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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Reihenschaltung von
Submodulen, die über eine Leistungshalbleiterschaltung
und einen Energiespeicher in Parallelschaltung zur Leistungshalbleiterschaltung
verfügen, wobei jedem Submodul eine Kurzschlusseinrichtung
zum Kurzschließen des Submoduls zugeordnet ist.
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Bei
Spannungszwischenumrichtern in Serienschaltung und insbesondere
bei Umrichtern für die Hochspannungsgleichstromübertragung
im Rahmen der Energieverteilung und -übertragung, werden
abschaltbare Leistungshalbleiter verwendet, um Wechselspannung in
Gleichspannung und umgekehrt umzuwandeln. Das Spannungsniveau reicht
hier von einigen 10 kV bis zu mehreren 100 kV. Um eine entsprechend
hohe Spannung zu erreichen, müssen wegen der begrenzten
Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter viele mit Leistungshalbleiterchips
bestückte Halbleitermodule in Reihe geschaltet werden. Verschiedene
Halbleitermodule können auch unter Ausbildung einer Leistungshalbleiterschaltung
miteinander verschaltet sein. Insbesondere bei so genannten Multilevel-Stromrichtern
sind solche Leistungshalbleiterschaltungen Teil eines zwei Pole
aufweisenden Submoduls, wobei die Submodule in Reihe geschaltet
sind. Im Dauerbetrieb kann es vorkommen, dass eines dieser Halbleitermodule
oder das gesamte Submodul dielektrisch versagt und einen internen
Kurzschluss ausbildet. Um ein Versagen der gesamten Anlage bei Ausfall
eines einzigen Halbleitermoduls oder eines Submoduls zu vermeiden,
wird das fehlerhafte Halbleitermodul beziehungsweise Submodul überbrückt.
Hierzu dient eine Kurzschlusseinrichtung. Diese Kurzschlusseinrichtung
muss während der Lebensdauer der Anlage eine Spannungsfestigkeit
in Höhe der Betriebsspannung eines Halbleitermoduls aufweisen
und auch im Betrieb gelegentlich auftretenden Überspannungen
Stand halten. Die Stromtragfähigkeit der Kurzschlusseinrichtung
muss auf den maximal anzunehmenden mittleren Betriebsstrom des Submoduls
ausgelegt sein. Dieser beträgt typischerweise 100 A bis
etwa 1000 A.
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Aus
dem Stand der Technik werden insbesondere bei Hochspannungsgleichstromumrichtern meistens
Leistungshalbleiter in so genannter Press-Pack-Ausführung
eingesetzt, bei denen ein interner Kurzschluss eines Halbleiterbauelements
zu einem niederohmigen Kurzschluss mit nur geringer Wärmeentwicklung
führt. Das fehlerhafte Halbleitermodul legiert mit anderen
Worten durch, so dass kein weiterer Schutz in Form einer Kurzschlusseinrichtung
notwendig ist.
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Bei
Einsatz von kostengünstigeren gebondeten Leistungshalbleitern
in Modulbauweise führt ein internes Versagen eines Halbleitermoduls
zur Bildung eines Lichtbogens, welcher innerhalb einer kurzen Zeit
von typischerweise einer etwa 1 ms abgeschaltet werden muss, um
weitere Schäden und Brandauslösung zu verhindern.
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Die
gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der
DE 103 23 220 A1 bereits
bekannt. Dort ist ein Umrichter beschrieben, der zum Anschluss an
eine mehrere Phasen aufweisende Wechselspannungsleitung vorgesehen
ist. Der Umrichter verfügt über Phasenmodule,
die einen mittigen Wechselspannungsanschluss und zwei äußere
Wechselspannungsanschlüsse aufweisen. Zwischen dem mittigen
Wechselspannungsanschluss und jedem äußeren Wechselspannungsanschluss
erstreckt sich ein Phasenmodulzweig, wobei jeder Phasenmodulzweig
aus einer Reihenschaltung von Submodulen besteht. Jedes Submodul
weist einen eigenen Kondensator auf, dem eine Leistungshalbleiterschaltung
paral lel geschaltet ist. Die Leistungshalbleiterschaltung umfasst abschaltbare
Leistungshalbleiter, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig
parallel geschaltet ist. Jeder abschaltbare Leistungshalbleiter
und die ihm jeweils zugeordnete Freilaufdiode sind zu einem Halbleitermodul
zusammengefasst. Mehrere Halbleitermodule sind miteinander verschaltet
und bilden eine so genannte Vollbrückenschaltung aus, so
dass an den beiden Anschlussklemmen des jeweiligen Submoduls entweder
die an dem Kondensator abfallende Spannung, eine Nullspannung oder
die invertierte Kondensatorspannung abfällt. Ein solcher
Umrichter wird auch als Multilevel-Umrichter bezeichnet. Die Leistungshalbleiter
eines Halbleitermoduls sind nicht durch Druckkontakt miteinander
verbunden. Vielmehr handelt es sich um kostengünstigere
gebondete Halbleitermodule, so dass ein Kurzschluss innerhalb des
Halbleiter- oder Submoduls zum Auftreten eines Lichtbogens führen
kann mit Explosionsgasen und dergleichen im Gefolge. Um dem Lichtbogen
die treibende Spannung zu entziehen, wird das fehlerhafte Submodul
kurzgeschlossen und auf diese Weise in der Reihenschaltung überbrückt.
Zum Kurzschließen ist dem Submodul eine Kurzschlusseinrichtung
parallel geschaltet, die ein Opferbauelement aus Halbleitern oder
aber einen Thyristor umfasst. Das Opferbauelement legiert im Fehlerfall
durch, wobei es zerstört wird. Der Thyristor wird im Fehlerfall gezündet
und trägt einen wesentlichen Anteil des Kurzschlussstromes.
Die vorbekannte Vorrichtung ist jedoch aufgrund der zusätzlich
verwendeten Leistungshalbleiter kostenintensiv.
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Aus
der derzeit noch unveröffentlichten
PCT/DE2006/000344 ist eine Vorrichtung
zum Kurzschließen von Submodulen bekannt, wobei die Vorrichtung
eine Kurzschlusseinrichtung aufweist, die ein pyrotechnisch-mechanisches
Element ist. Im Kurzschlussfall wird das pyrotechnisch-mechanische Element
gezündet, wobei der Sprengsatz beispielsweise einen Schaltstift explosionsartig
beschleunigt, so dass das fehlerhafte Submodul überbrückt
wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es eine Vorrichtung der eingangs gekannten Art
bereitzustellen, die kostengünstig ist und gleichzeitig
ein sicheres Überbrücken eines fehlerhaften Submoduls
ermöglicht.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Kurzschlusseinrichtung
eine Vakuumschaltröhre ist.
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Erfindungsgemäß wird
nicht wie im Stand der Technik ein Halbleiter oder eine Luftschaltstrecke,
sondern eine Vakuumschaltröhre eingesetzt. Solche Vakuumschaltröhren
werden in großen Stückzahlen gefertigt und sind
daher kostengünstig auf dem Markt erhältlich.
Insbesondere handelsübliche Vakuumschaltröhren
für die Niederspannung weisen die erforderlichen elektrischen
Parameter auf und sind auch aufgrund ihrer Baugröße
als Kurzschließer für die Submodule eines Stromrichters
geeignet.
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Vakuumschaltstrecken
weisen ein besonders hohes dielektrisches Isolationsvermögen
auf, so dass der Schaltweg zwischen den Kontakten der Vakuumschaltröhre
sehr klein gehalten werden kann. Dies bewirkt, dass auch die beschleunigenden
Kräfte zum Überführen der Vakuumschaltröhre
von einer Trennstellung in eine Kontaktstellung ebenfalls gering
ausfallen können.
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Vorteilhafterweise
ist eine Auslöse- und Verklinkungseinheit zum Verklinken
der Vakuumschaltröhre in einer Trennstellung und zum Aufheben
der Verklinkung vorgesehen. Die Auslöse- und Verklinkungseinheit
hält einen beweglich geführten Bewegkontakt der
Vakuumschaltröhre in einer Trennstellung, in dem einen
Stromfluss über die Vakuumschaltröhre unterbrochen
ist.
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Löst
diese Auslöse- und Verklinkungseinheit hingegen aus, wird
die Vakuumschaltröhre in ihre Kontaktstellung überführt,
in der sie das Submodul überbrückt.
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Zweckmäßigerweise
ist eine Schließfeder vorgesehen, die in der Trennstellung
der Vakuumschaltröhre gespannt ist, so dass durch ein Lösen
der Verklinkung die Federkraft der Schließfeder zum Überführen
der Vakuumschaltröhre in ihre Kontaktstellung freigesetzt
wird.
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Vorteilhafterweise
weist die Auslöse- und Verklinkungseinheit einen Permanentmagneten,
der eine Verklinkungskraft bereitstellt, und ein Lösemittel auf,
das beim Lösen der Verklinkung der Haltekraft entgegenwirkt.
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Vorteilhafterweise
ist das Lösemittel eine Elektrospule. Die Elektrospule
wird zum Schließen der Vakuumschaltröhre bestromt.
Durch das Bestromen erzeugt die Elektrospule ein magnetisches Feld, das
dem magnetischen Feld des Permanentmagneten entgegengerichtet ist.
Mit anderen Worten wird durch die Bestromung der Elektrospule eine
Haltekraft des Permanentmagneten geschwächt, so dass aufgrund
der Schließkräfte die Vakuumschaltröhre
in ihre Kontaktstellung überführt wird.
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Gemäß einer
diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung
weist die Auslöse- und Verklinkungseinheit ein magnetisches
Joch und einen beweglich geführten Anker auf, wobei das
Joch mit dem Permanentmagneten verbunden ist und der Anker in der
Trennstellung einen Magnetkreis schließt. Das Joch, der
Permanentmagnet und der Anker bilden in der Verklinkungsstelle einen
Magnetkreis aus. Dabei überbrückt der Anker einen
Luftspalt und liegt fest an dem Joch oder an dem Permanentmagneten
an. In dieser Stellung breitet sich das magnetische Feld des Permanentmagneten
in den vorteilhafterweise aus weichmag netischem Material gefertigten
Joch sowie dem diesbezüglich beweglichen Anker aus. Durch das
Schließen des Magnetkreises in der Trennstellung ist der
Magnetkreis geschlossen und ein im Vergleich zu einem Luftspalte
aufweisenden Magnetkreis energetisch günstiger Zustand
bereitgestellt, so dass für eine magnetische Verriegelung
des Ankers gesorgt ist. Dabei ist der Anker zweckmäßigerweise direkt
oder über eine zweckmäßige Hebelmechanik mit
einem Bewegkontakt der Vakuumschaltröhre verbunden. Eine
Bewegung des Ankers wird somit unmittelbar in den Bewegkontakt der
Vakuumschaltröhre eingeleitet.
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Gemäß einer
diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung
ist die Elektrospule zum Schwächen der Magnetkraft des
Permanentmagneten im Magnetkreis eingerichtet. Wird die Magnetkraft
des Permanentmagneten geschwächt, werden die der Magnetkraft
entgegengerichteten Kräfte, die zum Überführen
des Bewegkontaktes in die Kontaktstellung ausgerichtet sind, stärker
als die Magnetkraft. Es kommt somit zum Schließen der Vakuumschaltröhre
und somit zu einem Kurzschluss des Submoduls.
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Zweckmäßigerweise
ist die Leistungshalbleiterschaltung eine Vollbrückenschaltung.
Hierbei kommt es beispielsweise zum Einsatz von vier abschaltbaren
Leistungshalbleitern, wie beispielsweise IGBTs, GTOs oder IGCTs.
Jedem dieser abschaltbaren Leistungshalbleiter ist eine Freilaufdiode
gegensinnig parallel geschaltet. Jedes Submodul ist als Zweipol
ausgeführt. An den Anschlussklemmen jedes Submoduls kann
im Falle einer Vollbrückenschaltung, wie bereits im Zusammenhang
mit dem Stand der Technik beschrieben, entweder die an dem Energiespeicher
abfallende Spannung, eine Nullspannung oder die invertierte Energiespeicherspannung
erzeugt werden.
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Abweichend
davon ist die Leistungshalbleiterschaltung eine Halbbrückenschaltung.
Solche Halbbrückenschaltungen weisen lediglich zwei abschaltbare
Leistungshalbleiter auf, denen wieder jeweils eine Freilaufdiode
gegensinnig parallel geschaltet ist. Mit einer Halbbrückenschaltung,
die beispielsweise auch als Marquardt-Schaltung bekannt geworden
ist, können an den zwei Anschlussklemmen jedes Submoduls
entweder die in dem Energiespeicher des Submoduls abfallende Spannung
oder aber eine Nullspannung erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung ein Stromrichter, der einen Wechselspannungsanschluss
zum Anschluss eines Wechselspannungsnetzes aufweist. Mögliche
Anwendungen einer solchen Vorrichtungen liegen im Bereich der so
genannten „Flexible AC Transmission Systems" kurz FACTS oder
im Bereich der Hochspannungsgleichstromübertragung HGÜ.
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Zweckmäßigerweise
ist die Vakuumschaltröhre so ausgestaltet, dass diese bei
Aufhebung der Verklinkung antriebslos von der Trennstellung in eine Kontaktstellung überführbar
ist, in der das Submodul kurzgeschlossen ist. Gemäß dieser
vorteilhaften Weiterentwicklung wird die Vakuumschaltröhre
im Wesentlichen allein aufgrund der Druckdifferenz, die zwischen
dem Inneren der Vakuumschaltröhre und der Außenatmosphäre
herrscht, von ihrer Trennstellung in die Kontaktstellung überführt.
In der Kontaktstellung ist ein Stromfluss über die Vakuumschaltröhre
ermöglicht, wohingegen in der Trennstellung ein Stromfluss über
die Vakuumschaltröhre unterbrochen ist. Zu der sich aufgrund
der besagten Druckdifferenz ergebenen Kraft tritt in der Regel auch
die Spannkraft eines Faltenbalgs, der mit dem Bewegkontakt verbunden
ist. In markterhältlichen Vakuumschaltröhren herrscht
im Inneren der Vakuumschaltröhre ein Druck von etwa 10–6 Pa. Gemäß einer
diesbezüglichen Weiterentwicklung ist eine kleine Hilfsfeder
vorgesehen, durch die eine zusätzliche Hilfskraft zum Schließen
der Kontakt erzeugt.
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In
bestimmten Fällen ist es vorteilhaft, wenn eine Antriebseinheit
vorgesehen ist. Die Antriebseinheit ermöglicht ein gezieltes
Schalten der Vakuumschaltröhre.
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Weitere
zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung
sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der
Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche
Bezugzeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
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1 ein
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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2 ein
Phasenmodulzweig mit einer Reihenschaltung von Submodulen,
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3 ein
Ausführungsbeispiel einer Vakuumschaltröhre in
einer geschnittenen Seitenansicht,
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4 die
Vakuumschaltröhre gemäß 3 mit
einer Auslöse- und Verklinkungseinheit,
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5 eine
elektronische Ansteuerung zum Ansteuern der Spule der Auslöse-
und Verklinkungseinheit gemäß 4 und
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer elektronischen Ansteuerung
für die Elektrospule gemäß 4 zeigen.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1, die aus drei Phasenmodulen 2a, 2b und 2c zusammengesetzt
ist. Jedes Phasenmodul 2a, 2b und 2c ist
mit einer positiven Gleichspannungsleitung p sowie mit einer ne gativen
Gleichspannungsleitung n verbunden, so dass jedes Phasenmodul 2a, 2b, 2c zwei
Gleichspannungsanschlüsse p und n aufweist. Ferner ist
für jedes Phasenmodul 2a, 2b und 2c jeweils
ein Wechselspannungsanschluss 31 , 32 und 33 vorgesehen.
Die Wechselspannungsanschlüsse 31 , 32 und 33 sind über
einen Transformator 4 mit einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 5 verbunden.
An den Phasen des Wechselspannungsnetzes 5 fallen die Phasenspannungen
U1, U2 und U3 ab, wobei Netzströme In1, In2 und In3 fließen.
Der wechselspannungsseitige Phasenstrom eines jeden Phasenmoduls
wird mit I1, I2 und I3 bezeichnet. Der Gleichspannungsstrom ist
Id. Zwischen jedem der Wechselspannungsanschlüsse 31 , 32 oder 33 und der positiven Gleichspannungsleitung
p erstrecken sich Phasenmodulzweige 6p1, 6p2 und 6p3.
Zwischen jedem Wechselspannungsanschluss 31 , 32 , 33 und
der negativen Gleichspannungsleitung n sind die Phasenmodulzweige 6n1, 6n2 und 6n3 ausgebildet.
Jeder Phasenmodulzweig 6p1, 6p2, 6p3, 6n1, 6n2 und 6n3 besteht
aus einer Reihenschaltung aus in 1 nicht ausführlich
dargestellten Submodulen und einer Induktivität, die in 1 mit
Lkr bezeichnet ist.
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In 2 ist
die Reihenschaltung der Submodule 7 und insbesondere der
Aufbau der Submodule durch ein elektrisches Ersatzschaltbild genauer
dargestellt, wobei in 2 lediglich der Phasenmodulzweig 6p1 herausgegriffen
wurde. Die restlichen Phasenmodulzweige sind jedoch identisch aufgebaut.
Es ist erkennbar, dass jedes Submodul 7 zwei in Reihe geschaltete
abschaltbare Leistungshalbleiter T1 und T2 aufweist. Abschaltbare
Leistungshalbleiter sind beispielsweise so genannte IGBTs, GTOs, IGCTs
oder dergleichen. Diese sind dem Fachmann als solche bekannt, so
dass eine ausführliche Darstellung an dieser Stelle entfallen
kann. Jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter T1, T2 ist eine Freilaufdiode
D1, D2 antiparallel geschaltet. Parallel zur Reihenschaltung der abschaltbaren
Leistungshalbleiter T1, T2 beziehungsweise der Freilaufdioden D1 und
D2 ist ein Kondensator 8 als Energiespeicher geschaltet.
Jeder Kondensator 8 ist unipolar aufgeladen. An den Anschlussklemmen
X1 und X2 jedes Submoduls 7 können nunmehr zwei
Spannungszustände erzeugt werden. Wird von einer Ansteuereinheit 9 beispielsweise
ein Ansteuersignal erzeugt, mit dem der abschaltbare Leistungshalbleiter
T2 in seine Durchgangsstellung überführt wird,
in der ein Stromfluss über den Leistungshalbleiter T2 ermöglicht
ist, fällt an den Klemmen X1, X2 des Submoduls 7 die Spannung
null ab. Dabei befindet sich der abschaltbare Leistungshalbleiter
T1 in seiner Sperrstellung, in der ein Stromfluss über
den abschaltbaren Leistungshalbleiter T1 unterbrochen ist. Dies
verhindert die Entladung des Kondensators 8. Wird hingegen der
abschaltbare Leistungshalbleiter T1 in seine Durchgangsstellung,
der abschaltbare Leistungshalbleiter T2 jedoch in seine Sperrstellung überführt, liegt
an den Klemmen X1, X2 des Submoduls 7 die volle Kondensatorspannung
Uc an.
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Das
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß 1 und 2 wird auch
als so genannter Multi-Level-Stromrichter bezeichnet. Ein solcher
Multi-Level-Stromrichter ist beispielsweise zum Antrieb elektrischer
Maschinen, wie beispielsweise Motoren oder dergleichen, geeignet. Darüber
hinaus eignet sich ein solcher Multilevelstromrichter auch für
einen Einsatz im Bereich der Energieverteilung und -übertragung.
So dient die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise
als Kurzkupplung, die aus zwei gleichspannungsseitig miteinander
verbundenen Stromrichtern besteht, wobei die Stromrichter jeweils
mit einem Wechselspannungsnetz verbunden sind. Solche Kurzkupplungen werden
zum Energieaustausch zwischen zwei Energieverteilungsnetzen eingesetzt,
wobei die Energieverteilungsnetze beispielsweise eine unterschiedliche
Frequenz, Phasenlage, Sternpunktbehandlung oder dergleichen aufweisen.
Darüber hinaus kommen Anwendungen im Bereich der Blindleistungskompensation,
als so genannte FACTS (Flexible AC Transmission Systems) in Betracht.
Auch die Hochspannungsgleichstromübertragung über
lange Strecken hinweg ist mit solchen Multilevelstromrichtern denkbar.
Aufgrund der Fülle der unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten
ergeben sich viele unterschiedliche Betriebsspannungen, an welche
die jeweilige erfindungsgemäße Vorrichtung anzupassen ist.
Aus diesem Grunde kann die Anzahl der Submodule von einigen wenigen
bis hin zu mehreren hundert Submodulen 7 variieren.
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Wie
bereits weiter oben ausführt wurde, ist es vorteilhaft,
wenn ein fehlerhaftes Submodul innerhalb weniger Millisekunden nach
Auftreten des Fehlers kurzgeschlossen wird. Ein im Fehlerfall auftretender
Lichtbogen wird dann gelöscht, bevor größere Schäden
auftreten können. Zum Kurzschließen der Submodule
ist zwischen den Anschlussklemmen X1 und X2 jedes Submoduls 7 eine
Vakuumschaltröhre 100 als Kurzschlusseinrichtung
geschaltet. Im Normalbetrieb befindet sich die nur schematisch dargestellte
Vakuumschaltröhre 100 in ihrer Trennstellung, so
dass ein Kurzschluss zwischen den Anschlussklemmen X1 und X2 des
zugeordneten Submoduls 7 vermieden ist.
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3 zeigt
die Vakuumschaltröhre 100 in einer geschnittenen
Seitenansicht. Die Vakuumschaltröhre 100 weist
ein vakuumdichtes Gehäuse auf, das von einem ersten metallischen
Gehäuseteil 141, einem zweiten metallischen Gehäuseteil 142 sowie
einem ringförmigen Keramikisolator und einem Metallfaltenbalg
gebildet ist. In dem von den besagten Bauteilen begrenzten Innenraum
der Vakuumschaltröhre 100 herrscht ein Innendruck
von etwa 10–6 Pa. Mit anderen Worten
ist im Inneren der Vakuumschaltröhre 100 ein Vakuum
angelegt.
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Das
zweite metallische Gehäuseteil 142 wird von einem
Festkontaktbolzen 111 durchgriffen, der an seinem im Inneren
der Vakuumschaltröhre 100 angeordneten freien
Ende einen Festkontakt 101 trägt. Dem Festkontakt 101 ist
ein Bewegkontakt 102 zugeordnet, der diesem in einer Längsrichtung
gegenüber liegt und mit einem Bewegkontaktbolzen 112 fest
verbunden ist. Der Bewegkontaktbolzen 112 ist bezüglich
des Festkontaktes 101 längsbeweglich geführt,
wobei der Bewegkontaktbolzen 112 jedoch vakuumdicht mit
dem Metallfaltenbalg 120 verbunden ist. An seinem vom Bewegkontaktbolzen 112 abgewandten
Ende ist der Metallfaltenbalg 120 vakuumdicht an das erste
metallische Gehäuseteil 141 angefügt.
Der Festkontaktbolzen 101 weist ein in 3 angedeutetes
Innengewinde auf, das zum elektrischen Anschluss der ersten Anschlussklemme eines
zugeordneten Submoduls dient. Entsprechend weist auch der Bewegkontaktbolzen 112 ein
Innengewinde zur leitenden Befestigung der zweiten Anschlussklemme
des Submoduls auf.
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In 3 ist
die Vakuumschaltröhre 100 in ihrer Trennstellung
gezeigt, in der der Bewegkontakt 102 von dem Festkontakt 101 durch
einen Kontaktspalt 150 beabstandet ist. Dabei weist das
angelegte Vakuum ein hohes elektrisches Isolationsvermögen auf,
so dass bereits der gezeigte kleine Kontaktspalt 150 ausreichend
ist, um die notwendige Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltröhre 100 in
der Trennstellung bei anliegender Hochspannung bereitzustellen.
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Aufgrund
der großen Druckdifferenz, zwischen dem Inneren der Vakuumschaltröhre 100 und der
Außenatmosphäre, kommt es zu einer Kraftwirkung 200,
die in Längsrichtung des Bewegkontaktbolzens 112 wirkt
und den Bewegkontakt 102 gegen den Festkontakt 101 drängt.
Die Kraftwirkung 200 wird durch die Federkraft des Metallfaltenbalgs 120 unterstützt,
der in der gezeigten Trennstellung vorgespannt ist und den Bewegkontakt 102 ebenfalls
in Richtung des Festkontaktes 101 drängt. Zum Überführen
der Vakuumschaltröhre 100 in ihre Trennstellung
ist daher eine Haltekraft 240 erforderlich, die der Schließkraft
aufgrund des besagten Druckunterschiedes und aufgrund der Vorspannung
des Metallfaltenbalgs entgegenwirkt.
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4 zeigt
die Vakuumschaltröhre 100 mit ihrem Festkontaktbolzen 111 und
ihrem Bewegkontaktbolzen 112, wobei der Bewegkontaktbolzen 112 fest
mit einem Anker 310 einer Auslöse- und Verklinkungseinheit 300 verbunden
ist. Die Auslöse- und Verklinkungseinheit 300 umfasst
einen Permanentmagneten 330, ein weichmagnetisches Joch 320, das
mit dem Permanentmagneten 330 verbunden ist, den besagten
Anker 310 und eine Elektrospule 340. Das vom Permanentmagneten 330 erzeugte
magnetische Feld ist bestrebt, sich in einem Material auszubreiten,
das einen möglichst geringen magnetischen Widerstand aufweist.
Der Anker 310 und das Joch 320 weisen im Vergleich
zur Luft einen geringen magnetischen Widerstand auf. Um einen möglichst niedrigen
energetischen Zustand zu erreichen, ist der Anker 310 daher
bestrebt den zwischen dem Joch 320 beziehungsweise dem
Permanentmagneten 330 und dem Anker 310 erkennbaren
Luftspalt 335 zu schließen. Mit anderen Worten
wird der Bewegkontaktbolzen 112 und somit der Bewegkontakt 102 durch
die Kraft des Permanentmagneten 330 in der Trennstellung
gehalten. Durch zweckmäßiges Bestromen der Elektrospule 340 kommt
es zur Schwächung der Kraft des Permanentmagneten 330,
bis schließlich die Schließkraft größer
ist als die Haltekraft des Permanentmagneten 330, so dass
es zum Abreißen des Ankers 310 vom weichmagnetischen Joch 320 beziehungsweise
vom Permanentmagneten 330 kommt. Dabei wird die Vakuumschaltröhre 100 in
ihre Kontaktstellung überführt, in der ein Stromfluss über
die Vakuumschaltröhre 100 ermöglicht
ist. Durch Bestromung der Elektrospule 340 kann die Vakuumschalt röhre 100 somit
eingeschaltet und somit ein zugeordnetes Submodul überbrückt werden.
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5 zeigt
eine elektronische Ansteuerung 400 für die Elektrospule 340 aus 4.
Die elektronische Ansteuerung 400 umfasst ein Netzteil 410,
einen elektronisch ansteuerbaren Schließschalter 420, einen
Anschluss zur Auslösung des Schließschalters 420 sowie
einen Energiespeicher 430. Der Schließschalter 420 ist
beispielsweise ein ansteuerbarer Leistungshalbleiter, beispielsweise
ein Thyristor oder IGBT. Wird der Schließschalter 420 geschlossen
beziehungsweise in seine Durchlassstellung überführt, kommt
es zur Entladung des Energiespeichers 430 mit einem über
die Elektrospule 340 fließenden Kurzschlussstrom
im Gefolge. Aufgrund des Kurzschlussstromes erzeugt die Elektrospule 340 ein
so hohes Magnetfeld, dass der Anker 30 vom magnetischen Joch
abreißt.
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6 zeigt
ein abweichendes Ausführungsbeispiel der Auslöse-
und Verriegelungseinheit 300, wobei die Auslöse-
und Verriegelungseinheit 300 gemäß 6 keinen
Permanentmagneten aufweist. Stattdessen wird die zum Halten des
Bewegkontaktbolzens notwendige Haltekraft allein durch die Magnetkraft
der Spule erzeugt. Im Normalbetrieb wird die Spule daher erregt.
Zum Überbrücken des Submoduls 7 wird
jedoch der Schalter 420 in seine Trennstellung überführt,
so dass die Bestromung der Elektrospule 340 verhindert
ist. Damit geht die Haltekraft verloren, so dass es zum Abreißen
des Ankers und somit zum Schließen der Vakuumschaltröhre 100 aufgrund
der oben beschriebenen Schließkraft kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10323220
A1 [0005]
- - DE 2006/000344 [0006]