EP3363034A1 - Alternating current power switch and method for switching an alternating current - Google Patents

Alternating current power switch and method for switching an alternating current

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EP3363034A1
EP3363034A1 EP15813010.4A EP15813010A EP3363034A1 EP 3363034 A1 EP3363034 A1 EP 3363034A1 EP 15813010 A EP15813010 A EP 15813010A EP 3363034 A1 EP3363034 A1 EP 3363034A1
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EP
European Patent Office
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voltage
switching
switching module
switching modules
phase
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Ceased
Application number
EP15813010.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter Sachs
Frank Schremmer
Andreas Zenkner
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an AC power switch.
  • AC circuit breakers are used in high voltage and high voltage power lines to switch an operating current or a short circuit current.
  • environmentally such an alternating current circuit breaker holds a gas-insulated, or vacuum insulated contact arrangement with a mechanical drive ⁇ Africa.
  • the switching operation is usually always carried out in a current zero crossing in the known AC power scarf ⁇ tern. This may lead to ei ⁇ ner detrimental delay time for example between ei ⁇ nem detecting a fault and the current cutoff.
  • the object of the invention is to provide an AC Leis ⁇ processing switch that allows quick and reliable switching of AC currents.
  • an alternating current circuit breaker which comprises a series connection of two-pole switching modules which can be inserted serially into a phase line of an alternating voltage line, wherein each switching module has an energy store as well as controllable power semiconductors which can be switched on and off and is controllable such that at its poles a switching module voltage is generated corresponding to a positive or negative power storage voltage or a voltage having the value of zero, and a STEU ⁇ er adopted for driving the switching modules is adapted to control the switch modules in response to a Pola ⁇ rticians carti a phase current in such a way that the switching module voltage changes polarity, wherein a phase voltage opposite switching module voltage can be generated.
  • the AC power switch according to the invention can always switch a current in the phase line, regardless of an instantaneous value of the current. A Stromnull ⁇ passage need not be waited. In addition, no arcing occurs when switching by means of the AC circuit breaker according to the invention.
  • the series-connected switching modules are able to turn off very quickly, within a few microseconds. In addition, can be switched bounce-free by means of the AC circuit breaker according to the invention.
  • the control device can control the power semiconductors independently of one another.
  • the controller controls the switching module or the power semiconductor switching modules as a function of egg ⁇ nem change in polarity of a phase current.
  • the polarity of the switching module voltage of each of the switching modules changes. Since the switching modules are connected to each other in a series circuit, the result is a total voltage of the series circuit, which corresponds to the sum of the switching module voltages of all switching modules. All switching modules are controllable in a Po ⁇ larticians chicken the phase current such that the switching module voltage is opposite to a phase voltage.
  • one of the phase voltage to be switched oppositely directed or polarized countervoltage he be ⁇ testifies, which is equal to the total voltage of the series connection of the switching modules.
  • the control device can, in turn, change the switching modules in such a way that again a reverse voltage is built up.
  • the control device controls the switching modules at the exact time of polarity change of the phase current, the switching modules such that the polarity of the switching module voltage changes. Rather, it is also possible that some or all switching modules change the polarity of their switching module voltage with respect to the current zero crossing with a time delay.
  • Switch Modules for changing the polarity of the switching module clamping ⁇ voltage can be followed in the AC line, for example, the AC frequency.
  • the AC power switch suitably comprises a plurality of the series connections of the switching modules whose number corresponds to the number of phase lines of the AC voltage line.
  • Each one of the series circuits is in each case assigned to a phase line and into this insertable.
  • the AC power switch according to the invention can be used as a filter unit in the AC line.
  • the control means is adapted to control the switching module ⁇ such that a fundamental frequency and harmonics of the voltage or current by means of the inventive AC voltage power circuit breaker is remarkable ⁇ oulbar.
  • ⁇ fundamental frequency and harmonics of the voltage or current by means of the inventive AC voltage power circuit breaker
  • the alternating current circuit breaker used as a filter inlet ⁇ integrated with an inductor cooperates, which is formed for example as a throttle from ⁇ and arranged in series with the series circuit of the switching modules.
  • a suitable error detection device can detect an error or a transient process in the AC voltage line and forward a corresponding signal to the control device. Because of such a signal, the controller may drive the switching modules to turn off the power in the phase line.
  • the number of switching modules of a series connection is basically arbitrary. It is suitably adapted to the respective application.
  • the number of switching modules ⁇ can depend on a rated voltage and a rated current in the phase line.
  • a longitudinal voltage of a predetermined frequency and phase can be generated in the phase line.
  • the energy from the AC voltage network is temporarily stored in the energy stores of the switching modules. Therefore, the Vorrich ⁇ tion feed reactive power into the AC mains, with a short-term active power feed,
  • a circuit breaker In series with the series connection of the switching modules, a circuit breaker may be arranged.
  • the circuit breaker is configured to interrupt the phase line after the current has been switched off by means of the series connection of the switching modules .
  • At least some of the switching modules are realized as full bridge circuits.
  • a full bridge circuit is for example in the WO
  • a full bridge circuit comprises two parallel series circuits of power ⁇ semiconductor switches.
  • the energy store is connected in parallel with the series circuits.
  • the first terminal or the ers ⁇ te terminal or the first pole of the full-bridge as Circuit formed switching module is disposed between the two power semiconductor switches of the first series circuit.
  • the second terminal of the switching module is arranged between the two power semiconductor switches of the second series circuit. Both power semiconductor switches of the first and the second series circuit have the same forward direction.
  • Each of the power semiconductor switches, a freewheeling diode is connected in anti-parallel.
  • a switching module voltage are generated, which corresponds to the positive or negative energy storage voltage or the zero voltage.
  • the use of the full bridge circuits has the particular advantage that methods for controlling the switching modules in this case are well known and manageable.
  • switching modules for use in the switching modules are possible.
  • the switching modules it is possible to design the switching modules as two oppositely directed half-bridge circuits .
  • a half-bridge circuit is known for example from DE 10103031 B4.
  • the sum of the energy storage voltages is preferably more than the product of the square root of two and a nominal voltage Un of the phase line. This can advantageously be achieved that the peak voltage in the phase line can be switched off reliably.
  • the maximum countervoltage that can be generated here is higher than ⁇ * Un. Is considered to be particularly advantageous if the maximum generatable reverse voltage is greater than a maximum operating voltage ⁇ . This allows consideration of a tolerance range of the operating voltages, which is usually specified by the respective network operator. Accordingly, the maximum countervoltage that can be generated is higher than ⁇ ⁇ * Un * p, where p a tolerance factor with a value, for example, between 1 and 1.3.
  • a monitoring device for monitoring the energy storage voltages which enables a balancing of the energy storage voltages.
  • the balancing of the energy storage voltages serves to prevent overvoltage at the energy storage devices. It causes the energy storage devices to be charged and discharged evenly.
  • the invention further relates to a method for switching an alternating current.
  • the object of the invention is to provide such a method which permits a fast as possible and reliabil ⁇ Siges switching alternating currents.
  • the object is achieved by a method for switching an alternating current by means of the AC circuit breaker according to the invention, in which the switching modules are controlled in response to a polarity change of a phase current such that the switching module voltage changes polarity, wherein a phase voltage opposite switching module voltage is generated.
  • the switching modules are driven simultaneously at the polarity change of the phase current, so that the switching module voltage changes polarity. This makes it possible to switch off particularly high currents particularly quickly.
  • the switching modules are actuated in a time-shifted manner during the polarity change of the phase current, with the result that the switching module voltages change their polarities with a time shift.
  • a Ge ⁇ gene voltage can be gradually increased. In this way, the current to be cut off can be limited or switched off more slowly.
  • overvoltages in the phase line can be limited and disadvantageous switching transients can be avoided.
  • Switching modules used which are realized as the previously described ⁇ full bridge circuits.
  • the energy storage voltages are monitored by means of a monitoring device for balancing the energy storage voltages. This makes it possible to avoid overvoltages on the energy storage.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an inventive ⁇ SEN AC power switch in a schematic representation
  • the change ⁇ current circuit breaker 1 comprises a first series circuit 11 two-pole switching modules 21, 22 and 23.
  • the first series ⁇ circuit 11 is inserted into a first phase line 31 of a three-phase AC line 3 serially.
  • the AC power switch 1 comprises a second series circuit 12 of switching modules 24 to 26, which is arranged in a second phase line 32 of the AC line 3, and a third series circuit 13 of
  • each switching module 21-29 drops a switching module voltage Usl-Us9.
  • the switching module voltages Usl-US9 generally have at a given time to different values with different Polaritä ⁇ th.
  • the switching module voltages can thus be generated to a present in the respective phase line 11-13 phase voltage to turn off a current in the phase line.
  • three switching modules are provided in each series circuit.
  • the number of switching modules can be arbitrary and adapted to the respective application. With a suitable number of switching modules that use commercially available power semiconductors, for example, voltages of up to 5 kV can be switched off.
  • the AC power switch 1 further comprises a control device 4.
  • the control device 4 is connected on the output side to each power semiconductor switch of each switching module 21-29.
  • the controller 4 may turn on and off each of the power semiconductor switches independently of each other.
  • the control device 4, the switching modules 21-29 control such that predetermined switching module voltages ⁇ Usl-Us9 and thus predetermined total voltages Ugl-Ug3 are generated at any time in each of the phase lines 31-33.
  • FIG. 2 shows the switching module 21 of the AC power switch ⁇ 1 of Figure 1.
  • the other switching modules 22-29 are similar to the switching module 21 constructed.
  • the switching module 21 comprises four power semiconductor switching units 41-44 as well as an energy store in the form of a power capacitor 40.
  • Each power semiconductor switching unit 41-44 has in each case ei ⁇ nen power semiconductor in the form of an IGBT 51-54 and an antiparallel diode 61-64.
  • the switching module 21 is designed as a full bridge circuit. By appropriate activation of the individual power semiconductors 51-54, power can be supplied or removed from the power capacitor 40. At the terminals or poles 71 and 72 of the switching module 21, by suitable switching on and / or off of the power semiconductor 51-54 known in the art, the voltage dropping on the energy storage voltage, also referred to as energy storage voltage Ue, an oppositely directed voltage -Ue or also set a voltage zero.
  • energy storage voltage Ue also referred to as energy storage voltage Ue
  • Ue energy storage voltage
  • Ue oppositely directed voltage -Ue or also set a voltage zero.
  • the polarity change of the voltage drop across the terminals 71, 72 can be achieved by alternately switching the power semiconductor pairs 51, 54 and 52, 53 on and off.
  • the power capacitor 40 can be recharged in a manner known to the person skilled in the art or in the event of a voltage drop.
  • the power capacitor 40 is generally bypassed. This is done, for example, by turning on the Leis ⁇ tung semiconductor 51 or the power semiconductor 52, depending on the current direction of the operating current.

Abstract

The invention relates to an alternating current power switch (1). The invention is characterized by a series circuit (11-13) of bipolar switching modules (21-29) which can be added in series into a phase line (31-33) of an alternating current line (3). Each switching module has an energy store and actuatable power semiconductors which can be activated and deactivated, and each switching module can be actuated such that a switching module voltage (Us1-Us9) which corresponds to a positive or negative energy store voltage or a voltage with a value of null can be generated at the poles of the switching module. The invention is also characterized by a controller (4) for actuating the switching modules, said controller being designed to actuate the switching modules on the basis of a polarity change of a phase current such that the switching module voltage switches polarity, wherein a switching module voltage opposite the phase voltage can be generated. The invention further relates to a method for switching alternating currents by means of the alternating current power switch (1) according to the invention.

Description

Beschreibung description
Wechselstromleistungsschalter und Verfahren zum Schalten eines Wechselstromes AC circuit breaker and method for switching an alternating current
Die Erfindung betrifft einen Wechselstromleistungsschalter. The invention relates to an AC power switch.
Wechselstromleistungsschalter werden in Hochspannungsanlagen und Hochspannungsleitungen eingesetzt, um einen Betriebsstrom oder einen Kurzschlussstrom zu schalten. Üblicherweise um- fasst ein solcher Wechselstromleistungsschalter eine gasisolierte oder vakuumisolierte Kontaktanordnung mit einem mecha¬ nischen Antrieb. Beim Öffnen einer solchen Kontaktanordnung entstehen Lichtbögen, so dass die bekannten Wechselstromleistungsschalter meist eine Lichtbogenlöscheinrichtung aufweisen. Zudem wird bei den bekannten Wechselstromleistungsschal¬ tern der Schaltvorgang üblicherweise stets bei einem Stromnulldurchgang durchgeführt. Dies führt unter Umständen zu ei¬ ner nachteiligen Verzögerungszeit beispielsweise zwischen ei¬ nem Feststellen eines Fehlers und dem Abschalten des Stromes. AC circuit breakers are used in high voltage and high voltage power lines to switch an operating current or a short circuit current. Typically, environmentally such an alternating current circuit breaker holds a gas-insulated, or vacuum insulated contact arrangement with a mechanical drive ¬ Africa. When opening such a contact arrangement arcs arise, so that the known AC power switch usually have an arc quenching device. In addition, the switching operation is usually always carried out in a current zero crossing in the known AC power scarf ¬ tern. This may lead to ei ¬ ner detrimental delay time for example between ei ¬ nem detecting a fault and the current cutoff.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wechselstromleis¬ tungsschalter vorzuschlagen, der ein schnelles und zuverlässiges Schalten von Wechselströmen ermöglicht. The object of the invention is to provide an AC Leis ¬ processing switch that allows quick and reliable switching of AC currents.
Die Aufgabe wird durch einen Wechselstromleistungsschalter gelöst, der eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule um- fasst, die seriell in eine Phasenleitung einer Wechselspannungsleitung einfügbar ist, wobei jedes Schaltmodul einen Energiespeicher sowie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist und derart ansteuerbar ist, dass an dessen Polen eine Schaltmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht, sowie eine Steu¬ ereinrichtung zum Ansteuern der Schaltmodule, die dazu eingerichtet ist, die Schaltmodule in Abhängigkeit von einem Pola¬ ritätswechsel eines Phasenstromes derart anzusteuern, dass die Schaltmodulspannung ihre Polarität wechselt, wobei eine einer Phasenspannung entgegengesetzte Schaltmodulspannung erzeugbar ist. The object is achieved by an alternating current circuit breaker which comprises a series connection of two-pole switching modules which can be inserted serially into a phase line of an alternating voltage line, wherein each switching module has an energy store as well as controllable power semiconductors which can be switched on and off and is controllable such that at its poles a switching module voltage is generated corresponding to a positive or negative power storage voltage or a voltage having the value of zero, and a STEU ¬ ereinrichtung for driving the switching modules is adapted to control the switch modules in response to a Pola ¬ ritätswechsel a phase current in such a way that the switching module voltage changes polarity, wherein a phase voltage opposite switching module voltage can be generated.
Mit dem erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsschalter ist ein rein leistungselektronischer Wechselstromschalter bereitgestellt. Der erfindungsgemäße Wechselstromleistungsschalter kann jederzeit einen Strom in der Phasenleitung schalten, unabhängig von einem Momentanwert des Stromes. Ein Stromnull¬ durchgang braucht nicht abgewartet zu werden. Zudem entstehen beim Schalten mittels des erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsschalters keine Lichtbögen. Die in Reihe geschalteten Schaltmodule sind in der Lage sehr schnell, innerhalb weniger Mikrosekunden, abzuschalten. Darüber hinaus kann mittels des erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsschalters prellfrei geschaltet werden. With the AC circuit breaker according to the invention, a purely power-electronic AC switch is provided. The AC power switch according to the invention can always switch a current in the phase line, regardless of an instantaneous value of the current. A Stromnull ¬ passage need not be waited. In addition, no arcing occurs when switching by means of the AC circuit breaker according to the invention. The series-connected switching modules are able to turn off very quickly, within a few microseconds. In addition, can be switched bounce-free by means of the AC circuit breaker according to the invention.
Die Steuereinrichtung kann die Leistungshalbleiter unabhängig voneinander ansteuern. Zum Schalten des Phasenstromes steuert die Steuereinrichtung die Schaltmodule beziehungsweise die Leistungshalbleiter der Schaltmodule in Abhängigkeit von ei¬ nem Polaritätswechsel eines Phasenstromes. Dabei wechselt die Polarität der Schaltmodulspannung eines jeden der Schaltmodule. Da die Schaltmodule miteinander in einer Reihenschaltung verbunden sind, ergibt sich eine Gesamtspannung der Reihenschaltung, die der Summe der Schaltmodulspannungen aller Schaltmodule entspricht. Alle Schaltmodule sind bei einem Po¬ laritätswechsel des Phasenstromes derart ansteuerbar, dass die Schaltmodulspannung einer Phasenspannung entgegengesetzt ist. Damit kann mittels des erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsschalters eine der zu schaltenden Phasenspannung entgegensetzt gerichtete bzw. polarisierte Gegenspannung er¬ zeugt werden, die gleich der Gesamtspannung der Reihenschaltung der Schaltmodule ist. Bei einem zeitlich darauffolgenden Polaritätswechsel des Phasenstromes kann die Steuereinrich¬ tung die Schaltmodule wiederum derart ändern, dass abermals eine Gegenspannung aufgebaut wird. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch nicht erforderlich, dass die Steuereinrichtung die Schaltmodule genau zum Zeitpunkt des Polaritätswechsels des Phasenstromes die Schaltmodule derart ansteuert, dass die Polarität der Schaltmodulspannung sich ändert. Vielmehr ist es ebenfalls möglich, dass einige oder auch alle Schaltmodule die Polarität ihrer Schaltmodulspannung gegenüber dem Stromnulldurchgang zeitverzögert ändern. Die Ansteuerung der The control device can control the power semiconductors independently of one another. For switching the phase current, the controller controls the switching module or the power semiconductor switching modules as a function of egg ¬ nem change in polarity of a phase current. The polarity of the switching module voltage of each of the switching modules changes. Since the switching modules are connected to each other in a series circuit, the result is a total voltage of the series circuit, which corresponds to the sum of the switching module voltages of all switching modules. All switching modules are controllable in a Po ¬ laritätswechsel the phase current such that the switching module voltage is opposite to a phase voltage. Thus, by means of the AC circuit breaker according to the invention, one of the phase voltage to be switched oppositely directed or polarized countervoltage he be ¬ testifies, which is equal to the total voltage of the series connection of the switching modules. In the case of a subsequent polarity change of the phase current, the control device can, in turn, change the switching modules in such a way that again a reverse voltage is built up. Within the scope of the invention However, it is not necessary that the control device controls the switching modules at the exact time of polarity change of the phase current, the switching modules such that the polarity of the switching module voltage changes. Rather, it is also possible that some or all switching modules change the polarity of their switching module voltage with respect to the current zero crossing with a time delay. The activation of the
Schaltmodule zum Wechsel der Polarität der Schaltmodulspan¬ nung kann beispielsweise der Wechselstromfrequenz in der Wechselspannungsleitung folgen. Switch Modules for changing the polarity of the switching module clamping ¬ voltage can be followed in the AC line, for example, the AC frequency.
Ist die Wechselspannungsleitung mehrphasig ausgebildet, so umfasst der Wechselstromleistungsschalter geeigneterweise eine Mehrzahl der Reihenschaltungen der Schaltmodule, deren Anzahl der Anzahl der Phasenleitungen der Wechselspannungsleitung entspricht. Je eine der Reihenschaltungen ist jeweils einer Phasenleitung zugeordnet und in diese Einfügbar. If the AC voltage line is designed to be multiphase, then the AC power switch suitably comprises a plurality of the series connections of the switching modules whose number corresponds to the number of phase lines of the AC voltage line. Each one of the series circuits is in each case assigned to a phase line and into this insertable.
Über die zuvor beschriebenen Vorteile hinaus kann der erfindungsgemäße Wechselstromleistungsschalter als eine Filtereinheit in der Wechselspannungsleitung eingesetzt werden. Dabei ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, die Schalt¬ module derart anzusteuern, dass eine Grundschwingung auch Oberschwingungen der Spannung bzw. des Stromes mittels des erfindungsgemäßen Wechselspannungsleistungsschalters beein¬ flussbar ist. Damit können in der Phasenleitung auftretende Instabilitäten schnell bedämpft werden. Zudem kann Energie aus bestimmten Oberschwingungen oder transienten Vorgängen im Wechselspannungsnetz entnommen werden und mit einer anderen, unkritischen Frequenz wieder in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden. Zweckmäßigerweise wirkt der als Filterein¬ heit eingesetzte Wechselstromleistungsschalter mit einer Induktivität zusammen, die beispielsweise als eine Drossel aus¬ gebildet und in Reihe zur Reihenschaltung der Schaltmodule angeordnet ist. Eine geeignete Fehlererkennungseinrichtung kann einen Fehler oder einen transienten Vorgang in der Wechselspannungsleitung erkennen und ein entsprechendes Signal an die Steuereinrichtung weiterleiten. Aufgrund eines solchen Signals kann die Steuereinrichtung die Schaltmodule ansteuern, den Strom in der Phasenleitung abzuschalten. In addition to the advantages described above, the AC power switch according to the invention can be used as a filter unit in the AC line. The control means is adapted to control the switching module ¬ such that a fundamental frequency and harmonics of the voltage or current by means of the inventive AC voltage power circuit breaker is remarkable ¬ flussbar. In this way, instabilities occurring in the phase line can be quickly damped. In addition, energy can be taken from certain harmonics or transient processes in the alternating voltage network and fed back into the AC mains at a different, uncritical frequency. Advantageously, the alternating current circuit breaker used as a filter inlet ¬ integrated with an inductor cooperates, which is formed for example as a throttle from ¬ and arranged in series with the series circuit of the switching modules. A suitable error detection device can detect an error or a transient process in the AC voltage line and forward a corresponding signal to the control device. Because of such a signal, the controller may drive the switching modules to turn off the power in the phase line.
Die Anzahl der Schaltmodule einer Reihenschaltung ist grundsätzlich beliebig. Sie ist geeigneterweise an die jeweilige Anwendung angepasst. Insbesondere kann die Anzahl der Schalt¬ module von einer Nennspannung und einem Nennstrom in der Phasenleitung abhängen. The number of switching modules of a series connection is basically arbitrary. It is suitably adapted to the respective application. In particular, the number of switching modules ¬ can depend on a rated voltage and a rated current in the phase line.
Mittels des erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsschalters kann in der Phasenleitung eine Längsspannung einer vorbestimmten Frequenz und Phase erzeugt werden. Dabei wird die Energie aus dem Wechselspannungsnetz in den Energiespeichern der Schaltmodule zwischengespeichert. Daher kann die Vorrich¬ tung Blindleistung in das Wechselspannungsnetz einspeisen, wobei eine kurzfristige Wirkleistungseinspeisung, By means of the AC circuit breaker according to the invention, a longitudinal voltage of a predetermined frequency and phase can be generated in the phase line. In this case, the energy from the AC voltage network is temporarily stored in the energy stores of the switching modules. Therefore, the Vorrich ¬ tion feed reactive power into the AC mains, with a short-term active power feed,
geeigneterweise mittels einer Zusammenwirkung mit einer Pha¬ seninduktivität, ebenfalls möglich ist. suitably by means of a cooperation with a Pha ¬ seninduktivität, also possible.
In Reihe mit der Reihenschaltung der Schaltmodule kann ein Trennschalter angeordnet sein. Der Trennschalter ist dazu eingerichtet, die Phasenleitung zu unterbrechen, nachdem der Strom mittels der Reihenschaltung der Schaltmodule abgeschal¬ tet wurde. In series with the series connection of the switching modules, a circuit breaker may be arranged. The circuit breaker is configured to interrupt the phase line after the current has been switched off by means of the series connection of the switching modules .
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind zumindest einige der Schaltmodule als Vollbrückenschaltungen realisiert. Eine Vollbrückenschaltung ist beispielsweise in der WO According to one embodiment of the invention, at least some of the switching modules are realized as full bridge circuits. A full bridge circuit is for example in the WO
2013/087110 AI beschrieben. Eine Vollbrückenschaltung weist zwei parallel angeordnete Reihenschaltungen von Leistungs¬ halbleiterschaltern. Der Energiespeicher ist den Reihenschaltungen parallel geschaltet. Der erste Anschluss bzw. die ers¬ te Anschlussklemme bzw. der erste Pol des als Vollbrücken- Schaltung ausgebildeten Schaltmoduls ist zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern der ersten Reihenschaltung angeordnet. Der zweite Anschluss des Schaltmoduls ist zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern der zweiten Reihenschaltung angeordnet. Beide Leistungshalbleiterschalter der ersten und der zweiten Reihenschaltung haben die gleiche Durchlassrichtung. Jedem der Leistungshalbleiterschalter ist eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet. Durch geeignetes Ein- und Abschalten der Leistungshalbleiterschalter in einer dem Fachmann bekannten Weise kann bei geladenem Energiespeicher, an dem die Energiespeicherspannung abfällt, an den Anschlussklemmen des Schaltmoduls eine Schaltmodulspannung erzeugt werden, die der positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder der Nullspannung entspricht. Die Verwendung der Vollbrückenschaltungen hat insbesondere den Vorteil, dass Verfahren zur Ansteuerung der Schaltmodule in diesem Fall gut bekannt und beherrschbar sind. 2013/087110 AI described. A full bridge circuit comprises two parallel series circuits of power ¬ semiconductor switches. The energy store is connected in parallel with the series circuits. The first terminal or the ers ¬ te terminal or the first pole of the full-bridge as Circuit formed switching module is disposed between the two power semiconductor switches of the first series circuit. The second terminal of the switching module is arranged between the two power semiconductor switches of the second series circuit. Both power semiconductor switches of the first and the second series circuit have the same forward direction. Each of the power semiconductor switches, a freewheeling diode is connected in anti-parallel. By suitable switching on and off of the power semiconductor switch in a manner known to those skilled in a charged energy storage, where the energy storage voltage drops, at the terminals of the switching module, a switching module voltage are generated, which corresponds to the positive or negative energy storage voltage or the zero voltage. The use of the full bridge circuits has the particular advantage that methods for controlling the switching modules in this case are well known and manageable.
Es sind jedoch auch andere Schaltungen zur Verwendung in den Schaltmodulen möglich. Beispielsweise ist es möglich, die Schaltmodule als zwei entgegengesetzt gerichtete Halbbrücken¬ schaltungen auszubilden. Eine Halbbrückenschaltung ist beispielsweise aus der DE 10103031 B4 bekannt. However, other circuits for use in the switching modules are possible. For example, it is possible to design the switching modules as two oppositely directed half-bridge circuits . A half-bridge circuit is known for example from DE 10103031 B4.
Bevorzugt beträgt die Summe der Energiespeicherspannungen mehr als das Produkt der Quadratwurzel aus zwei und einer Nennspannung Un der Phasenleitung. Damit kann vorteilhaft erreicht werden, dass auch die Scheitelwertspannung in der Phasenleitung zuverlässig abgeschaltet werden kann. Die maximale erzeugbare Gegenspannung ist hierbei höher als τΙ * Un . Als besonders vorteilhaft wird angesehen, wenn die maximal erzeugbare Gegenspannung größer als eine maximale Betriebs¬ spannung ist. Dies erlaubt eine Berücksichtigung einer Toleranzspanne der Betriebsspannungen, die üblicherweise von dem jeweiligen Netzbetreiber vorgegeben wird. Demnach ist die maximal erzeugbare Gegenspannung höher als ·ιϊ * Un * p, wobei p ein Toleranzfaktor mit einem Wert beispielsweise zwischen 1 und 1,3 ist . The sum of the energy storage voltages is preferably more than the product of the square root of two and a nominal voltage Un of the phase line. This can advantageously be achieved that the peak voltage in the phase line can be switched off reliably. The maximum countervoltage that can be generated here is higher than τΙ * Un. Is considered to be particularly advantageous if the maximum generatable reverse voltage is greater than a maximum operating voltage ¬. This allows consideration of a tolerance range of the operating voltages, which is usually specified by the respective network operator. Accordingly, the maximum countervoltage that can be generated is higher than · ιϊ * Un * p, where p a tolerance factor with a value, for example, between 1 and 1.3.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Energiespeicherspannungen vorgesehen, die eine Symmetrierung der Energiespeicherspannungen ermöglicht. Die Symmetrierung der Energiespeicherspannungen dient dazu, einer Überspannung an den Energiespeichern zu verhindern. Sie bewirkt, dass die Energiespeicher alle gleichmäßig aufgeladen und entladen werden. According to one embodiment of the invention, a monitoring device for monitoring the energy storage voltages is provided, which enables a balancing of the energy storage voltages. The balancing of the energy storage voltages serves to prevent overvoltage at the energy storage devices. It causes the energy storage devices to be charged and discharged evenly.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schalten eines Wechselstromes. The invention further relates to a method for switching an alternating current.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Verfahren vorzuschlagen, das ein möglichst schnelles und zuverläs¬ siges Schalten von Wechselströmen erlaubt. The object of the invention is to provide such a method which permits a fast as possible and reliabil ¬ Siges switching alternating currents.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Schalten eines Wechselstromes mittels des erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsschalters, bei dem die Schaltmodule in Abhängigkeit von einem Polaritätswechsel eines Phasenstromes derart angesteuert werden, dass die Schaltmodulspannung ihre Polarität wechselt, wobei eine einer Phasenspannung entgegengesetzte Schaltmodulspannung erzeugt wird. The object is achieved by a method for switching an alternating current by means of the AC circuit breaker according to the invention, in which the switching modules are controlled in response to a polarity change of a phase current such that the switching module voltage changes polarity, wherein a phase voltage opposite switching module voltage is generated.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsschalter beschriebenen Vorteilen. The advantages of the method according to the invention will become apparent from the advantages described in connection with the AC circuit breaker according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Schalt¬ module beim Polaritätswechsel des Phasenstromes zeitgleich angesteuert, so dass die Schaltmodulspannung ihre Polarität wechselt. Damit lassen sich besonders hohe Ströme besonders schnell abschalten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Schaltmodule beim Polaritätswechsel des Phasenstromes zeitversetzt angesteuert, so dass die Schaltmodulspannungen ihre Polaritäten zeitversetzt wechseln. Damit kann eine Ge¬ genspannung stufenweise erhöht werden. Auf diese Weise lässt sich der abzuschaltende Strom begrenzen oder langsamer abschalten. So können Überspannungen in der Phasenleitung limitieren und nachteilige Schalttransienten vermieden werden. According to one embodiment of the process of the switching module ¬ are driven simultaneously at the polarity change of the phase current, so that the switching module voltage changes polarity. This makes it possible to switch off particularly high currents particularly quickly. In accordance with a further embodiment of the method, the switching modules are actuated in a time-shifted manner during the polarity change of the phase current, with the result that the switching module voltages change their polarities with a time shift. Thus, a Ge ¬ gene voltage can be gradually increased. In this way, the current to be cut off can be limited or switched off more slowly. Thus, overvoltages in the phase line can be limited and disadvantageous switching transients can be avoided.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Preferably, in the method according to the invention
Schaltmodule verwendet, die als die zuvor bereits beschriebe¬ nen Vollbrückenschaltungen realisiert sind. Switching modules used, which are realized as the previously described ¬ full bridge circuits.
Bevorzugt werden zur Symmetrierung der Energiespeicherspannungen die Energiespeicherspannungen mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht. Dies ermöglicht es, Überspannungen an den Energiespeichern zu vermeiden. Preferably, the energy storage voltages are monitored by means of a monitoring device for balancing the energy storage voltages. This makes it possible to avoid overvoltages on the energy storage.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. The invention will be further explained with reference to an embodiment shown in Figures 1 and 2.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä¬ ßen Wechselstromleistungsschalters in schematischer Darstellung; 1 shows an embodiment of an inventive ¬ SEN AC power switch in a schematic representation;
Figur 2 zeigt ein Schaltmodul für den Wechselstromleis¬ tungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fi¬ gur 1. 2 shows a switching module for the AC Leis ¬ tung switch according to the embodiment of Fi gur ¬. 1
Im Einzelnen ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Wechselstromleistungsschalters 1 dargestellt. Der Wechsel¬ stromleistungsschalter 1 umfasst eine erste Reihenschaltung 11 zweipoliger Schaltmodule 21, 22 und 23. Die erste Reihen¬ schaltung 11 ist in eine erste Phasenleitung 31 einer dreiphasigen Wechselspannungsleitung 3 seriell eingefügt. Ferner umfasst der Wechselstromleistungsschalter 1 eine zweite Reihenschaltung 12 von Schaltmodulen 24 bis 26, die in einer zweiten Phasenleitung 32 der Wechselspannungsleitung 3 angeordnet ist, und eine dritte Reihenschaltung 13 von In detail, an embodiment of an AC circuit breaker 1 is shown in FIG. The change ¬ current circuit breaker 1 comprises a first series circuit 11 two-pole switching modules 21, 22 and 23. The first series ¬ circuit 11 is inserted into a first phase line 31 of a three-phase AC line 3 serially. Furthermore, the AC power switch 1 comprises a second series circuit 12 of switching modules 24 to 26, which is arranged in a second phase line 32 of the AC line 3, and a third series circuit 13 of
Schaltmodulen 27 bis 29, die in einer dritten Phasenleitung 33 angeordnet ist. Switching modules 27 to 29, which is arranged in a third phase line 33.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle drei Reihenschaltungen 11, 12 und 13 gleichartig aufgebaut. Auch alle Schaltmodule 21-29 weisen einen gleichen Aufbau auf. Sie sind als Vollbrückenschaltungen realisiert. In the embodiment shown in Figure 1, all three series circuits 11, 12 and 13 are of similar construction. All switching modules 21-29 have the same structure. They are realized as full bridge circuits.
An den Anschlussklemmen eines jeden Schaltmoduls 21-29 fällt eine Schaltmodulspannung Usl-Us9 ab. Die Schaltmodulspannungen Usl-Us9 weisen im Allgemeinen zu einem gegebenen Zeitpunkt unterschiedliche Werte mit unterschiedlichen Polaritä¬ ten auf. At the terminals of each switching module 21-29 drops a switching module voltage Usl-Us9. The switching module voltages Usl-US9 generally have at a given time to different values with different Polaritä ¬ th.
Die Summe der Schaltmodulspannungen Usl-Us3 ergibt eine Ge¬ samtspannung Ugl der ersten Reihenschaltung 11: Ugl = Usl + Us2 + Us3. The sum of the switching module voltages Usl-Us3 results in a Ge ¬ samtspannung Ugl the first series circuit 11, Vs = Usl + + Us2 Us3.
Entsprechend gilt für eine Gesamtspannung Ug2 der zweiten und eine Gesamtspannung Ug3 der dritten Reihenschaltung, dass Ug2 = Us4 + Us5 + Us6 und Ug3 = Us7 + Us8 + Us9. Accordingly, for a total voltage Ug2 of the second and a total voltage Ug3 of the third series connection, it holds that Ug2 = Us4 + Us5 + Us6 and Ug3 = Us7 + Us8 + Us9.
Mittels der Schaltmodulspannungen kann somit eine Gegenspannung zu einer in der jeweiligen Phasenleitung 11-13 vorliegenden Phasenspannung erzeugt werden, um einen Strom in der Phasenleitung abzuschalten. Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in jeder Reihenschaltung drei Schaltmodule vorgesehen. Im Allgemeinen kann die Anzahl der Schaltmodule beliebig und an die jeweilige Anwendung ange- passt sein. Mit einer geeigneten Anzahl an Schaltmodulen, die marktübliche Leistungshalbleiter einsetzen, können beispielsweise Spannungen von bis zu 5 kV abgeschaltet werden. Der Wechselstromleistungsschalter 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 4. Die Steuereinrichtung 4 ist ausgangsseitig mit jedem Leistungshalbleiterschalter eines jeden Schaltmoduls 21-29 verbunden. Die Steuereinrichtung 4 kann jeden der Leistungshalbleiterschalter unabhängig voneinander ein- und abschalten. Damit kann die Steuereinrichtung 4 die Schaltmodule 21-29 derart ansteuern, dass vorgegebene Schaltmodul¬ spannungen Usl-Us9 und damit auch vorgegebene Gesamtspannungen Ugl-Ug3 zu jedem Zeitpunkt in jeder der Phasenleitungen 31-33 erzeugt werden. By means of the switching module voltages can thus be generated to a present in the respective phase line 11-13 phase voltage to turn off a current in the phase line. According to the embodiment shown in Figure 1, three switching modules are provided in each series circuit. In general, the number of switching modules can be arbitrary and adapted to the respective application. With a suitable number of switching modules that use commercially available power semiconductors, for example, voltages of up to 5 kV can be switched off. The AC power switch 1 further comprises a control device 4. The control device 4 is connected on the output side to each power semiconductor switch of each switching module 21-29. The controller 4 may turn on and off each of the power semiconductor switches independently of each other. Thus, the control device 4, the switching modules 21-29 control such that predetermined switching module voltages ¬ Usl-Us9 and thus predetermined total voltages Ugl-Ug3 are generated at any time in each of the phase lines 31-33.
Figur 2 zeigt das Schaltmodul 21 des Wechselstromleistungs¬ schalters 1 der Figur 1. Die übrigen Schaltmodule 22-29 sind zum Schaltmodul 21 gleichartig aufgebaut. Das Schaltmodul 21 umfasst vier Leistungshalbleiterschalteinheiten 41-44 sowie einen Energiespeicher in Form eines Leistungskondensators 40. Jede Leistungshalbleiterschalteinheit 41-44 weist jeweils ei¬ nen Leistungshalbleiter in Form eines IGBT 51-54 und eine dazu antiparallele Diode 61-64 auf. Figure 2 shows the switching module 21 of the AC power switch ¬ 1 of Figure 1. The other switching modules 22-29 are similar to the switching module 21 constructed. The switching module 21 comprises four power semiconductor switching units 41-44 as well as an energy store in the form of a power capacitor 40. Each power semiconductor switching unit 41-44 has in each case ei ¬ nen power semiconductor in the form of an IGBT 51-54 and an antiparallel diode 61-64.
Das Schaltmodul 21 ist als Vollbrückenschaltung ausgebildet. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Leistungshalbleiter 51-54 kann dem Leistungskondensator 40 Energie zugeführt oder entnommen werden. An den Anschlüssen bzw. Polen 71 und 72 des Schaltmoduls 21 kann durch geeignetes Ein- und/oder Abschalten der Leistungshalbleiter 51-54 in dem Fachmann bekannter Weise die am Energiespeicher abfallende Spannung, auch als Energiespeicherspannung Ue bezeichnet, eine entgegengesetzt gerichtete Spannung -Ue oder auch eine Spannung null eingestellt werden. Bezüglich weiterer Details des Aufbaus und der Funktionsweise des Umrichters 3 und der Vollbrückenschaltung wird hiermit im Übrigen auf die Druckschrift WO 2015/003737 AI verwiesen. The switching module 21 is designed as a full bridge circuit. By appropriate activation of the individual power semiconductors 51-54, power can be supplied or removed from the power capacitor 40. At the terminals or poles 71 and 72 of the switching module 21, by suitable switching on and / or off of the power semiconductor 51-54 known in the art, the voltage dropping on the energy storage voltage, also referred to as energy storage voltage Ue, an oppositely directed voltage -Ue or also set a voltage zero. With regard to further details of the structure and operation of the converter 3 and the full bridge circuit, reference is hereby made to the document WO 2015/003737 AI.
Der Polaritätswechsel der an den Anschlüssen 71, 72 abfallenden Spannung kann durch wechselweise Ein- und Abschalten der Leistungshalbleiter-Paare 51, 54 bzw. 52, 53 erreicht werden. Durch geeignetes Ein- bzw. Abschalten der Leistungshalbleiter 51-54 kann darüber hinaus der Leistungskondensator 40 in einer dem Fachmann bekannten Weise vor- bzw. bei einem Spannungsabfall nachgeladen werden. The polarity change of the voltage drop across the terminals 71, 72 can be achieved by alternately switching the power semiconductor pairs 51, 54 and 52, 53 on and off. By suitable switching on or off of the power semiconductors 51-54, moreover, the power capacitor 40 can be recharged in a manner known to the person skilled in the art or in the event of a voltage drop.
In einem Normalbetrieb des Wechselstromleistungsschalters 1 ist der Leistungskondensator 40 im Allgemeinen überbrückt. Dies geschieht beispielsweise durch Einschalten des Leis¬ tungshalbleiters 51 oder des Leistungshalbleiters 52, je nach Stromrichtung des Betriebsstromes. In a normal operation of the AC power switch 1, the power capacitor 40 is generally bypassed. This is done, for example, by turning on the Leis ¬ tung semiconductor 51 or the power semiconductor 52, depending on the current direction of the operating current.

Claims

Patentansprüche claims
1. Wechselstromleistungsschalter (1) umfassend 1. AC power circuit breaker (1) comprising
eine Reihenschaltung (11-13) zweipoliger Schaltmodule (21-29), die seriell in eine Phasenleitung (31-33) einer Wechselspannungsleitung (3) einfügbar ist, wobei jedes Schaltmodul (21-29) einen Energiespeicher (40) sowie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leis¬ tungshalbleiter (51-54) aufweist und derart a series connection (11-13) of two-pole switching modules (21-29) which can be inserted serially into a phase line (31-33) of an alternating voltage line (3), each switching module (21-29) having an energy store (40) and controllable inputs and having disengageable and Leis ¬ semiconductor processing (51-54) in such a way -
ansteuerbar ist, dass an dessen Polen (71, 72) eine Schaltmodulspannung (Usl-Us9) erzeugbar ist, die ei¬ ner positiven oder negativen Energiespeicherspannung (Ue) oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht, is controlled such that at the poles (71, 72) is a switching module voltage (Usl-US9) can be generated, the egg ¬ ner positive or negative energy storage voltage (Ue) is equal to or a voltage with the value zero,
eine Steuereinrichtung (4) zum Ansteuern der Schaltmodule (21-29), die dazu eingerichtet ist, die Schaltmodule (21-29) in Abhängigkeit von einem Pola¬ ritätswechsel eines Phasenstromes derart anzusteuern, dass die Schaltmodulspannung (Usl-Us9) ihre Polarität wechselt, wobei eine einer Phasenspannung entgegenge¬ setzte Schaltmodulspannung (Usl-Us9) erzeugbar ist. a control device (4) for driving the switching modules (21-29), which is adapted to the switching modules (21-29) in response to a Pola ¬ rity change of a phase current to control such that the switching module voltage (Usl-Us9) changes its polarity , wherein a phase voltage entgegenge ¬ set switching module voltage (Usl-Us9) can be generated.
2. Wechselstromleistungsschalter (1) nach Anspruch 1, wobei zumindest einige der Schaltmodule (21-29) als Vollbrü- ckenschaltungen realisiert sind. 2. AC power switch (1) according to claim 1, wherein at least some of the switching modules (21-29) are implemented as full bridge circuits.
3. Wechselstromleistungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Summe der Energiespeicherspannungen (Ue) größer als das Produkt der Quadratwurzel aus zwei und einer Nennspannung der Phasenleitung ist. 3. AC circuit breaker (1) according to any one of claims 1 or 2, wherein the sum of the energy storage voltages (Ue) is greater than the product of the square root of two and a nominal voltage of the phase line.
4. Wechselstromleistungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Energiespeicherspannungen vorgesehen ist, so dass eine Symmetrierung der Energiespeicherspannungen ermöglicht ist. 4. AC power switch (1) according to one of claims 1 to 3, wherein a monitoring device is provided for monitoring the energy storage voltages, so that a balancing of the energy storage voltages is made possible.
5. Verfahren zum Schalten eines Wechselstromes mittels eines Wechselstromleistungsschalters mit einer Reihen¬ schaltung (11-13) zweipoliger Schaltmodule (21-29), die seriell in eine Phasenleitung (31-33) einer Wechselspannungsleitung (3) eingefügt sind, wobei jedes Schaltmodul5. A method for switching an alternating current by means of an AC circuit breaker with a series ¬ circuit (11-13) two-pole switching modules (21-29), which are serially inserted into a phase line (31-33) of an AC line (3), wherein each switching module
(21-29) einen Energiespeicher (40) sowie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalbleiter (51-54) aufweist und derart ansteuerbar ist, dass an dessen Polen eine Schaltmodulspannung (Usl-Us9) erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung(21-29) has an energy store (40) and controllable, switched on and off power semiconductors (51-54) and is controllable such that at its poles a switching module voltage (Usl-Us9) can be generated that a positive or negative energy storage voltage
(Ue) oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht, und einer Steuereinrichtung (4) zum Ansteuern der (Ue) or a voltage equal to zero, and a control device (4) for driving the
Schaltmodule (21-29), bei dem die Schaltmodule (21-29) in Abhängigkeit von einem Polaritätswechsel eines Pha¬ senstromes derart angesteuert werden, dass die Schaltmo¬ dulspannung (Usl-Us9) ihre Polarität wechselt, wobei ei¬ ne einer Phasenspannung entgegengesetzte Schaltmodul¬ spannung (Usl-Us9) erzeugt wird. Switching modules (21-29), in which the switching modules (21-29) in response to a polarity change of a Pha ¬ senstromes driven such that the Schaltmo ¬ dulspannung (Usl-US9) changes polarity where ei ¬ ne a phase voltage opposite Switching module ¬ voltage (Usl-Us9) is generated.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schaltmodule (21- 29) beim Polaritätswechsel des Phasenstromes zeitgleich angesteuert werden, so dass die Schaltmodulspannung (Usl-Us9) ihre Polarität wechselt. 6. The method of claim 4, wherein the switching modules (21-29) are driven simultaneously in the polarity change of the phase current, so that the switching module voltage (Usl-Us9) changes its polarity.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schaltmodule (21- 29) beim Polaritätswechsel des Phasenstromes zeitver¬ setzt angesteuert werden, so dass die Schaltmodulspan¬ nungen (Usl-Us9) ihre Polaritäten zeitversetzt wechseln. 7. The method of claim 5, wherein the switching modules (21- 29) at the polarity change of the phase current are driven, so that the switching module clamping ¬ voltages (Usl-US9) change their polarities delayed zeitver ¬ sets.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei 8. The method according to any one of claims 5 to 7, wherein
Schaltmodule (21-29) verwendet werden, die als Vollbrü- ckenschaltungen realisiert sind.  Switching modules (21-29) are used, which are implemented as full-bridge circuits.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei zur Symmetrierung der Energiespeicherspannungen die Energiespeicherspannungen mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht werden. 9. The method according to any one of claims 5 to 8, wherein the energy storage voltages are monitored by means of a monitoring device for balancing the energy storage voltages.
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