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Technisches Gebiet der Erfindung
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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- 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, kann das DC-Netz automatisch über den Stromrichter mit einem festen Erdbezug versehen, d.h. geerdet, werden. 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 der DC-Leiter am Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential einstellen. Eine solche Symmetrie der DC-Potentiale hat Vorteile bei der Systemauslegung.
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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 „Stand-alone“-Betrieb ohne Erdung über einen Stromrichter und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung über einen Stromrichter 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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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, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, die einen einfachen und sicheren Betrieb eines DC-Netzes unterstützen.
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Lösung
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird durch eine Symmetriereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Symmetriereinheit sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
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Beschreibung der Erfindung
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Bei einem Verfahren zum Symmetrieren von Spannungen an einem ersten und einem zweiten DC-Leiter in einem DC-Netz wird bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential und des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential ein Ausgleichsstrom zwischen zumindest einem der DC-Leiter und Erdpotential erzeugt. Das Symmetrieren erfolgt mittels einer Symmetriereinheit mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter, welche zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter in Reihe geschaltet sind, und einer zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter angeordneten Verbindung mit dem Erdpotential. Der Ausgleichsstrom, der bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential und des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential zwischen zumindest einem der DC-Leiter und Erdpotential erzeugt wird, wird über jeweils einen der Halbleiterschalter erzeugt, wobei durch den Ausgleichsstrom die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter gegen Erdpotential verringert wird. In einer Ausführungsform werden insbesondere die Spannungen der DC-Leiter zum Erdpotential symmetriert.
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Symmetrische Spannungen bedeuten im Kontext dieser Anmeldung, dass die Beträge der Gleichspannungen, also DC-Spannungen, gegenüber Erdpotential auf beiden DC-Leitern nahezu gleich groß sind und entgegengesetzte Polaritätaufweisen, also für einen der DC-Leiter positiv und für den anderen der DC-Leiter negativ sind.
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Bei den Halbleiterschaltern kann es sich beispielsweise um Bipolartransistoren handeln, die bevorzugt als steuerbare Widerstände bzw. Stromquellen eingesetzt werden. Der Ausgleichsstrom fließt in diesen Ausführungsformen infolge der Nichtlinearitäten der Halbleiter, indem der Halbleiter einen variablen Widerstand in Abhängigkeit von einem analogen Steuersignal am Steuereingang der Halbleiter aufweist.
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Bei den Halbleiterschaltern kann es sich auch um z. B. Schalt-Transistoren handeln, die z. B. von einer Steuereinheit angesteuert, bevorzugt binär angesteuert, werden, also bevorzugt nur zwei Zustände aufweisen. Die Ansteuerung erfolgt in einer solchen Ausführungsform mittels eines binären Steuersignals, das je nach Auslegung der Schaltung insbesondere durch eine Steuereinheit mit einer geeigneten Regelung bereitgestellt wird. Bevorzugt wird das Verfahren auf der Steuereinheit ausgeführt.
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Das Verfahren greift ein, wenn eine Asymmetrie der Spannungen vorliegt und ermöglicht eine Symmetrierung der DC-Spannungen in verschiedenen Betriebszuständen des DC-Netzes. Dazu gehören insbesondere ein AC-gekoppelter Betrieb, bei dem das DC-Netz z.B. über einen transformatorlosen Stromrichter galvanisch mit einem geerdeten AC-Versorgungsnetz verbunden ist und zumindest überwiegend aus den AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird, sowie ein „Stand-alone“ Betrieb, bei dem das DC-Netz galvanisch vom AC-Versorgungsnetz getrennt ist Sind die Spannungen im DC-Netz symmetrisch, was z. B. durch einen indirekten Erdbezug über den Stromrichter aus dem geerdeten AC-Versorgungsnetz gegeben sein kann, so wird in diese Erdung und Symmetrie nicht eingegriffen. Damit kann das DC-Netz flexibel sowohl im „Stand-alone“ Betrieb, beispielsweise mit elektrische Leistung aus der Batterie, als auch im netzgekoppelten Betrieb mit gegebenem Erdbezug aus einem AC-Versorgungsnetz über den Stromrichter betrieben werden. Dabei muss das das DC-seitige Schutzkonzept für ein geerdetes DC-Netzes nicht verändert werden. Dies vereinfacht die Systemauslegung, indem sichergestellt ist, dass im Betrieb des DC-Netzes keine Spannungen gegen Erde auftreten, die wesentlich oberhalb der Hälfte der gesamten DC-Spannung liegen.
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In einem ungeerdeten DC-Netz ohne Symmetrierung der DC-Spannungen kann die Spannung gegen Erdpotential die volle Systemspannung umfassen, wenn eines der DC-Potentiale in der Nähe des Erdpotentials zu liegen kommt. Die Isolation in DC-Verbrauchern muss dann bzw. von vornherein auf die maximal auftretenden DC-Spannungen gegen Erdpotential ausgelegt sein. Das Verfahren erleichtert somit die Systemauslegung, da eine Symmetrierung der DC-Spannungen (in gewissen Grenzen) erreicht werden kann und somit gewährleistet werden kann, dass die maximal auftretenden DC-Spannungen gegen Erdpotential auf etwa die Hälfte der DC-Zwischenkreisspannung begrenzt ist oder das DC-Netz ggf. abgeschaltet wird
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Ausgleichsstrom über den zumindest einen Halbleiterschalter erzeugt, wenn die Asymmetrie der Spannungen einen vorgebbaren ersten Schwellwert überschreitet. Bei einem solchen Verfahren wird erst dann durch die Symmetriereinheit eingegriffen, wenn die Asymmetrie der beiden DC-Spannungen den ersten Schwellwert überschreitet. Bei der Systemauslegung kann so berücksichtigt werden, dass z. B. kleinere Asymmetrien für das System unschädlich sein können oder sogar systembedingt erwünscht sein können, und es daher möglich sein kann, dass zunächst kein Eingriff nötig ist.
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Eine solche Einsatzschwelle, also die Realisierung des ersten Schwellwertes, für den Ausgleichsstrom kann z. B. über geeignete Auswahl und Auslegung der elektrischen und/oder elektronischen Bauteile der Symmetriereinheit erreicht werden, insbesondere durch die Verwendung von Zenerdioden zur Ansteuerung der Halbleiterschalter bei Erreichen des ersten Schwellwertes. So kann erreicht werden, dass erst ab einer bestimmten Asymmetrie ein Ausgleichsstrom durch die Symmetriereinheit gegen Erdpotential fließt. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn z. B. der Stromrichter als bidirektionaler, dreiphasiger Wechselrichter ausgeführt ist und DC-seitig ein Nullsystem auf die DC-Leitungen aufmoduliert, wie es z. B. bei Verwendung einer Flattopmodulation der Fall ist. Dies führt nämlich dazu, dass das DC-Potential nicht konstant ist, sondern dass die Lage der DC-Spannungen durch die Art der Regelung der Brückenschaltung des Stromrichters mit der Netzfrequenz moduliert wird. Damit liegt eine Art systembedingte „modulierte Asymmetrie“ vor. Die Verwendung einer Einsatzschwelle kann insofern verhindern, dass das Verfahren gegen ein vom Stromrichter gewünschtes Systemverhalten arbeitet.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt auf, dass alternativ oder zusätzlich die Asymmetrie der Spannungen durch die Steuereinheit ermittelt wird. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn es sich bei den Halbleiterschaltern um z. B. Schalt-Transistoren handeln, die von der Steuereinheit angesteuert, bevorzugt binär ein- und ausgeschaltet, werden. Hier wird die Einsatzschwelle für den Ausgleichsstrom, also der erste Schwellwert, durch die Steuereinheit ermittelt und die Halbleiterschalter über Ansteuersignale angesteuert, so dass erst ab einer bestimmten Asymmetrie ein Ausgleichsstrom durch die Symmetriereinheit gegen Erde fließt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Größe des Ausgleichsstroms durch die Steuereinheit überwacht. Überschreitet der Ausgleichsstrom einen vorgebbaren zweiten Schwellwert, wo wird ein Abschaltsignal erzeugt und ausgegeben. Bevorzugt erzeugt die Steuereinheit das Abschaltsignal und gibt es aus. In einem solchen Fall ist die Asymmetrie der DC-Spannungen zu groß, was insbesondere auf einen erheblichen Isolationsfehler im DC-Netz hinweisen kann, und sollte durch das Verfahren nicht mehr ausgeglichen werden.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens bewirkt die Ausgabe des Abschaltsignals eine Trennung des DC-Netzes von einem elektrischen Energiespeicher und/oder einer DC-Quelle. Für diesen Fall des zu großen Ausgleichsstroms wird ermöglicht, das DC-Netz aus Sicherheitsgründen abzuschalten.
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Eine Symmetriereinheit für ein DC-Netz mit einem ersten DC-Leiter und einem zweiten DC-Leiter, wobei zwischen dem ersten DC-Leiter und dem zweiten DC-Leiter zumindest eine DC-Last sowie ein elektrischer Energiespeicher und/oder eine DC-Quelle anschließbar ist, weist einen ersten Halbleiterschalter und einen zweiten Halbleiterschalter auf. Der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter sind zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter in Reihe geschaltet. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter besteht eine Verbindung mit Erdpotential. Die Symmetriereinheit ist so ausgelegt ist, dass zumindest ein Halbleiterschalter so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential ein Ausgleichsstrom zwischen zumindest einem der DC-Leiter und Erdpotential über den zumindest einen Halbleiterschalter fließt, wobei durch den Ausgleichsstrom die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter gegen Erdpotential verringert wird, wobei insbesondere die Spannungen zum Erdpotential symmetriert werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen der Symmetriereinheit sind der erste und der zweite Halbleiterschalter als Transistoren ausgebildet. Die Symmetriereinheit kann dabei als Halbleiterschalter Bipolartransistoren aufweisen, die als steuerbare Widerstände bzw. Stromquellen eingesetzt werden und bei bestimmten Spannungsverhältnissen an ihren Anschlüssen den Ausgleichsstrom erzeugen. Der Ausgleichsstrom fließt in diesen Ausführungsformen infolge der Nichtlinearitäten der Halbleiter, indem der Halbleiter einen variablen Widerstand in Abhängigkeit von einem analogen Steuersignal am Steuereingang der Halbleiter aufweist.. Alternativ oder zusätzlich kann die Symmetriereinheit als Halbleiterschalter Schalt-Transistoren aufweisen. Die Schalt-Transistoren können beispielsweise durch eine Steuereinheit aktiv betätigt werden. Die Betätigung erfolgt dabei durch ein bevorzugt digitales Steuersignal, welches durch die Steuereinheit erzeugt wird, auf der bevorzugt oben beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
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In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit sind die Steueranschlüsse der Transistoren mit einem Mittenabgriff einer zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter angeordneten Reihenschaltung zweier ohmscher Widerstände verbunden, wobei die Reihenschaltung der ohmschen Widerstände einen Spannungsteiler bildet. Bei einer Asymmetrie der Spannungen an den DC-Leitern verschiebt sich das Potential des Mittenabgriffs, so dass der Steueranschluss eines der Transistoren angesteuert und über diesen Transistor ein Ausgleichsstrom erzeugt wird. Diese Ausführungsform ist beispielsweise besonders für Bipolartransistoren geeignet.
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In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ist zwischen dem Mittenabgriff des Spannungsteilers und den Steueranschlüssen der Transistoren eine Zenerdiode angeordnet. Durch diese Zenerdiode kann erreicht werden, dass kleine Asymmetrien der DC-Spannungen nicht auf die Transistoren durchgreifen, sondern erst bei Erreichen eines ersten Schwellwertes eine Spannung an den Steuereingänge der Transistoren anliegt. Der erste Schwellwert hängt dabei von der Durchbruchspannung der Zenerdiode ab. Diese Ausführungsform ist beispielsweise besonders für Bipolartransistoren geeignet.
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Die beschriebene Symmetriereinheit erlaubt also die Realisierung des ersten Schwellwertes, so dass erst ab einer bestimmten Asymmetrie ein Ausgleichsstrom durch die Symmetriereinheit gegen Erdpotential fließt. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn z. B. der Stromrichter als bidirektionaler, dreiphasiger Wechselrichter ausgeführt ist und DC-seitig ein Nullsystem auf die DC-Leitungen aufmoduliert, wie es z. B. bei Verwendung einer Flattopmodulation der Fall ist. Dies führt nämlich dazu, dass das DC-Potential nicht konstant ist, sondern dass die Lage der DC-Spannungen durch die Art der Regelung der Brückenschaltung des Stromrichters mit der Netzfrequenz moduliert wird. Damit liegt eine Art systembedingte „modulierte Asymmetrie“ vor. Durch die Realisierung des ersten Schwellwertes zum Aktivieren der Generierung des Ausgleichsstroms kann insofern verhindert werden, dass die Symmetriereinheit gegen ein vom Stromrichter gewünschtes Systemverhalten arbeitet.
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In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit mit Zenerdiode zwischen dem Mittenabgriff des Spannungsteilers und den Steueranschlüssen der Transistoren ist zwischen den Steueranschlüssen der Transistoren und Erdpotential ein Strommesser sowie in Reihe dazu eine weitere Zenerdiode angeordnet, wobei eine Steuereinheit mittels des Strommessers einen Stromfluss durch die weitere Zenerdiode detektiert und ein Abschaltsignal erzeugt und ausgibt, wenn ein Strom durch die weitere Zenerdiode fließt, was ein Durchschalten der weiteren Zenerdiode und damit eine Überschreitung eines zweiten Schwellwertes für den Ausgleichsstrom indiziert. Hierdurch kann ein Ausgleichsstrom erfasst werden, der den zweiten Schwellwert überschreitet. Damit kann erreicht werden, dass das DC-Netz abgeschaltet werden kann, wenn ein benötigter Ausgleichsstrom zu groß wird, d. h. die Asymmetrie der DC-Spannungen zu groß ist.
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In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ist ein erster Spannungsmesser parallel zum ersten Halbleiterschalter und ein zweiter Spannungsmesser parallel zum zweiten Halbleiterschalter angeordnet, wobei der erste Spannungsmesser ausgelegt ist, die Spannung des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential zu messen und der zweite Spannungsmesser ausgelegt ist, die Spannung des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential zu messen. Über die Spannungsmesser kann die Steuereinheit z. B. eine Asymmetrie der DC-Spannungen, also des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential und des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential überwachen. Wird die Asymmetrie der DC-Spannungen zu groß, also überschreitet z. B. den ersten Schwellwert, so wird durch die Steuereinheit ein Abschaltsignal erzeugt und ausgegeben. Das Abschaltsignal kann z. B. Schalter ansteuern, die eine DC-Quelle oder eine Batterie vom DC-Netz trennen.
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In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit sind der erste und der zweite Halbleiterschalter Teil einer Ladungspumpe geschaltet. Die Ladungspumpe umfasst eine erste Reihenschaltung aus vier Halbleiterschaltern, eine zweite Reihenschaltung aus vier Dioden und eine dritte Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren umfasst. Die Reihenschaltungen sind jeweils zwischen den DC-Leitern geschaltet, und ihre Mittelpunkte sind miteinander verbunden. Bevorzugt weist die Ladungspumpe einen Resonanzkreis aus einer Spule und einem Kondensator auf, wobei die Reihenschaltung der Kondensatoren einen Zwischenkreis bilden, in den Ladung von einem der DC-Leiter gepumpt wird. Durch das Pumpen der Ladung wird der Ausgleichsstrom gleichsam entlastet und die Verringerung der Asymmetrie der DC-Spannungen unterstützt.
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In einer Ausführungsform ist die Symmetriereinheit so ausgelegt, dass zwischen der Verbindung mit Erdpotential, die zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter angeordnet ist, und dem ersten oder zweiten DC-Leiter ein weiteres DC-Netz betreibbar ist. Der Verbindungspunkt zum Erdpotential kann so als zusätzliche Stromschiene des DC-Netzes genutzt werden, an dem Verbraucher mit z.B. halber Nennspannung betrieben werden können.
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In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ist die Steuereinheit eingerichtet, den zumindest einen Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Asymmetrie der DC-Spannungen anzusteuern. Durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter wird der Ausgleichsstrom erzeugt, der geeignet ist, die ermittelte Asymmetrie der DC-Spannungen zu verringern und sie bevorzugt zu symmetrieren. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Schalt-Transistoren.
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Die Symmetriereinheit kann damit eine dezidierte Symmetrierschaltung zur Verfügung stellen, die ein (Mitten-)Potenzial zwischen den beiden DC-Potentialen zur Verfügung stellt, das bedarfsweise über die Halbleiterschalter zur Symmetrierung der Spannungen mit Erdpotential verbunden werden kann. Die Symmetriereinheit kann in mehreren Stufen arbeiten: keine Symmetrierung bei kleiner Asymmetrie, Symmetrierung solange möglich bzw. sinnvoll, und Abschalten des DC-Netzes wenn nötig.
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Ein Isolationswiderstand des DC-Netzes zum Erdpotential verändert sich dabei in Abhängigkeit von der Asymmetrie der Spannungen. Bei symmetrischen DC-Spannungen ist er hochohmig, bei zunehmender Asymmetrie wird er kleiner. Wenn er zu klein wird, kann das DC-Netz durch Trennung von DC-Quelle oder Batterie abgeschaltet werden.
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Die Anmeldung betrifft weiter ein DC-Netz mit einer zuvor beschriebenen Symmetriereinheit.
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Die Anmeldung betrifft außerdem ein elektrisches System mit einem solchen DC-Netz und einem Stromrichter zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters und einer DC-Seite des Stromrichters, wobei die AC-Seite des Stromrichters an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz anschließbar ist und die DC-Seite des Stromrichters an das DC-Netz angeschlossen ist.
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Das DC-Netz kann optional auch ohne einen Stromrichter betrieben werden. Dies kann den Fall umfassen, dass der Stromrichter abgeschaltet ist oder gar nicht mit dem DC-Netz verbunden ist. Das DC-Netz kann optional mit einem galvanisch trennenden oder einem transformatorlosen Stromrichter betrieben werden. Die Symmetrieschaltung kann in jedem dieser Fälle eine bedarfsweise Symmetrierung der DC-Spannungen und zugleich ggf. eine Erdung des DC-Netzes bewirken. Damit kann durch die Symmetrierschaltung ein wirksames Schutzkonzept für das DC-Netz verwirklicht werden. Die Auslegung der Isolation der Leitungen innerhalb des DC-Netzes kann auf halbe Systemspannung gegen Erdpotential ausreichend sein, da durch die Symmetriereinheit bewirkt werden kann, dass die DC-Spannungen im DC-Netz im Wesentlichen symmetrisch um Erdpotential sind. Es kann zudem möglich sein, auf die Messung des Isolationswiderstandes als Teil des Schutzkonzeptes zu verzichten, wodurch das Schutzkonzept vereinfacht werden kann.
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Auf Seiten des DC-Netzes ist es möglich, übliche Verbraucher für DC-Netze zu verwenden, die nicht zwingend auf das Auftreten der vollen Systemspannung gegen Erde ausgelegt sind. Auf Seiten des AC-Versorgungsnetzes ist es möglich, für geerdete AC-Netze übliche AC-Verbraucher zu verwenden. Der Isolationswiderstand des DC-Netzes kann über eine Messschaltung bestimmt werden. Symmetrische Fehler sind durch sie erfassbar, wenn die Arbeitsspannung der Messschaltung unterhalb der Einsatzschwelle, also des ersten Schwellwertes, der Symmetrierschaltung bleibt.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens;
- 2 zeigt schematisch ein Beispiel eines Verlaufs des Erdpotentials in Relation zu den DC-Spannungen;
- 3 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Sym metriereinheit;
- 4 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit einer Zenerdiode;
- 5 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit zwei Zenerdioden;
- 6 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit zwei Spannungsmessern;
- 7 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit einer Ladungspumpe;
- 8 zeigt schematisch beispielhafte Verläufe von Ausgleichsströmen.
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Figurenbeschreibung
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In 1 ist eine Ausführungsform eines Verfahrens dargestellt. Das Verfahren dient zum Symmetrieren von Spannungen an einem ersten DC-Leiter DC+ und einem zweiten DC-Leiter DC- jeweils gegen Erdpotential in einem DC-Netz 14 (3 bis 7). Das Verfahren wird mittels einer Symmetriereinheit 20, 30, 40, 50, 60 ausgeführt, wovon Ausführungsbeispiele in den 3 bis 7 dargestellt sind. Die Symmetriereinheit weist einen ersten Halbleiterschalter T1, T3, T5, T7, T9 und einem zweiten Halbleiterschalter T2, T4, T6, T8, T12 auf, welche zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T1, T3, T5, T7, T9 und dem zweiten Halbleiterschalter T2, T4, T6, T8, T12 ist eine Verbindung mit einem Erdpotential PE vorhanden.
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In einem Schritt S1 wird bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters DC+ gegen Erdpotential PE und des zweiten DC-Leiters DC- gegen Erdpotential PE über den Zweig „+“ zu Schritt S2 übergegangen. Bei Nichtvorliegen der Asymmetrie, Zweig „-“, wird Schritt S1 weiter ausgeführt. Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit mit einer Steuereinheit 22 kann Schritt S1 z. B. dadurch erfolgen, dass die Steuereinheit das Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen ermittelt. Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ohne Steuereinheit 22 kann die Asymmetrie z. B. durch die Schaltungsauslegung in Hardware erkannt werden.
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Optional kann in Schritt S1 der Zweig „+“ nur dann beschritten werden, wenn die Asymmetrie der Spannungen einen ersten Schwellwert TH1 (2) überschreitet. Auch dies kann schaltungstechnisch in Hardware oder mittels der Steuereinheit 22 realisiert werden.
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In einem Schritt S2 wird ein Ausgleichsstrom IA (8) zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über zumindest einen der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12 erzeugt, wobei durch den Ausgleichsstrom IA die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert wird, wobei insbesondere die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
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Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit mit einer Steuereinheit 22, bei der Schritt S1 z. B. dadurch erfolgt, dass die Steuereinheit das Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen ermittelt, kann die Steuereinheit 22 bevorzugt in Schritt S2 die Halbleiterschalter T5, T6, T7, T8, T9, T12 zur Erzeugung des Ausgleichsstroms ansteuern. Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ohne Steuereinheit 22, bei der die Asymmetrie in Schritt S1 z. B. durch die Schaltungsauslegung in Hardware erkannt wird, können die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4 z. B. über die Hardware-Schaltung angesteuert werden.
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In einem Schritt S3 wird Zweig „+“ beschritten, falls der in Schritt S2 erzeugte Ausgleichsstrom IA einen zweiten Schwellwert TH2 (8) überschreitet. Wird der zweite Schwellwert TH2 nicht überschritten, Zweig „-“, wird Schritt S3 weiter ausgeführt. Auch Schritt S3 kann schaltungstechnisch in Hardware oder mittels der Steuereinheit 22 realisiert werden.
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In Schritt S4 wird ein Abschaltsignal für das DC-Netz 14 erzeugt. Dies erfolgt, da in Schritt S3 ein zu großer Ausgleichsstrom IA und/oder eine zu goße Asymmetrie erkannt wurde. Das Abschaltsignal wird bevorzugt durch die Steuereinheit 22 erzeugt und trennt über DC-Schalter 28 z. B. eine Batterie 42 von dem DC-Netz 14.
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In 2 sind beispielhafte Verläufe von Potentialen P in einem DC-Netz dargestellt. Das Erdpotential PE ist in Relation zu den DC-Spannungen auf den DC-Leitern DC+, DC- dargestellt. M bezeichnet das Mittenpotential in der Mitte zwischen den beiden Potentialen von DC+ und DC-. Wenn das Mittenpotential M genau dem Erdpotential PE entspricht, so liegen die DC-Spannungen DC+, DC- symmetrisch um das Erdpotential PE. Dies ist der erwünschte Zustand. Das Erdpotential PE kann außerhalb der Mitte M zwischen den Potentialen von DC+ und DC- liegen. In solchen Fällen sind die DC-Spannungen asymmetrisch, d.h. der Betrag der Spannung zwischen DC+ und PE weicht von dem Betrag der Spannung zwischen DC- und PE mehr oder weniger deutlich ab.
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TH1 bezeichnet den ersten Schwellwert. Liegen die Spannungen DC+, DC- so gegenüber Erdpotential PE, dass PE innerhalb des Bandes liegt, das durch TH1 definiert ist, so ist die Asymmetrie der DC-Spannungen vergleichsweise gering. Die Asymmetrie der DC-Spannungen unterschreitet den ersten Schwellwert TH1. In diesem Fall wird kein Ausgleichsstrom erzeugt, der Widerstand der Symmetrierschaltung und der Isolationswiderstand des DC-Netzes gegen Erdpotential sind hochohmig. Für das in 1 dargestellt Verfahren kann dies bedeuten, dass Schritt S1 weiter ausgeführt wird.
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Erreicht die Asymmetrie der DC-Spannungen einen Wert, der einer Lage des Erdpotentials PE am Rand des Bandes entspricht, das durch TH1 definiert wird, so kann in dem Verfahren von 1 der Schritt S2 ausgeführt werden und ein Ausgleichsstrom IA erzeugt werden. Durch den Ausgleichsstrom IA soll erreicht werden, dass die Lage des Erdpotentials PE weiterhin am Rand oder innerhalb des Toleranzbandes TH1 gehalten wird. Die DC-Spannungen werden insofern annähernd symmetrisch zum Erdpotential PE gehalten, wobei eine gewisse Asymmetrie zugelassen wird, zu große Spannungen gegen Erdpotential PE auf einem der DC-Leiter DC+ oder DC-jedoch vermieden werden.
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Der Ausgleichsstrom IA an den Rändern des Toleranzbandes TH1, insbesondere am Begrenzungswert des Toleranzbandes TH1, ändert sich bei kleiner Spannungsänderung stark, so dass Asymmetrien der DC-Spannungen dynamisch kompensiert werden und die Asymmetrie am ersten Schwellwert TH1 gehalten wird. Dies kann durch die Steuereinheit 22 erfolgen oder wird durch ein stark nichtlineares Verhalten der analogen Schaltungen gemäß 4-7 realisiert.
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Es wird angestrebt, die Lage von PE nahe des Toleranzbandes TH1 zu halten. Wenn dies nicht möglich ist, steigt der Ausgleichstrom stark an und der Ausgleichsstrom und/oder die Asymmetrie erreicht den zweiten Schwellwert TH2. Dies entspricht z. B. im Verfahren von 1 Schritt S3, in welchem, wenn der zweite Schwellwert TH2 durch den Ausgleichsstrom IA überschritten wird, in Schritt S4 ein Abschaltsignal erzeugt wird. Das Abschaltsignal trennt eine Batterie 42 vom DC-Netz.
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In den 3 bis 7 sind Ausführungsformen von Symmetriereinheiten 20, 30, 40, 50, 60 als Bestandteile von elektrischen Systemen schematisch dargestellt. Ähnliche oder gleiche Elemente sind in den 3 bis 7 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 3 ist schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Systems dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DCgeschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar. Der Stromrichter 10 ist bevorzugt transformatorlos ausgebildet, dass heißt, dass seine AC-Seite und seine DC-Seite zumindest im Betrieb galvanisch gekoppelt sind. Hierdurch kann das DC-Netz 14 über das AC-Versorgungsnetz geerdet werden, sofern beide mit dem Stromrichter 10 verbunden sind.
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Die Symmetriereinheit 20 weist einen ersten Halbleiterschalter T1 und einen zweiten Halbleiterschalter T2 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- ist eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen R1, R2 geschaltet, die einen Spannungsteiler ausbilden und bevorzugt identische Widerstandswerte aufweisen. Ein Mittelpunkt des Spannungsteilers ist mit dem Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters T1 und mit dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters T2 verbunden. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T1 und dem zweiten Halbleiterschalter T2 ist eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet.
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Die Symmetriereinheit 20 ist so ausgelegt, dass zumindest einer der Halbleiterschalter T1, T2 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über den zumindest einen Halbleiterschalter T1, T2 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen eine Potentialverschiebung des Mittelpunktes des Spannungsteiler auftritt, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T1, T2 eine Spannung gegenüber Erdpotential PE anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T1, T2 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T1, T2 angesteuert und stellt eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T1, T2 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
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In 4 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems entsprechend 3 mit einer Zenerdiode Z1 zur Realisierung des ersten Schwellwertes TH1 dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
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Die Symmetriereinheit 30 weist einen ersten Halbleiterschalter T3 und einen zweiten Halbleiterschalter T4 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- sind zwei Widerstände R3, R4 in Reihe geschaltet und bilden einen bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler. Ein Mittenabgriff zwischen den beiden Widerständen R3, R4 ist über eine Zenderdiode Z1 mit dem Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters T3 und mit dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters T4 verbunden. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T3 und dem zweiten Halbleiterschalter T4 ist eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet.
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Die Symmetriereinheit 30 ist so ausgelegt, dass zumindest ein Halbleiterschalter T3, T4 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE, die einen ersten Schwellwert TH1 erreicht, ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über den zumindest einen Halbleiterschalter T3, T4 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen, die größer als der erste Schwellwert TH1 ist, eine Spannung an der Zenerdiode Z1 anliegt, die die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z1 überschreitet. Dadurch wird die Zenerdiode Z1 leitend, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T3, T4 eine Spannung anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T3, T4 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T3, T4 angesteuert und stellt eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T1, T2 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z1 so gewählt ist, dass der jeweilige Halbleiterschalter T3, T4 erst dann angesteuert und der Ausgleichsstrom IA erst dann erzeugt wird, wenn die Asymmetrie der DC-Spannungen den ersten Schwellwert TH1 erreicht oder überschreitet.
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In 5 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems entsprechend 4 mit zwei Zenerdioden dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
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Die Symmetriereinheit 40 weist einen ersten Halbleiterschalter T5 und einen zweiten Halbleiterschalter T6 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- sind zwei Widerstände R5, R6 in Reihe geschaltet und bilden einen bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler. Ein Mittenabgriff zwischen den beiden Widerständen R5, R6 ist über eine Zenerdiode Z2 mit dem Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters T5 und mit dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters T6 verbunden. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T5 und dem zweiten Halbleiterschalter T6 sind zwei Widerstände R9, R10 in Reihe geschaltet und bilden einen weiteren bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler. Zwischen dem Widerstand R9 und dem Widerstand R10 ist eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet. Die Mitte zwischen den Widerständen R9 und R10 ist außerdem über eine weitere Zenerdiode Z3 und einen dazu in Reihe geschalteten Strommesser 24 mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Halbleiterschalters T5, T6 und damit auch mit der Zenerdiode Z2 verbunden. Damit sind zwischen dem Mittenabgriff zwischen R5 und R6 und Erdpotential PE die Zenerdiode Z2, der Strommesser 24 und die weitere Zenerdiode Z3 in Reihe geschaltet.
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Die Symmetriereinheit 40 ist so ausgelegt, dass zumindest ein Halbleiterschalter T5, T6 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE, die einen ersten Schwellwert TH1 erreicht, ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über R9 oder R10 und über den zumindest einen Halbleiterschalter T5, T6 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen, die größer als der erste Schwellwert TH1 ist, eine Spannung an der Zenerdiode Z2 anliegt, die die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z2 überschreitet. Dadurch wird die Zenerdiode Z2 leitend, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T5, T6 eine Spannung anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T3, T4 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T5, T6 angesteuert und stellt über einen der Widerstände R9, R10 eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T5, T6 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z2 so gewählt ist, dass der jeweilige Halbleiterschalter T5, T6 erst dann angesteuert und der Ausgleichsstrom IA erst dann erzeugt wird, wenn die Asymmetrie der DC-Spannungen den ersten Schwellwert TH1 erreicht oder überschreitet.
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Wird der Ausgleichsstrom IA so groß, dass an der weiteren Zenderdiode Z3 eine Spannung anliegt, die deren Durchbruchspannung erreicht, so fließt ein Strom über die Zenerdiode Z2, den Strommesser 24 und die weitere Zenerdiode Z3. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass die Durchbruchspannung der weiteren Zenerdiode Z3 so gewählt ist, dass sieleitend wird, wenn der Ausgleichsstrom IA bzw. die Asymmetrie den zweiten Schwellwert TH2 erreicht. Über den Strommesser 24 kann die Steuereinheit 22 damit erfassen, dass ein Strom durch die Zenerdiode Z2 und die weitere Zenderdiode Z3 fließt. Fließt ein solcher Strom, hat der Ausgleichsstrom IA bzw. die Asymmetrie den zweiten Schwellwert TH2 erreicht und die Steuereinheit kann ein Abschaltsignal erzeugen. Das Abschaltsignal kann im dargestellten Ausführungsbeispiel auf die DC-Schalter 28 wirken und die Batterie 42 vom DC-Netz 14 trennen. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschaltsignal auf die Trennschalter 26 wirken und den Stromrichter 10 vom DC-Netz 14 trennen. Die Zufuhr elektrischer Leistung zum DC-Netz 14 aus der Batterie 42 und/oder über den Stromrichter 10 wird damit abgeschaltet.
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In 6 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems entsprechend 3 mit zwei Spannungsmessern 32, 34 dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
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Die Symmetriereinheit 50 weist einen ersten Halbleiterschalter T7 und einen zweiten Halbleiterschalter T8 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- ist eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen R7, R8 geschaltet, die einen bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler bilden. Ein Mittenabgriff zwischen den beiden Widerständen R7, R8 ist mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T7, T8 verbunden. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T7 und dem zweiten Halbleiterschalter T8 ist über einen Widerstand R11 eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet. Parallel zum ersten Halbleiterschalter T7 ist ein erster Spannungsmesser 32 geschaltet. Parallel zum zweiten Halbleiterschalter T8 ist ein zweiter Spannungsmesser 34 geschaltet. Beide Spannungsmesser 32, 34 sind mit der Steuereinheit 22 verbunden.
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Die Symmetriereinheit 50 ist so ausgelegt, dass zumindest ein Halbleiterschalter T7, T8 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über den Widerstand R11 und über den zumindest einen Halbleiterschalter T7, T8 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen eine Potentialverschiebung des Mittelpunktes des Spannungsteiler auftritt, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T7, T8 eine Spannung gegenüber Erdpotential anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T7, T8 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T7, T8 angesteuert und stellt eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T7, T8 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
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Wird die Asymmetrie der DC-Spannungen so groß, dass der zweite Schwellwert TH2 erreicht oder überschritten wird, so kann die Steuereinheit 22 dies über die Spannungsmesser 32, 34 erfassen und ein Abschaltsignal erzeugen. Das Abschaltsignal kann im dargestellten Ausführungsbeispiel auf die DC-Schalter 28 wirken und die Batterie 42 vom DC-Netz 14 trennen. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschaltsignal auf die Trennschalter 26 wirken und den Stromrichter 10 vom DC-Netz 14 trennen. Die Zufuhr elektrischer Leistung zum DC-Netz 14 aus der Batterie 42 wird damit abgeschaltet.
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In 7 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems mit Schalt-Transistoren T9, T10, T11, T12 dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
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Die Symmetriereinheit 60 weist einen ersten Halbleiterschalter T9 und einen zweiten Halbleiterschalter T12 auf, welche zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T9 und dem zweiten Halbleiterschalter T12 sind weitere Halbleiterschalter T10 und T11 in Reihe geschaltet. Zwischen den weiteren Halbleiterschaltern T10 und T11 ist über einen Widerstand R12 eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet. Parallel zur Reihenschaltung der Halbleiterschalter T9, T10 ist ein erster Spannungsmesser 36 geschaltet. Parallel zurReihenschaltung der Halbleiterschalter T11, T12 ist ein zweiter Spannungsmesser 38 geschaltet. Parallel zur Reihenschaltung der Halbleiterschalter T9, T10, T11, T12 ist eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren 56, 58 mit bevorzugt identischen Kapazitätswerten geschaltet. Die Mittelpunkte der Reihenschaltungen der Halbleiterschalter T9, T10, T11, T12 und der Kondensatoren 56, 58 sind miteinander und mit dem Mittelpunkt zwischen den Spannungsmessern 36, 38 verbunden. Beide Spannungsmesser 36, 38 sind mit der Steuereinheit 22 verbunden. Parallel zuden Halbleiterschaltern T9, T10, T11, T12 sind jeweilige Dioden D1, D2, D3, D4 geschaltet.
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Die Symmetriereinheit 60 ist so ausgelegt, dass zumindest Halbleiterschalter T9 mit T10 oder Halbleiterschalter T11 mit T12 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über Halbleiterschalter T9 mit T10 oder T11 mit T12 fließt. Dies geschieht dadurch, dass die Steuereinheit 22 eine Asymmetrie der Spannungen über die Spannungsmesser 36, 38 ermittelt und bei Vorliegen einer Asymmetrie der DC-Spannungen, die größer als der erste Schwellwert TH1 ist, die Halbleiterschalter T9 mit T10 oder T11 mit T12 so ansteuert, dass eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE über den Widerstand R12 hergestellt wird. Durch die leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, wodurch durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
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Wird der Ausgleichsstrom IA so groß, er den zweiten Schwellwert TH2 erreicht, so kann dies Steuereinheit 22 über die Spannungsmesser 36, 38 erfassen und ein Abschaltsignal erzeugen. Das Abschaltsignal kann im dargestellten Ausführungsbeispiel auf die DC-Schalter 28 wirken und die Batterie 42 vom DC-Netz 14 trennen. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschaltsignal auf die Trennschalter 26 wirken und den Stromrichter 10 vom DC-Netz 14 trennen. Die Zufuhr elektrischer Leistung zum DC-Netz 14 aus der Batterie 42 und/oder über den Stromrichter 10 wird damit abgeschaltet.
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Die Kondensatoren 56, 58 bilden einen DC-Zwischenkreis, in den durch eine Ladungspumpe Ladung gepumpt wird. Die Ladungspumpe weist in 7 eine Brückenschaltung der Halbleiterschalter T9, T10, T11, T12 auf, die durch die Spule 53 und den Kondensator 54 zu einem Resonanzkreis ergänzt werden. Durch resonanten Betrieb wird Ladung aus einer DC-Leitung DC+, DC- in den Zwischenkreis gepumpt.
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In 8 sind beispielhafte Verläufe von Ausgleichsströmen IA dargestellt. Der obere Verlauf C1 zeigt ein Beispiel eines Verlaufs des Ausgleichsstrom IA für den Fall einer Symmetriereinheit 60 mit Steuereinheit 22, die die Halbleiterschalter T9, T10, T11, T, 12 ansteuert, wie es z. B. in 7 gezeigt ist. Der untere Verlauf C2 zeigt ein Beispiel eines Verlaufs des Ausgleichsstrom IA für den Fall einer Symmetriereinheit 40 mit schaltungstechnischer Realisierung des Verfahrens aus 1, wie es z. B. in den 4-6 gezeigt ist. Die Symmetriereinheit 40 aus 5 weist zwar eine Steuereinheit auf, diese steuert jedoch die DC-Schalter 28 für die Abschaltung gemäß Schritt S4 an. Der Schwellwert TH1 wird schaltungstechnisch über die Zenerdiode Z1 in 4 bzw. Z2 in 5 oder mittels der Spannungsmesser 32, 34 in 6 bzw. 36, 38 in 7 realisiert.
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Beiden Verläufen C1, C2 ist gemein, dass der Ausgleichsstrom IA, sofern die Asymmetrie der DC-Spannungen innerhalb von TH1 liegt, im Bereich von 0 liegt, d. h. kein Ausgleichsstrom IA erzeugt wird. Liegt die Asymmetrie der DC-Spannungen im Bereich von TH1, d. h. im Bereich der Ränder des Bandes TH1, so steigt der Ausgleichsstrom IA schnell stark an, um die Asymmetrie im Bereich von TH1 zu halten. Erreicht der Ausgleichsstrom IA - dem Betrage nach - dann den zweiten Schwellwert TH2, so wird das Abschaltsignal für das DC-Netz 14 erzeugt, so dass der Ausgleichsstrom IA in der Folge nicht mehr weiter ansteigt. Der obere Verlauf C1 weist weiterhin eine Hysterese im Bereich an den Rändern des Bandes TH1 auf, die beispielsweise realisiert wird, indem die Ansteuerung der Halbleiterschalter in der Ausführungsform gemäß 7 gestartet wird, wenn die Asymmetrie etwas außerhalb des Bandes TH1 liegt, und erst dann gestoppt wird, wenn die Asymmetrie wieder innerhalb des Bandes TH1 liegt. Dadurch wird vermieden, dass die Ansteuerung der Halbleiter bei Asymmetrien am Rand des Bandes TH1 in schneller Folge an- und abgeschaltet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stromrichter
- 12
- AC-Versorgungsnetz
- 14
- DC-Netz
- 20, 30, 40, 50, 60
- Symmetriereinheit
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Strommesser
- 26
- Trennschalter
- 28
- DC-Schalter
- 32, 34, 36, 38
- Spannungsmesser
- 42
- Batterie
- 44, 46
- Last
- 52
- Spule
- 54, 56, 58
- Kondensator
- C1, C2
- Verlauf Ausgleichsstrom
- D1, D2, D3, D4
- Diode
- DC+, DC-
- DC-Leitungen
- IA
- Ausgleichsstrom
- M
- Mittenpotential
- P
- Potential
- PE
- Potential Erde
- R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8
- ohmscher Widerstand
- R9, R10, R11, R12
- ohmscher Widerstand
- S1, S2, S3, S4
- Verfahrensschritte
- T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8
- Halbleiterschalter
- T9, T10, T11, T12
- Halbleiterschalter
- TH1
- erster Schwellwert
- TH2
- zweiter Schwellwert
- Z1, Z2
- Zenerdiode
- Z3
- weitere Zenerdiode
