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Technisches Gebiet der Erfindung
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Stand der Technik
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Ein DC-Energiesystem umfasst mindestens eine Energiequelle, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom zur Verfügung stellt, also eine DC-Quelle, z.B. eine Batterie, einen PV-Generator oder eine Brennstoffzelle, und mindestens eine Last, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom verbraucht, also eine DC-Senke, z.B. einen Verbraucher, sowie Verbindungen zwischen diesen elektrischen Komponenten. Das DC-Energiesystem kann ein DC-Netz oder einen DC-Bus umfassen, wo die elektrischen Komponenten angeschlossen sind, und weitere Quellen, Speicher und/oder Verbraucher umfassen. Der Übergang zwischen einem DC-Bus mit wenigen angeschlossenen Komponenten, beispielsweise lediglich einer Quelle und einer Senke, und einem DC-Netz mit einer Vielzahl an derartigen Komponenten ist fließend. In dieser Anmeldung wird unter dem Begriff DC-Netz auch ein DC-Bus verstanden.
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Ein solches DC-Netz kann geerdet oder ungeerdet betrieben werden. Abhängig von der konkreten Betriebsart können unterschiedliche Überwachungs- und Schutzmechanismen für den Fall eines Erdschlusses normativ gefordert sein.
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Ein ungeerdetes DC-Netz, in dem die Potentiale DC+ und DC- der jeweiligen DC-Leitungen DCL+ und DCL- keinen festen Bezug zum Erdpotential aufweisen, hat den Vorteil, dass ein etwaiger erster Erdschluss im DC-Netz, beispielsweise ein Isolationsfehler entlang einer der DC-Leitungen, noch zu keinem Schaden führt. Es wird jedoch eine Isolationsüberwachung benötigt, um das Auftreten jedweden Fehlers zu detektieren und ggf. schon bei einem ersten Erdschluss Gegenmaßnahmen einleiten zu können, z.B. die Energiequelle abzuschalten bzw. die Energiequelle und/oder die Fehlerstelle vom DC-Netz zu trennen.
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In einem geerdeten DC-Netz weisen die Potentiale DC+ und DC- einen definierten Bezug zum Erdpotential auf. Ein derartiger Erdbezug kann beispielsweise mittels einer resistiven Verbindung zwischen dem Erdpotential und einem der DC-Potentiale DC+ oder DC- einfach realisiert werden.
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Ein DC-Netz kann über einen Stromrichter mit einem weiteren Energienetz, z. B. einem weiteren DC-Netz oder einem AC-Netz, beispielsweise einem AC-Versorgungsnetz, verbunden werden und mit dem weiteren Energienetz elektrische Leistung austauschen, insbesondere zur Unterstützung oder Wiederaufladung der DC-Quelle im DC-Netz. Grundsätzlich kann das DC-Netz auch dauerhaft oder zeitweise vollständig über den Stromrichter mit Energie aus dem weiteren Energienetz versorgt werden, wobei die Energiequelle des DC-Netzes ggf. zur Pufferung von Leistungsschwankungen verwendet werden kann.
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Wenn das weitere Energienetz eine Erdung, z. B. in Form eines geerdeten Neutralleiters, aufweist und der Stromrichter transformatorlos aufgebaut ist, d.h. keine galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite aufweist, wird das DC-Netz automatisch über den Stromrichter mit einem festen Erdbezug versehen, d.h. geerdet. Die konkrete Lage der Potentiale des DC-Netzes relativ zum Erdbezug wird dabei durch die konkret verwendete Topologie des Stromrichters vorgegeben. Beispielsweise kann der Stromrichter gleichstromseitig einen geteilten Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt, also Mittelpotential, mit einem Neutralleiter mit festem Erdbezug verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential einstellen.
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Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz durch eine Verbindung mit einem geerdeten Energienetz über einen transformatorlosen Stromrichter ebenfalls zu einem geerdeten Netz. Es können sich somit zwei Betriebszustände für ein solches DC-Netz ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone“-Betrieb und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten Energienetz. Dies ist bei der Systemauslegung zu beachten.
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Verbindet man allerdings ein geerdetes DC-Netz mit einem geerdeten AC-Netz, beispielsweise über einen Stromrichter, kann es zu derart hohen, unkontrollierten Stromflüssen zwischen den Netzen kommen, dass Komponenten des Stromrichters oder Komponenten der Netze beschädigt werden. Dies gilt auch, wenn in einem vermeintlich ungeerdeten DC-Netz ein Isolationsfehler vorhanden ist.
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Aus der
DE 11 2016 002 475 T5 ist eine Leistungswandlervorrichtung zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite und einer DC-Seite der Leistungswandlervorrichtung bekannt, die einen galvanisch trennenden Transformator im Leistungspfad sowie eine Vorladeschaltung für einen Gleichspannungszwischenkreis umfasst, wobei die Vorladeschaltung ebenfalls mittels eines Transformators galvanisch vom AC-Netz getrennt betrieben wird. Die Leistungswandlervorrichtung weist ferner eine Messeinrichtung auf, die auf der DC-Seite angeordnet ist und zur Isolierungsdiagnose verwendet werden kann. In der
JP 2014 - 27 826 A ist ebenfalls ein galvanisch trennender Leistungswandler mit einer Vorladeschaltung in einer alternativen Ausführung offenbart.
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Aus der
DE 10 2017 127 311 A1 ist ein Stromrichtersystem bekannt, bei dem ein Stromrichter einen Gleichspannungszwischenkreis umfasst und über einen Netztransformator mit einem AC-Netz verbindbar ist, wobei der Gleichspannungszwischenkreis mittels einer Gleichrichtereinheit und eines Vorladetransformators vorgeladen wird. Die
US 2016 / 0 126 858 A1 offenbart ebenfalls einen Stromrichter, bei dem eine DC-Kapazität aus einem AC-Netz über einen Vorladetransformator und einen Gleichrichter vorgeladen wird.
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Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl. alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein Verfahren mit einfacher zu handhabendem oder verbessertem Schutz gegen Erdströme aufzuzeigen, die bei Verbindung eines DC-Netzes mit einem geerdeten AC-Versorgungsnetz fließen können.
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Lösung
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Die Aufgabe wird durch einen Stromrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
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Beschreibung der Erfindung
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Bei einem Stromrichter zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters und einer DC-Seite des Stromrichters ist die AC-Seite des Stromrichters an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz anschließbar und die DC-Seite des Stromrichters ist an ein ungeerdetes DC-Netz anschließbar. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, deren AC-Anschlüsse über AC-Schalter mit der AC-Seite des Stromrichters verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse über Trennschalter mit der DC-Seite des Stromrichters verbindbar sind. Ein DC-Zwischenkreis des Stromrichters dient der Zwischenspeicherung von Energie während des Betriebs des Stromrichters und kann Teil der Brückenschaltung sein. Der DC-Zwischenkreis ist über eine galvanisch nicht trennende AC-Vorladeschaltung aus dem AC-Versorgungsnetz aufladbar. Der Stromrichter weist eine Messeinrichtung auf, die zur Messung des Isolationswiderstandes der DC-Seite des Stromrichters bei bestehender galvanischer Verbindung zwischen AC-Seite und DC-Seite eingerichtet ist. Die Messeinrichtung kann beispielsweise als DI-Wandler ausgebildet sein.
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In der Brückenschaltung wird insbesondere durch getaktete Ansteuerung von Halbleiterschaltern der an den AC-Anschlüssen bereitgestellte Wechselstrom in an den DC-Anschlüssen bereitgestellten Gleichstrom oder umgekehrt gewandelt.
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Die AC-Vorladeschaltung ermöglicht das Aufladen der Kondensatoren des DC-Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz in einem Zustand, in dem die AC-Seite des Stromrichters von dem AC-Versorgungsnetz getrennt sein kann. Die AC-Vorladeschaltung weist keine galvanische Trennung auf, beispielsweise durch das Vorsehen eines transformatorlosen Gleichrichters in der AC-Vorladeschaltung. Dies kann Kostenvorteile bedeuten. Die Messeinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, den Isolationswiderstand der DC-Seite bei bestehender Verbindung des AC-Versorgungsnetzes mit dem DC-Zwischenkreis zu messen.
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Das Aufladen der Kondensatoren des DC-Zwischenkreises mit der AC-Vorladeschaltung kann Teil eines Schutzkonzeptes sein, bei dem das Aufladen der Kondensatoren des DC-Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz erfolgt, bevor die AC-Seite des Stromrichters mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden wird.
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In einer Ausführungsform sind die AC-Anschlüsse und die DC-Anschlüsse der Brückenschaltung galvanisch gekoppelt und der Leistungstransferpfad zwischen der AC-Seite und der DC-Seite des Stromrichters ist insbesondere transformatorlos ausgebildet. Dies kann Kostenvorteile gegenüber einer galvanisch getrennt ausgeführten Brückenschaltung bedeuten.
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Ein Vorteil eines solchen Stromrichters mit AC-Vorladeschaltung, insbesondere auch wenn er transformatorlos ausgebildet ist und z. B. aktiv angesteuert wird, ist, dass er von der AC-Seite aus durch einen Vorladevorgang gestartet werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Starten von der DC-Seite ungünstig ist oder nicht möglich ist, weil z. B. eine Energiequelle wie Photovoltaikanlage oder Batterie auf der DC-Seite fehlt. In einem zweiten Schritt des Startens kann dann durch Schließen der AC-Schalter die AC-Seite mit der Brückenschaltung verbunden werden. Für den Fall, dass an der AC-Seite ein AC-Versorgungsnetz angeschlossen ist, kann dieses nun den Stromrichter mit elektrischer Leistung versorgen.
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In einer Ausführungsform ist die Messeinrichtung zwischen der AC-Seite des Stromrichters und den AC-Anschlüssen der Brückenschaltung angeordnet. Die Messeinrichtung ist insbesondere ausgelegt, einen Fehlerstrom zu messen, z. B. über eine Differenzstrommessung an den AC-Anschlüssen. Über das Messen des Fehlerstroms kann ermittelt werden, ob der Isolationswiderstand der DC-Seite genügend groß ist, insbesondere wenn ein DC-Netz and der DC-Seite angeschlossen ist.
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In einer Ausführungsform des Stromrichters ist pro DC-Anschluss zumindest ein Trennschalter mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand vorhanden. Hierbei kann ein Trennschalter mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand, insbesondere durch Überbrückung des Trennschalters oder als eingeschleifte Parallelschaltung aus Schalter und Vorladewiderstand ausgeführt sein. In weiteren Schritten des Startens kann nach dem Vorladen des DC-Zwischenkreises und dem Zuschalten des AC-Versorgungsnetzes zunächst ein DC-Anschluss über seinen Vorladewiderstand verbunden werden und über die Messeinrichtung der Fehlerstrom gemessen werden. Danach kann der andere DC-Anschluss über seinen Vorladewiderstand verbunden werden und über die Messeinrichtung der Fehlerstrom gemessen werden. Aus den beiden Messwerten kann ein Isolationswiderstand bestimmt werden. Sind die Fehlerströme in beiden Fällen gering, können beide DC-Anschlüsse über ihre jeweiligen Vorladewiderstände verbunden werden und über die Messeinrichtung der Fehlerstrom gemessen werden. Ist der Fehlerstrom auch in diesem Fall gering, so können danach beide DC-Anschlüsse ohne Vorladewiderstand „hart“ mit der DC-Seite verbunden werden. Der Fehlerstrom kann weiter über die Messeinrichtung gemessen werden. Danach kann der Stromrichter den „Normalbetrieb“ aufnehmen und die DC-Seite mit Leistung von der AC-Seite versorgt werden. Das Hinzuschalten der Vorladewiderstände kann also auf beiden DC-Anschlüssen unabhängig voneinander erfolgen. Einzelne der vorstehend genannten Zwischenschritte können ausgelassen werden. Ebenso ist denkbar, zusätzliche Zwischenschritte einzufügen, beispielsweise einen DC-Anschluss über einen Vorladewiderstand und den anderen Anschluss „hart“, also ohne zwischengeschalteten Vorladewiderstand mit der DC-Seite zu verbinden und den dann auftretenden Fehlerstrom zu bestimmen.
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Im Betrieb und bei Versorgung von DC-Lasten an einem DC-Netz, das unter anderem beispielsweise aus einem Stromrichter gespeist wird, der ein transformatorloser aktiver Gleichrichter ist, kann sich der Erdbezug des DC-Netzes über die Erdung des AC-Versorgungsnetzes auf der AC-Seite des Gleichrichters ergeben. Die Potential DC+ und DC- können z. B. über die Verbindung zur AC-Seite symmetrisch niederohmig gegen Erde liegen. Die Wahl des Bezugspunktes für die Erdung im DC-Netz kann vorteilhaft so erfolgen, dass insbesondere ein Potential in der Nähe des Mittelpotentials mit dem Erdpotential verbunden wird. Das Mittelpotential liegt in der Mitte zwischen DC+ und DC- und kann z. B. in der Mitte einer Halbbrücke der Brückenschaltung erreicht werden. Dadurch kann die Spannung der DC+ und DC- Potentiale im DC-Netz gegen Erde auf etwa die Hälfte der gesamten DC-Spannung begrenzt werden, wodurch u.a. Anforderungen an die die Isolationskoordination entsprechend vereinfacht sind gegenüber einer Erdung an DC+ oder DC-. Wird ein DC-Netz z. B. an DC- geerdet, so muss die Isolierung der Leitungen auf DC+ Potential für die volle Systemspannung gegen Erde ausgelegt sein und umgekehrt. Das kann bei hohen Systemspannungen zu erheblichen Kosten führen.
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In einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, den DC-Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung bei geöffneten AC-Schaltern und geöffneten Trennschaltern aufzuladen, danach die AC-Seite mit den AC-Anschlüssen durch Schließen der AC-Schalter zu verbinden und die DC-Zwischenkreisspannung einzustellen. Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, die DC-Anschlüsse mit der DC-Seite durch Schließen der Trennschalter zu verbinden, wobei mindestens ein DC-Anschluss über einen Vorladewiderstand mit der DC-Seite verbunden ist, und danach einen Fehlerstrom an den AC-Anschlüssen zu messen. Es kann der Vorladewiderstand bei der Messung des Fehlerstroms berücksichtigt werden. Bei genügend geringem Fehlerstrom wird dann die DC-Zwischenkreisspannung an die DC-Spannung auf der DC-Seite angeglichen und die DC-Anschlüsse mit der DC-Seite ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen verbunden.
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Die Steuereinheit ist vorzugsweise eingerichtet, die Schalter der Brückenschaltung getaktet anzusteuern, um die Leistungswandlung von den AC-Anschlüssen zu den DC-Anschlüssen zu bewirken.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, das Messen des Fehlerstroms in zwei Schritten durchzuführen, wobei das Messen des Fehlerstroms einen ersten Schritt umfasst, in dem ein erster DC-Anschluss über einen ersten Vorladewiderstand mit der DC-Seite verbunden ist, und einen zweiten Schritt umfasst, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss unterschiedlicher DC-Anschluss über einen zweiten Vorladewiderstand mit der DC-Seite verbunden ist, wobei der Fehlerstrom aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten Messwerten bestimmt wird. Eine Berechnung des Isolationswiderstandes kann beispielsweise aus einer Differenz der Differenzströme bei einzeln hinzugeschalteten Vorladewiderständen erfolgen. Das gestufte Vorgehen dient z. B. dazu, zu hohe Ströme im Fehlerfall zu vermeiden.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, die DC-Spannung an den DC-Anschlüssen symmetrisch zu einem Mittelpotential einzustellen.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, das Mittelpotential indirekt über die AC-Seite auf Erdpotential beziehungsweise auf ein - gegebenenfalls durch den Betrieb des Stromrichters verursachten Ripple zeitlich variierendes - Potential nahe dem Erdpotential einzustellen.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, den DC-Zwischenkreis mit einer Leistung aufzuladen, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters.
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In einer Ausführungsform ist der Stromrichter eingerichtet, die Spannung der DC-Seite einzustellen, während die DC-Seite ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen mit den DC-Anschlüssen verbunden ist. Der Stromrichter ist eingerichtet, bei eingestellter DC-Spannung die DC-Seite über Trennschalter mit überbrückten Vorladewiderständen mit elektrischer Leistung zu versorgen. Dies entspricht z. B. einem Betriebszustand „Normalbetrieb“ des Stromrichters, bei dem das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, die Vorladeschaltung nach der Verbindung des AC-Versorgungsnetzes mit dem Stromrichter zu deaktivieren. Die Deaktivierung kann z. B. entweder durch Trennung vom AC-Versorgungsnetz erfolgen oder durch eine Erhöhung der DC-Zwischenkreisspannung über die Ausgangsspannung der Vorladeschaltung, so dass kein Strom von der AC-Vorladeschaltung in den DC-Zwischenkreis fließt.
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Ein Verfahren zur Versorgung eines ungeerdeten DC-Netzes aus einem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz durch einen transformatorlosen Stromrichter mit einer Brückenschaltung, deren DC-Anschlüsse mittels Trennschaltern mit einem auf einer DC-Seite des Stromrichters angeschlossenen DC-Netz verbindbar sind und deren AC-Anschlüsse über AC-Schalter mit dem auf einer AC-Seite des Stromrichters angeschlossenen AC-Versorgungsnetz verbindbar sind, sowie mit einer galvanisch nicht trennenden Vorladeschaltung zum Vorladen des DC-Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz, weist die Schritte auf:
- - Vorladen des DC-Zwischenkreises durch die AC-Vorladeschaltung bei geöffneten AC-Schaltern und geöffneten Trennschaltern,
- - anschließendes Verbinden der AC-Anschlüsse mit dem AC-Versorgungsnetz durch Schließen der AC-Schalter und Einstellen der DC-Zwischenkreisspannung durch den Stromrichter,
- - anschließendes Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz durch Schließen der Trennschalter, wobei mindestens ein DC-Anschluss über einen Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist,
- - anschließendes Messen eines Fehlerstroms an den AC-Anschlüssen,
- - bei genügend geringem Fehlerstrom: Angleichen der DC-Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes und Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen.
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Bei zu großem Fehlerstrom kann das Hochstarten des Stromrichters aus Sicherheitsgründen gestoppt werden. In diesem Fall kann zusätzlich ein Fehlersignal erzeugt und geeignet übermittelt werden.
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Das Vorladen des DC-Zwischenkreises erfolgt bevorzugt mit geringer Leistung, d. h. mit einer Leistung, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters. Über die AC-Vorladeschaltung wird ein Potentialbezug zwischen DC-Zwischenkreis und AC-Versorgungsnetz hergestellt. Die Vorladewiderstände sind bevorzugt derart hochohmig ausgebildet, dass Ausgleichsströme zwischen dem DC-Zwischenkreis und dem DC-Netz beim Verbinden reduziert werden und zusätzlich auch zu hohe Fehlerströme im Fehlerfall vermieden werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach dem Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz eine Isolationsüberwachung des DC-Netzes mittels einer Fehlerstrommessung an den AC-Anschlüssen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Messen des Fehlerstroms einen ersten Schritt, in dem ein erster DC-Anschluss über einen ersten Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist, und einen zweiten Schritt, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss unterschiedlicher DC-Anschluss über einen zweiten Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist, wobei der Fehlerstrom aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten Messwerten bestimmt wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus den im ersten Schritt und im zweiten Schritt erfassten Messwerten ein Isolationswiderstand bestimmt, und nur bei genügend hohem Isolationswiderstand erfolgt das Angleichen der DC-Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes und das Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen.
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In einem optionalen weiteren Schritt kann vor dem Schließen der Trennschalter die Spannung auf der DC-Seite gemessen und die DC-Zwischenkreisspannung so weit erhöht werden, dass sie der Spannung auf DC-Seite näherungsweise entspricht. Dies kann vor dem Schließen der Trennschalter erfolgen, um Rückströme von der DC-Seite in den Stromrichter zu vermeiden.
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Bevorzugt wird die DC-Seite des Stromrichters im Normalbetrieb mit DC-Spannung versorgt, die symmetrisch zum Erdpotential als Mittelpotential ist, welches über eine Erdung der AC-Seite definiert ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters;
- 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens.
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Figurenbeschreibung
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In 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines Stromrichters 10 mit einer AC-Seite 16 und einer DC-Seite 18 dargestellt. An der AC-Seite 16 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite 18 ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist einen Isolationswiderstand 50 gegen Erdpotential PE auf. Eine Batterie 42 ist über DC-Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar. Die Batterie 42 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 42.P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Die Last 44 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 44.P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucherumfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage oder auch einen Elektrolyseur.
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Der Stromrichter 10 weist eine Brückenschaltung 20 auf, die ausgebildet ist, Wechselstrom oder Wechselspannung an AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 in Gleichstrom oder Gleichspannung an DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ umzuwandeln. Die Brückenschaltung 20 ist ebenfalls ausgebildet, Gleichstrom oder Gleichspannung an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ in Wechselstrom oder Wechselspannung an den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 umzuwandeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht die Umwandlung dadurch, dass eine Steuereinheit 30 Halbleiterschalter der Brückenschaltung 20 geeignet ansteuert. Eine Brückenschaltung 20 mit Halbleiterschaltern ist in der Regel transformatorlos, d. h. die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 und die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- einer solchen Brückenschaltung sind galvanisch gekoppelt. Wenn das AC-Versorgungsnetz einen Erdbezug aufweist, z. B. durch einen geerdeten Neutralleiter, werden die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- damit in der Regel automatisch über die Brückenschaltung 20 geerdet. Die konkrete Lage der Potentiale der DC-Anschlüsse relativ zum Erdbezug (DC+ / DC- gegen PE) werden dabei durch die konkret verwendete Topologie der Brückenschaltung 20 vorgegeben. Beispielsweise kann die Brückenschaltung 20 DC-seitig einen geteilten DC-Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt mit dem Neutralleiter des AC-Versorgungsnetzes 12 mit festem Erdbezug PE als Mittelpotential verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am DC-Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential PE einstellen.
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Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz 14 durch eine Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12 über den transformatorlosen Stromrichter 10 ebenfalls zu einem geerdeten DC-Netz 14. Es können sich somit zwei Betriebszustände für das DC-Netz 14 ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone-Betrieb“ mit Versorgung aus der Batterie 42 und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12.
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Der DC-Zwischenkreis der Brückenschaltung 20 soll in der Regel beim Hochfahren des Stromrichters 10, vor der Verbindung der AC-Seite 16 oder DC-Seite 18 mit den entsprechenden Netzen 12, 14, vorgeladen werden. Dies wird angestrebt, um z. B. Ladeströme von Kondensatoren des DC-Zwischenkreises bei einer erstmaligen Verbindung mit dem DC-Netz 14 zu begrenzen. Eine AC-Vorladeschaltung 40 des Stromrichters 10 ist eingerichtet, eine solche Vorladung aus dem AC-Versorgungsnetz 12 durchzuführen und weist hierfür einen Gleichrichter 36 ohne galvanische Trennung auf. Über die AC-Vorladeschaltung 40 kann der DC-Zwischenkreis der Brückenschaltung 20 direkt aus dem AC-Versorgungsnetz 12 vorgeladen werden. Hierfür ist die Wechselstromseite der AC-Vorladeschaltung 40 mit der AC-Seite 16 des Wechselrichters 10 verbunden. Die AC-Vorladeschaltung wird durch die Steuereinheit 30 angesteuert. Ein Halbleiterschalter 38 ist zwischen den Gleichrichter 36 und den DC-Anschluss DCL- geschaltet. Er wird ebenfalls von der Steuereinheit 30 angesteuert.
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Über AC-Schalter 22 können die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 mit der AC-Seite 16 verbunden werden. Der Stromrichter 10 weist weiter eine Fehlerstrommessung 32 auf der AC-Seite 16 auf, die auf einer Differenzstrommessung der drei AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 basiert. Die Differenzstrommessung kann an einer Stelle erfolgen, an der nur die Phasenströme zu den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 berücksichtigt werden, oder auch an einer Stelle, an der zusätzlich auch die Phasenströme zu der AC-Vorladeschaltung berücksichtigt werden.
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Über einen Trennschalter 26.1 kann der DC-Anschluss DCL+ mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Über einen Trennschalter 26.2 kann der DC-Anschluss DCL- mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Für den DC-Anschluss DCL+ ist ein hinzuschaltbarer Vorladewiderstand 28.1 vorgesehen. Für den DC-Anschluss DCList ein hinzuschaltbarer Vorladewiderstand 28.2 vorgesehen. Die Trennschalter 26.1, 26.2 mit hinzuschaltbarem Vorladewiderstand 28.1, 28.2 sind durch Überbrückung des Trennschalters 26.1, 26.2 oder als eingeschleifte Parallelschaltung aus Schalter 24.1, 24.2 und Vorladewiderstand 28.1, 28.2 ausgeführt.
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In 2 ist schematisch ein Verfahren zur Versorgung des ungeerdeten DC-Netzes 14 aus dem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz 12 durch den transformatorlosen Stromrichter 10 dargestellt. In Schritt S1 wird der DC-Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung 40 bei geöffneten AC-Schaltern 22 und geöffneten Trennschaltern 26.1, 26.2 aus dem AC-Versorgungsnetz 12 geladen. In Schritt S2 werden die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 mit dem AC-Versorgungsnetz 12 durch Schließen der AC-Schalter 22 verbunden und eine DC-Zwischenkreisspannung wird durch den Stromrichter 10 eingestellt. Anschließend werden in Schritt S3 die DC-Anschlüsse DCL+, DCL+ mit dem DC-Netz 14 durch Schließen der Trennschalter 26.1, 26.2 verbunden, wobei mindestens ein DC-Anschluss DCL+, DCL- über einen Vorladewiderstand 28.1, 28.2 mit dem DC-Netz 14 verbunden ist. Anschließend wird in Schritt S4 ein Fehlerstrom an den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 gemessen und geprüft, ob der Fehlerstrom unter einer vorgebbaren Schwelle liegt. Ist dies der Fall, ist der Fehlerstrom also genügend gering, wird in Schritt S5 die DC-Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes angeglichen und die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- werden mit dem DC-Netz 14 ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen 28.1, 28.2. verbunden.
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Liegt der Fehlerstrom nicht unter der vorgebbaren Schwelle, ist der Fehlerstrom also zu groß, so liegt ein Fehlerfall vor und es werden in Schritt S6 die AC-Schalter 22 und die Trennschalter 26.1, 26.2 wieder geöffnet und der Stromrichter von dem AC-Versorgungsnetz 12 und dem DC-Netz 14 getrennt.
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Optional kann nach Schritt S5 eine Isolationsüberwachung des DC-Netzes 14 mittels der Fehlerstrommessung 32 an den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 erfolgen.
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Optional kann das Messen des Fehlerstroms in Schritt S4 einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt umfassen, wobei im ersten Schritt von Schritt S4 ein erster DC-Anschluss DCL+, DCL- über einen ersten Vorladewiderstand 28.1, 28.2 mit dem DC-Netz 14 verbunden wird und im zweiten Schritt von Schritt S4 ein zweiter vom ersten DC-Anschluss DCL+, DCL- unterschiedlicher DC-Anschluss DCL+, DCL- über einen zweiten Vorladewiderstand 28.1, 28.2 mit dem DC-Netz 14 verbunden wird. Der Isolationswiderstand wird aus bei dem ersten Schritt von S4 und bei dem zweiten Schritt von S4 erfassten Messwerten bestimmt. Der erste und der zweite Vorladewiderstand 28.1, 28.2 kann dabei - im Fehlerfall - vor zu hohen Strömen schützen. Schritt S4 kann optional auch umfassen, dass beide DC-Anschlüsse DCL+, DCL- gleichzeitig und über ihre jeweiligen Vorladewiderstände 28.1, 28.2 mit dem DC-Netz 14 verbunden werden. Dies gleichzeitige Verbinden erfolgt vorteilhafterweise nach dem ersten Schritt von S4 und dem zweiten Schritt von S4.
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Optional kann aus den im ersten Schritt von S4 und im zweiten Schritt von S4 erfassten Messwerten ein Isolationswiderstand 50 bestimmt werden, und nur bei genügend hohem Isolationswiderstand 50 das Angleichen der DC-Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes 14 und das Verbinden der DC-Anschlüsse DCL+, DCL- mit dem DC-Netz 14 ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen 28.1, 28.2 erfolgen. Das Hinzuschalten der DC-Anschlüsse DCL+, DCL- kann somit zunächst einzeln und dann bei genügend großem Isolationswiderstand 50 des DC-Netzes 14 gemeinsam erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stromrichter
- 12
- AC-Versorgungsnetz
- 14
- DC-Netz
- 16
- AC-Seite
- 18
- DC-Seite
- 20
- Brückenschaltung
- 22
- AC-Schalter
- 24.1, 24.2
- Schalter
- 26.1, 26.2
- Trennschalter
- 28.1, 28.2
- Vorladewiderstand
- 30
- Steuereinheit
- 32
- Fehlerstrommessung
- 36
- Gleichrichter
- 38
- Halbleiterschalter
- 40
- AC-Vorladeschaltung
- 42
- Batterie
- 42. P
- parasitärer Widerstand
- 44
- Last
- 44. P
- parasitärer Widerstand
- 46
- DC-Schalter
- 48
- DC-Schalter
- 50
- Isolationswiderstand
- ACL1, ACL2, ACL3
- AC-Anschluss
- DCL+, DCL-
- DC-Anschluss
- PE
- Potential Erde
- S1, S2, S3, S4, S5, S6
- Verfahrensschritte
