EP2111628B1

EP2111628B1 - Elektrisches gleichstromnetz für wasserfahrzeuge sowie für offshoreanlagen

Info

Publication number: EP2111628B1
Application number: EP08708121.2A
Authority: EP
Inventors: Gerd Ahlf; Werner Hartmann; Reinhard Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: DE102007004527A1; DE102007004527B4; WO2008090178A1; EP2111628A1; ES2630006T3

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gleichstromnetz für Wasserfahrzeuge, insbesondere für Unterwasserfahrzeuge, sowie für Offshoreanlagen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; ein derartiges elektrisches Gleichstromnetz ist beispielsweise aus der DE 10 2005 031 761 B3 bekannt.
Aus der DE 10 2005 031 761 B3 ist ein elektrischen Gleichstromnetz eines Wasserfahrzeuges, insbesondere eines Unterwasserfahrzeuges, bekannt, bei dem zwischen einer Gleichstromquelle, beispielsweise einer Batterie oder einer Brennstoffzellenanlage, und einem elektrischen Verbraucher, beispielsweise einem Fahrmotor oder einem Bordnetz, eine Stromabschalteinrichtung geschaltet ist, die einen als Vakuumschalter ausgebildeten Leistungsschalter und eine Kommutierungseinrichtung umfasst.
Das Dokument DE 1 640 193 offenbart ein Gleichstromnetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch die Kommutierungseinrichtung ist ein Lichtbogen löschbar ist, der beim Öffnen des Schalters durch den durch den Schalter fließenden Strom erzeugt wird. Die Kommutierungseinrichtung beaufschlagt hierzu den Vakuumschalter unmittelbar nach der Erzeugung des Lichtbogens mit einem entgegengesetzt gerichteten Strom, der den im Lichtbogen fließenden Strom kompensiert oder zumindest soweit vermindert, dass der Lichtbogen zum Erlöschen kommt.
Die Kommutierungseinrichtung kann hierbei auf vielfältige Weise aufgebaut sein. Beispielsweise weist die Kommutierungseinrichtung einen parallel zum Vakuumschalter liegenden Kommutierungsstromkreis auf, der einen Schalter sowie einen Ladungsspeicher, beispielsweise einen Kondensator, umfasst. Über eine Steuereinrichtung wird sichergestellt, dass unmittelbar nach dem Öffnen des Vakuumschalters der Schalter so angesteuert wird, dass der Ladungsspeicher parallel zum Vakuumleistungsschalter und gegensinnig gepolt geschaltet wird, um den im Schalter beim Öffnen entstehenden Lichtbogen zu löschen. Anstelle des Ladungsspeichers kann auch ein Ladungserzeuger, beispielsweise eine elektrische Spule, vorgesehen sein, der von der Steuereinrichtung so angesteuert wird, dass er nach dem Öffnen des Vakuumschalters einen Kompensationsstrom erzeugt, der den beim Öffnen des Vakuumschalters entstehenden Lichtbogen löscht.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Gleichstromnetz gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass es noch besser für den Einsatz auf Wasserfahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen, und Offshoreanlagen geeignet ist.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass durch einen Vakuumschalter in einem elektrischen Gleichstromnetz Strom nicht immer nur in einer Richtung, sondern auch in der anderen, entgegengesetzten Richtung fließen kann. Beispielsweise kann die Richtung eines Kurzschlussstromes durch einen Vakuumschalter grundsätzlich unbestimmt sein, da sie abhängig ist vom Ort des Kurzschlusses im Netz. Auch im normalen Betrieb des Netzes können Umschaltungen im Netz, im Falle eines Unterwasserfahrzeuges beispielsweise zur Einstellung unterschiedlicher Fahrtstufen oder zur Umschaltung einer Batterie von Speise- zu Ladebetrieb, zu Änderungen in der Richtung des Stromes durch einen Vakuumschalter führen. Auch in Vakuumschaltern an Netzkupplungen können sich Ströme unterschiedlicher Richtung einstellen. Die Richtung des Stromes durch den Vakuumschalter vor dessen Öffnung und somit auch die Richtung des Stromes in einem beim Öffnen des Schalters entstehendem Lichtbogen kann somit unterschiedlich sein.
Um auch bei derart unterschiedlichen Richtungen des Stromes durch den Vakuumschalter ein sicheres Abschalten des Stromes zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß die Kommutierungseinrichtung derart ausgebildet, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass durch die Kommutierungseinrichtung Gegenströme unterschiedlicher Richtung erzeugbar sind und der Vakuumschalter beim Öffnen des Schalters gezielt mit dem für die Löschung des dabei entstehenden Lichtbogens benötigten, zu dem Strom durch den Lichtbogen entgegengesetzt gerichteten, Gegenstrom beaufschlagt wird.
Die Kommutierungseinrichtung kann hierzu für jede der unterschiedlichen Stromrichtungen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis aufweisen. Unter einem Kommutierungsstromkreis wird hierbei ganz allgemein ein Stromkreis zur Erzeugung eines Gegenstromes zur Löschung eines Lichtbogens verstanden. Durch einen der beiden Kommutierungsstromkreise kann dann ein Gegenstrom in der einen Richtung und durch den anderen der beiden Kommutierungsstromkreise ein Gegenstrom in der anderen, entgegengesetzen Richtung erzeugt werden, d.h. es können Gegenströme unterschiedlicher Richtung zur Kompensierung des Lichtbogenstromes erzeugt werden.
Alternativ kann die Kommutierungseinrichtung einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die unterschiedlichen Stromrichtungen aufweisen, wobei der gemeinsame Kommutierungsstromkreis dem Vakuumschalter für die unterschiedlichen Stromrichtungen jeweils unterschiedlich zuschaltbar ist.
Von Vorteil weist die Abschalteinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Richtung eines durch den Vakuumschalter fließenden Stromes auf. Diese ermöglicht es, bei unbestimmter Richtung des Stromes durch den Schalter, die zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich vorliegende Stromrichtung zu bestimmen und gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei dieser Stromrichtung vorgesehenen einen von zwei Kommutierungsstromkreisen anzusteuern oder die korrekte Zuschaltung eines für beide Stromrichtungen gemeinsamen Kommutierungsstromkreises auszulösen.
Eine noch weitere Erhöhung der Abschaltsicherheit ist dadurch möglich, dass die Kommutierungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Größe erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass durch die Kommutierungseinrichtung Gegenströme unterschiedlicher Größe erzeugbar sind und der Vakuumschalter beim Öffnen des Schalters gezielt mit einem Gegenstrom mit einer für die Löschung des dabei entstehenden Lichtbogens benötigten Größe beaufschlagt wird.
Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in der Praxis die Größe des Schalterstromes sehr unterschiedlich sein kann. So kann der Schalterstrom im Fall eines Kurzschlusses im Gleichstromnetz mehr als das 25-fache des maximalen Stromes im Normalbetrieb des Gleichstromnetzes betragen. Beispielsweise sind bei modernen Unterwasserfahrzeugen Summenkurzschlussströme von mehr als 100kA möglich, wogegen der maximale Betriebsstrom maximal 4 kA beträgt. Durch die Kommutierungseinrichtung muss somit ein sicheres Abschalten sowohl der Betriebsströme als auch der um den Faktor 25 höheren Kurzschlussströme gewährleistet werden. Eine auf ein Abschalten von Betriebsstrom ausgelegte Kommutierungseinrichtung wäre deshalb nicht in der Lage, einen durch einen Kurzschlussstrom erzeugten Lichtbogen zu löschen. Umgekehrt würde eine auf ein Abschalten von Kurzschlussströmen ausgelegte Kommutierungseinrichtung den Vakuumschalter mit einem viel zu großen Gegenstrom beaufschlagen, der seinerseits wieder einen Lichtbogen erzeugen könnte. Für ein sicheres Löschen eines Lichtbogens muss deshalb der von der Kommutierungseinrichttung erzeugte Gegenstrom hinsichtlich seiner Größe auf den in dem Lichtbogen fließenden Schalterstrom angepasst sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kommutierungseinrichtung zumindest für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis auf.
Alternativ kann die Kommutierungseinrichtung einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen aufweisen, wobei in dem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen jeweils unterschiedlich große Gegenströme erzeugbar sind.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist dieser gemeinsame Kommutierungsstromkreis eine Ladevorrichtung zur Ladung eines Kondensators des Kommutierungsstromkreises auf einen maximal zu erwartenden und abzuschaltenden Kurzschlussstrom und eine Entladevorrichtung zur gezielten Entladung des Kondensators bei Eintreten eines Kurzschlusses oder bei einer geforderten normalen Abschaltung kurz vor Auslösen eines Gegenstromimpulses auf.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung weist dieser gemeinsame Kommutierungsstromkreis ein Kondensatorladegerät auf, durch welches ein Kondensator des Kommutierungsstromkreises bei Eintreten eines Kurzschlussfalls oder einer geforderten Normalabschaltung auf ein vorgebbares Niveau aufladbar ist. Hierdurch kann ein besonders geringes Gewicht und Bauvolumen der Abschalteinrichtung ermöglicht werden.
Von Vorteil weist die Abschalteinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Größe des durch den Vakuumschalter fließenden Stromes auf. Dies ermöglicht es, bei unbestimmter Größe des Stromes durch den Schalter die Größe des tatsächlich durch den Schalter fließenden Stromes zu bestimmen und gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei dieser Stromgröße benötigten Gegenstrom zu erzeugen.
Zur weiteren Erhöhung der Abschaltsicherheit kann der Vakuumschalter zwei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole aufweisen, wobei einer der Schaltpole in einen Stromzweig von einem Pluspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher und der andere Schaltpol in einen Stromzweig von einem Minuspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher geschaltet ist, und wobei die Abschalteinrichtung eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung für jeden der beiden Schaltpole aufweist. Hierdurch sind sogar Doppelerdschlüsse in einem Gleichstromnetz abschaltbar. Für die Kommutierungseinrichtung kommen bevorzugt die vorstehend beschriebenen Kommutierungseinrichtungen zum Einsatz.
Eine noch weitergehende Erhöhung der Abschaltsicherheit ist dadurch möglich, dass der Vakuumleistungsschalter drei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole aufweist, wobei ein erster der Schaltpole in einen Stromzweig von einem Pluspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher und die beiden anderen Schaltpole in Reihe in einen Stromzweig von einem Minuspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher geschaltet sind, und wobei die Abschalteinrichtung eine eigene Kommutierungseinrichtung für den ersten Schaltpol und eine eigene Kommutierungseinrichtung gemeinsam für die beiden anderen Schaltpole aufweist. Hierdurch sind ebenfalls Doppelerdschlüsse in einem Gleichstromnetz abschaltbar. Für die Kommutierungseinrichtung kommen ebenfalls bevorzugt die vorstehend beschriebenen Kommutierungseinrichtungen zum Einsatz.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; es zeigen:

FIG 1: ein Prinzipschaltbild eines elektrischen Gleichstromnetzes eines Unterwasserfahrzeuges mit einer Darstellung unterschiedlicher Stromrichtungen für Betriebsund Kurzschlussströme durch einen Vakuumschalter,
FIG 2: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung mit einem zwischen einer Gleichstromquelle und einem Verbraucher geschalteten Vakuumschalter und einer Kommutierungseinrichtung,
FIG 3: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung mit jeweils einem eigenen Kommutierungsstromkreis für unterschiedliche Stromrichtungen,
FIG 4: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung mit einem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für unterschiedliche Stromrichtungen,
FIG 5: eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises,
FIG 6: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung mit einem Vakuumschalter mit zwei Schaltpolen und jeweils einer Kommutierungseinrichtung für jeden der Schaltpole,
FIG 7: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung mit jeweils einem eigenen Kommutierungsstromkreis für Betriebsströme und für Kurzschlussströme,
FIG 8: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung mit einem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für Betriebsströme und für Kurzschlussströme,
FIG 9: eine erste vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises von FIG 8,
FIG 10: eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises von FIG 8 und
FIG 11: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung mit einem Vakuumschalter mit drei Schaltpolen und einer Kommutierungseinrichtung für einen der Pole und einer Kommutierungseinrichtung gemeinsam für die anderen beiden Pole.

Ein in FIG 1 gezeigtes elektrisches Gleichstromnetz 1 eines Unterwasserfahrzeuges besteht aus zwei Teilnetzen 2, 3, die über eine Netzkupplung 4 miteinander verbindbar sind. Das Gleichstromnetz 1 weist Batterien 5 und Generatoren 6 als Gleichstromquellen und einen Fahrmotor 7 (z.B. einen DC-Motor oder einen DC-gespeisten Motor) mit zwei Wicklungssystemen 8 zum Antrieb eines Propellers 9 des Unterwasserfahrzeuges sowie ein nicht näher dargestelltes Bordnetz als elektrische Verbraucher auf.
Die einzelnen Komponenten des Gleichstromnetzes sind über Schalter 10, 10', 11, 11', 12, 12', 13, miteinander verbunden. Durch die Schalter können hierbei Ströme unterschiedlicher Richtung und Größe fließen. Wird beispielsweise im Fahrbetrieb des Unterwasserfahrzeuges der Fahrmotor 7 durch die Batterien 5 gespeist, fließt ein Betriebsstrom I_NF von einer Batterie 5 durch den Batterieschalter 10 zum Fahrmotor 7. Wenn dagegen im Ladebetrieb die Batterien 5 durch die Generatoren 6 aufgeladen werden, fließt ein Ladestrom I_NL von einem Generator 6 durch den Batterieschalter 10 in die Batterie 5. Der Betriebsstrom I_NF und der Ladestrom I_NL sind im Batterieschalter 10 entgegengesetzt gerichtet.
Liegt in einem ersten Kurzschlussfall Kf1 ein Kurzschluss in dem von dem ersten Teilnetz 2 gespeisten Wicklungssystem 8 des Fahrmotors 7 vor, fließt ein Kurzschlussstrom I_KF1 von der Batterie 5 über den Batterieschalter 10 in den Fahrmotor 7. Liegt dagegen in einem zweiten Kurzschlussfall Kf2 ein Kurzschluss in der Batterie 5 vor, so fließt ein Kurzschlussstrom I_KF2 von dem Generator 6 über den Batterieschalter 10 in die Batterie 5. Die Kurzschlussströme I_KF1 und I_KF2 sind hierbei im Batterieschalter 10 entgegengesetzt gerichtet.
Die Batterieschalter 10, 10' haben somit Ströme unterschiedlicher Richtung und Größe abzuschalten. Auch im Fall des Netzkupplungsschalters 13 sind Ströme unterschiedlicher Richtung und Größe abzuschalten, da über den Netzkupplungsschalter 13 sowohl Betriebsströme als auch Kurzschlussströme entweder von dem Teilnetz 1 in das Teilnetz 2 oder von dem Teilnetz 2 in das Teilnetz 1 fließen können.
Die Schalter 10, 10', 11, 11', 12, 12', 13 sind als Vakuumschalter ausgebildet und jeweils Bestandteil einer Abschalteinrichtung, die - wie im Zusammenhang mit den FIG 2 - 11 erläutert, zusätzlich noch eine Kommutierungseinrichtung zur Löschung eines Lichtbogens in dem Vakuumschalter aufweist. Die beiden Batterieschalter 10, 10', die beiden Generatorschalter 11, 11' bzw. die beiden Fahrmotorschalter 12, 12' eines Teilnetzes 2, 3 müssen hierbei nicht zwangsläufig jeweils separate Schalter sein, sondern können auch mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Vakuumschalters sein, d.h. die beiden Batterieschalter 10, 10' sind mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Batterieschalters, die beiden Generatorschalter 11, 11' sind mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Generatorschalters und die beiden Fahrmotorschalter 12, 12' sind mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Fahrmotorschalters.
FIG 2 zeigt in einer besonders vereinfachten Darstellung ein Teilnetz 20 des in FIG 1 dargestellten Gleichstromnetzes 1. Das Teilnetz 20 weist eine Gleichstromquelle 21, einen elektrischen Verbraucher 22 und eine Abschalteinrichtung 23 zur Abschaltung eines zwischen der Gleichstromquelle 21 und dem Verbraucher 22 fließenden Stromes auf. Die Abschalteinrichtung 23 weist einen zwischen die Gleichstromquelle 21 und den Verbraucher 22 geschalteten Vakuumschalter 24 sowie eine parallel zu dem Vakuumschalter 24 geschaltete Kommutierungseinrichtung 25 auf.
Durch die Kommutierungseinrichtung 25 ist ein Lichtbogen in dem Vakuumschalter 24 löschbar, der beim Öffnen des Schalters 24 durch Strom erzeugt wird, der durch den Schalter 24 fließt. Die Kommutierungseinrichtung 25 ist hierbei derart ausgebildet ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Die Kommutierungseinrichtung 25 löscht einen Lichtbogen durch Erzeugung eines Gegenstromes und Beaufschlagung des Vakuumschalters mit diesem Gegenstrom, d.h. eines Stromes, der entgegengesetzt zu dem durch den Lichtbogen fließenden Strom gerichtet ist, und der den im Lichtbogen fließenden Strom kompensiert oder zumindest soweit vermindert, dass der Lichtbogen zum Erlöschen kommt. Zur Erzeugung des Gegenstromes weist die Kommutierungseinrichtung 25 einen oder mehrere geschaltete Kommutierungsstromkreise 26 auf (siehe auch FIG 5).
Die Kommutierungseinrichtung 25 kann hierbei - wie in FIG 3 dargestellt - für jede der unterschiedlichen Stromrichtungen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis 26 aufweisen. Die beiden Kommutierungsstromkreise 26 können hierbei an sich gleich aufgebaut, aber mit unterschiedlicher Polarität dem Vakuumschalter 24 zuschaltbar sein.
Die Kommutierungseinrichtung 25 kann aber auch - wie in FIG 4 dargestellt - einen für die unterschiedlichen Stromrichtungen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26 aufweisen, der mittels einer Umschalteinrichtung 27 für die unterschiedlichen Stromrichtungen mit jeweils unterschiedlicher Polarität dem Vakuumschalter 24 parallel zuschaltbar ist. Die Umschalteinrichtung 27 zur Änderung der Polarität des Kommutierungsstroms kann dabei sowohl als elektromechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigter mechanischer Umschalter ausgeführt sein oder auch als Brückenschaltung von Hochleistungshalbleiterschaltern wie z. B. Hochstrom-belastbaren Thyristoren.
In beiden Fällen weist die Abschalteinrichtung 23 eine Einrichtung 28 zur Bestimmung der Richtung des durch den Schalter 24 fließenden Stromes auf. Die Einrichtung 28 steuert mittels einer oder mehrere Steuerleitungen 29 die Kommutierungsstromkreise 26 (siehe FIG 3) bzw. die Umschalteinrichtung 27 (siehe FIG 4) in Abhängigkeit von der Richtung des durch den Schalter 24 fließenden Stromes.
Ein Kommutierungsstromkreis 26 selbst weist hierbei bevorzugt - wie in FIG 5 dargestellt - einen Hochleistungshalbleiterschalter 30 für hohe Impulsströme, z.B. einen Thyristor, einen Kondensator 31, eine Ladevorrichtung 32 zur Aufladung des Kondensators 31 und eine Zündvorrichtung 33 zur Zündung des Hochleistungshalbleiterschalters 30 auf.
Bei einer in FIG 6 gezeigten Abschalteinrichtung mit erhöhter Abschaltsicherheit weist der Vakuumschalter 24 zwei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole (d.h. Schaltstrecken) 24a, 24b auf, wobei der Schaltpol 24a in einen Stromzweig 42 vom Pluspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 und der Schaltpol 24b in einen Stromzweig 43 vom Minuspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 geschaltet ist, und wobei die Abschalteinrichtung 23 jeweils eine eigene Kommutierungseinrichtung 25 für jeden der beiden Schaltpole 24a, 24b aufweist. Jede der beiden Kommutierungseinrichtungen 25 weist hierzu jeweils zwei Kommutierungsstromkreise 26 für die unterschiedlichen Stromrichtungen durch die Schaltpole 24a, 24b auf.
Wie in FIG 7 dargestellt, kann eine Kommutierungseinrichtung 25 zusätzlich noch derart ausgebildet sein, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Größe erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Hierdurch kann die Abschaltsicherheit noch weiter erhöht werden. Die Kommutierungseinrichtung 25 weist hierzu einen Kommutierungsstromkreis 26a für die Erzeugung von Gegenströmen zur Löschung von Lichtbögen, die von sehr hohen Kurzschlussströmen erzeugt werden, und einen Kommutierungsstromkreis 26b für die Erzeugung von Gegenströmen zur Löschung von Lichtbögen, die von relativ niedrigen Betriebsströmen erzeugt werden, auf. Mittels einer Umschalteinrichtung 40 kann gezielt einer der beiden Kommutierungsstromkreise 26a, 26b parallel dem Schalter 24 zugeschaltet werden. Durch die Kommutierungseinrichtung 25 sind somit Gegenströme unterschiedlicher Größe erzeugbar und der Vakuumschalter 24 mit diesen Gegenströmen beaufschlagbar.
Die Abschalteinrichtung 23 weist außerdem eine Einrichtung 41 zur Bestimmung der Größe des durch den Vakuumschalter fließenden Stromes auf. Diese ermöglicht es, bei unbestimmter Größe des Stromes durch den Schalter die Größe des tatsächlich zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Schalter fließenden Stromes zu bestimmen und in Abhängigkeit von der Stromgröße die Umschalteinrichtung 40 derart anzusteuern, dass diese gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei dieser Stromgröße vorgesehenen Kommutierungsstromkreis 26a oder 26b parallel dem Schalter 24 zuschaltet und bei diesem Kommutierungsstromkreis die Erzeugung des Gegenstromes auslöst.
Alternativ kann gemäß FIG 8 die Kommutierungseinrichtung 25 auch einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26c sowohl für die Abschaltung von Betriebsströmen als auch für die Abschaltung von Kurzschlussströmen aufweisen, wobei in dem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26c für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen jeweils unterschiedlich große Gegenströme erzeugbar sind.
Gemäß einer in FIG 9 gezeigten besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Kommutierungsstromkreises 26c wird der Kondensator 31 mittels einer Ladevorrichtung 32 immer auf den maximal zu erwartenden und abzuschaltenden Kurzschlussstrom aufgeladen, jedoch bei Eintreten eines Kurzschlusses oder bei einer geforderten normalen Abschaltung durch eine zum Kondensator 31 parallel geschaltete Entladevorrichtung 34 kurz vor Auslösen eines Kommutierungsstromimpulses gezielt soweit entladen, dass der resultierende Kommutierungsstrom eine gerade ausreichende Amplitude und Zeitdauer aufweist, um den Schaltlichtbogen im Vakuumschalter 24 zu löschen. Über die Einrichtung 41 zur Bestimmung der Größe des durch den Vakuumschalter fließenden Stromes wird dabei die Amplitude des erwarteten, abzuschaltenden Stroms sowie der optimale Zeitpunkt für die Auslösung von Vakuumschalter 24 und Kommutierungseinrichtung 25 bestimmt.
Die Entladevorrichtung 34 besteht in vorteilhafter Weise aus der Serienschaltung eines Halbleiterschalters 35, wie z. B. einem IGBT, IGCT oder Thyristors, und einem Lastwiderstand 36, welcher die zu entladende Energie aufnimmt. Der Zeitpunkt, zu dem die Entladevorrichtung 34 ausgelöst wird, wird dabei von der Einrichtung 41 durch elektronische Maßnahmen, z. B. eine Mikroprozessorsteuerung, so berechnet, dass zum Zeitpunkt der Auslösung des Kommutierungsstromimpulses der dafür benötigte Ladungszustand des Impulskondensators 31 genau erreicht wird. Auf diese Weise ist es möglich, Betriebsströme und Kurzschlussströme unterschiedlichster Amplituden mit nur einem einzigen Kommutierungsstromkreis 26c abzuschalten.
Alternativ kann - wie in FIG 10 gezeigt - der Kondensator 31 auch erst bei Eintreten eines Kurzschlussfalls oder einer geforderten Normalabschaltung auf das jeweils geforderte Niveau aufgeladen werden; hierzu ist ein ständig im Leerlauf bereitstehendes Kondensatorladegerät 37 vorgesehen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine nur geringe elektrische Dauerbelastbarkeit aufweist, jedoch eine sehr hohe Kurzzeitbelastbarkeit sowie eine elektronisch einstellbare Amplitude und vorzugsweise auch Polarität.
Für niedrigere Kurzschlussströme und Betriebsströme wird der Ladevorgang durch die Einrichtung 41 entsprechend frühzeitig abgebrochen. Die benötigte Polarität wird ebenfalls von der Einrichtung 41 erkannt und dem Ladegerät 37 übermittelt, so dass der Kondensator 31 mit der entsprechenden Polarität aufgeladen wird.
Diese Schaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn auf geringes Gewicht und Bauvolumen der Abschalteinrichtung Wert gelegt wird; für die Leistungshalbleiter des geschalteten Kommutierungsstromkreises wird dabei keine Vollbrückenschaltung, sondern nur eine Parallelschaltung 44 von zwei Leistungshalbleitern benötigt, wobei der jeweils der geforderten Polarität entsprechende Halbleiter von der Einrichtung 41 zur Erzeugung eines Kommutierungsimpulses angesteuert wird. Alternativ können auch immer beide Halbleiter simultan angesteuert werden, so dass auch ein gegebenenfalls die Polarität wechselnder Kommutierungsstrom vom jeweiligen anderen Halbleiterschalter getragen wird; dadurch werden antiparallele Freilaufdioden nicht mehr benötigt, was hinsichtlich Kosten, Baugröße und Gewicht von besonders großem Vorteil ist.
Weiterhin hat diese Schaltung den Vorteil, dass der Kondensator 31 immer nur kurzzeitig mit Spannung beaufschlagt wird, wodurch derselbe erheblich kompakter und leichter gebaut werden kann. Dies liegt insbesondere an der Tatsache, dass bei mit Gleichspannung belasteten Kondensatoren das Dielektrikum für eine niedrige Fehlerrate erheblich dicker dimensioniert werden muss als bei Kondensatoren, welche nur mit Impulsspannungen beaufschlagt werden.
Eine in FIG 11 gezeigte Abschalteinrichtung 23 weist einen Vakuumschalter 24 mit drei mechanisch miteinander gekoppelten Schaltpolen 24a, 24b, 24c auf, wobei der Schaltpol 24a in einen Stromzweig 42 vom Pluspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 und die Schaltpole 24b und 24c in Reihe in einen Stromzweig 43 vom Minuspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 geschaltet sind, und wobei die Abschalteinrichtung 23 eine Kommutierungseinrichtung 25 für den Schaltpol 24a und eine Kommutierungseinrichtung 25 gemeinsam für die beiden Schaltpole 24b und 24c aufweist. Jede der beiden Kommutierungseinrichtungen 25 weist hierzu für jede der beiden Stromrichtungen jeweils einen Kommutierungsstromkreis 26a für die Löschung von Lichtbögen, die von Kurzschlussströmen erzeugt werden, und einen Kommutierungsstromkreis 26b für die Löschung von Lichtbögen, die von Betriebsströmen erzeugt werden. Alternativ kann statt zweier Kommutierungsstromkreise 26a und 26b für Kurzschluss- und Betriebsstrom auch ein gemeinsamer Kommutierungsstromkreis 26c gemäß FIG 8 - 10 vorgesehen werden.
Eine Steuereinrichtung 45 übernimmt die Funktion der Einrichtung 28 von FIG 4 und der Einrichtung 41 von FIG 7 und bestimmt die Größe und Richtung des Stromes durch den Vakuumschalter 24, ermittelt die für die Lichtbogenlöschung benötigte Größe und Polarität des Gegenstromes und steuert in Abhängigkeit davon über nicht näher dargestellte Steuerleitungen gezielt den oder die für die Erzeugung dieses Gegenstromes notwendigen Kommutierungsstromkreise sowie ggf. vorhandene Lade-/Entladevorrichtungen und Umschalteinrichtungen an.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Abschalteinrichtung 23 ist eine besonders hohe Abschaltsicherheit erzielbar. Falls sich hinsichtlich der Betriebsströme größere Unterschiede ergeben, kann es sinnvoll sein, zur weiteren Erhöhung der Abschaltsicherheit noch weitere Kommutierungsstromkreise vorzusehen.

Claims

Elektrisches Gleichstromnetz (1, 20) für Unter- und Überwasserfahrzeuge sowie für Offshoreanlagen, mit zumindest einer Gleichstromquelle (21), insbesondere einer Batterie- und/oder einer Brennstoffzellenanlage, zumindest einem elektrischen Verbraucher (22), z.B. einem elektrischen Antriebsmotor oder einem Bordnetz, und zumindest einer Abschalteinrichtung (23) zur Abschaltung eines in dem Netz (1) fließenden Gleichstromes, wobei die Abschalteinrichtung (23) einen in das Netz (1) geschalteten Vakuumschalter (24) und eine Kommutierungseinrichtung (25) aufweist, durch welche ein Lichtbogen, der durch einen Strom, der durch den Schalter (24) fließt, beim Öffnen des Schalters (24) erzeugt wird, löschbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinrichtung (25) derart ausgebildet ist, dass durch sie Lichtbögen von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung löschbar sind.
Gleichstromnetz (1, 20) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinrichtung (25) für jede der unterschiedlichen Stromrichtungen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis (26) aufweist
Gleichstromnetz (1, 20) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinrichtung (25) einen für die unterschiedlichen Stromrichtungen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis (26) aufweist, der für die unterschiedlichen Stromrichtungen jeweils unterschiedlich dem Vakuumschalter (24) zuschaltbar ist.
Gleichstromnetz (1, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (23) eine Einrichtung (28) zur Bestimmung der Richtung eines durch den Schalter (24) fließenden Stromes aufweist.
Gleichstromnetz (1, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinrichtung (25) derart ausgebildet ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Größe erzeugte Lichtbögen löschbar sind.
Gleichstromnetz (1, 20) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinrichtung (25) zumindest für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis (26a bzw. 26b) aufweist.
Gleichstromnetz (1, 20) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinrichtung (25) einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis (26c) für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen aufweist, wobei in dem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis (26c) für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen jeweils unterschiedlich große Gegenströme erzeugbar sind.
Gleichstromnetz (1, 20) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Kommutierungsstromkreis (26c) eine Ladevorrichtung (32) zur Ladung eines Kondensators (31) des Kommutierungsstromkreises (26c) auf einen maximal zu erwartenden und abzuschaltenden Kurzschlussstrom und eine Entladevorrichtung (34) zur gezielten Entladung des Kondensators (31) bei Eintreten eines Kurzschlusses oder bei einer geforderten normalen Abschaltung kurz vor Auslösen eines Gegenstromimpulses aufweist.
Gleichstromnetz (1, 20) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Kommutierungsstromkreis (26c) ein Kondensatorladegerät (37) aufweist, durch welches ein Kondensator (31) des Kommutierungsstromkreises bei Eintreten eines Kurzschlussfalls oder einer geforderten Normalabschaltung auf ein vorgebbares Niveau aufladbar ist.
Gleichstromnetz (1, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumschalter (24) zwei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole (24a, 24b) aufweist, wobei einer der Schaltpole (24a) in einen Stromzweig (42) von einem Pluspol der Gleichstromquelle (21) zu dem Verbraucher (22) und der andere Schaltpol (24b) in einen Stromzweig (43) von einem Minuspol der Gleichstromquelle (21) zu dem Verbraucher (22) geschaltet ist, und wobei die Abschalteinrichtung (23) eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für jeden der beiden Schaltpole (24a, 24b) aufweist.
Gleichstromnetz (1, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumschalter (24) drei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole (24a, 24b, 24c) aufweist, wobei ein erster der Schaltpole (24a) in einen Stromzweig (42) von einem Pluspol der Gleichstromquelle (21) zu dem Verbraucher (22) und die beiden anderen Schaltpole (24b, 24c) in Reihe in einen Stromzweig (43) von einem Minuspol der Gleichstromquelle (21) zu dem Verbraucher (22) geschaltet sind, und wobei die Abschalteinrichtung (23) eine eigene Kommutierungseinrichtung (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für den ersten Schaltpol (24a) und eine eigene Kommutierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gemeinsam für die beiden anderen Schaltpole (24b, 24c) aufweist.