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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Gleichstromnetz für Wasserfahrzeuge,
insbesondere für Unterwasserfahrzeuge,
sowie für
Offshoreanlagen gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2; ein derartiges
elektrisches Gleichstromnetz ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 031 761
B3 bekannt.
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Aus
der
DE 10 2005
031 761 B3 ist ein elektrischen Gleichstromnetz eines Wasserfahrzeuges, insbesondere
eines Unterwasserfahrzeuges, bekannt, bei dem zwischen einer Gleichstromquelle, beispielsweise
einer Batterie oder einer Brennstoffzellenanlage, und einem elektrischen
Verbraucher, beispielsweise einem Fahrmotor oder einem Bordnetz,
eine Stromabschalteinrichtung geschaltet ist, die einen als Vakuumschalter
ausgebildeten Leistungsschalter und eine Kommutierungseinrichtung umfasst.
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Durch
die Kommutierungseinrichtung ist ein Lichtbogen löschbar,
der beim öffnen
des Schalters durch den durch den Schalter fließenden Strom erzeugt wird.
Die Kommutierungseinrichtung beaufschlagt hierzu den Vakuumschalter
unmittelbar nach der Erzeugung des Lichtbogens mit einem entgegengesetzt
gerichteten Strom, der den im Lichtbogen fließenden Strom kompensiert oder
zumindest soweit vermindert, dass der Lichtbogen zum Erlöschen kommt.
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Die
Kommutierungseinrichtung kann hierbei auf vielfältige Weise aufgebaut sein.
Beispielsweise weist die Kommutierungseinrichtung einen parallel zum
Vakuumschalter liegenden Kommutierungsstromkreis auf, der einen
Schalter sowie einen Ladungsspeicher, beispielsweise einen Kondensator, umfasst. Über eine
Steuereinrichtung wird sichergestellt, dass unmittelbar nach dem öffnen des
Vakuumschalters der Schalter so angesteuert wird, dass der Ladungsspeicher
parallel zum Vakuumleistungsschalter und gegensinnig gepolt geschaltet
wird, um den im Schalter beim öffnen
entstehenden Lichtbogen zu löschen.
Anstelle des Ladungsspeichers kann auch ein Ladungserzeuger, beispielsweise
eine elektrische Spule, vorgesehen sein, der von der Steuereinrichtung
so angesteuert wird, dass er nach dem öffnen des Vakuumschalters einen
Kompensationsstrom erzeugt, der den beim öffnen des Vakuumschalters entstehenden
Lichtbogen löscht.
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Aus
der
JP 9-17294 A ist
eine für
beide Stromrichtungen geeignete Gleichstromschaltvorrichtung bekannt,
die aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht, zu denen
eine einzige, beiden Stromrichtungen zugeordnete Kommutierungseinrichtung
parallel geschaltet ist. Dabei löscht
die erste Halbwelle des durch den Reihenschwingkreis der Kommutierungseinrichtung
erzeugten Resonanzstromes den in der ersten Richtung fließenden Gleichstrom
und die zweite Halbwelle des Resonanzstroms den in entgegen gesetzter
Richtung fließenden
Gleichstrom.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Gleichstromnetz
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 derart weiterzubilden, dass
es noch besser für
den Einsatz auf Wasserfahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen,
und Offshoreanlagen geeignet ist.
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Die
Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass durch einen
Vakuumschalter in einem elektrischen Gleichstromnetz Strom nicht
immer nur in einer Richtung, sondern auch in der anderen, entgegengesetzten
Richtung fließen
kann. Beispielsweise kann die Richtung eines Kurzschlussstromes durch
einen Vakuumschalter grundsätzlich
unbestimmt sein, da sie abhängig
ist vom Ort des Kurzschlusses im Netz. Auch im normalen Betrieb
des Netzes können
Umschaltungen im Netz, im Falle eines Unterwasserfahrzeuges beispielsweise
zur Einstellung unterschiedlicher Fahrtstufen oder zur Umschaltung
einer Batterie von Speise- zu Ladebetrieb, zu Änderungen in der Richtung des Stromes
durch einen Vakuumschalter führen.
Auch in Vakuumschaltern an Netzkupplungen können sich Ströme unterschiedlicher
Richtung einstellen. Die Richtung des Stromes durch den Vakuumschalter
vor dessen Öffnung
und somit auch die Richtung des Stromes in einem beim Öffnen des
Schalters entstehendem Lichtbogen kann somit unterschiedlich sein.
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Um
auch bei derart unterschiedlichen Richtungen des Stromes durch den
Vakuumschalter ein sicheres Abschalten des Stromes zu gewährleisten, sind
erfindungsgemäß durch
die Kommutierungseinrichtung von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung
erzeugte Lichtbögen
löschbar.
Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass durch die Kommutierungseinrichtung
Gegenströme
unterschiedlicher Richtung erzeugbar sind und der Vakuumschalter beim Öffnen des
Schalters gezielt mit dem für
die Löschung
des dabei entstehenden Lichtbogens benötigten, zu dem Strom durch
den Lichtbogen entgegengesetzt gerichteten, Gegenstrom beaufschlagt wird.
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Die
Kommutierungseinrichtung kann hierzu für jede der unterschiedlichen
Stromrichtungen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis aufweisen.
Unter einem Kommutierungsstromkreis wird hierbei ganz allgemein
ein Stromkreis zur Erzeugung eines Gegenstromes zur Löschung eines
Lichtbogens verstanden. Durch einen der beiden Kommutierungsstromkreise
kann dann ein Gegenstrom in der einen Richtung und durch den anderen
der beiden Kommutierungsstromkreise ein Gegenstrom in der anderen,
entgegengesetzen Richtung erzeugt werden, d. h. es können Gegenströme unterschiedlicher Richtung
zur Kompensierung des Lichtbogenstromes erzeugt werden.
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Alternativ
kann die Kommutierungseinrichtung einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die unterschiedlichen
Stromrichtungen aufweisen, der entsprechend der jeweiligen Stromrichtung
dem Vakuumschalter unterschiedlich zuschaltbar ist.
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Von
Vorteil weist die Abschalteinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung
der Richtung eines durch den Vakuumschalter fließenden Stromes auf. Diese ermöglicht es,
bei unbestimmter Richtung des Stromes durch den Schalter, die zu
einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich
vorliegende Stromrichtung zu bestimmen und gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei
dieser Stromrichtung vorgesehenen einen von zwei Kommutierungsstromkreisen
anzusteuern oder die korrekte Zuschaltung eines für beide Stromrichtungen
gemeinsamen Kommutierungsstromkreises auszulösen.
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Eine
noch weitere Erhöhung
der Abschaltsicherheit ist dadurch möglich, dass die Kommutierungseinrichtung
derart ausgebildet ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher
Größe erzeugte
Lichtbögen
löschbar
sind. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass durch die Kommutierungseinrichtung
Gegenströme
unterschiedlicher Größe erzeugbar
sind und der Vakuumschalter beim Öffnen des Schalters gezielt
mit einem Gegenstrom mit einer für
die Löschung
des dabei entstehenden Lichtbogens benötigten Größe beaufschlagt wird.
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Hierbei
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in der Praxis die Größe des Schalterstromes
sehr unterschiedlich sein kann. So kann der Schalterstrom im Fall
eines Kurzschlusses im Gleichstromnetz mehr als das 25-fache des
maximalen Stromes im Normalbetrieb des Gleichstromnetzes betragen.
Beispielsweise sind bei modernen Unterwasserfahrzeugen Summenkurzschlussströme von mehr
als 100 kA möglich,
wogegen der maximale Betriebsstrom maximal 4 kA beträgt. Durch
die Kommutierungseinrichtung muss somit ein sicheres Abschalten
sowohl der Betriebsströme
als auch der um den Faktor 25 höheren
Kurzschlussströme
gewährleistet
werden. Eine auf ein Abschalten von Betriebsstrom ausgelegte Kommutierungseinrichtung
wäre deshalb
nicht in der Lage, einen durch einen Kurzschlussstrom erzeugten
Lichtbogen zu löschen.
Umgekehrt würde
eine auf ein Abschalten von Kurzschlussströmen ausgelegte Kommutierungseinrichtung
den Vakuumschalter mit einem viel zu großen Gegenstrom beaufschlagen,
der seinerseits wieder einen Lichtbogen erzeugen könnte. Für ein sicheres
Löschen
eines Lichtbogens muss deshalb der von der Kommutierungseinrichttung
erzeugte Gegenstrom hinsichtlich seiner Größe auf den in dem Lichtbogen
fließenden
Schalterstrom angepasst sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kommutierungseinrichtung
zumindest für
die Abschaltung von Betriebsströmen und
für die
Abschaltung von Kurzschlussströmen
einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis auf.
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Alternativ
kann die Kommutierungseinrichtung einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die Abschaltung
von Betriebsströmen
und für
die Abschaltung von Kurzschlussströmen aufweisen, wobei in dem
gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung
von Kurzschlussströmen
jeweils unterschiedlich große
Gegenströme
erzeugbar sind.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist dieser gemeinsame Kommutierungsstromkreis
eine Ladevorrichtung zur Ladung eines Kondensators des Kommutierungsstromkreises
auf einen maximal zu erwartenden und abzuschaltenden Kurzschlussstrom
und eine Entladevorrichtung zur gezielten Entladung des Kondensators
bei Eintreten eines Kurzschlusses oder. bei einer geforderten normalen
Abschaltung kurz vor Auslösen
eines Gegenstromimpulses auf.
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Gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausgestaltung weist dieser gemeinsame Kommutierungsstromkreis
ein Kondensatorladegerät
auf, durch welches ein Kondensator des Kommutierungsstromkreises
bei Eintreten eines Kurzschlussfalls oder einer geforderten Normalabschaltung
auf ein vorgebbares Niveau aufladbar ist. Hierdurch kann ein besonders geringes
Gewicht und Bauvolumen der Abschalteinrichtung ermöglicht werden.
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Von
Vorteil weist die Abschalteinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung
der Größe des durch
den Vakuumschalter fließenden
Stromes auf. Dies ermöglicht
es, bei unbestimmter Größe des Stromes
durch den Schalter die Größe des tatsächlich durch
den Schalter fließenden
Stromes zu bestimmen und gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei
dieser Stromgröße benötigten Gegenstrom
zu erzeugen.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Abschaltsicherheit kann der Vakuumschalter zwei mechanisch miteinander
gekoppelte Schaltpole aufweisen, wobei einer der Schaltpole in einen
Stromzweig von einem Pluspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher und
der andere Schaltpol in einen Stromzweig von einem Minuspol der
Gleichstromquelle zu dem Verbraucher geschaltet ist, und wobei die
Abschalteinrichtung eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung
für jeden
der beiden Schaltpole aufweist. Hierdurch sind sogar Doppelerdschlüsse in einem Gleichstromnetz
abschaltbar. Für
die Kommutierungseinrichtung kommen bevorzugt die vorstehend beschriebenen
Kommutierungseinrichtungen zum Einsatz.
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Eine
noch weitergehende Erhöhung
der Abschaltsicherheit ist dadurch möglich, dass der Vakuumleistungsschalter
drei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole aufweist, wobei
ein erster der Schaltpole in einen Stromzweig von einem Pluspol der
Gleichstromquelle zu dem Verbraucher und die beiden anderen Schaltpole
in Reihe in einen Stromzweig von einem Minuspol der Gleichstromquelle
zu dem Verbraucher geschaltet sind, und wobei die Abschalteinrichtung
eine eigene Kommutierungseinrichtung für den ersten Schaltpol und
eine eigene Kommutierungseinrichtung gemeinsam für die beiden anderen Schaltpole
aufweist. Hierdurch sind ebenfalls Doppelerdschlüsse in einem Gleichstromnetz
abschaltbar. Für
die Kommutierungseinrichtung kommen ebenfalls bevorzugt die vorstehend
beschriebenen Kommutierungseinrichtungen zum Einsatz.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen
der Unteransprüche
werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert; es
zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild eines elektrischen Gleichstromnetzes eines Unterwasserfahrzeuges
mit einer Darstellung unterschiedlicher Stromrichtungen für Betriebsund
Kurzschlussströme
durch einen Vakuumschalter,
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2 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung
mit einem zwischen einer Gleichstromquelle und einem Verbraucher
geschalteten Vakuumschalter und einer Kommutierungseinrichtung,
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3 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung
mit jeweils einem eigenen Kom mutierungsstromkreis für unterschiedliche
Stromrichtungen,
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4 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung
mit einem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für unterschiedliche Stromrichtungen,
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5 eine
vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises,
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6 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung
mit einem Vakuumschalter mit zwei Schaltpolen und jeweils einer
Kommutierungseinrichtung für
jeden der Schaltpole,
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7 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung
mit jeweils einem eigenen Kommutierungsstromkreis für Betriebsströme und für Kurzschlussströme,
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8 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung
mit einem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für Betriebsströme und für Kurzschlussströme,
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9 eine
erste vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises
von 8,
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10 eine
zweite vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises
von 8 und
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11 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung
mit einem Vakuumschalter mit drei Schaltpolen und einer Kommutierungseinrichtung
für einen
der Pole und einer Kommutierungseinrichtung gemeinsam für die anderen
beiden Pole.
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Ein
in 1 gezeigtes elektrisches Gleichstromnetz 1 eines
Unterwasserfahrzeuges besteht aus zwei Teilnetzen 2, 3,
die über
eine Netzkupplung 4 miteinander verbindbar sind. Das Gleichstromnetz 1 weist
Batterien 5 und Generatoren 6 als Gleichstromquellen
und einen Fahrmotor 7 (z. B. einen DC-Motor oder einen
DC-gespeisten Motor) mit zwei Wicklungssystemen 8 zum Antrieb
eines Propellers 9 des Unterwasserfahrzeuges so wie ein
nicht näher dargestelltes
Bordnetz als elektrische Verbraucher auf.
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Die
einzelnen Komponenten des Gleichstromnetzes sind über Schalter 10, 10', 11, 11', 12, 12', 13,
miteinander verbunden. Durch die Schalter können hierbei Ströme unterschiedlicher
Richtung und Größe fließen. Wird
beispielsweise im Fahrbetrieb des Unterwasserfahrzeuges der Fahrmotor 7 durch
die Batterien 5 gespeist, fließt ein Betriebsstrom INF von einer Batterie 5 durch den
Batterieschalter 10 zum Fahrmotor 7. Wenn dagegen
im Ladebetrieb die Batterien 5 durch die Generatoren 6 aufgeladen
werden, fließt
ein Ladestrom INL von einem Generator 6 durch
den Batterieschalter 10 in die Batterie 5. Der
Betriebsstrom INF und der Ladestrom INL sind im Batterieschalter 10 entgegengesetzt
gerichtet.
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Liegt
in einem ersten Kurzschlussfall Kf1 ein Kurzschluss in dem von dem
ersten Teilnetz 2 gespeisten Wicklungssystem 8 des
Fahrmotors 7 vor, fließt
ein Kurzschlussstrom IKF1 von der Batterie 5 über den
Batterieschalter 10 in den Fahrmotor 7. Liegt
dagegen in einem zweiten Kurzschlussfall Kf2 ein Kurzschluss in
der Batterie 5 vor, so fließt ein Kurzschlussstrom IKF2 von dem Generator 6 über den Batterieschalter 10 in
die Batterie 5. Die Kurzschlussströme IKF1 und
IKF2 sind hierbei im Batterieschalter 10 entgegengesetzt
gerichtet.
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Die
Batterieschalter 10, 10' haben somit Ströme unterschiedlicher
Richtung und Größe abzuschalten.
Auch im Fall des Netzkupplungsschalters 13 sind Ströme unterschiedlicher
Richtung und Größe abzuschalten,
da über
den Netzkupplungsschalter 13 sowohl Betriebsströme als auch
Kurzschlussströme
entweder von dem Teilnetz 1 in das Teilnetz 2 oder
von dem Teilnetz 2 in das Teilnetz 1 fließen können.
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Die
Schalter 10, 10', 11, 11', 12, 12', 13 sind als
Vakuumschalter ausgebildet und jeweils Bestandteil einer Abschalteinrichtung,
die – wie
im Zusammenhang mit den 2–11 erläutert, zusätzlich noch
eine Kommutierungseinrichtung zur Löschung eines Lichtbogens in
dem Vakuumschalter aufweist. Die beiden Batterieschalter 10, 10', die beiden
Generatorschalter 11, 11' bzw. die beiden Fahrmotorschalter 12, 12' eines Teilnetzes 2, 3 müssen hierbei
nicht zwangsläufig
jeweils separate Schalter sein, sondern können auch mechanisch miteinander
gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Vakuumschalters sein,
d. h. die beiden Batterieschalter 10, 10' sind mechanisch
miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Batterieschalters,
die beiden Generatorschalter 11, 11' sind mechanisch miteinander gekoppelte
Pole eines zwei- oder dreipoligen Generatorschalters und die beiden
Fahrmotorschalter 12, 12' sind mechanisch miteinander gekoppelte
Pole eines zwei- oder dreipoligen Fahrmotorschalters.
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2 zeigt
in einer besonders vereinfachten Darstellung ein Teilnetz 20 des
in 1 dargestellten Gleichstromnetzes 1.
Das Teilnetz 20 weist eine Gleichstromquelle 21,
einen elektrischen Verbraucher 22 und eine Abschalteinrichtung 23 zur
Abschaltung eines zwischen der Gleichstromquelle 21 und dem
Verbraucher 22 fließenden
Stromes auf. Die Abschalteinrichtung 23 weist einen zwischen
die Gleichstromquelle 21 und den Verbraucher 22 geschalteten Vakuumschalter 24 sowie
eine parallel zu dem Vakuumschalter 24 geschaltete Kommutierungseinrichtung 25 auf.
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Durch
die Kommutierungseinrichtung 25 ist ein Lichtbogen in dem
Vakuumschalter 24 löschbar, der
beim Öffnen
des Schalters 24 durch Strom erzeugt wird, der durch den
Schalter 24 fließt.
Die Kommutierungseinrichtung 25 ist hierbei derart ausgebildet
ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung
erzeugte Lichtbögen
löschbar sind.
Die Kommutierungseinrichtung 25 löscht einen Lichtbogen durch
Erzeugung eines Gegenstromes und Beaufschlagung des Vakuumschalters
mit diesem Gegenstrom, d. h. eines Stromes, der entgegengesetzt
zu dem durch den Lichtbogen fließenden Strom gerichtet ist,
und der den im Lichtbogen fließenden
Strom kompensiert oder zumindest soweit vermindert, dass der Lichtbogen
zum Erlöschen kommt.
Zur Erzeugung des Gegenstromes weist die Kommutierungseinrichtung 25 einen
oder mehrere geschaltete Kommutierungsstromkreise 26 auf
(siehe auch 5).
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Die
Kommutierungseinrichtung 25 kann hierbei – wie in 3 dargestellt – für jede der
unterschiedlichen Stromrichtungen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis 26 aufweisen.
Die beiden Kommutierungsstromkreise 26 können hierbei
an sich gleich aufgebaut, aber mit unterschiedlicher Polarität dem Vakuumschalter 24 zuschaltbar
sein.
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Die
Kommutierungseinrichtung 25 kann aber auch – wie in 4 dargestellt – einen
für die
unterschiedlichen Stromrichtungen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26 aufweisen,
der mittels einer Umschalteinrichtung 27 für die unterschiedlichen Stromrichtungen
mit jeweils unterschiedlicher Polarität dem Vakuumschalter 24 parallel
zuschaltbar ist. Die Umschalteinrichtung 27 zur Änderung
der Polarität
des Kommutierungsstroms kann dabei sowohl als elektromechanisch,
pneumatisch oder hydraulisch betätigter
mechanischer Umschalter ausgeführt
sein oder auch als Brückenschaltung
von Hochleistungshalbleiterschaltern wie z. B. Hochstrom-belastbaren Thyristoren.
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In
beiden Fällen
weist die Abschalteinrichtung 23 eine Einrichtung 28 zur
Bestimmung der Richtung des durch den Schalter 24 fließenden Stromes
auf. Die Einrichtung 28 steuert mittels einer oder mehrere
Steuerleitungen 29 die Kommutierungsstromkreise 26 (siehe 3)
bzw. die Umschalteinrichtung 27 (siehe 4)
in Abhängigkeit
von der Richtung des durch den Schalter 24 fließenden Stromes.
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Ein
Kommutierungsstromkreis 26 selbst weist hierbei bevorzugt – wie in 5 dargestellt – einen
Hochleistungshalbleiterschalter 30 für hohe Impulsströme, z. B.
einen Thyristor, einen Kondensator 31, eine Ladevorrichtung 32 zur
Aufladung des Kondensators 31 und eine Zündvorrichtung 33 zur
Zündung
des Hochleistungshalbleiterschalters 30 auf.
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Bei
einer in 6 gezeigten Abschalteinrichtung
mit erhöhter
Abschaltsicherheit weist der Vakuumschalter 24 zwei mechanisch
miteinander gekoppelte Schaltpole (d. h. Schaltstrecken) 24a, 24b auf, wobei
der Schaltpol 24a in einen Stromzweig 42 vom Pluspol
der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 und
der Schaltpol 24b in einen Stromzweig 43 vom Minuspol
der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 geschaltet
ist, und wobei die Abschalteinrichtung 23 jeweils eine
eigene Kommutierungseinrichtung 25 für jeden der beiden Schaltpole 24a, 24b aufweist.
Jede der beiden Kommutierungseinrichtungen 25 weist hierzu
jeweils zwei Kommutierungsstromkreise 26 für die unterschiedlichen
Stromrichtungen durch die Schaltpole 24a, 24b auf.
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Wie
in 7 dargestellt, kann eine Kommutierungseinrichtung 25 zusätzlich noch
derart ausgebildet sein, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher
Größe erzeugte
Lichtbögen
löschbar sind.
Hierdurch kann die Abschaltsicherheit noch weiter erhöht werden.
Die Kommutierungseinrichtung 25 weist hierzu einen Kommutierungsstromkreis 26a für die Erzeugung
von Gegenströmen
zur Löschung
von Lichtbögen,
die von sehr hohen Kurzschlussströmen erzeugt werden, und einen
Kommutierungsstromkreis 26b für die Erzeugung von Gegenströmen zur
Löschung
von Lichtbögen,
die von relativ niedrigen Betriebsströmen erzeugt werden, auf. Mittels
einer Umschalteinrichtung 40 kann gezielt einer der beiden
Kommutierungsstromkreise 26a, 26b parallel dem
Schalter 24 zugeschaltet werden. Durch die Kommutierungseinrichtung 25 sind somit
Gegenströme
unterschiedlicher Größe erzeugbar
und der Vakuumschalter 24 mit diesen Gegenströmen beaufschlagbar.
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Die
Abschalteinrichtung 23 weist außerdem eine Einrichtung 41 zur
Bestimmung der Größe des durch
den Vakuumschalter fließenden
Stromes auf. Diese ermöglicht
es, bei unbestimmter Größe des Stromes
durch den Schalter die Größe des tatsächlich zu
einem bestimmten Zeitpunkt durch den Schalter fließenden Stromes
zu bestimmen und in Abhängigkeit
von der Stromgröße die Umschalteinrichtung 40 derart
anzusteuern, dass diese gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei
dieser Stromgröße vorgesehenen
Kommutierungsstromkreis 26a oder 26b parallel
dem Schalter 24 zuschaltet und bei diesem Kommutierungsstromkreis
die Erzeugung des Gegenstromes auslöst.
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Alternativ
kann gemäß 8 die
Kommutierungseinrichtung 25 auch
einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26c sowohl für die Abschaltung
von Betriebsströmen
als auch für
die Abschaltung von Kurzschlussströmen aufweisen, wobei in dem
gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26c für die Abschaltung
von Betriebsströmen
und für
die Abschaltung von Kurzschlussströmen jeweils unterschiedlich
große
Gegenströme
erzeugbar sind.
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Gemäß einer
in 9 gezeigten besonders vorteilhaften Ausgestaltung
des Kommutierungsstromkreises 26c wird der Kondensator 31 mittels
einer Ladevorrichtung 32 immer auf den maximal zu erwartenden
und abzuschaltenden Kurzschlussstrom aufgeladen, jedoch bei Eintreten
eines Kurzschlusses oder bei einer geforderten normalen Abschaltung durch
eine zum Kondensator 31 parallel geschaltete Entladevorrichtung 34 kurz
vor Auslösen
eines Kommutierungsstromimpulses gezielt soweit entladen, dass der
resultierende Kommutierungsstrom eine gerade ausreichende Amplitude
und Zeitdauer aufweist, um den Schaltlichtbogen im Vakuumschalter 24 zu
löschen. Über die
Einrichtung 41 zur Bestimmung der Größe des durch den Vakuumschalter
fließenden
Stromes wird dabei die Amplitude des erwarteten, abzuschaltenden
Stroms sowie der optimale Zeitpunkt für die Auslösung von Vakuumschalter 24 und
Kommutierungseinrichtung 25 bestimmt.
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Die
Entladevorrichtung 34 besteht in vorteilhafter Weise aus
der Serienschaltung eines Halbleiterschalters 35, wie z.
B. einem IGBT, IGCT oder Thyristors, und einem Lastwiderstand 36,
welcher die zu entladende Energie aufnimmt. Der Zeitpunkt, zu dem
die Entladevorrichtung 34 ausgelöst wird, wird dabei von der
Einrichtung 41 durch elektronische Maßnahmen, z. B. eine Mikroprozessorsteuerung,
so berechnet, dass zum Zeitpunkt der Auslösung des Kommutierungsstromimpulses
der dafür
benötigte Ladungszustand
des Impulskondensators 31 genau erreicht wird. Auf diese
Weise ist es möglich,
Betriebsströme
und Kurzschlussströme
unterschiedlichster Amplituden mit nur einem einzigen Kommutierungsstromkreis 26c abzuschalten.
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Alternativ
kann – wie
in 10 gezeigt – der Kondensator 31 auch
erst bei Eintreten eines Kurzschlussfalls oder einer geforderten
Normalabschaltung auf das jeweils geforderte Niveau aufgeladen werden;
hierzu ist ein ständig
im Leerlauf bereitstehendes Kondensatorladegerät 37 vorgesehen, welches
dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine nur geringe elektrische
Dauerbelastbarkeit aufweist, jedoch eine sehr hohe Kurzzeitbelastbarkeit
sowie eine elektronisch einstellbare Amplitude und vorzugsweise
auch Polarität.
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Für niedrigere
Kurzschlussströme
und Betriebsströme
wird der Ladevorgang durch die Einrichtung 41 entsprechend
frühzeitig
abgebrochen. Die benötigte
Polarität
wird ebenfalls von der Einrichtung 41 erkannt und dem Ladegerät 37 übermittelt,
so dass der Kondensator 31 mit der entsprechenden Polarität aufgeladen
wird.
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Diese
Schaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn auf geringes Gewicht
und Bauvolumen der Abschalteinrichtung Wert gelegt wird; für die Leistungshalbleiter
des geschalteten Kommutierungsstromkreises wird dabei keine Vollbrückenschaltung, sondern
nur eine Parallelschaltung 44 von zwei Leistungshalbleitern
benötigt,
wobei der jeweils der geforderten Polarität entsprechende Halbleiter
von der Einrichtung 41 zur Erzeugung eines Kommutierungsimpulses
angesteuert wird. Alternativ können
auch immer beide Halbleiter simultan angesteuert werden, so dass
auch ein gegebenenfalls die Polarität wechselnder Kommutierungsstrom
vom jeweiligen anderen Halbleiterschalter getragen wird; dadurch
werden antiparallele Freilaufdioden nicht mehr benötigt, was hinsichtlich
Kosten, Baugröße und Gewicht
von besonders großem
Vorteil ist.
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Weiterhin
hat diese Schaltung den Vorteil, dass der Kondensator 31 immer
nur kurzzeitig mit Spannung beaufschlagt wird, wodurch derselbe
erheblich kompakter und leichter gebaut werden kann. Dies liegt
insbesondere an der Tatsache, dass bei mit Gleichspannung belasteten
Kondensatoren das Dielektrikum für
eine niedrige Fehlerrate erheblich dicker dimensioniert werden muss
als bei Kondensatoren, welche nur mit Impulsspannungen beaufschlagt
werden.
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Eine
in 11 gezeigte Abschalteinrichtung 23 weist
einen Vakuumschalter 24 mit drei mechanisch miteinander
gekoppelten Schaltpolen 24a, 24b, 24c auf,
wobei der Schaltpol 24a in einen Stromzweig 42 vom
Pluspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 und
die Schaltpole 24b und 24c in Reihe in einen Stromzweig 43 vom
Minuspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 geschaltet
sind, und wobei die Abschalteinrichtung 23 eine Kommutierungseinrichtung 25 für den Schaltpol 24a und
eine Kommutierungseinrichtung 25 gemeinsam für die beiden
Schaltpole 24b und 24c aufweist. Jede der beiden
Kommutierungseinrichtungen 25 weist hierzu für jede der
beiden Stromrichtungen jeweils einen Kommutierungsstromkreis 26a für die Löschung von
Lichtbögen,
die von Kurzschlussströmen erzeugt
werden, und einen Kommutierungsstromkreis 26b für die Löschung von
Lichtbögen,
die von Betriebsströmen
erzeugt werden. Alternativ kann statt zweier Kommutierungsstromkreise 26a und 26b für Kurzschluss-
und Betriebsstrom auch ein gemeinsamer Kommutierungsstromkreis 26c gemäß 8–10 vorgesehen
werden.
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Eine
Steuereinrichtung 45 übernimmt
die Funktion der Einrichtung 28 von 4 und der
Einrichtung 41 von 7 und bestimmt
die Größe und Richtung
des Stromes durch den Vakuumschalter 24, ermittelt die
für die
Lichtbogenlöschung
benötigte Größe und Polarität des Gegenstromes
und steuert in Abhängigkeit
davon über
nicht näher
dargestellte Steuerleitungen gezielt den oder die für die Erzeugung
dieses Gegenstromes notwendigen Kommutierungsstromkreise sowie ggf.
vorhandene Lade-/Entladevorrichtungen und Umschalteinrichtungen
an.
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Bei
einer derartigen Ausgestaltung der Abschalteinrichtung 23 ist
eine besonders hohe Abschaltsicherheit erzielbar. Falls sich hinsichtlich
der Betriebsströme
größere Unterschiede
ergeben, kann es sinnvoll sein, zur weiteren Erhöhung der Abschaltsicherheit
noch weitere Kommutierungsstromkreise vorzusehen.