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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen, insbesondere eine Hybridschaltanordnung zum Führen und Trennen hoher DC-Ströme und niederfrequenter AC-Ströme, und ein Schaltgerät mit einer derartigen Schaltvorrichtung.
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In der der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 114 259 A1 ist eine vorteilhafte Variante einer Hybridschaltanordnung beschrieben, bei der die Strombelastung des Leistungshalbleiters zur Erzielung einer möglichst hohen Lebenserwartung sowie einer möglichst geringen Dimensionierung zeitlich minimiert ist, was vor allem bei Leistungsschützen im Strombereich einiger hundert Ampere wichtig ist. Zur zeitlichen Minimierung des durch den Leistungshalbleiter fließenden Laststroms wird über einen Stromwandler der Kommutierungszeitpunkt erfasst und der Stromfluss durch den Halbleiter nur so lange aufrechterhalten, bis die sich öffnende mechanische Schaltstrecke eine ausreichende elektrische Festigkeit erreicht hat. In dieser kurzen Zeit wird der Laststrom durch den Halbleiter über dessen Ansteuerung künstlich zu Null geführt, so dass nach Öffnen sowohl der Löschkontakt- als auch der hierzu in Reihe geschalteten Trennkontaktanordnung eine sichere galvanische Trennung erzielt wird.
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Bei der Auslegung eines Schaltgeräts besteht eine wichtige Aufgabe darin, zur Gewährleistung der Funktionssicherheit das Auftreten dauerhafter sogenannter Stehlichtbögen zu verhindern.
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In einer Hybridschaltanordnung kann die Ausbildung eines ungewollten Lichtbogens beispielsweise dann provoziert werden, wenn es zwischen den noch nicht vollständig geöffneten mechanischen Schaltkontakten unmittelbar nach einem erfolgten Abschaltvorgang durch den Leistungshalbleiter zu einem elektrischen Durchschlag kommt. Dies kann beispielsweise durch ein Verschweißen der Kontakte bei einem vorausgegangenen Einschaltvorgang verursacht worden sein, was im Ergebnis zu einem zeitlich verzögerten Öffnungsvorgang aufgrund des Aufbrechens der Verschweißung durch den Schaltantrieb führt.
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Zu einem Spannungsdurchschlag mit anschließender Lichtbogenausbildung kann es auch dann kommen, wenn sich die Topografie der ursprünglich glatten Kontaktoberflächen im Zuge zahlreicher Schaltbeanspruchungen, wie z.B. bei Schützen, mit der Zeit stark verändert hat. Bei noch nicht vollständig geöffneten Schaltkontakten kann es dann aufgrund lokaler Feldüberhöhungen zu einem Spannungsdurchschlag mit anschließender Lichtbogenausbildung kommen. Insbesondere bei Hybridschaltern kann eine allmähliche Veränderung der Kontakttopografie beispielsweise durch Einschaltprellvorgänge bewirkt werden. Bei solchen Prellvorgängen kommt es zwischen den minimal geöffneten Kontakten zur Ausbildung von kurzzeitigen energiearmen Lichtbögen, welche im Bereich der Fußpunkte der Lichtbögen zu geringfügigen lokalen Aufschmelzungen der Kontaktoberflächen führen, die in Summe die Kontaktoberflächen allmählich verändern. Speziell bei DC-Schaltgeräten hat eine solche wiederholte Lichtbogenausbildung im Ergebnis eine allmähliche Materialverschiebung des Kontaktwerkstoffs zur Folge, bedingt durch die unterschiedliche Mobilität von positiven und negativen Ladungsträgern.
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Um die Gefahr von Spannungsdurchschlägen zwischen bereits geöffneten Kontakten zu reduzieren, gibt es in der Praxis bekanntermaßen die Methode des sogenannten Kontaktkonditionierens, wobei man grundsätzlich zwischen einer Spannungskonditionierung und einer Stromkonditionierung unterscheidet. Die Spannungskonditionierung kommt vor allem bei Vakuumschaltröhren im Bereich der Mittelspannung zur Anwendung. Die Methode der Spannungskonditionierung besteht darin, zwischen den geöffneten Schaltkontakten eine Spannung, vorzugsweise eine AC-Spannung im Bereich oberhalb von 1000 Volt, anzulegen und diese allmählich soweit zu erhöhen, bis es zwischen den Kontakten zu Spannungsdurchschlägen kommt. Da dies vor allem an Stellen erfolgt, wo es aufgrund von Mikrospitzen zu örtlichen elektrischen Feldüberhöhungen kommt, werden diese aufgrund des Energiegehalts der durchschlagenden Ladungsträgerpakete punktuell aufgeschmolzen oder verdampft und dadurch abgetragen, was im Ergebnis eine Glättung der Kontaktoberflächen und damit eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit der geöffneten Kontakte bewirkt.
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Eine wirkungsvolle Methode zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit ist weiterhin die Stromkonditionierung. Anders als bei der Spannungskonditionierung basiert die Stromkonditionierung auf einem gewollten Lichtbogen zwischen den geöffneten Schaltkontakten, welcher im Moment des Kontaktöffnens entsteht und für ein definiertes Zeitintervall brennt. Solche Lichtbögen können durchaus Stromstärken von einigen hundert Ampere besitzen, was aufgrund des vergleichsweise hohen Energiegehalts an den Fußpunkten zu vergleichsweise größeren örtlichen Aufschmelzungen führt und aufgrund des stochastischen Wanderungsverhaltens der Lichtbogenfußpunkte in Summe zu einer Glättung der Kontaktoberflächen führt.
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Eine Vorrichtung zur Spannungs- und Stromkonditionierung von Vakuumschaltröhren ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 42 971 A1 beschrieben. In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 14 655 A1 ist die Methode der Stromkonditionierung als fertigungstechnische Maßnahme zur Verbesserung der Eigenschaften von Vakuumschaltkammern eingehend beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen, insbesondere eine verbesserte Hybridschaltanordnung zum Führen und Trennen hoher DC-Ströme und niederfrequenter AC-Ströme, und ein verbessertes Schaltgerät mit einer derartigen Schaltvorrichtung vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung schlägt vor, einen Hybridschalter wie beispielsweise den eingangs geschilderten und aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 114 259 A1 bekannten Schalter derart zu modifizieren, dass Schaltvorgänge der mechanischen Kontaktanordnung erfasst werden und davon abhängig das An- und Abschalten eines Halbleiterschalters während eines Schaltvorgangs einer mechanischen Kontaktanordnung derart zu steuern, dass eine Konditionierung von Kontaktoberflächen von Kontakten der mechanischen Kontaktanordnung erfolgen kann. Das An- und Abschalten des Halbleiterschalters kann dann beispielsweise nach einer bestimmten Anzahl von erfassten Schaltvorgängen oder dem Erreichen einer bestimmten kumulierten Schaltleistung derart gesteuert werden, dass gezielt eine oder mehrere Lichtbögen beim Öffnen der Kontakte der mechanischen Kontaktanordnung entstehen, welche eine Glättung der Kontaktoberflächen bewirken können. Durch die Erfindung kann also eine wiederkehrende, insbesondere periodische Stromkonditionierung auf steuerungstechnischem Weg implementiert werden, wodurch die Funktionssicherheit der mechanischen Kontaktanordnung im Hinblick auf die Erzielung einer hohen elektrischen Lebensdauer verbessert werden kann.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun eine Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen mit einer mechanischen Kontaktanordnung, einem Halbleiterschalter, der parallel zur mechanischen Kontaktanordnung geschaltet ist, und einer Schaltelektronik, die zum An- und Abschalten des Halbleiterschalters während eines Schaltvorgangs der mechanischen Kontaktanordnung zum Kommutieren eines elektrischen Stromes von der mechanischen Kontaktanordnung auf den Halbleiterschalter ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist die Schaltelektronik konfiguriert, Schaltvorgänge der mechanischen Kontaktanordnung zu erfassen und davon abhängig das An- und Abschalten des Halbleiterschalters während eines Schaltvorgangs der mechanischen Kontaktanordnung derart zu steuern, dass eine Konditionierung von Kontaktoberflächen von Kontakten der mechanischen Kontaktanordnung erfolgen kann. Dadurch wird die Implementierung einer insbesondere periodischen Stromkonditionierung bei der Schaltvorrichtung ermöglicht.
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Insbesondere kann die Schaltelektronik konfiguriert sein, zum Erfassen der Schaltvorgänge die Anzahl von Schaltvorgängen nach einer Initialisierung zu zählen und bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Schaltvorgängen bei einem darauffolgenden Schaltvorgang den Halbleiterschalter um eine vorgegebene Sperrzeit t1 verzögert nach dem Öffnen der Kontakte der mechanischen Kontaktanordnung anzuschalten. Hierdurch kann beispielsweise eine periodische Stromkonditionierung implementiert werden, indem beispielsweise nach einer bestimmten Anzahl an Schaltvorgängen der Halbleiterschalter nach dem Öffnen der Kontakte der mechanischen Kontaktanordnung derart verzögert angeschaltet wird, dass ein oder mehrere Lichtbögen zwischen den sich öffnenden Kontakten entstehen, welche dann bis zum Ablauf der Sperrzeit t1 brennen und dabei eine Glättung der Kontaktoberflächen bewirken können.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltelektronik konfiguriert sein, zum Erfassen der Schaltvorgänge die Schaltleistung für jeden einzelnen Schaltvorgang nach einer Initialisierung zu erfassen und bei Erreichen einer vorgegebenen kumulierten Schaltleistung bei einem darauffolgenden Schaltvorgang den Halbleiterschalter um eine vorgegebene Sperrzeit t1 verzögert nach dem Öffnen der Kontakte der mechanischen Kontaktanordnung anzuschalten.
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Die vorgegebene Sperrzeit t1 kann abhängig von Parametern der Schaltvorrichtung derart gewählt sein, dass sich ein oder mehrere Lichtbögen zwischen den Kontaktoberflächen der sich während der Sperrzeit öffnenden Kontakte der mechanischen Kontaktanordnung ausbilden können, sodass aufgrund der Stromstärke jedes Lichtbogens an den Fußpunkten der Lichtbögen auf den Kontaktoberflächen Materialaufschmelzungen entstehen können. Insbesondere kann die vorgegebene Sperrzeit t1 abhängig von der zu schaltenden Stromstärke, der Schaltspannung, dem Material der Kontaktoberflächen, der Öffnungszeit der Kontakte, dem erreichbaren Abstand der Kontakte während der vorgegeben Sperrzeit, einem Vakuum, in dem sich die mechanische Kontaktanordnung gegebenenfalls befindet und weiteren Parametern gewählt sein, die einen Einfluss auf das Ausbilden von Lichtbögen beim Öffnen der Kontakte der mechanischen Kontaktanordnung haben können.
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Die Schaltvorrichtung kann eine weitere mechanische Kontaktanordnung aufweisen und beide mechanischen Kontaktanordnungen können in Reihe geschaltet sein. Eine derartige Doppelunterbrecher-Schaltvorrichtung eignet sich besonders gut für den Einsatz der Erfindung, da diese Art der Schaltvorrichtung vor allem zum Schalten hoher Gleichströme eingesetzt wird, bei denen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Stehlichtbögen hoch ist und daher eine Stromkonditionierung von Zeit zu Zeit zur Glättung der Kontaktoberflächen sehr hilfreich sein kann, um die Wahrscheinlichkeit für Stehlichtbögen zu reduzieren.
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Weiterhin kann die Schaltvorrichtung eine Hilfsspule aufweisen, die galvanisch vom Stromkreis eines Schaltantriebs zum Bewegen von Kontakten der mechanischen Kontaktanordnung getrennt und mit einer Spule des Schaltantriebs elektromagnetisch derart gekoppelt ist, dass in ihr beim Abschalten der Spannungsversorgung des Schaltantriebs eine Spannung erzeugt wird, die der Schaltelektronik zum Versorgen zugeführt wird. Dadurch kann die Schaltelektronik ohne externe elektrische Energieversorgung betrieben werden, insbesondere ist kein gesonderter Anschluss für die Energieversorgung oder generell eine vom zu schaltenden Stromkreis unabhängige Energieversorgung erforderlich.
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Weiterhin kann ein Stromwandler zum Erfassen des Stromflusses durch den Halbleiterschalter und Erzeugen eines entsprechenden Signals vorgesehen sein, das der Schaltelektronik zugeführt wird. Das Signal kann von der Schaltelektronik beispielsweise ausgewertet werden, um den genauen Kommutierungszeitpunkt des Stromflusses von der mechanischen Kontaktanordnung auf den Halbleiterschalter zu erfassen, aber auch um die Dauer der Strombelastung des Halbleiterschalters zu erfassen und den Halbleiterschalter vor einer zu langen Belastung und ggf. Zerstörung zu schützen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Schaltgerät mit einer Schaltvorrichtung nach der Erfindung und einem Schaltantrieb zum Bewegen von Kontakten der ersten und zweiten mechanischen Kontaktanordnung.
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Schließlich betrifft eine Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Halbleiterschalters einer Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen, die eine erste mechanische Kontaktanordnung, den Halbleiterschalter, der parallel zur ersten mechanischen Kontaktanordnung geschaltet ist, und eine zweite mechanische Kontaktanordnung aufweist, die in Reihe zur ersten mechanischen Kontaktanordnung geschaltet ist, wobei bei dem Verfahren Schaltvorgänge der mechanischen Kontaktanordnung erfasst werden und davon abhängig das An- und Abschalten des Halbleiterschalters während eines Schaltvorgangs der mechanischen Kontaktanordnung derart gesteuert wird, dass eine Konditionierung von Kontaktoberflächen von Kontakten der mechanischen Kontaktanordnung erfolgen kann.
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Das Verfahren kann von einer zum An- und Abschalten des Halbleiterschalters ausgebildeten Schaltelektronik ausgeführt werden. Insbesondere kann die Schaltelektronik durch einen Prozessor und einen Speicher implementiert sein, in dem ein Programm gespeichert ist, das den Prozessor zum Ausführen eines Verfahrens nach der Erfindung und wie hierin beschrieben konfiguriert.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnungen zeigen in
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung mit einer Doppelkontaktanordnung gemäß der Erfindung;
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2A–2C schematisch die Veränderung der Kontaktoberflächen der Kontakte einer mechanischen Kontaktanordnung durch den Betrieb in einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Steuerung eines Halbleiterschalters durch eine Schaltelektronik einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung.
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In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung für ein 2-poliges, polaritätsunabhängiges Schaltgerät. Die Anschlüsse des Schaltgeräts für die beiden Pole sind jeweils mit L1, T1 und L2, T2 bezeichnet. Diese Schaltvorrichtung entspricht schaltungstechnisch weitgehend der in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 114 259 A1 beschriebenen und darin in
1 gezeigten Vorrichtung.
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Von dieser bekannten Vorrichtung unterscheidet sich die nachfolgend beschriebene erfinderische Vorrichtung in der Schaltelektronik 50, die für eine spezielle Ansteuerung des Halbleiterschalters 20 ausgebildet ist, wie in der nachfolgenden Beschreibung noch im Detail erläutert wird. Die Schaltelektronik 50 kann beispielsweise durch einen Prozessor und einen Speicher implementiert sein (insbesondere einen Mikrokontroller), wobei in dem Speicher ein Programm gespeichert ist, das den Prozessor zum Ausführen von Verfahrensschritten konfiguriert, welche die spezielle Ansteuerung des Halbleiterschalters 20 wie nachfolgend beispielhaft erläutert durch den Prozessor bewirken. Das Programm kann beispielsweise Teil der Firmware eines Prozessor-gesteuerten Schaltgeräts sein.
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Für jeden Pol weist die in 1 gezeigte Schaltvorrichtung eine Parallelschaltung einer ersten mechanischen (Lösch-)Kontaktanordnung 10 mit einem Halbleiterschalter 20 auf Basis einer antiseriellen IGBT-Anordnung (Leistungshalbleiter) auf, welche mit einer zweiten mechanischen Kontaktanordnung 30 zur Sicherstellung der galvanischen Trennung in Serie geschaltet ist. Die mechanischen Kontaktanordnungen 10 und 30 können als Brückenschaltanordnung eines Luftschaltgeräts bzw. -anordnung ausgebildet sein.
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Der Halbleiterschalter 20 wird von der Schaltelektronik 50 an- oder abgeschaltet, d.h. durchgesteuert oder gesperrt. Die Schaltelektronik 50 wird von einer in der (Magnetantriebs-)Spule des Schalt- bzw. Magnetantriebs des Schaltgeräts gespeicherten Energie versorgt. Hierzu ist eine galvanisch vom Stromkreis des Schaltantriebs getrennte Hilfsspule 40 vorgesehen, welche beim Abschalten des Schaltantriebs eine Spannung zum Versorgen der Schaltelektronik 50 erzeugen kann. Die Hilfsspule 40 kann beispielsweise um die Antriebsspule gewickelt sein. Zusätzlich oder auch alternativ kann die Schaltelektronik 50 durch eine (nicht dargestellte) externe elektrische Energiequelle versorgt werden, beispielsweise von einer zentralen Energiequelle für die elektrischen Einheiten eines Schaltschranks oder über ein Bussystem, an das mehrere Schaltvorrichtungen gekoppelt sind, und dergleichen.
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Im eingeschalteten Fall, d.h. wenn der Schaltantrieb die Magnetantriebs-Spule mit einer Spannung und einem Strom versorgt und die Kontakte der ersten und zweiten mechanischen Kontaktanordnungen 10 und 30 geschlossen sind, ist der Halbleiterschalter 20 gesperrt, da in diesem Zustand von der Hilfsspule 40 keine Spannung zum Versorgen der Schaltelektronik 50 erzeugt wird und die Schaltelektronik 50 daher spannungslos ist und die IGBTs des Halbleiterschalters 20 nicht ansteuern kann.
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Im Moment des Einschaltens der Spannungs- und Stromversorgung der Magnetantriebs-Spule des Schaltantriebs zum Schließen der Kontakte der ersten und zweiten mechanischen Kontaktanordnungen 10 und 30 wird in der Magnetantriebs-Spule Energie gespeichert. Durch den Spulenstrom wird in der elektromagnetisch mit der Magnetantriebs-Spule gekoppelten Hilfsspule 40 eine Spannung induziert, welche die Schaltelektronik 50 aktiviert.
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Die in der Hilfsspule 40 induzierte Spannung reicht aus, um zum einen die Schaltelektronik 50 selbst zu versorgen, zum anderen um die zum Ansteuern der IGBTs erforderliche Spannung aufzubauen. Die Hilfsspule 40 bietet den Vorteil, dass die Ansteuerung des Halbleiterschalters bereits vor Schließen der Kontakte der ersten und zweiten mechanischen Kontaktanordnungen 10 bzw. 30 aufgrund der mechanischen Trägheit erfolgen kann.
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Mit der Aktivierung der Schaltelektronik 50 startet ein Initialisierungsvorgang. Um auf steuertechnischem Weg gezielt eine Glättung der Kontaktoberflächen herbeizuführen, wird erfindungsgemäß jeder Schaltvorgang von der Schaltelektronik erfasst und gespeichert. Dies kann entweder als reiner Zählvorgang erfolgen oder auch durch zusätzliches Erfassen der Schaltleistung für jeden einzelnen Schaltvorgang, z.B. mit Hilfe von im Hybridschalter integrierten geeigneten Strom- und Spannungssensoren.
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Im „Normalfall“ erfolgt das Abschalten des Laststroms dabei auf die für Hybridschalter typische Weise, d.h. während des Öffnungsvorgangs der mechanischen Schaltkontakte fließt der Laststrom kurzzeitig über den Halbleiterschalter 20, wo er innerhalb weniger Millisekunden zu Null geführt wird.
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Bei Erreichen einer definierten Zahl von Schaltungen oder auch einer definierten kumulierten Schaltleistung wird dann erfindungsgemäß der Abschaltvorgang des nachfolgenden oder auch einiger weiterer folgender Schaltvorgänge in der Weise modifiziert, dass beim Öffnen der Schaltkontakte der Halbleiterschalter 20 für ein definiertes Zeitintervall von z.B. einigen 10 Millisekunden nicht angesteuert wird, so dass innerhalb dieses Intervalls zwischen den Schaltkontakten ein Lichtbogen brennt.
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Aufgrund der Brenncharakteristik von Lichtbögen, insbesondere Vakuumschaltlichtbögen im Strombereich von maximal einiger tausend Ampere und des bei Gleichströmen fehlenden natürlichen Stromnulldurchgangs kann es hierbei zu dem in der
DE 197 14 655 A1 beschriebenen Stromkonditionierungseffekt kommen, der im Ergebnis zu einer zumindest teilweisen Glättung der Kontaktoberflächen führt.
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Nach Ablauf des für das Brennen des Lichtbogens steuerungstechnisch vorgesehenen Zeitintervalls wird schließlich der Halbleiteschalter 20 leitend geschaltet, wodurch dieser dann in gewohnter Weise den Laststrom übernimmt und ihn innerhalb einer sehr kurzen Zeit zu Null führt.
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Der mit einer solchen Stromkonditionierung erzielte Glättungseffekt der Kontaktoberflächen ist in den –C schematisch dargestellt:
Die in den 2A–C gezeigte mechanische Kontaktanordnung eines Vakuumschalters weist eine erste Elektrode 100 und eine zweite Elektrode 102 auf. Jede der Elektroden 100, 102 besitzt einen Kontakt 104 bzw. 106, die jeweils eine Kontaktoberfläche 108 bzw. 110 umfassen, die zum Kontaktieren aneinandergedrückt werden.
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Bei der in 2A gezeigten Kontaktanordnung ist es infolge zahlreicher Schalthandlungen zu einer lokalen Anhäufung bzw. Abtragung von Kontaktmaterial gekommen: beispielsweise weist die erste Kontaktoberfläche 108 des ersten Kontaktes 104 der ersten Elektrode 100 eine Materialabtragstelle 112 und die zweite Kontaktoberfläche 110 des zweiten Kontaktes 106 der zweiten Elektrode eine entsprechende Materialanhäufungsstelle 114 auf. Die Materialabtragstelle 112 und die Materialanhäufungsstelle 114 können beispielsweise durch mehrere Schaltvorgänge und dabei auftretende lokale Aufschmelzungen wie eingangs beschrieben entstanden sein.
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2B zeigt die gleiche Kontaktanordnung, bei welcher nach einer definierten Zahl von Schalthandlungen beim Öffnen gewollt Vakuumlichtbögen 116 gezogen werden, indem zwischen den geöffneten Kontakten 104 und 106 an den Elektroden 100, 102 eine entsprechend bemessene Gleichspannung für eine vorgegebene Zeitdauer anliegt.
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Aufgrund der lokalen elektrischen Felderhöhung im Bereich der Materialanhäufungsstelle 114 bilden sich die Fußpunkte der Vakuumlichtbögen 116 vorzugsweise in diesem Bereich aus, was im Ergebnis zu einer partiellen Einebnung der Oberflächeninhomogenitäten aufgrund der dort wirkenden Lichtbogenarbeit führt, wie es in 2C gezeigt ist. Die Kontaktoberflächen 108 und 110 sind nun aufgrund der Stromkonditionierung geglättet worden, indem sie nun eine partiell eingeebnete Materialabtragstelle 112‘ und eine partiell eingeebnete Materialanhäufungsstelle 114‘ aufweisen.
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Der schematische grundlegende Steuerungsablauf zur Konditionierung der Kontaktoberflächen ist in 3 dargestellt:
In Schritt S10 erfolgt die Initialisierung der Schaltelektronik 50; die hierfür erforderliche Energieversorgung kann z.B. dem Lastkreis entnommen werden oder sie erfolgt induktiv über die Hilfsspule 40, welche durch die Freilaufspannung der Magnetantriebsspule beim Abschalten des Schaltgeräts versorgt wird.
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Nach der Initialisierung überprüft die Schaltelektronik 50 in Schritt S12, ob eine Sollschaltzahl für eine periodische Stromkonditionierung erreicht ist, insbesondere indem sie aus einem internen nichtflüchtigen Speicher eine gespeicherte Schaltzahl ausliest, welche die seit der zuletzt durchgeführten Stromkonditionierung durchgeführten Schaltvorgänge repräsentiert, und die ausgelesene Schaltzahl mit der insbesondere elektronisch vorgegebenen Sollschaltzahl vergleicht, welche abhängig von Parametern der Schaltvorrichtung für eine geeignete Stromkonditionierungsperiode gewählt sein kann, beispielsweise abhängig von der Strombelastung der Schaltvorrichtung.
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Wird in Schritt S12 festgestellt, dass die Sollschaltzahl für eine periodische Stromkonditionierung erreicht ist, wird der Halbleiterschalter 20 bei der bevorstehenden Abschaltung zunächst nichtleitend, sondern in Schritt S14 sperrend geschaltet.
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Mit dem Öffnen der mechanischen Schaltkontakte wird dadurch im Lastfall mindestens ein Schaltlichtbogen gezogen, dessen Entstehungszeitpunkt im Schritt S16 zeitlich erfasst wird.
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Daraufhin wird in Schritt S18 solange gewartet, bis die elektronisch hinterlegte vorgegebene IGBT-Sperrzeit t1 erreicht ist, beispielsweise indem ein Zeitgeber gestartet wird, der den Zeitablauf bis zum Erreichen der IGBT-Sperrzeit t1 misst. Durch die IGBT-Sperrzeit t1 wird hierbei die Brenndauer des Lichtbogens ab seinem Entstehungszeitpunkt definiert.
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Nach Ablauf der Sperrzeit t1 wird im Schritt S20 die elektronisch gespeicherte Schaltzahl auf Null zurückgesetzt und der IGBT dann für eine Zeit t2 leitend geschaltet (Schritte S22, S24). Es erfolgt dadurch sofort die Kommutierung des Lichtbogenstroms auf den parallel zum mechanischen Schalter angeordneten niederohmigen Halbleiterschalter 20 bzw. IGBT, wo der Strom wie bei einem regulären Ausschaltvorgang sehr schnell zu Null geführt wird und im Schritt S26 der Halbleiterschalter 20 bzw. IGBT sperrend geschaltet wird.
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Für jeden getätigten Ausschaltvorgang wird abschließend im Schritt S28 die gespeicherte Schaltzahl um 1 erhöht. Die erhöhte Schaltzahl wird wieder im internen nichtflüchtigen Speicher abgelegt.
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Ergibt der Vergleich in Schritt S12, dass die gespeicherte Schaltzahl geringer als die Sollschaltzahl ist, so ist noch keine Stromkonditionierung erforderlich und es wird direkt mit Schritt S22 fortgefahren.
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Im Hinblick auf eine möglichst hohe elektrische Lebensdauer der IGBTs sowie auf deren vertretbar große Dimensionierung ist es zweckmäßig, den Stromfluss durch den Halbleiterschalter 20 zeitlich in der Weise zu begrenzen, dass der Strom dort nur so lange fließt, bis die mechanische Schaltstrecke eine ausreichende Wiederverfestigung erreicht hat. Für die Minimierung der Stromflusszeit durch den Halbleiterschalter 20 ist die genaue Kenntnis des Kommutierungszeitpunkts wichtig, da bei jedem Schaltgerät die effektiven Zeiten für den mechanischen Abschaltvorgang aus verschiedenen Gründen schwanken.
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Der Zeitpunkt der Kommutierung auf den bereits durchgesteuerten IGBT des Halbleiterschalters 20 kann durch einen dort befindlichen Stromwandler 60 erfasst werden. Der Stromwandler 60 erzeugt ein Signal, sobald durch die IGBTs des Halbleiterschalters 20 ein Strom zu fließen beginnt (nachdem der Halbleiterschalter 20 bzw. IGBT im Schritt S22 leitend geschaltet wurde), der Stromfluss also von der ersten mechanischen Kontaktanordnung 10 auf den Halbleiterschalter 20 kommutiert. Das vom Stromwandler 60 erzeugte und die Kommutierung signalisierende Signal wird der Schaltelektronik 50 zugeführt, die davon abhängig den Halbleiterschalter 20 wie im Folgenden beschrieben ansteuern kann.
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Unmittelbar nach erfolgter Kommutierung kann die Schaltelektronik 50 den Halbleiterschalter 20 in der Weise ansteuern, dass die IGBTs des Halbleiterschalters 20 nach kurzer, über die Schaltelektronik 50 definierter bzw. vorgegebener Stromflusszeit bzw. Stromleitzeit t2 wieder sperrend werden, so dass der kommutierte Laststrom im Halbleiterschalter 20 innerhalb der definierten Zeitdauer zu null geführt wird. Die Stromflusszeit ist idealerweise über die Schaltelektronik 50 so bemessen, dass die Schaltstrecke mit der ersten und zweiten mechanischen Kontaktanordnung 10 bzw. 30 vollständig offen ist, d.h. die Schaltkontakte dauerhaft geöffnet sind und eventuelle Schaltprellvorgänge nicht mehr auftreten.
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Durch die Ausstattung des Halbleiterschalters 20 mit einem antiseriellen IGBT ist eine solche Schaltanordnung sowohl für DC-Ströme mit beliebiger Stromflussrichtung als auf für Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenz einsetzbar, wobei der Schaltzeitpunkt aufgrund der unabhängigen Versorgung des Ansteuermoduls nicht phasenwinkelabhängig ist.
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Während des Abschaltvorgangs im Halbleiterschalter 20 kommt es bei hohen Strömen zu hohen dI/dt-Werten, wodurch Spannungsspitzen deutlich oberhalb 1 kV entstehen können. Zum Schutz vor solchen Spannungsspitzen ist es zweckmäßig, dem Halbleiterschalter 20 ein Schutzorgan, z.B. in Form eines Varistors 70 vorzuschalten oder parallel zu schalten.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Schützen, Leistungsschaltern und Motorschutzschaltern, die insbesondere für einen Betrieb mit Gleichströmen und/oder niederfrequenten Strömen ausgelegt sind. Sie ermöglicht das Schalten von hohen Gleichströmen und niederfrequenten Strömen bei einer vergleichsweise hohen elektrischen Lebensdauer. Weiterhin gestatten diese Eigenschaften die Realisierung von vergleichsweise kompakten Schaltgeräten für hohe Ströme.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erste mechanische Kontaktanordnung
- 20
- Halbleiterschalter
- 30
- zweite mechanische Kontaktanordnung
- 40
- galvanisch getrennte Hilfsspule
- 50
- Schaltelektronik
- 60
- Stromwandler
- 70
- Varistor
- 100
- erste Elektrode
- 102
- zweite Elektrode
- 104
- erster Kontakt
- 106
- zweiter Kontakt
- 108
- erste Kontaktoberfläche
- 110
- zweite Kontaktoberfläche
- 112
- Materialabtragstelle
- 112‘
- (partiell) eingeebnete Materialabtragstelle
- 114
- Materialanhäufungsstelle
- 114‘
- (partiell) eingeebnete Materialanhäufungsstelle
- 116
- Lichtbögen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013114259 A1 [0002, 0011, 0029]
- DE 19942971 A1 [0008]
- DE 19714655 A1 [0008, 0039]
