DE102018101309A1

DE102018101309A1 - DC-protection device

Info

Publication number: DE102018101309A1
Application number: DE102018101309.4A
Authority: DE
Inventors: Kenan Askan; Matthias Katzensteiner; Michael Bartonek
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-07-25

Abstract

Bei einem Gleichstrom-Schutzschaltgerät (1) mit einer ersten Stromstrecke (2) und einer zweiten Stromstrecke (5), wobei in der ersten Stromstrecke (2) ein mechanischer Bypassschalter (8) angeordnet ist, wobei der Bypassschalter (8) wenigstens eine Bypassschalter-Erregerspule (21) aufweist, wobei eine erste Halbleiterschaltungsanordnung (11) des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts (1) parallel zum Bypassschalter (8) geschaltet ist, wobei eine elektronische Steuereinheit (13) des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts (1) dazu ausgebildet ist, die erste Halbleiterschaltungsanordnung (11) anzusteuern, wobei das Gleichstrom-Schutzschaltgerät (1) eine, von der Steuereinheit (13) angesteuerte, zweite Halbleiterschaltungsanordnung (22) aufweist, und wobei die zweite Halbleiterschaltungsanordnung (22) schaltungstechnisch mit der Bypassschalter-Erregerspule (21) verbunden ist, wird vorgeschlagen, dass die zweite Halbleiterschaltungsanordnung (22) wenigstens mittelbar schaltungstechnisch mit dem ersten Versorgungsanschluss (3) und dem zweiten Versorgungsanschluss (6) verbunden ist.In a DC protective switching device (1) having a first current path (2) and a second current path (5), wherein in the first current path (2) a mechanical bypass switch (8) is arranged, wherein the bypass switch (8) at least one Bypassschalter- Excitation coil (21), wherein a first semiconductor circuit arrangement (11) of the DC protective switching device (1) is connected in parallel to the bypass switch (8), wherein an electronic control unit (13) of the DC protective switching device (1) is adapted to the first semiconductor circuit arrangement (11), wherein the DC protective switching device (1) comprises a second semiconductor circuit arrangement (22) controlled by the control unit (13), and wherein the second semiconductor circuit arrangement (22) is connected in circuit to the bypass switch exciter coil (21), It is proposed that the second semiconductor circuit arrangement (22) be connected, at least indirectly, with the first V circuit supply terminal (3) and the second supply terminal (6) is connected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichstrom-Schutzschaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a DC protective switching device according to the preamble of claim 1.

Es sind sog. hybride Schutzschaltgeräte für Gleichstromanwendungen bekannt. Derartige Schutzschaltgeräte weisen als zentralen bzw. funktionswesentlichen Bauteil einen sog. Bypassschalter auf. Dieser Bypassschalter soll im Falle eines sicherheitsrelevanten Abschaltvorganges besonders schnell öffnen, um das Kommutieren des Stromes auf die Leistungshalbleiter zu verursachen ehe der Strom über das Schaltgerät zu sehr ansteigt, welche Leistungshalbleiter dann den betreffenden Strom abschalten. Bei einem Bypassschalter handelt es sich um ein Relais mit mechanischen Schaltkontakten. Zur Betätigung dieses Relais weisen derartige hybride Schutzschaltgeräte eine Treiberschaltung auf, welche aus einem Netzteil des Schutzschaltgeräts gespeist wird.So-called hybrid protective switching devices for DC applications are known. Such protective switching devices have a so-called. Bypass switch as a central or functionally essential component. This bypass switch should open particularly quickly in the case of a safety-relevant shutdown process to cause the commutation of the current to the power semiconductors before the current rises too much over the switching device, which power semiconductors then turn off the relevant power. A bypass switch is a relay with mechanical switching contacts. To operate this relay, such hybrid protective switching devices on a driver circuit, which is fed from a power supply of the circuit breaker.

Die geforderte besonders schnelle Öffnung der Kontakte des Bypassschalters erfordert entsprechend viel elektrische Energie, welche schnell verfügbar sein muss, bzw. welche schnell an die Treiberschaltung abgegeben werden muss. Dies erfordert entsprechend potente Netzteile und Energiespeicher, insbesondere Elektrolytkondensatoren, zur Versorgung der entsprechenden Treiberschaltungen. Derartig starke Netzteile und Kondensatoren weisen jedoch einen erheblichen Platzbedarf auf, und tragen erheblich zur räumlichen Vergrößerung derartiger Schutzschaltgeräte bei. Weiters zieht ein Netzteil einen Ruhestrom, sodass es neben dem Platzbedarf innerhalb des Schutzschaltgeräts weiters zu einer erheblichen Verlustleistung kommt, welche über entsprechende Kühlflächen abgeführt werden muss. Auch die Kondensatoren müssen ständig nachgeladen werden, da diese ansonsten mit der Zeit deren Ladung verlieren. Die daraus resultierende Verlustleitung führt zu einer Temperaturerhöhung innerhalb des Schutzschaltgeräts, welche die Lebensdauer der sicherheitsrelevanten Halbleiter des Schutzschaltgeräts verringern kann.The required particularly rapid opening of the contacts of the bypass switch requires a corresponding amount of electrical energy, which must be available quickly, or which must be delivered quickly to the driver circuit. This requires correspondingly powerful power supplies and energy storage, in particular electrolytic capacitors, to supply the corresponding driver circuits. However, such strong power supplies and capacitors have a significant footprint, and contribute significantly to the spatial enlargement of such protection devices. Furthermore, a power supply draws a quiescent current, so that in addition to the space required within the circuit breaker further leads to a considerable power loss, which must be dissipated via corresponding cooling surfaces. Also, the capacitors must be constantly recharged, as they otherwise lose their charge over time. The resulting loss line leads to an increase in temperature within the protective switching device, which can reduce the service life of the safety-related semiconductors of the protection device.

Schutzschaltgeräte führen meist nur sehr wenige Abschaltvorgänge aufgrund gefährlicher elektrischer Zustände durch. Während der meisten Zeit ist daher ein entsprechend potentes Netzteil sowie die entsprechenden Kondensatoren unnötig, da die abgebbare Maximalleistung nicht gefordert wird, und vielmehr die ständig abzuführende Verlustleistung nachteilig ist. Um daher bei vertretbarem Platzbedarf und abzuführender Verlustleistung trotzdem Kurzschlüsse abschalten zu können, weisen bekannte Schaltgeräte eine Drossel im Stromweg auf, welche naturgemäß nur auf Veränderungen im Stromfluss wirkt, und die Stromanstieg-Rate bei einem Kurzschluss verringert. Allerdings weist auch eine Drossel einen hohen Platzbedarf und ohmsche Verluste auf.Protection switching devices usually only perform very few switch-off processes due to dangerous electrical states. During most of the time, therefore, a correspondingly potent power supply and the corresponding capacitors is unnecessary, since the deliverable maximum power is not required, and rather the power dissipated constantly is disadvantageous. In order to still be able to switch off short circuits with reasonable space requirements and dissipated power loss, known switching devices have a choke in the current path, which naturally only acts on changes in the current flow, and reduces the current rise rate in the event of a short circuit. However, even a throttle has a high space requirement and resistive losses.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Gleichstrom-Schutzschaltgerät der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, welches ein geringes Volumen und einen einfachen Aufbau aufweist, und welches einen Kurzschluss schnell abschalten kann.The object of the invention is therefore to provide a DC circuit breaker of the type mentioned, with which the mentioned disadvantages can be avoided, which has a low volume and a simple structure, and which can quickly turn off a short circuit.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.This is achieved by the features of claim 1 according to the invention.

Dadurch kann ein Gleichstrom-Schutzschaltgerät geschaffen werden, welches ein geringes Volumen bzw. geringe Bauraumerfordernisse und einen einfachen Aufbau aufweist. Ein solches Gleichstrom-Schutzschaltgerät weist zwar ein Netzteil auf, welches jedoch erheblich kleiner ist, als bei einem Schutzschaltgerät, bei dem das Netzteil auch die Energie für die Notabschaltbetätigung des Bypassschalters bereitstellen muss. Gleichzeitig kann ein gegenständliches Gleichstrom-Schutzschaltgerät den Bypassschalter schneller öffnen als ein herkömmliches Schutzschaltgerät mit einem entsprechend potenten Netzteil.Thereby, a DC circuit breaker can be provided, which has a small volume or small space requirements and a simple structure. Although such a DC circuit breaker has a power supply, but which is considerably smaller than a circuit breaker, in which the power supply must also provide the energy for the emergency shutdown of the bypass switch. At the same time a tangible DC circuit breaker can open the bypass switch faster than a conventional circuit breaker with a correspondingly potent power supply.

Es hat sich gezeigt, dass bei bestimmten Einsatzumgebungen ein besonders schnelles Öffnen des Bypassschalters dadurch erzielt werden kann, dass für dieses besonders schnelle Öffnen gar kein Netzteil verwendet wird. Anstatt also die Energielieferfähigkeit innerhalb des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts durch eine ständige Vergrößerung des Netzteils zu erhöhen, wird gegenständlich das Netzteil sogar verkleinert, da dies für das besonders schnelles Öffnen des Bypassschalters nicht mehr benötigt wird, sondern lediglich zur Energieversorgung der weiteren Komponenten des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts.It has been found that in certain environments, a particularly rapid opening of the bypass switch can be achieved by the fact that no power supply is used for this very fast opening. So instead of increasing the power supply within the DC circuit breaker by a constant increase in the power supply, the power supply is actually reduced figuratively, since this is no longer needed for the particularly fast opening of the bypass switch, but only to power the other components of the DC circuit breaker ,

Wenngleich ein derartiges Schutzschaltgerät zwar noch immer ein Netzteil zur Versorgung der elektronischen Komponenten aufweist, so weist dieses kein Netzteil auf, welches dazu in der Lage sein muss, die Energie zu liefern, um im Falle einer Kurzschlussabschaltung den Bypassschalter zu öffnen. Stattdessen ist ein gegenständliches Schutzschaltgerät zum Betrieb zusammen mit einem Gleichrichter vorgesehen, und nutzt die, am Ausgang des Gleichrichters vorhandene Glättungskapazität als Energiequelle zum Antrieb des Bypassschalters. Dadurch steht in der Realität ein Vielfaches der elektrischen Ladung bzw. Energie zum Antrieb des Bypassschalters zur Verfügung, als bei bekannten Schutzschaltgeräten mit entsprechenden, integrierten Netzteilen.Although such a protective switching device still has a power supply for supplying the electronic components, so this has no power supply, which must be able to provide the energy to open the bypass switch in the event of a short circuit. Instead, an objective protection switching device is provided for operation in conjunction with a rectifier, and uses the smoothing capacitance present at the output of the rectifier as the energy source for driving the bypass switch. As a result, in reality a multiple of the electrical charge or energy is available for driving the bypass switch, as in known circuit breakers with corresponding integrated power supplies.

Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The subclaims relate to further advantageous embodiments of the invention.

Ausdrücklich wird hiermit auf den Wortlaut der Patentansprüche Bezug genommen, wodurch die Ansprüche an dieser Stelle durch Bezugnahme in die Beschreibung eingefügt sind und als wörtlich wiedergegeben gelten. It is hereby expressly referred to the wording of the claims, whereby the claims at this point are incorporated by reference into the description and are considered to be reproduced verbatim.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts sowie eine elektrische Umgebung umfassend eine elektrische Quelle, eine Last sowie einen Fehler;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts sowie eine elektrische Umgebung umfassend eine elektrische Quelle, eine Last sowie einen Fehler;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts sowie eine elektrische Umgebung umfassend eine elektrische Quelle, eine Last sowie einen Fehler; und
4 eine schematische Darstellung lediglich eines Teiles einer vierten Ausführungsform eines gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts.

The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which only preferred embodiments are shown by way of example. Showing:

1 a schematic representation of a first embodiment of a subject DC circuit breaker and an electrical environment comprising an electrical source, a load and a fault;
2 a schematic representation of a second embodiment of a subject DC circuit breaker and an electrical environment comprising an electrical source, a load and a fault;
3 a schematic representation of a third embodiment of a subject DC circuit breaker and an electrical environment comprising an electrical source, a load and a fault; and
4 a schematic representation of only a portion of a fourth embodiment of a subject DC circuit breaker.

Die 1 bis 3 zeigen ein Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 mit einer ersten Stromstrecke 2 einer ersten elektrischen Polarität von einem ersten Versorgungsanschluss 3 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 zu einem ersten Lastanschluss 4 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1, und mit einer zweiten Stromstrecke 5 einer zweiten elektrischen Polarität von einem zweiten Versorgungsanschluss 6 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 zu einem zweiten Lastanschluss 7 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1, wobei in der ersten Stromstrecke 2 ein mechanischer Bypassschalter 8 angeordnet ist, wobei der Bypassschalter 8 wenigstens eine Bypassschalter-Erregerspule 21 aufweist, wobei eine erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 parallel zum Bypassschalter 8 geschaltet ist, wobei eine elektronische Steuereinheit 13 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 dazu ausgebildet ist, die erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 anzusteuern, wobei das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 eine, von der Steuereinheit 13 angesteuerte, zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 aufweist, und wobei die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 schaltungstechnisch mit der Bypassschalter-Erregerspule 21 verbunden ist, wobei die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 wenigstens mittelbar, insbesondere direkt, schaltungstechnisch mit dem ersten Versorgungsanschluss 3 und dem zweiten Versorgungsanschluss 6 verbunden ist. 4 zeigt einen Teil eines solchen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1.The 1 to 3 show a DC circuit breaker 1 with a first current path 2 a first electrical polarity from a first supply terminal 3 of the DC circuit breaker 1 to a first load connection 4 of the DC circuit breaker 1 , and with a second current path 5 a second electrical polarity from a second supply terminal 6 of the DC circuit breaker 1 to a second load connection 7 of the DC circuit breaker 1 , wherein in the first power path 2 a mechanical bypass switch 8th is arranged, wherein the bypass switch 8th at least one bypass switch excitation coil 21 wherein a first semiconductor circuit arrangement 11 of the DC circuit breaker 1 parallel to the bypass switch 8th is connected, wherein an electronic control unit 13 of the DC circuit breaker 1 is formed, the first semiconductor circuit arrangement 11 to drive, with the DC circuit breaker 1 one, from the control unit 13 driven, second semiconductor circuit arrangement 22 and wherein the second semiconductor circuit arrangement 22 circuitry with the bypass switch excitation coil 21 is connected, wherein the second semiconductor circuit arrangement 22 at least indirectly, in particular directly, in circuit technology with the first supply connection 3 and the second supply terminal 6 connected is. 4 shows a part of such a DC circuit breaker 1 ,

Dadurch kann ein Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 geschaffen werden, welches ein geringes Volumen bzw. geringe Bauraumerfordernisse und einen einfachen Aufbau aufweist. Ein solches Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 weist zwar ein Netzteil 19 auf, welches jedoch erheblich kleiner ist, als bei einem Schutzschaltgerät, bei dem das Netzteil auch die Energie für die Notabschaltbetätigung des Bypassschalters 8 bereitstellen muss. Gleichzeitig kann ein gegenständliches Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 den Bypassschalter 8 schneller öffnen als ein herkömmliches Schutzschaltgerät mit einem entsprechend potenten Netzteil.This allows a DC circuit breaker 1 be created, which has a low volume or small space requirements and a simple structure. Such a DC circuit breaker 1 Although has a power supply 19 which, however, is considerably smaller than with a protective switching device, in which the power supply and the energy for emergency shutdown of the bypass switch 8th must provide. At the same time a tangible DC circuit breaker 1 the bypass switch 8th open faster than a conventional circuit breaker with a correspondingly potent power supply.

Es hat sich gezeigt, dass bei bestimmten Einsatzumgebungen ein besonders schnelles Öffnen des Bypassschalters 8 dadurch erzielt werden kann, dass für dieses besonders schnelle Öffnen gar kein Netzteil verwendet wird. Anstatt also die Energielieferfähigkeit innerhalb des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 durch eine ständige Vergrößerung des Netzteils 19 zu erhöhen, wird gegenständlich das Netzteil 19 sogar verkleinert, da dies für das besonders schnelles Öffnen des Bypassschalters 8 nicht mehr benötigt wird, sondern lediglich zur Energieversorgung der weiteren Komponenten des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1.It has been shown that in certain environments a particularly fast opening of the bypass switch 8th can be achieved that no power supply is used for this very fast opening. So instead of the energy delivery within the DC circuit breaker 1 by a constant enlargement of the power supply 19 To increase, the power supply becomes objective 19 even downsized, as this is for the particularly fast opening of the bypass switch 8th is no longer needed, but only to power the other components of the DC circuit breaker 1 ,

Wenngleich ein derartiges Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 zwar noch immer ein Netzteil 19 zur Versorgung der elektronischen Komponenten aufweist, so muss dieses kein Netzteil 19 aufweisen, welches dazu in der Lage sein muss, die Energie zu liefern, um im Falle einer Kurzschlussabschaltung den Bypassschalter 8 zu öffnen. Stattdessen ist ein gegenständliches Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 zum Betrieb zusammen mit einem Gleichrichter 17 vorgesehen, und nutzt die, am Ausgang des Gleichrichters 17 vorhandene Glättungskapazität 18 als Energiequelle zum Antrieb des Bypassschalters 8. Dadurch steht in der Realität ein Vielfaches der elektrischen Ladung bzw. Energie zum Antrieb des Bypassschalters 8 zur Verfügung, als bei bekannten Schutzschaltgeräten mit entsprechenden, integrierten Netzteilen. Beispielsweise wird der Antrieb des Bypassschalters 8 eines bekannten Schutzschaltgeräts aus einem Kondensator 15 mit einer Spannung von 60V und einer Kapazität von 100µF gespeist. Demgegenüber weisen professionelle Gleichrichteranwendungen für Drehstrom mit einer Außenleiterspannung von 400 V_AC typischerweise eine Spannung von 650 bis 770 V_DC, und eine Kapazität von typischerweise zwischen 2,5 und 4 mF auf. Die zur Verfügung stehende Ladungsmenge ist daher bei einem gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 zwischen ca. 250 und 500 mal größer als bei einem herkömmlichen Schutzschaltgerät.Although such a DC circuit breaker 1 still a power supply 19 to supply the electronic components, so this has no power supply 19 which must be able to supply the power to bypass the bypass switch in the event of a short circuit 8th to open. Instead, it is a physical DC circuit breaker 1 for operation together with a rectifier 17 provided, and uses, at the output of the rectifier 17 existing smoothing capacity 18 as an energy source for driving the bypass switch 8th , This is in reality a multiple of the electrical charge or energy to drive the bypass switch 8th available, as in known circuit breakers with corresponding integrated power supplies. For example, the drive of the bypass switch 8th a known protective switching device of a capacitor 15 powered with a voltage of 60V and a capacity of 100μF. In contrast, professional three phase rectified rectifier applications with a 400 V _{AC line} voltage typically have a voltage of 650 to 770 V _DC , and a capacitance of typically between 2.5 and 4 mF. The available amount of charge is therefore at an objective DC Protection device 1 between approx. 250 and 500 times larger than with a conventional protection device.

Ein weiterer Vorteil des gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 ist der Umstand, dass aufgrund der hohen Energie der Kapazitäten 18 des Gleichrichters 17 auch bei einem Einschaltversuch unter Kurzschluss unmittelbar nach einer Kurzschlussauslösung genügend Energie zum schnellen Öffnen des Bypassschalters 8 zur Verfügung steht.Another advantage of the present DC circuit breaker 1 is the fact that due to the high energy capacity 18 of the rectifier 17 Even with a switch-on attempt with short circuit immediately after a short-circuit release enough energy to quickly open the bypass switch 8th is available.

In den 1 bis 3 ist weiters die elektrische Umgebung skizzier, wobei lastseitig eine elektrische Last 91 sowie ein elektrischer Fehler 90 dargestellt sind. Eingangseitig sind eine elektrische Quelle 16, ein Gleichrichter 17 sowie die bereits erwähnten Kapazitäten 18 dargestellt.In the 1 to 3 Furthermore, the electrical environment is sketched, with an electrical load on the load side 91 as well as an electrical fault 90 are shown. Input side are an electrical source 16 , a rectifier 17 as well as the already mentioned capacities 18 shown.

Das gegenständliche Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 ist zur Verwendung bei Gleichstrom bzw. Gleichspannung vorgesehen. Dabei ist vorgesehen, dass das gegenständliche Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 nur zusammen mit einem Gleichrichter 17 verwendet wird, welcher Gleichrichter 17 in an sich bekannter Weise an dessen Ausgang wenigstens einen Kondensator 18 aufweist, welcher in der Regel als Glättungskondensator 18 bezeichnet wird. Üblicherweise sind dabei mehrere parallel geschaltete diskrete Kondensatoren, in der Regel Elektrolytkondensatoren, an dieser Stelle angeordnet. Der Aufbau eines Gleichrichters 17 sowie die Verwendung entsprechender Kondensatoren 18 an dessen Ausgang sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektrotechnik geläufig.The current DC circuit breaker 1 is intended for use with DC or DC voltage. It is provided that the subject DC protective device 1 only together with a rectifier 17 is used, which rectifier 17 in a conventional manner at its output at least one capacitor 18 which, as a rule, serves as a smoothing capacitor 18 referred to as. Usually, a plurality of discrete capacitors connected in parallel, usually electrolytic capacitors, are arranged at this location. The structure of a rectifier 17 and the use of appropriate capacitors 18 at the output of which those skilled in the field of electrical engineering are familiar.

Das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 weist zwei Stromstrecken 2, 5 auf, welche für unterschiedliche elektrische Polaritäten, daher plus und minus, vorgesehen sind. Das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 weist daher die erste Stromstrecke 2 für die erste elektrische Polarität auf, welche vom ersten Versorgungsanschluss 3 zum ersten Lastanschluss 4 verläuft, sowie die zweite Stromstrecke 5 für die, von der ersten elektrischen Polarität unterschiedlichen, zweite elektrische Polarität, welche vom zweiten Versorgungsanschluss 6 zum zweiten Lastanschluss 7 verläuft. Die einzelnen Anschlüsse 3, 4, 6, 7 sind bevorzugt als Anschlussklemmen ausgebildet.The DC circuit breaker 1 has two electricity routes 2 . 5 which are provided for different electrical polarities, hence plus and minus. The DC circuit breaker 1 therefore has the first power path 2 for the first electrical polarity, which from the first supply terminal 3 to the first load connection 4 runs, as well as the second power line 5 for the, from the first electrical polarity different, second electrical polarity, which from the second supply terminal 6 to the second load connection 7 runs. The individual connections 3 . 4 . 6 . 7 are preferably designed as terminals.

Das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 weist bevorzugt in Gehäuse auf, welches wenigstens bereichsweise aus Isolierstoff gebildet ist, und welches bevorzugt wenigstens bereichsweise eine Kühlfläche aufweist.The DC circuit breaker 1 preferably has in housing, which is at least partially formed of insulating material, and which preferably at least partially has a cooling surface.

In den 1 bis 3 ist zudem eine elektrische Last 91 sowie ein elektrischer Fehler 90 eingezeichnet, jeweils an den Lastanschlüssen 4, 7.In the 1 to 3 is also an electrical load 91 as well as an electrical fault 90 drawn, respectively at the load terminals 4 . 7 ,

Die gegenständliche beschriebene Absicherung der ersten Stromstrecke 2 kann zusätzlich auch an der zweitem Stromstrecke 5 vorgesehen sein.The objective described protection of the first current path 2 can also be on the second power line 5 be provided.

In der ersten Stromstrecke 2 ist ein mechanischer Bypassschalter 8 angeordnet, welcher als Relais ausgebildet ist. Der Bypassschalter 8 weist daher wenigstens eine Bypassschalter-Erregerspule 21 auf, wobei bevorzugt auch mehrere Bypassschalter-Erregerspulen 21 vorgesehen sein können. In den Figuren ist jeweils eine Bypassschalter-Erregerspule 21 dargestellt, wobei neben dem Symbol für die elektrische Spule auch deren ohmscher Spulenwiderstand dargestellt ist.In the first electricity route 2 is a mechanical bypass switch 8th arranged, which is designed as a relay. The bypass switch 8th therefore has at least one bypass switch excitation coil 21 on, wherein preferably also a plurality of bypass switch excitation coils 21 can be provided. In each of the figures, a bypass switch excitation coil is shown 21 shown, wherein in addition to the symbol for the electric coil and its ohmic coil resistance is shown.

Der Bypassschalter 8 wird von der ersten Halbleiterschaltungsanordnung 11 überbrückt, welche mit Leistungshalbleiterschaltern, etwa Back to Back IGBT, bestückt ist, und welche insbesondere als Vier-Quadranten-Schalter ausgebildet ist. Weiters weist die erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 bevorzugt einen Varistor 98 auf. Der ersten Halbleiterschaltungsanordnung 11 ist eine erste Treiberstufe 20 zugeordnet. Die Varsitoren und IGBT wurden nicht mit Bezugszeichen versehen. Die grundsätzliche Funktion der entsprechenden Schaltung ist etwa in der WO 2015/028634 A1 der Anmelderin beschrieben.The bypass switch 8th is from the first semiconductor circuit arrangement 11 bridged, which is equipped with power semiconductor switches, such as back to back IGBT, and which is designed in particular as a four-quadrant switch. Furthermore, the first semiconductor circuit arrangement 11 prefers a varistor 98 on. The first semiconductor circuit arrangement 11 is a first driver stage 20 assigned. The Varsitors and IGBT were not provided with reference numbers. The basic function of the corresponding circuit is approximately in the WO 2015/028634 A1 the applicant described.

Das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 weist weiters eine elektronische Steuereinheit 13 auf, welche die schaltungstechnischen Vorgänge des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 steuert. Die Steuereinheit 13 ist etwa umfassend einem µC ausgebildet. Entsprechend ist die Steuereinheit 13 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 dazu ausgebildet, die erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 anzusteuern.The DC circuit breaker 1 also has an electronic control unit 13 on which the circuit operations of the DC circuit breaker 1 controls. The control unit 13 is formed approximately comprehensively a μC. Accordingly, the control unit 13 of the DC circuit breaker 1 configured to the first semiconductor circuit arrangement 11 driving.

Das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 weist weiters bevorzugt ein Netzteil 19 auf, welches dazu vorgesehen und entsprechend dimensioniert ist, die Steuereinheit 13 mit Energie zu versorgen.The DC circuit breaker 1 further preferably has a power supply 19 on, which is provided and dimensioned accordingly, the control unit 13 to provide energy.

Wenigstens in der ersten Stromstrecke 2 ist eine Strommessanordnung 12 angeordnet, welche mit der Steuereinheit 13 verbunden ist, wobei die Steuereinheit 13 zur Detektion eines Kurzschluss- und/oder Überstroms ausgebildet ist. Die Strommessanordnung 12 ist bevorzugt umfassend einen Shunt ausgebildet.At least in the first power section 2 is a current measuring arrangement 12 arranged, which with the control unit 13 is connected, wherein the control unit 13 is designed for detecting a short-circuit and / or overcurrent. The current measuring arrangement 12 is preferably formed comprising a shunt.

Besonders bevorzugt ist weiters vorgesehen, dass in der ersten Stromstrecke 2 ein erster Trennschalter 9 mit einer ersten Trennschalter-Erregerspule 23 angeordnet ist, dass in der zweiten Stromstrecke 5 ein zweiter Trennschalter 10 mit einer zweiten Trennschalter-Erregerspule 24 angeordnet ist. Diese beiden Trennschalter 9,10 bzw. Relais dienen lediglich dazu, nach erfolgter Abschaltung des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 die galvanische Trennung sicher zu stellen.Particularly preferred is further provided that in the first current path 2 a first disconnector 9 with a first circuit breaker exciter coil 23 is arranged in the second current path 5 a second disconnect switch 10 with a second circuit breaker exciter coil 24 is arranged. These two disconnectors 9,10 or relays are only used after the shutdown of the DC circuit protection device 1 to ensure galvanic isolation.

Wie bereits dargelegt, erfolgt ein Abschaltvorgang dadurch, dass die erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 eingeschaltet wird, und nachfolgend der Bypassschalter 8 geöffnet wird, woraufhin der Strom auf die erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 kommutiert, und dann von dieser abgeschaltet wird. Die grundsätzliche Funktion ist etwa auch in der WO 2015/028634 A1 der Anmelderin beschrieben.As already explained, a switch-off process takes place in that the first semiconductor circuit arrangement 11 is turned on, and then the bypass switch 8th is opened, whereupon the current to the first semiconductor circuit arrangement 11 commutated, and then disconnected from this. The basic function is also in the WO 2015/028634 A1 the applicant described.

Das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 weist weiters eine, von der Steuereinheit 13 angesteuerte, zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 zur Betätigung der Bypassschalter-Erregerspule 21 auf, welche schaltungstechnisch mit der Bypassschalter-Erregerspule 21 verbunden ist. Die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 weist bevorzugt zumindest einen Leistungshalbleiterschalter auf, sowie gegebenenfalls eine Treiberstufe. Parallel zur zweiten Halbleiterschaltungsanordnung 22 ist bevorzugt ein Varistor 99 geschaltet.The DC circuit breaker 1 also has one, from the control unit 13 driven, second semiconductor circuit arrangement 22 for actuating the bypass switch excitation coil 21 on which circuitry with the bypass switch excitation coil 21 connected is. The second semiconductor circuit arrangement 22 preferably has at least one power semiconductor switch, and optionally a driver stage. Parallel to the second semiconductor circuit arrangement 22 is preferably a varistor 99 connected.

Es ist vorgesehen, dass die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 schaltungstechnisch mit dem ersten Versorgungsanschluss 3 und dem zweiten Versorgungsanschluss 6 verbunden ist. Dies ist so zu verstehen, dass die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 unter Umgehung eines Netzteiles 19 des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 mit dem ersten Versorgungsanschluss 3 und dem zweiten Versorgungsanschluss 6 verbunden ist. Die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 bezieht daher keinen Strom aus dem Netzteil 19, sondern ist insbesondere direkt mit den entsprechenden versorgungsseitigen Anschlüssen des Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 verbunden, wobei bevorzugt lediglich die Bypassschalter-Erregerspule 21 sowie gegebenenfalls ein Vorwiderstand 28 in diesen schaltungstechnischen Verbindungen angeordnet sein kann, wie dies etwa in den 1 und 2 der Fall ist.It is provided that the second semiconductor circuit arrangement 22 circuit-wise with the first supply connection 3 and the second supply terminal 6 connected is. This is to be understood that the second semiconductor circuit arrangement 22 bypassing a power supply 19 of the DC circuit breaker 1 with the first supply connection 3 and the second supply terminal 6 connected is. The second semiconductor circuit arrangement 22 therefore does not draw power from the power supply 19 but is in particular directly connected to the corresponding supply-side terminals of the DC circuit breaker 1 connected, wherein preferably only the bypass switch excitation coil 21 and optionally a series resistor 28 can be arranged in these circuit connections, such as in the 1 and 2 the case is.

1 zeigt ein entsprechend ausgebildetes Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1, wobei neben der zweiten Halbleiterschaltungsanordnung 22 weiters eine konventionelle Relaistreiberanordnung 26 für den Bypassschalter 8 vorgesehen ist, welche zwei Kondensatoren 15 als Energiequelle aufweist. Die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 ist bei dieser Ausführungsform lediglich dazu vorgesehen, den Bypassschalter 8 im Falle eines Abschaltvorganges anzusteuern, welcher nach einem detektierten Kurzschluss- und/oder Überstrom erfolgt. In diesem Fall ist insbesondere vorgesehen, dass die Steuereinheit 13 die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 vorgebbar getaktet, insbesondere zufolge einer Pulsweitenmodulation, Ein/Aus schaltet, wie dies durch ein entsprechendes Symbol in der Steuereinheit 13 in 1 verdeutlicht wird. 1 shows a suitably designed DC circuit breaker 1 , wherein besides the second semiconductor circuit arrangement 22 furthermore a conventional relay driver arrangement 26 for the bypass switch 8th is provided, which two capacitors 15 as an energy source. The second semiconductor circuit arrangement 22 is merely provided in this embodiment, the bypass switch 8th to control in the case of a shutdown, which takes place after a detected short circuit and / or overcurrent. In this case, it is provided in particular that the control unit 13 the second semiconductor circuit arrangement 22 predeterminable clocked, in particular according to a pulse width modulation, on / off switches, as indicated by a corresponding symbol in the control unit 13 in 1 is clarified.

Ein betriebsmäßiges Ein/Ausschalten erfolgt bei einem Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 gemäß 1 mittels der Relaistreiberanordnung 26, sowie der weiters vorhandenen Trennschaltertreiberanordnung 27, welche ebenfalls über Kondensatoren 15 als Energiequelle verfügt. Die Relaistreiberanordnung 26 und die Trennschaltertreiberanordnung 27 können einstückig ausgebildet sein. Bei einem lediglich betriebsmäßigem Ein/Ausschalten ist kein besonders schnelles Öffnen des Bypassschalters 8 gefordert. Deshalb können die Kondensatoren 15 verhältnismäßig schwach ausgelegt werden, und verursachen keine hohen Ruheströme des Netzteils 19.A normal on / off switching occurs with a DC circuit breaker 1 according to 1 by means of the relay driver arrangement 26 , as well as the existing existing Trennschaltertreiberanordnung 27 , which also have capacitors 15 as an energy source. The relay driver arrangement 26 and the disconnect switch driver assembly 27 can be formed in one piece. In a merely operational on / off is not particularly fast opening of the bypass switch 8th required. That's why the capacitors can 15 be made relatively weak, and do not cause high quiescent currents of the power supply 19 ,

In der ersten Stromstrecke 2 ist bevorzugt eine Drossel 14 angeordnet. Durch das nunmehr gegebene besonders schnelle Öffnen des Bypassschalters 8 kann diese Drossel 14 erheblich verkleinert werden, da ein Kurzschluss nunmehr bei bereits deutlich geringerer Stromstärke abgeschaltet werden kann, als dies bei herkömmlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräten 1 der Fall ist. Dadurch können weiters auch für die erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 Halbleiterschalter verwendet werden, welcher geringer belastbar sind, und welche daraus folgend auch geringere Abmessungen aufweisen, was wiederum zu einer geringeren Schleifeninduktanz führt, wodurch die Kommutierungszeit eines Kurzschlussstromes auf die erste Halbleiterschaltungsanordnung 11 wiederum verkürzt wird.In the first electricity route 2 is preferably a throttle 14 arranged. By now given particularly fast opening of the bypass switch 8th can this choke 14 be significantly reduced, since a short circuit can now be switched off at already significantly lower power than in conventional DC circuit breakers 1 the case is. As a result, it is also possible for the first semiconductor circuit arrangement as well 11 Semiconductor switches are used, which are less resilient, and which consequently also have smaller dimensions, which in turn leads to a lower loop inductance, whereby the commutation time of a short-circuit current to the first semiconductor circuit arrangement 11 in turn is shortened.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform, welche ohne die Relaistreiberanordnung 26 auskommt, wobei es sich bei der Relaistreiberanordnung 26 - wie bereits dargelegt - um diejenige Schaltung handelt, welche für ansonsten für das langsame betriebsgemäße Schalten vorgesehen ist, und welche bei 2 ebenfalls weggelassen wurde. Das Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 gemäß 2 weist diesbezüglich lediglich die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 auf. 2 shows a second embodiment, which without the relay driver assembly 26 gets along, which is in the Relaistreiberanordnung 26 - As already stated - is that circuit, which is intended otherwise for the slow operational switching, and which at 2 was also omitted. The DC circuit breaker 1 according to 2 in this regard, only the second semiconductor circuit arrangement 22 on.

Bei einem Gleichstrom-Schutzschaltgerät 1 gemäß 2 ist die Steuereinheit 13 weiters dazu ausgebildet, die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22 auch bei einem betriebsmäßigen Schaltvorgang vorgebbar getaktet, insbesondere zufolge einer Pulsweitenmodulation, Ein/Aus zu schalten. Allerdings kann ein derartiges betriebsmäßiges Schalten mit deutlich geringerer Leistungsbeaufschlagung der Bypassschalter-Erregerspule 21 erfolgen. 2 zeigt darüber hinaus einen möglichen Aufbau der zweiten Halbleiterschaltungsanordnung 22, umfassend eine MOSFET-Brückenschaltung mit vier Halbleiterschaltern. Weiters sei darauf hingewiesen, dass in 2 die Bypassschalter-Erregerspule 21 etwas beabstandet von dem Bypassschalter 8 dargestellt ist, wobei es sich jedoch trotzdem um die Bypassschalter-Erregerspule 21 des Bypassschalter 8 handelt.For a DC circuit breaker 1 according to 2 is the control unit 13 further adapted to the second semiconductor circuit arrangement 22 clocked predetermined even at a commercial switching operation, in particular according to a pulse width modulation, on / off switch. However, such operational switching can result in significantly less power to the bypass switch exciter coil 21 respectively. 2 moreover, shows a possible structure of the second semiconductor circuit arrangement 22 comprising a MOSFET bridge circuit with four semiconductor switches. It should also be noted that in 2 the bypass switch excitation coil 21 slightly spaced from the bypass switch 8th however, it is still the bypass switch excitation coil 21 the bypass switch 8th is.

Die Ansteuerung der beiden Trennschalter 9, 10 ist in 2 nicht dargestellt, kann jedoch ebenfalls mit der zweiten Halbleiterschaltungsanordnung 22 erfolgen. The activation of the two disconnectors 9 . 10 is in 2 not shown, but also with the second semiconductor circuit arrangement 22 respectively.

3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass auch für die Schaltvorgänge des ersten und zweiten Trennschalters 9, 10 kein netzteilgespeister Relaistreiber 27 vorgesehen ist, sondern auch dieser Schaltvorgang durch Speisung aus der Glättungskapazität 18 des Gleichrichters 17 erfolgt. Entsprechend ist dabei vorgesehen, dass die zweite Halbleiterschaltungsanordnung 22, schaltungstechnisch mit der ersten Trennschalter-Erregerspule 23 und/oder der zweiten Trennschalter-Erregerspule 24 sowie weiters mit dem ersten Versorgungsanschluss 3 und dem zweiten Versorgungsanschluss 6 verbunden ist. In 3 sind diesbezüglich zwei unabhängige Blöcke mit dem Bezugszeichen 22 eingezeichnet, wobei jedoch bevorzugt vorgesehen ist, dass diese beiden Blöcke bei der realen Umsetzung einstückig ausgebildet sind. 3 shows a third embodiment of a subject DC circuit breaker 1 , In this embodiment, it is provided that also for the switching operations of the first and second disconnector 9 . 10 No power supply relay driver 27 is provided, but also this switching operation by feeding from the smoothing capacity 18 of the rectifier 17 he follows. Accordingly, it is provided that the second semiconductor circuit arrangement 22 , circuit technology with the first circuit breaker exciter coil 23 and / or the second circuit breaker exciter coil 24 as well as with the first supply connection 3 and the second supply terminal 6 connected is. In 3 are in this regard two independent blocks with the reference numeral 22 drawn, but it is preferably provided that these two blocks are integrally formed in the real implementation.

4 zeigt weiters lediglich ein eingangsseitiges Detail eines gegenständlichen Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1. Dieses weist zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 3 und dem zweiten Versorgungsanschluss 6 wenigstens einen Kondensator 92 auf, welcher bevorzugt als Elektrolytkondensator ausgebildet ist. In 4 sind zwei derartige Kondensatoren 92 dargestellt, sowie eine Diode um den verpolungssicheren Betrieb der Kondensatoren 92 sicher zu stellen. Weiters sind Widerstände 94 parallel zu den Kondensatoren 92 geschaltet um über einen Spannungsteiler die gleiche Spannung an jedem der Kondensatoren 92 sicher zu stellen. Die Schaltung gemäß 4 weist Vorteile bei langen Leitungslängen zwischen dem Gleichrichter 17 und dessen Kondensatoren 18 und dem Gleichstrom-Schutzschaltgeräts 1 auf. 4 further shows only an input side detail of a subject DC circuit breaker 1 , This points between the first supply connection 3 and the second supply terminal 6 at least one capacitor 92 on, which is preferably designed as an electrolytic capacitor. In 4 are two such capacitors 92 represented as well as a diode around the reverse polarity protected operation of the capacitors 92 to make sure. Furthermore, there are resistances 94 parallel to the capacitors 92 switched to the same voltage across each of the capacitors via a voltage divider 92 to make sure. The circuit according to 4 has advantages with long cable lengths between the rectifier 17 and its capacitors 18 and the DC circuit breaker 1 on.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2015/028634 A1 [0025, 0030]

Claims

A DC circuit breaker (1) having a first current path (2) of a first electrical polarity from a first supply terminal (3) of the DC circuit breaker (1) to a first load terminal (4) of the DC circuit breaker (1), and a second A current path (5) of a second electrical polarity from a second supply terminal (6) of the DC protective switching device (1) to a second load terminal (7) of the DC protective switching device (1), wherein in the first current path (2) a mechanical bypass switch (8 ), wherein the bypass switch (8) comprises at least one bypass switch exciter coil (21), wherein a first semiconductor circuit arrangement (11) of the DC circuit breaker (1) is connected in parallel to the bypass switch (8), wherein an electronic control unit (13) of the DC protective switching device (1) is adapted to drive the first semiconductor circuit arrangement (11), wherein the Gleichstro m-protection switching device (1), one of the control unit (13) controlled, second semiconductor circuit arrangement (22), and wherein the second semiconductor circuit arrangement (22) is connected in terms of circuitry with the bypass switch exciter coil (21), characterized in that the second semiconductor circuit arrangement (22) is at least indirectly circuitally connected to the first supply terminal (3) and the second supply terminal (6).

DC circuit breaker (1) according to Claim 1 , characterized in that the second semiconductor circuit arrangement (22), bypassing a power supply unit (19) of the DC protective switching device (1), with the first supply terminal (3) and the second supply terminal (6) is connected.

DC circuit breaker (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that in the first current path (2) a current measuring arrangement (12) is arranged, which is connected to the control unit (13), that the control unit (13) is designed for detecting a short-circuit and / or overcurrent, and the control unit (13) is further designed to clock the second semiconductor circuit arrangement (22) in a preselectable short-circuit and / or overcurrent, in particular according to a pulse width modulation, to switch on / off.

DC circuit breaker (1) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the control unit (13) is further designed to clock the second semiconductor circuit arrangement (22) in an operable switching operation, in particular according to a pulse width modulation, on / off switch.

DC circuit breaker (1) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that in the first current path (2) a first circuit breaker (9) with a first circuit breaker exciter coil (23) is arranged that in the second current path (5), a second circuit breaker (10) with a second circuit breaker exciter coil (24), the first circuit breaker excitation coil (23) and the second circuit breaker exciter coil (24) are connected in circuit to the second semiconductor circuit arrangement (22).

DC circuit breaker (1) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that between the first supply connection (3) and the second supply connection (6) at least one capacitor (92) is connected.

System comprising a rectifier and a DC protective switching device (1) according to one of Claims 1 to 6 wherein the rectifier (17) comprises at least one smoothing capacitor (18), wherein the DC protective switching device (1) is connected to an output of the rectifier (17).