraucher soll die Möglichkeit eines Fehlerstromschutzes näher erläutert werden, so dass ei¬ nige wesentliche Komponenten des Gleichstromschalters 1 ge¬ nauer dargestellt sind. Um einen Fehlerstromschutz herzustellen, ist eine weitere Strommessvorrichtung 41 in dem entspre- chenden Verbraucherpfad vorhanden. In einem der beiden Leitern der Sammelschiene 7 ist die Strommessvorrichtung 4 angeordnet und in dem anderen Leiter die entsprechende weitere Strommessvorrichtung 41. Somit sind der Hinstrom zum elektrischen Verbraucher 6 und der Rückstrom von diesem elektrischen Verbraucher 6 messbar. Für den Fall, dass diese Ströme nicht identisch sind, d.h. die Differenz ist ungleich null, kann davon ausgegangen werden, dass ein Fehlerstrom vorhanden ist und der Gleichstromschalter öffnet seine Verbindung mittels zumindest einem der beiden abschaltbaren Halbleiterschaltern 2a, 2b. Dazu kann die weitere Strommessvorrichtung 41 das
Messsignal an den Gleichstromschalter 1 übermitteln. Die hier nicht dargestellte lokale Steuervorrichtung 3 wertet dieses Signal beispielsweise durch Differenzbildung mit dem Signal der Strommessvorrichtung 4 aus und leitet bei Bedarf die Schutzreaktion ein, indem sie über die Ansteuerung mindestens eines der abschaltbaren Halbleiterschalter 2a, 2b diesen Halbleiterschalter in den sperrenden Zustand versetzt.
Ebenso ist es möglich, den Fehlerstromschutz durch eine über- geordnete Steuerung 8 durchzuführen. In diesem Fall wird neben dem Signal der Strommessvorrichtung 4, die beispielsweise über eine entsprechende Schnittstelle 11 erfolgt, auch das Signal der weiteren Strommessvorrichtung 41 an die übergeordnete Steuerung 8 übertragen. Die übergeordnete Steuerung 8 kann darüber hinaus aus den Signalen der einzelnen Gleichstromschalter 1 den Betriebszustand der einzelnen Komponenten (Energiequellen 5 und elektrische Verbraucher 6) überwachen und bei Bedarf einen einzelnen oder mehrere Gleichspannungs- Schalter 1 ansteuern. Ebenso ist es möglich, aus diesen Informationen über den Zustand der einzelnen Komponenten im Gleichstromsystem 50 zu ermitteln. Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Steuerung eines Gleichstromschalters, wobei der Gleichstrom¬ schalter einen ersten abschaltbaren Halbleiterschalter und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter aufweist, wobei der erste und der zweite abschaltbare Halbleiterschalter derart zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten An- schluss angeordnet sind, dass ein Strom mit einer ersten Po¬ larität durch den ersten abschaltbaren Halbleiterschalter führbar ist und der Strom mit einer gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durch den zweiten ab- schaltbaren Halbleiterschalter führbar ist, wobei in Abhängigkeit eines Strommesswertes einer der abschaltbaren Halb¬ leiterschalter abgeschaltet wird. Weiter betrifft die Erfin¬ dung einen Gleichstromschalter mit einem ersten und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter und einer lokalen Steuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Gleichspannungssys¬ tem mit mindestens einer Energiequelle mit einer Gleichspan¬ nung sowie mindestens einen elektrischen Verbraucher mit einem Gleichspannungsanschluss und mindestens einen solchen Gleichstromschalter.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromschalters (1), insbesondere eines Fehlerstromschalters oder eines Schutz- Schalters, wobei der Gleichstromschalter (1) einen ersten abschaltbaren Halbleiterschalter (2a) und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter (2b) aufweist, wobei der erste und der zweite abschaltbare Halbleiterschalter (2a, 2b) derart zwischen einem ersten Anschluss (21) und einem zweiten An- schluss (22) angeordnet sind, dass ein Strom (i) mit einer ersten Polarität durch den ersten abschaltbaren Halbleiterschalter (2a) führbar ist und der Strom (i) mit einer gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durch den zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter (2b) führbar ist, wobei in Abhängigkeit eines Strommesswertes einer der abschaltbaren Halbleiterschalter (2a, 2b) abgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste abschaltbare Halbleiterschalter (2a) und der zweite abschaltbare Halblei- terschalter (2b) antiseriell angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste abschaltbare Halbleiterschalter (2a) , insbesondere ausgebildet als ein rückwärtssperrender IGBT, und der zweite abschaltbare Halb- leiterschalter (2b) , insbesondere ausgebildet als ein rück¬ wärtssperrender IGBT, in einer Antiparallelschaltung angeordnet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ab- Schaltung eines der abschaltbaren Halbleiterschalter (2a, 2b) im Fehlerfall erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, wobei die Abschal¬ tung eines der abschaltbaren Halbleiterschalter (2a, 2b) in Abhängigkeit von der zeitlichen Ableitung des Strommesswertes erfolgt .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei genau einer der abschaltbaren Halbleiterschalter (2a, 2b) abgeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Aus¬ wahl des abzuschaltenden abschaltbaren Halbleiterschalters (2a, 2b) in Abhängigkeit von der Polarität des Strommesswertes des Stroms (i) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Abschaltung bei einer ersten Polarität bei einem ersten Grenzwert erfolgt und bei einer der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität bei einem zweiten Grenzwert erfolgt, wobei der erste Grenzwert betraglich mindestens 25% größer ist als der zweite Grenz- wert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Kurzschluss mittels einer UCE~Überwachung erkannt wird und durch die lokale Steuervorrichtung (3) , die zur Ansteuerung des ersten und des zweiten abschaltbaren Halbleiterschalters (2a, 2b) vorgesehen ist, insbesondere unabhängig von einer übergeordneten Steuerung (8), abgeschaltet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Be- lastung des jeweiligen abschaltbaren Halbleiterschalters
(2a, 2b) durch Bildung eines i*t-Wertes oder i2*t-Wertes er¬ mittelt wird, wobei bei Überschreitung eines Belastungsgrenzwertes der jeweilige abschaltbare Halbleiterschalter (2a, 2b) abgeschaltet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Differenz zwischen dem Strommesswert und einem weiteren
Strommesswert gebildet wird, wobei der weitere Strommesswert an einer Stelle erfasst wird, an der ein dem Strommesswert zugehöriger Rückstrom angenommen wird, wobei bei Überschreiten des Betrags der Differenz mindestens einer der abschalt¬ baren Halbleiterschalter (2a, 2b) abgeschaltet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Differenz frequenzselektiv, insbesondere für Frequenzen unterhalb 1 kHz, gebil¬ det wird.
13. Gleichstromschalter (1) aufweisend
- einen ersten und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter (2a, 2b)
- eine lokale Steuervorrichtung (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
wobei der erste und der zweite abschaltbare Halbleiterschal¬ ter (2a, 2b) derart zwischen einem ersten Anschluss (21) und einem zweiten Anschluss (22) angeordnet sind, dass ein Strom (i) mit einer ersten Polarität durch den ersten abschaltbaren Halbleiterschalter (2a) führbar ist und der Strom (i) mit ei- ner gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durch den zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter (2b) führbar ist, wobei mittels der lokalen Steuervorrichtung (3) der Strom (i) durch den Gleichstromschalter (1) in Abhängigkeit eines Strommesswertes durch Abschalten eines der ab- schaltbaren Halbleiterschalter (2a, 2b) abschaltbar ist.
14. Gleichstromschalter (1) nach Anspruch 13, wobei der
Gleichstromschalter einen Komparator zur Erkennung der Polarität des Stroms (i) aufweist.
15. Gleichstromschalter (1) nach einem der Ansprüche 13 oder
14, wobei der erste und der zweite abschaltbare Halbleiter¬ schalter (2a, 2b) jeweils eine UCE~Überwachung aufweisen.
16. Gleichstromschalter (1) nach einem der Ansprüche 13 bis
15, wobei zwischen dem ersten Anschluss (21) und einem der abschaltbaren Halbleiterschalter ein Schutzelement, insbesondere ein Lasttrennschalter und/oder eine Sicherung (9), angeordnet ist.
17. Gleichstromschalter (1) nach einem der Ansprüche 13 bis
16, wobei der Gleichstromschalter (1) eine Strommessvorrich- tung (4) und/oder eine Spannungsmessvorrichtung (42) aufweist.
18. Gleichstromschalter (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 17 wobei die lokale Steuervorrichtung (3) eine Schnittstelle (11) zu einer übergeordneten Steuerung (8) aufweist, wobei mittels der übergeordneten Steuerung (8) die abschaltbaren Halbleiterschalter (2a, 2b) zu- und abschaltbar sind.
19. Gleichspannungssystem (50) umfassend
- mindestens eine Energiequelle (5) mit einer Gleichspannung
- mindestens ein elektrischer Verbraucher (6) mit einem
Gleichspannungsanschluss
- mindestens ein Gleichstromschalter (1) nach einem der An- sprüche 13 bis 18.
PCT/EP2018/056173 2017-03-23 2018-03-13 Verfahren zum steuern eines gleichstromschalters, gleichstromschalter und gleichspannungssystem Ceased WO2018172134A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/495,917 US11075623B2 (en) 2017-03-23 2018-03-13 Method for controlling a direct current switch, direct current switch, and DC voltage system
CN201880020506.5A CN110463040B (zh) 2017-03-23 2018-03-13 用于控制直流开关的方法、直流开关和直流电压系统
ES18714159T ES2922103T3 (es) 2017-03-23 2018-03-13 Procedimiento para el control de un interruptor de corriente continua, interruptor de corriente continua y sistema de tensión continua
EP18714159.3A EP3583695B1 (de) 2017-03-23 2018-03-13 Verfahren zum steuern eines gleichstromschalters, gleichstromschalter und gleichspannungssystem

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17162606.2 2017-03-23
EP17162606.2A EP3379725A1 (de) 2017-03-23 2017-03-23 Verfahren zum steuern eines gleichstromschalters, gleichstromschalter und gleichspannungssystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018172134A1 true WO2018172134A1 (de) 2018-09-27

Family

ID=58544699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/056173 Ceased WO2018172134A1 (de) 2017-03-23 2018-03-13 Verfahren zum steuern eines gleichstromschalters, gleichstromschalter und gleichspannungssystem

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11075623B2 (de)
EP (2) EP3379725A1 (de)
CN (1) CN110463040B (de)
ES (1) ES2922103T3 (de)
WO (1) WO2018172134A1 (de)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020099103A1 (de) 2018-11-15 2020-05-22 Siemens Aktiengesellschaft Elektronischer schalter mit überspannungsschutz
CN113785458A (zh) * 2019-03-22 2021-12-10 西门子股份公司 用于直流电压电路的开关装置
EP4002620A4 (de) * 2019-07-17 2022-09-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Stromausschalttvorrichtung
DE102021117260A1 (de) 2021-07-05 2023-01-05 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Fehlerstromüberwachung für ein Gleichspannungsschaltgerät
WO2023280730A1 (de) 2021-07-05 2023-01-12 Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg Fehlerstromüberwachung für ein gleichspannungsschaltgerät
WO2024009230A1 (de) 2022-07-06 2024-01-11 At-Tronic Gmbh Verfahren und schaltung zur stromkontrolle
US12081012B2 (en) 2021-07-05 2024-09-03 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg DC voltage switching device having earth fault protection

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3654506A1 (de) * 2018-11-16 2020-05-20 Siemens Aktiengesellschaft Überstromerkennung eines elektronischen schalters
EP3691127A1 (de) * 2019-01-31 2020-08-05 Siemens Aktiengesellschaft Sicherer elektronischer schalter
DE102019203977B4 (de) * 2019-03-22 2020-12-24 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschalteinrichtung für Gleichspannung und Gleichspannungsabzweig mit Schutzschalteinrichtung
EP3799306A1 (de) 2019-09-27 2021-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Elektronischer schutzschalter
US11532933B2 (en) * 2019-11-13 2022-12-20 Abb Schweiz Ag Current control and circuit protection for distributed energy resources
DE102020216405B4 (de) * 2020-12-21 2025-10-02 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterschalters, Ansteuerschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter sowie elektronischer Schutzschalter
EP4123860A1 (de) 2021-07-22 2023-01-25 Littelfuse, Inc. Sicherung und schutzschaltung basierend auf bidirektionalem schalter

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5635821A (en) * 1995-06-30 1997-06-03 National Semiconductor Corporation Low cell charge enable circuit
US20120235661A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Infineon Technologies Ag Controlling a Current Between a Source and a Load
DE102013009991A1 (de) * 2013-06-14 2014-12-18 Volkswagen Ag Fremdstartfähige Integration einer Batterie in ein Kraftfahrzeug-Bordnetz
DE102016100776A1 (de) * 2015-01-19 2016-07-21 Infineon Technologies Austria Ag Schutz vor harten Kommutierungsereignissen an Leistungsschaltern

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PT2319059E (pt) * 2008-08-27 2012-03-29 Reinhausen Maschf Scheubeck Comutador escalonado com elementos de comutação de semicondutores
JP5208149B2 (ja) * 2009-04-09 2013-06-12 パナソニック株式会社 保護回路、及び電池パック
DE102015011396A1 (de) * 2015-08-31 2017-03-02 Hochschule Reutlingen Vorrichtung und Verfahren zum elektrischen Verbinden und Trennen zweier elektrischer Potentiale sowie Verwendung der Vorrichtung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5635821A (en) * 1995-06-30 1997-06-03 National Semiconductor Corporation Low cell charge enable circuit
US20120235661A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Infineon Technologies Ag Controlling a Current Between a Source and a Load
DE102013009991A1 (de) * 2013-06-14 2014-12-18 Volkswagen Ag Fremdstartfähige Integration einer Batterie in ein Kraftfahrzeug-Bordnetz
DE102016100776A1 (de) * 2015-01-19 2016-07-21 Infineon Technologies Austria Ag Schutz vor harten Kommutierungsereignissen an Leistungsschaltern

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12184269B2 (en) 2018-11-15 2024-12-31 Siemens Aktiengesellschaft Electronic switch with surge protector
WO2020099103A1 (de) 2018-11-15 2020-05-22 Siemens Aktiengesellschaft Elektronischer schalter mit überspannungsschutz
CN113785458A (zh) * 2019-03-22 2021-12-10 西门子股份公司 用于直流电压电路的开关装置
US20220149727A1 (en) * 2019-03-22 2022-05-12 Siemens Aktiengesellschaft Switching device for a dc voltage circuit
CN113785458B (zh) * 2019-03-22 2025-11-14 西门子股份公司 用于直流电压电路的开关装置
US12212233B2 (en) * 2019-03-22 2025-01-28 Siemens Aktiengesellschaft Switching device for a DC voltage circuit
EP4002620A4 (de) * 2019-07-17 2022-09-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Stromausschalttvorrichtung
BE1029560A1 (de) 2021-07-05 2023-01-30 Phoenix Contact Gmbh & Co Fehlerstromüberwachung für ein Gleichspannungsschaltgerät
US12081012B2 (en) 2021-07-05 2024-09-03 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg DC voltage switching device having earth fault protection
WO2023280730A1 (de) 2021-07-05 2023-01-12 Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg Fehlerstromüberwachung für ein gleichspannungsschaltgerät
US12355230B2 (en) 2021-07-05 2025-07-08 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Residual current monitoring for a DC voltage switching device
DE102021117260A1 (de) 2021-07-05 2023-01-05 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Fehlerstromüberwachung für ein Gleichspannungsschaltgerät
DE102022116806A1 (de) 2022-07-06 2024-01-11 AT Tronic GmbH Verfahren und Schaltung zur Stromkontrolle
WO2024009230A1 (de) 2022-07-06 2024-01-11 At-Tronic Gmbh Verfahren und schaltung zur stromkontrolle
US12424938B2 (en) 2022-07-06 2025-09-23 At-Tronic Gmbh Method and circuit for current control

Also Published As

Publication number Publication date
US20200136604A1 (en) 2020-04-30
EP3583695B1 (de) 2022-05-11
CN110463040A (zh) 2019-11-15
US11075623B2 (en) 2021-07-27
CN110463040B (zh) 2023-09-19
EP3583695A1 (de) 2019-12-25
ES2922103T3 (es) 2022-09-08
EP3379725A1 (de) 2018-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3583695B1 (de) Verfahren zum steuern eines gleichstromschalters, gleichstromschalter und gleichspannungssystem
EP2284973B1 (de) Rückstromsensor für parallel geschaltete Solarmodule
EP3925072B1 (de) Gleichspannungsschalter
DE102012109012B4 (de) Schaltungsanordnung für ein Solarkraftwerk mit einer Gleichspannungsquelle für eine Offsetspannung
EP2193584A1 (de) Kurzschlussbegrenzungsvorrichtung in einer niederspannungsanlage
DE102019203977B4 (de) Schutzschalteinrichtung für Gleichspannung und Gleichspannungsabzweig mit Schutzschalteinrichtung
EP3574515B1 (de) Niederspannungs-schutzschaltgerät
WO2019141829A1 (de) Umschaltvorrichtung
EP3891890A1 (de) Sicherer elektronischer schalter
EP2974021B1 (de) Hochleistungs-dc-schalter
WO2018104441A1 (de) Niederspannungs-schutzschaltgerät
WO2015059195A1 (de) Wechselrichter-system und pv-system
EP3593434A1 (de) Verfahren und anordnung zum erzeugen eines auslösesignals für einen hvdc-schalter
WO2019170475A1 (de) Wechselstromladevorrichtung für ein kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben einer wechselstromladevorrichtung für ein kraftfahrzeug
EP3868021B1 (de) Elektronischer schalter
EP4010982B1 (de) Elektronischer schutzschalter
EP3609030B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur kurzschlussunterbrechung
DE102019203982B4 (de) Schalteinrichtung für einen Gleichspannungsstromkreis
LU505556B1 (de) Elektronischer Schalter
EP4010983A1 (de) Verfahren zur erfassung von schaltzuständen eines leistungsschaltermoduls in einem umrichter
DE102021208466B4 (de) Trennschaltereinheit
DE102023132088A1 (de) Elektronischer Schalter
DE102013112362A1 (de) Photovoltaikanlage sowie Betriebsverfahren und Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage
DE102020134773A1 (de) Leistungsschalter für gleichströme
EP2988385A1 (de) Schutzsystem für leistungselektronisches Durchgangssystem mit Bypass

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18714159

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018714159

Country of ref document: EP

Effective date: 20190917