DE4424725C1 - Unloading circuit for power switch - Google Patents

Unloading circuit for power switch

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Abstract

A power switching stage (1) is coupled to a supply (UN) and to a mains filter (2) that consists of a capacitor (4) and an inductance (3). A varistor (5) is in parallel with the filter. Coupled across this is bypass diode (6) that has a protection circuit (7) consisting of a resistor (8) and a capacitor (9). In normal operation the unloading circuit is inactive. The circuit operates when the switch opens under load and a high arcing voltage condition is produced.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entlastungsschaltung für einen Leistungsschalter, der in Reihe zu einem Netzfilter liegt, das eine Induktivität sowie eine Kapazität aufweist.The invention relates to a relief circuit for a Circuit breaker in series with a line filter which has an inductance and a capacitance.

Derartige Leistungsschalter dienen z. B. dazu, Traktions­ umrichter an das Gleichspannungsnetz zu schalten bzw. vom Gleichspannungsnetz, zu trennen. Bei Traktionsumrichtern, bei denen der Zwischenkreis direkt am Gleichspannungsnetz hängt, wird beim Öffnen des Leistungsschalters (Netzschütz, Über­ stromschnellschalter) die Energie des fließenden Stromes im Leistungsschalter verbraucht. Weiterhin treten beim Öffnen des Leistungsschalters Überspannungen auf. Der Abbau der Energie im Leistungsschalter sowie die auftretenden Über­ spannungen führen zu Belastungen des Leistungsschalters. Diese Belastungen müssen bei der Auslegung der betreffenden Leistungsschalter berücksichtigt werden.Such circuit breakers are used for. B. about traction to connect the converter to the DC voltage network or from DC network to separate. With traction converters, with which the DC link is directly connected to the DC network, is opened when the circuit breaker (line contactor, over rapid current switch) the energy of the flowing current in the Circuit breaker consumed. Furthermore occur when opening of the circuit breaker overvoltages. The dismantling of the Energy in the circuit breaker and the occurring over voltages lead to loads on the circuit breaker. These loads have to be interpreted when interpreting the Circuit breakers are taken into account.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, beim Öffnen eines Leistungsschalters, der in Reihe zu einem Netzfilter liegt, die im Leistungsschalter verbrauchte Energie sowie die hier­ bei auftretenden Überspannungen zu verringern, ohne die Fil­ terwirkung des Netzfilters zu reduzieren.The object of the present invention is to open a Circuit breaker in series with a line filter, the energy consumed in the circuit breaker as well as here in the event of overvoltages, without reducing the fil to reduce the effect of the line filter.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Entlastungsschal­ tung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprü­ chen.The object is achieved by a relief scarf tion solved according to claim 1. Advantageous configurations the invention are the subject of further claims chen.

Die Entlastungsschaltung nach Anspruch 1 ist für einen Leistungsschalter geeignet, der in Reihe zu einem Netzfilter liegt, wobei das Netzfilter eine Induktivität sowie eine Kapazität aufweist. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Bau­ element mit Varistorcharakteristik parallel zum Netzfilter geschaltet und/oder wenigstens eine Freilaufdiode, bezogen auf die Netzgleichspannung, antiparallel zum Netzfilter geschaltet. Vorzugsweise ist als Bauelement mit Varistor­ charakteristik ein Varistor vorgesehen.The relief circuit according to claim 1 is for one Circuit breaker suitable in series with a line filter lies, the line filter an inductance and a Has capacity. According to the invention is at least one building  element with varistor characteristics parallel to the line filter switched and / or at least one freewheeling diode related to the line voltage, antiparallel to the line filter switched. Is preferably as a component with a varistor characteristic provided a varistor.

Im normalen Betrieb (Fahren oder Bremsen) oder bei geöffnetem Leistungsschalter liegt an der Freilaufdiode eine Sperr­ spannung und der Varistor ist hochohmig. Die Entlastungs­ schaltung ist damit inaktiv.In normal operation (driving or braking) or when the vehicle is open Circuit breaker is a lock on the freewheeling diode voltage and the varistor has a high resistance. The relief circuit is thus inactive.

Wird der Leistungsschalter beim Fahren also während ein Strom vom Gleichspannungsnetz in den Zwischenkreis fließt, geöffnet und damit der Zwischenkreis vom Gleichspannungsnetz getrennt, so steigt die Lichtbogenspannung am Leistungsschalter an. Die Lichtbogenspannung des Leistungsschalters, die der Netz­ gleichspannung entgegengerichtet ist, wird bei hohen Strömen stets größer als die maximale Netzgleichspannung. In dem Moment, in dem die Lichtbogenspannung größer als die Netz­ gleichspannung geworden ist, wird die Freilaufdiode der Ent­ lastungsschaltung leitend. Ein Stromfluß ist erst möglich, wenn die Lichtbogenspannung so groß ist, daß an der Freilauf­ diode eine Flußspannung anliegt.So the circuit breaker when driving while a current flows from the DC voltage network into the DC link, opened and thus the intermediate circuit is separated from the DC voltage network, this increases the arc voltage at the circuit breaker. The Arc voltage of the circuit breaker that the network DC voltage is reversed at high currents always greater than the maximum mains DC voltage. By doing Moment when the arc voltage is greater than the grid has become DC, the freewheeling diode becomes the Ent load switching conductive. A current flow is only possible if the arc voltage is so high that the freewheel diode has a forward voltage.

Bedingt durch den - im Vergleich zum Lichtbogen am Leistungs­ schalter - geringen Widerstand des Freilaufkreises, bestehend aus Induktivität, Kapazität und Freilaufdiode, kornmutiert der Strom in sehr kurzer Zeit vollständig in den Freilaufkreis. Der Lichtbogen verlöscht und der restliche Teil der gespei­ cherten Energie wird im Freilaufkreis umgesetzt und nicht im Leistungsschalter.Due to the - compared to the arc on the power switch - low resistance of the freewheeling circuit, existing from inductance, capacitance and freewheeling diode, the mutates Electricity completely in the freewheeling circuit in a very short time. The arc extinguishes and the remaining part of the fed energy is implemented in the freewheeling circuit and not in the Circuit breaker.

Wird der Zwischenkreis während des Bremsvorgangs durch Öffnen des Leistungsschalters vom Gleichspannungsnetz getrennt, so steigt die Spannung am Varistor mit ansteigender Lichtbogen­ spannung des Leistungsschalters. Die Spannung über dem Vari­ stor ist hierbei die Summe aus Netz- und Lichtbogenspannung. Mit steigender Spannung über dem Varistor verringert sich dessen ohmscher Widerstand. Ab einer charakteristischen Span­ nung UV verringert sich der ohmsche Widerstand des Varistors so stark, daß der Strom über dem Leistungsschalter vom Vari­ stor übernommen wird. Dadurch verlöscht der Lichtbogen. Die Schaltenergie teilt sich hauptsächlich auf den Leistungs­ schalter und, den Varistor auf.If the DC link is disconnected from the DC voltage network during the braking process by opening the circuit breaker, the voltage at the varistor increases with increasing arc voltage of the circuit breaker. The voltage across the vari stor is the sum of the mains and arc voltage. As the voltage across the varistor increases, its ohmic resistance decreases. From a characteristic voltage U V , the ohmic resistance of the varistor is reduced so much that the current over the circuit breaker is taken over by the Vari stor. This will extinguish the arc. The switching energy is mainly divided between the circuit breaker and the varistor.

Die Varistorspannung UV muß hierbei so gewählt werden, daß im normalen Betrieb kein Strom über dem Varistor fließt. Dabei ist zu beachten, daß die Entlastung des Leistungsschalters umso geringer ist, je höher die Varistorspannung UV gewählt wird.The varistor voltage U V must be chosen so that no current flows through the varistor during normal operation. It should be noted that the higher the varistor voltage U V selected, the less the load on the circuit breaker.

Bei normalem Betrieb werden kurzzeitige Überspannungen im Gleichspannungsnetz durch den Varistor begrenzt, wodurch das Netzfilter geschützt wird. Der Varistor wirkt dadurch als Überspannungsableiter.During normal operation, short-term surges in the DC network limited by the varistor, which means that Mains filter is protected. The varistor thus acts as Surge arresters.

Bei einer Entlastungsschaltung gemäß Anspruch 3 können in vorteilhafter Weise Varistoren mit einer weicheren Kennlinie verwendet werden, die eine höhere Energieaufnahmefähigkeit als Varistoren mit einer harten Kennlinie haben. Außerdem können Varistoren mit einer weicheren Kennlinie problemloser parallel oder in Reihe geschaltet werden.In a relief circuit according to claim 3 in advantageously varistors with a softer characteristic be used which have a higher energy absorption capacity than have varistors with a hard characteristic. also can varistors with a softer characteristic curve more easily can be connected in parallel or in series.

Durch Verwendung mehrerer Varistoren und/oder mehrerer Frei­ laufdioden kann bei der erfindungsgemäßen Entlastungsschal­ tung eine entsprechende Spannungsaufteilung (Ansprüche 4 und 5) bzw. eine entsprechende Stromaufteilung (Ansprüche 6 und 7) vorgenommen werden.By using multiple varistors and / or multiple free Running diodes can in the relief scarf according to the invention a corresponding voltage distribution (claims 4 and 5) or a corresponding current distribution (claims 6 and 7) can be made.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den weiteren Ansprüchen.Further advantages and details of the invention emerge from the following description of an embodiment  based on the drawing and in connection with the others Claims.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Leistungsschalter bezeichnet, durch den ein nicht dargestellter Zwischenkreis eines Trakti­ onsumrichters an ein Gleichspannungsnetz mit einer Netz­ gleichspannung UN schaltbar ist. Der Leistungsschalter 1 ist in Reihe zu einem Netzfilter 2 geschaltet. Das Netzfilter 2 umfaßt eine Induktivität 3 sowie eine Kapazität 4. Bei der Kapazität 4 kann es sich um den Zwischenkreiskondensator handeln, der an einer Zwischenkreisspannung UZK liegt.In the drawing, 1 denotes a circuit breaker through which an intermediate circuit (not shown) of a traction converter can be switched to a direct voltage network with a direct voltage U N. The circuit breaker 1 is connected in series with a line filter 2 . The line filter 2 comprises an inductance 3 and a capacitance 4 . The capacitance 4 can be the intermediate circuit capacitor which is connected to an intermediate circuit voltage U ZK .

Zum Netzfilter 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Varistor 5 parallel geschaltet. Anstelle eines Varistors können auch mehrere Varistoren zueinander in Reihe oder zu­ einander parallel geschaltet sein. Es ist auch möglich, an­ stelle des Varistors 5 ein anderes Bauelement bzw. Bauele­ mentekombination mit Varistorcharakteristik vorzusehen. Eine derartige Bauelementekombination ist z. B. ein Widerstand, der mit einem steuerbaren Halbleiterelement (Thyristor) in Reihe geschaltet ist.In the present exemplary embodiment, a varistor 5 is connected in parallel to the line filter 2 . Instead of a varistor, a plurality of varistors can also be connected to one another in series or to one another in parallel. It is also possible to provide another component or component combination with varistor characteristics instead of the varistor 5 . Such a combination of components is such. B. a resistor which is connected in series with a controllable semiconductor element (thyristor).

Zum Netzfilter 2 ist weiterhin eine Freilaufdiode 6 - bezogen auf die Netzgleichspannung - antiparallel geschaltet. Anstel­ le einer einzigen Freilaufdiode können auch mehrere Freilauf­ dioden zueinander in Reihe oder zueinander parallel geschal­ tet sein.A freewheeling diode 6 is also connected antiparallel to the line filter 2 , based on the line voltage. Instead of a single freewheeling diode, several freewheeling diodes can also be connected to one another in series or to one another in parallel.

Der Freilaufdiode 6 ist außerdem eine an sich bekannte Schutzschaltung 7 parallel geschaltet. Die Schutzschaltung 7 besteht aus einem Widerstand 8 und einem dazu in Reihe ge­ schalteten Kondensator 9.The free-wheeling diode 6 is also connected in parallel with a known protective circuit 7 . The protection circuit 7 is composed of a resistor 8 and a series connected capacitor to ge in. 9

Im normalen Betrieb (Fahren oder Bremsen) oder falls der Leistungsschalter 1 geöffnet ist, liegt an der Freilaufdiode 6 eine Sperrspannung und der Varistor 5 ist hochohmig. Die erfindungsgemäße Entlastungsschaltung ist damit inaktiv.In normal operation (driving or braking) or if the circuit breaker 1 is open, a blocking voltage is present on the freewheeling diode 6 and the varistor 5 is high-resistance. The relief circuit according to the invention is thus inactive.

Bei normalem Betrieb werden kurzzeitige Überspannungen im Gleichspannungsnetz durch den Varistor 5 begrenzt, wodurch das Netzfilter 2 geschützt wird.During normal operation, brief overvoltages in the DC voltage network are limited by the varistor 5 , which protects the line filter 2 .

Wird beim Fahren, also während ein Strom vom Gleichspan­ nungsnetz in den Zwischenkreis fließt, der Zwischenkreis durch Öffnen des Leistungsschalters 1 vom Gleichspannungsnetz getrennt, dann steigt die Lichtbogenspannung am Leistungs­ schalter 1 an. Die Lichtbogenspannung ist der Netzgleich­ spannung entgegengerichtet und wird bei hohen Strömen stets größer als die maximale Netzgleichspannung. Ist die Licht­ bogenspannung größer als die Netzgleichspannung geworden, so wird die Freilaufdiode 6 der Entlastungsschaltung leitend. Ein Stromfluß ist erst möglich, wenn die Lichtbogenspannung so groß ist, daß an der Freilaufdiode eine Flußspannung liegt.If when driving, i.e. while a current flows from the DC voltage supply network to the DC link, the DC link is separated from the DC voltage network by opening the circuit breaker 1 , then the arc voltage at the power switch 1 increases . The arc voltage is opposed to the DC mains voltage and is always greater than the maximum DC voltage at high currents. If the arc voltage has become greater than the DC mains voltage, the freewheeling diode 6 of the relief circuit becomes conductive. A current flow is only possible when the arc voltage is so high that a forward voltage is applied to the free-wheeling diode.

Bedingt durch den - im Vergleich zum Lichtbogen am Leistungs­ schalter 1 - geringem Widerstand des Freilaufkreises (gebildet von der Induktivität 3 der Kapazität 4 sowie der Freilaufdiode 6) kommutiert der Strom in sehr kurzer Zeit vollständig in den Freilaufkreis. Der Lichtbogen verlöscht und der restliche Teil der gespeicherten Energie wird im Freilaufkreis und nicht im Leistungsschalter 1 umgesetzt.Due to the - compared to the arc at the power switch 1 - low resistance of the freewheeling circuit (formed by the inductance 3 of the capacitor 4 and the freewheeling diode 6 ), the current commutates completely into the freewheeling circuit in a very short time. The arc extinguishes and the remaining part of the stored energy is converted in the freewheeling circuit and not in the circuit breaker 1 .

Öffnet der Leistungsschalter 1 während eines Bremsvorganges, so steigt die Spannung am Varistor 5 mit ansteigender Licht­ bogenspannung des Leistungsschalters 1. Die Spannung über dem Varistor 5 ist die Summe aus Netzgleichspannung und Licht­ bogenspannung. Mit steigender Spannung über dem Varistor 5 verringert sich dessen ohmscher Widerstand. Ab einer charak­ teristischen Spannung UV verringert sich der ohmsche Wider­ stand des Varistors 5 so stark, daß der Strom über dem Leistungsschalter 1 vom Varistor 5 übernommen wird. Dadurch verlöscht der Lichtbogen. Die Schaltenergie teilt sich haupt­ sächlich auf den Leistungsschalter 1 und den Varistor 5 auf.Opens the circuit breaker 1 during a braking process, the voltage across the varistor 5 increases with increasing arc voltage of the circuit breaker 1 . The voltage across the varistor 5 is the sum of the mains voltage and the arc voltage. As the voltage across the varistor 5 increases, its ohmic resistance decreases. From a charac teristic voltage U V , the ohmic resistance of the varistor 5 is reduced so much that the current through the power switch 1 is taken over by the varistor 5 . This will extinguish the arc. The switching energy is mainly divided between the circuit breaker 1 and the varistor 5 .

Die Varistorspannung UV muß hierbei so gewählt werden, daß im normalen Betrieb kein Strom über den Varistor 5 fließt, wobei zu beachten ist, daß die Entlastung umso geringer ist, je höher die Varistorspannung UV gewählt wird.The varistor voltage U V must be selected so that no current flows through the varistor 5 during normal operation, it being noted that the higher the varistor voltage U V is selected, the lower the relief.

Claims (8)

1. Entlastungsschaltung für einen Leistungsschalter (1), der in Reihe zu einem Netzfilter (2) liegt, das eine Induktivität sowie eine Kapazität (4) aufweist, wobei die Schaltung folgende Merkmale umfaßt:
  • - Wenigstens ein Bauelement (5) mit Varistorcharakteristik ist parallel zum Netzfilter (2) geschaltet und/oder
  • - wenigstens eine Freilaufdiode (6) ist, bezogen auf die Netzgleichspannung, antiparallel zum Netzfilter (2) geschaltet.
1. Relief circuit for a circuit breaker ( 1 ) which is in series with a line filter ( 2 ) which has an inductance and a capacitance ( 4 ), the circuit comprising the following features:
  • - At least one component ( 5 ) with a varistor characteristic is connected in parallel to the line filter ( 2 ) and / or
  • - At least one free-wheeling diode ( 6 ) is connected antiparallel to the line filter ( 2 ), based on the line voltage.
2. Entlastungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bauelement mit Varistorcharakteristik ein Varistor (5) vorgesehen ist. 2. Relief circuit according to claim 1, characterized in that a varistor ( 5 ) is provided as a component with a varistor characteristic. 3. Entlastungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Funkenstrecke in Reihe mit dem Bauelement (5) mit Varistorcharakteristik geschaltet ist.3. Relief circuit according to claim 1, characterized in that a spark gap is connected in series with the component ( 5 ) with a varistor characteristic. 4. Entlastungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Varistoren (5) diese zueinander in Reihe geschaltet sind.4. Relief circuit according to claim 2, characterized in that in the case of several varistors ( 5 ) these are connected in series with one another. 5. Entlastungsschaltung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Freilaufdioden (6) diese in Reihe geschaltet sind.5. Relief circuit according to one of claims 1-4, characterized in that in the case of several freewheeling diodes ( 6 ) these are connected in series. 6. Entlastungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Varistoren (5) diese parallel geschaltet sind.6. Relief circuit according to claim 2, characterized in that in the case of several varistors ( 5 ) these are connected in parallel. 7. Entlastungsschaltung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Freilaufdioden (6) diese parallel geschaltet sind.7. Relief circuit according to one of claims 1-4, characterized in that in the case of several freewheeling diodes ( 6 ) these are connected in parallel. 8. Entlastungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilaufdiode (6) eine Schutzschaltung (7), die einen Widerstand (8) und einen dazu in Reihe geschalteten Konden­ sator (9) umfaßt, parallel geschaltet ist.8. Relief circuit according to claim 1, characterized in that the free-wheeling diode ( 6 ), a protective circuit ( 7 ), which comprises a resistor ( 8 ) and a capacitor connected in series thereto ( 9 ), is connected in parallel.
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