EP3414838A1 - Gleichspannungsschalter - Google Patents

Gleichspannungsschalter

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Publication number
EP3414838A1
EP3414838A1 EP17711631.6A EP17711631A EP3414838A1 EP 3414838 A1 EP3414838 A1 EP 3414838A1 EP 17711631 A EP17711631 A EP 17711631A EP 3414838 A1 EP3414838 A1 EP 3414838A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switch
voltage
transformer
terminal
network
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17711631.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen RUPP
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3414838A1 publication Critical patent/EP3414838A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means

Definitions

  • the invention relates to a DC switch with two terminals, between which extend an operating current path with a mechanical switch and parallel to a Maustrom- path with a semiconductor switch.
  • the disconnection of a direct current (DC current) is more difficult than turning off an alternating current (AC current) for feh ⁇ lendem zero crossing. While the arc that occurs when opening the contacts, when the AC current with a suitable design in the next current zero crossing goes out, he burns in the DC current over longer distances until the destruction of the switch on.
  • a general problem with switching off a DC current is that the energy stored inductively in the DC network must be reduced in such a way that damage to the components of the DC network is avoided. It is known to ⁇ USAGE for voltage-limiting elements to. But these have a limited lifespan.
  • Object of the present invention is to provide a DC voltage switch, which allows an improved degradation of the inductively stored in the DC power network energy. This object is achieved by a DC voltage switch with the features of claim 1.
  • the DC voltage switch according to the invention has a first and second connection for serial integration into a first pole of a DC voltage network. Between the terminals, a secondary current path with a semiconductor switch and parallel to the secondary current path extends an operating ⁇ current path with a mechanical switch and in series to the primary-side winding of a transformer.
  • the secondary-side winding of the transformer is connected between a voltage source and a third terminal for integration in a second pole of the DC voltage network. Between the voltage source and the third terminal is a switch in series to the secondary winding of the
  • the voltage source is also connected through a diode and a charging resistor to the first to ⁇ circuit.
  • a control device for controlling the switch is provided, which is configured, after opening the mechanical switch, the voltage of the
  • Voltage source is repeatedly determined and the switch so intermittently turn on, so that the determined voltage remains below a definable threshold.
  • the inductively stored in the DC network power reduced in the inventive DC ⁇ switch directly on the switch. Otherwise Ele ⁇ ments for overvoltage limitation, such as varistors are unnecessary.
  • the controller has switched off the switch, the voltage rises above the voltage source with time, solan ⁇ GE nor energy is inductively stored.
  • the controller detects the voltage across the voltage source continuously or at intervals. If a definable threshold for the voltage which is above the operating voltage of the DC voltage network is exceeded or reached, the switch is switched on. This creates a current path from the first pole of the DC network to the second pole of the DC network. This will result in a time-limited freewheeling circuit created and the voltage at the voltage source decreases.
  • the controller expediently switches the switch off again when the voltage drops below a further threshold value.
  • the further threshold value may correspond to the threshold value or else be lower than the threshold value.
  • the further threshold is above the operating voltage of the DC voltage network.
  • the third terminal can be connected to another ground potential instead of a second pole of the DC network.
  • a second resistor may be connected. This resistance is sawn vorzugt dimensioned so that at least the maximum ERS ⁇ switching current can flow at rated voltage.
  • the secondary current path may comprise two antiseries switched HL-switch and the main current path, the primary side ei ⁇ nes another transformer.
  • the DC voltage ⁇ switch can be designed as a bidirectional switch. In other words, the switch is thereby enabled to turn off DC in both directions. It is expedient if the secondary sides of the transformers are connected in series and that of the secondary side the transformer remote terminal of the secondary side of the further transformer is connected via a further switch to the third terminal.
  • the voltage source preferably comprises an energy storage ⁇ device, in particular a capacitor. A capacitor is particularly suitable for quickly releasing the necessary energy to compensate for a short-circuit current or a normal operating current in the DC network and thus to force a zero crossing of the current.
  • the power source may as a separate device may be provided with play ⁇ as a separate condenser, which work independently of other components of the Gleichputsnetz- is connected to the transformer. This can ensure a standby voltage source independent of Other pe ⁇ gen conditions, for example by a separate charging circuit for the power source.
  • the voltage source can be designed as part of a further circuit, for example as an intermediate circuit capacitor of an inverter which, for example, is otherwise related to the DC network. As a result, existing resources of the structure are reused and thus achieved a total of savings on components.
  • the mechanical switch can have a switching time of less than 5 ms. Because the current zero-crossing is due to the discharge of an energy storage device, the period of time within the half takes place, a current zero crossing, .rwei ⁇ se is limited to only a few milliseconds.
  • the mechanical switch can open within this time to e ⁇ ⁇ ne safe suppression or erasure of the arc to be ⁇ act.
  • the device may be configured such that the secondary-side winding of the transformer is short-circuited.
  • the secondary-side winding of the transformer is short-circuited.
  • a semiconductor switch or a fast mechanical switch provided connection between the coil ends of the secondary-side winding of the transformer.
  • FIG. 1 shows a unidirectional DC voltage switch in a section of a DC voltage network
  • Figure 2 a bidirectional DC voltage switch in a section of a DC network.
  • FIG. 1 shows, as an exemplary embodiment of the invention, a DC voltage switch 12 in a section of a DC voltage network 10.
  • the DC voltage network 10 is supplied from a DC voltage source 11 and thus supplied with a DC voltage.
  • the DC ⁇ network 10 may be a network in the HVDC power supply or, for example, a network in a vehicle, such as a locomotive or a motor coach or at the inlet area in a network for electrically powered vehicles. Basically, the principle is applicable at all voltage levels from low voltage to medium voltage to high voltage.
  • the DC voltage switch 12 is arranged.
  • the DC voltage switch 12 is connected in series with a first and second connection terminal 121, 122 into a first pole 111 of the DC voltage network 10.
  • a third connecting terminal 123 is connected to a second pole of the DC clamping voltage ⁇ network 10th
  • the DC voltage switch 12 has a series connection of the primary-side winding of a transformer 14 and a mechanical switch 13. This series connection represents the main current path through which the current flows in the normal operation of the DC network 10.
  • a main switch 15 is arranged in the form of an IGBT, which is a secondary current path, which is not or only slightly flows through the current during normal operation, since the IGBT also turned on a significantly higher resistance or voltage drop than the mechanical switch 13 on ⁇ points.
  • the DC switch 12 further includes a freewheeling path via a freewheel diode 19 as a connection between the second and third terminal 122, 123.
  • the free ⁇ running path is optional, and is then blocked if the energy stored in line inductance 1111, for example, in cables for quickly interrupted current may possibly lead to destruction.
  • a further connection via a diode 163 and a charging resistor 162 to a capacitor 161 is present.
  • the off-terminal of the capacitor 161 is connected to the third terminal 123.
  • the potential point between the capacitor 161 and the charging resistor 162 is connected to the secondary winding of the transformer ⁇ sector 14.
  • a switch 152 is arranged in the form of an IGBT, whose second terminal is connected to the third terminal 123 and thus to the second pole of the DC power network 10. In norma ⁇ len operation case, the switch is turned off and 152, so that the capacitor 161 can not discharge.
  • the capacitor 161 is constantly charged in normal operation.
  • the necessary voltage for the capacitor 161 and thus the exact design of the components can be determined.
  • the components can be optimized, for example, for a fast off ⁇ circuit or for small sizes.
  • values between 0.01 and 0.1 are suitably used.
  • On the secondary side only one voltage is required, which is greater than the voltage drop across the ⁇ semiconductors to be commutated in the current, which is at a low voltage below 10V application.
  • the stored energy in the grid inductance 1112 may discharge via the freewheeling diode 19.
  • the energy of the line inductance in 1111 would produce a high overvoltage at the input of the DC switch ⁇ 12th
  • the switch 152 is now periodically switched on and off again.
  • the energy in the charging resistor 162 is converted into heat and the current flow through the network inductance 1111, diode 163 and La ⁇ dewiderstand 162 degraded.
  • the switch 152 is switched off, the current can continue to flow into the capacitor 161, so that there is no rapid current drop .
  • the capacitor 161 is then discharged again to limit the voltage.
  • FIG. 2 A second embodiment of the invention is shown in FIG .
  • the DC voltage switch 20 according to FIG. 2 is designed to be able to operate bidirectionally, ie to be able to switch off a current flow in both directions.
  • Matching components of the two DC voltage switches 12, 20 are provided with the same reference numerals.
  • the DC voltage switch 20 is in turn connected in series with a first and second connection terminal 121, 122 in the first pole 111 of the DC voltage network 10.
  • a third terminal 123 is connected to the second pole of the DC clamping voltage ⁇ network 10th
  • the DC voltage switch 20 has a series connection of the primary-side winding of the transformer 14, the mechanical switch 13 and the primary-side winding of a further transformer 24.
  • This series connection represents the main current path through which the current flows in the normal operation of the DC network 10.
  • Parallel to the Se ⁇ riensciens another series circuit of the main switch 15 and the anti-serially arranged further main switch 25 is arranged, which represents the Maustrompfad. pa- Rallel to the main switch 15 163 diode is connected, which may be integrated as a component in the main switch 15.
  • Parallel to the other main switch 25 diode 263 maral ⁇ tet, which may be integrated as a component in the other main switch 25.
  • the DC voltage switch 12 further comprises a freewheeling path via a freewheeling diode 19 as a connection between the second and third connection terminal 122, 123 and a further freewheeling path with a further freewheeling diode 191 between the first and third connection terminal 121, 123.
  • the potential point between the capacitor 161 and the charging resistor 162 is connected to the secondary winding of the transformer 14 ⁇ gate. From this continuing the switch 152 is arranged, whose second terminal is connected to the third terminal 123 and thus to the second pole of the DC voltage network ⁇ 10. Between the switch 152 and the capacitor 161, a diode 271 is arranged parallel to the secondary winding of the transformer 14.
  • the potential point between the capacitor 161 and the charging resistor 162 is further connected to the secondary winding of the further transformer 24.
  • a further switch 252 is arranged, whose second terminal is connected to the third terminal 123 and thus to the second pole of the DC network 10.
  • a diode 272 is arranged parallel to the secondary winding of the further transformer 24.
  • the bidirectional DC voltage switch 20 comprises two anti-series connected unidirectional DC voltage switches 12, the elements of mechanical switch 13, charging resistor 162 and capacitor 161 being needed only once.
  • the pulse generation by the switch 152 and the transformer 14 is used for the generation of the commutation voltage and for the reduction of the energy in the grid inductance 1111.
  • Free-wheeling diode 19 serves to reduce the energy in the network inductance 1112.
  • the pulse generation by the further switch 252 and the further transformer 24 is used for the generation of the commutation voltage and for the reduction of the energy in the network inductance 1112.
  • the freewheeling diode 191 is used to reduce the energy in the network inductance 1111.
  • the two diodes 271, 272 parallel to the secondary windings of the transformers 14, 24 serve as a freewheeling circuit for the leakage inductances and can also be replaced by resistors, analogous to the unidirectional DC voltage switch 12th

Abstract

Gleichspannungsschalter mit einem ersten und zweiten Anschluss zur seriellen Einbindung in einen ersten Pol eines Gleichspannungsnetzwerks, wobei - sich zwischen den Anschlüssen ein Nebenstrompfad mit einem Halbleiterschalter erstreckt und - parallel zum Nebenstrompfad ein Betriebsstrompfad mit einem mechanischen Schalter und in Serie dazu der primärseitigen Wicklung eines Transformators angeordnet ist, - die sekundärseitige Wicklung des Transformators zwischen eine Spannungsquelle und einen dritten Anschluss zur Einbindung in einen zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks geschaltet ist, - zwischen der Spannungsquelle und dem dritten Anschluss ein Schalter in Serie zur sekundärseitigen Wicklung des Transformators angeordnet ist, - die Spannungsquelle über eine Diode und einen Ladewiderstand mit dem ersten Anschluss verbunden ist, - eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Schalters vorhanden ist, die ausgestaltet ist, nach dem Öffnen des mechanischen Schalters die Spannung der Spannungsquelle wiederholt zu ermitteln wird und den Schalter derart intervallartig einzuschalten, so dass die ermittelte Spannung unterhalb eines festlegbaren Schwellwertes bleibt.

Description

Beschreibung
GleichspannungsSchalter Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungsschalter mit zwei Anschlüssen, zwischen denen sich ein Betriebsstrompfad mit einem mechanischen Schalter und parallel dazu ein Nebenstrom- pfad mit einem Halbleiterschalter erstrecken. Das Abschalten eines Gleichstroms (DC-Stroms) ist wegen feh¬ lendem Nulldurchgang schwieriger als das Abschalten eines Wechselstroms (AC-Stroms) . Während der Lichtbogen, der beim Öffnen der Kontakte entsteht, beim AC-Strom bei geeigneter Auslegung im nächsten Stromnulldurchgang verlischt, brennt er beim DC-Strom auch über größere Abstände bis zur Zerstörung des Schalters weiter.
Es sind verschiedene Konzepte bekannt, eine sichere Abschal¬ tung eines DC-Stroms zu bewirken. Ein solches Konzept beruht darauf, dass ein Gegenstrom erzeugt wird, der den Laststrom kompensiert, sodass der Strom in einem mechanischen Schalter einen Nulldurchgang erfährt. Der Schalter kann dann stromlos geöffnet werden, sodass ein Lichtbogen nicht entsteht oder verlischt. Bei einem weiteren Konzept kommutiert der Strom zunächst in einen Halbleiterschalter, von dem er lichtbogenlos abgeschaltet werden kann.
Ein generelles Problem bei der Abschaltung eines Gleichstroms ist, dass die induktiv im Gleichspannungsnetzwerk gespeicher- te Energie so abgebaut werden muss, dass eine Schädigung der Komponenten des Gleichspannungsnetzwerks vermieden wird. Es ist bekannt, dafür spannungsbegrenzende Elemente zu verwen¬ den. Diese haben aber eine begrenzte Lebensdauer. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichspannungsschalter anzugeben, der einen verbesserten Abbau der induktiv im Gleichspannungsnetz gespeicherten Energie erlaubt. Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungsschalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungsschalter weist einen ers- ten und zweiten Anschluss zur seriellen Einbindung in einen ersten Pol eines Gleichspannungsnetzwerks auf. Zwischen den Anschlüssen erstreckt sich ein Nebenstrompfad mit einem Halbleiterschalter und parallel zum Nebenstrompfad ein Betriebs¬ strompfad mit einem mechanischen Schalter und in Serie dazu der primärseitigen Wicklung eines Transformators. Die sekun- därseitige Wicklung des Transformators ist zwischen eine Spannungsquelle und einen dritten Anschluss zur Einbindung in einen zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks geschaltet. Zwischen der Spannungsquelle und dem dritten Anschluss ist ein Schalter in Serie zur sekundärseitigen Wicklung des
Transformators angeordnet. Die Spannungsquelle ist weiterhin über eine Diode und einen Ladewiderstand mit dem ersten An¬ schluss verbunden. Schließlich ist eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Schalters vorhanden, die ausgestaltet ist, nach dem Öffnen des mechanischen Schalters die Spannung der
Spannungsquelle wiederholt zu ermitteln wird und den Schalter derart intervallartig einzuschalten, so dass die ermittelte Spannung unterhalb eines festlegbaren Schwellwertes bleibt. Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungs¬ schalter die induktiv im Gleichspannungsnetzwerk gespeicherte Energie direkt über den Schalter abgebaut. Anderweitige Ele¬ mente zur Überspannungsbegrenzung wie Varistoren sind unnötig. Wenn die Steuerung den Schalter abgeschaltet hat, steigt die Spannung über der Spannungsquelle mit der Zeit an, solan¬ ge noch Energie induktiv gespeichert ist. Die Steuerung er- fasst die Spannung über der Spannungsquelle fortlaufend oder in Intervallen. Wird ein festlegbarer Schwellwert für die Spannung, der oberhalb der Betriebsspannung des Gleichspan- nungsnetzwerks liegt, überschritten oder erreicht, wird der Schalter eingeschaltet. Dadurch entsteht ein Strompfad vom ersten Pol des Gleichspannungsnetzwerks zum zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks. Dadurch wird ein zeitlich begrenz- ter Freilaufkreis geschaffen und die Spannung an der Spannungsquelle sinkt ab.
Zweckmäßig schaltet die Steuerung den Schalter wieder ab, wenn die Spannung unter einen weiteren Schwellwert sinkt. Der weitere Schwellwert kann dem Schwellwert entsprechen oder aber niedriger als der Schwellwert liegen. Zweckmäßig liegt auch der weitere Schwellwert oberhalb der Betriebsspannung des Gleichspannungsnetzwerks.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungsschalters gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vor- zugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Gleichspannungsschalter noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- Der dritte Anschluss kann statt mit einem zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks auch mit einem anderen Erdpotential verbunden werden.
- Parallel zur Sekundärseite des Transformators kann ein zweiter Widerstand geschaltet sein. Dieser Widerstand ist be- vorzugt so dimensioniert, dass mindestens der maximal abzu¬ schaltende Strom bei Nennspannung abfließen kann.
- Parallel zur Sekundärseite des Transformators kann eine Di¬ ode geschaltet sein.
- Der Nebenstrompfad kann zwei antiseriell geschaltete HL- Schalter umfassen und der Hauptstrompfad die Primärseite ei¬ nes weiteren Transformators. Auf diese Weise kann der Gleich¬ spannungsschalter als bidirektionaler Schalter gestaltet wer- den. Mit anderen Worten wird der Schalter dadurch in die Lage versetzt, Gleichstrom beider Richtungen abzuschalten. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Sekundärseiten der Transformato¬ ren in Serie geschaltet sind und der von der Sekundärseite des Transformators abgewandte Anschluss der Sekundärseite des weiteren Transformators über einen weiteren Schalter mit dem dritten Anschluss verbunden ist. - Die Spannungsquelle umfasst bevorzugt eine Energiespeicher¬ vorrichtung, insbesondere einen Kondensator. Ein Kondensator eignet sich vor allem zur schnellen Abgabe der nötigen Energie, um einen Kurzschlussstrom oder auch einen normalen Betriebsstrom im Gleichspannungsnetzwerk zu kompensieren und so einen Nulldurchgang des Stroms zu erzwingen.
- Die Spannungsquelle kann als separate Vorrichtung, bei¬ spielsweise als separater Kondensator vorgesehen sein, die unabhängig von anderen Komponenten des Gleichspannungsnetz- werks an den Transformator angeschlossen ist. Dadurch kann eine Bereitschaft der Spannungsquelle unabhängig von sonsti¬ gen Gegebenheiten sichergestellt werden, beispielsweise durch eine eigene Aufladeschaltung für die Spannungsquelle. - Die Spannungsquelle kann als Teil einer weiteren Schaltung gestaltet sein, beispielsweise als Zwischenkreiskondensator eines Umrichters, der beispielsweise anderweitig mit dem Gleichspannungsnetzwerk in Beziehung steht. Hierdurch werden vorhandene Ressourcen des Aufbaus erneut verwendet und somit insgesamt eine Einsparung an Komponenten erzielt.
- Der mechanische Schalter kann eine Schaltzeit von weniger als 5 ms aufweisen. Da der Stromnulldurchgang auf der Entladung eines Energiespeichers beruht, ist der Zeitraum, inner- halb dessen ein Stromnulldurchgang stattfindet, typischerwei¬ se auf nur wenige Millisekunden begrenzt. Vorteilhaft kann der mechanische Schalter innerhalb dieser Zeit öffnen, um ei¬ ne sichere Unterdrückung oder Löschung des Lichtbogens zu be¬ wirken .
- Die Vorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass die se- kundärseitige Wicklung des Transformators kurzschließbar ist. Dazu kann beispielsweise eine mit einem Halbleiterschalter oder einem schnellen mechanischen Schalter versehene Verbindung zwischen den Wicklungsenden der sekundärseitigen Wicklung des Transformators vorgesehen sein. Durch ein Kurzschließen der sekundärseitigen Wicklung des Transformators wird die Induktivität der primärseitigen Wicklung des Trans¬ formators auf einen sehr niedrigen Wert gesenkt und somit der Einfluss der primärseitigen Wicklung des Transformators auf die Eigenschaften des Gleichspannungsnetzwerks vorteilhaft vermindert .
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei¬ spiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale sche¬ matisiert dargestellt und es zeigen
Figur 1: einen unidirektionalen Gleichspannungsschalter in einem Ausschnitt aus einem Gleichspannungsnetzwerk,
Figur 2: einen bidirektionalen Gleichspannungsschalter in einem Ausschnitt aus einem Gleichspannungsnetzwerk.
Figur 1 zeigt als Ausführungsbeispiel für die Erfindung einen Gleichspannungsschalter 12 in einem Ausschnitt aus einem Gleichspannungsnetzwerk 10. Das Gleichspannungsnetzwerk 10 wird aus einer Gleichspannungsquelle 11 gespeist und somit mit einer Gleichspannung versorgt. Bei dem Gleichspannungs¬ netzwerk 10 kann es sich um ein Netzwerk in der HGÜ- Stromversorgung handeln oder beispielsweise um ein Netzwerk in einem Fahrzeug, beispielsweise einer Lokomotive oder einem Triebwagen oder im Bereich der Einspeisung in ein Netzwerk für elektrisch betrieben Fahrzeuge. Grundsätzlich ist das Prinzip auf allen Spannungsebenen von Niederspannung über Mittelspannung bis zur Hochspannung anwendbar. Zwischen der nicht dargestellten Last und der Gleichspannungsquelle 11 ist der Gleichspannungsschalter 12 angeordnet. Der Gleichspannungsschalter 12 ist dabei mit einer ersten und zweiten Anschlussklemme 121, 122 seriell in einen ersten Pol 111 des Gleichspannungsnetzwerks 10 eingebunden. Eine dritte An- schlussklemme 123 ist mit einem zweiten Pol des Gleichspan¬ nungsnetzwerks 10 verbunden.
Zwischen erster und zweiter Anschlussklemme 121, 122 weist der Gleichspannungsschalter 12 eine Serienschaltung aus der primärseitigen Wicklung eines Transformators 14 und einem mechanischen Schalter 13 auf. Diese Serienschaltung stellt den Hauptstrompfad dar, durch den der Strom im normalen Betrieb des Gleichspannungsnetzwerks 10 fließt. Der mechanische
Schalter 13 und die Primärwicklung des Transformators 14 wei¬ sen nur einen äußerst geringen Widerstand auf und verursachen daher nur sehr geringe Verluste. Parallel zu der Serienschal¬ tung ist ein Hauptschalter 15 in Form eines IGBT angeordnet, der einen Nebenstrompfad darstellt, der im normalen Betrieb vom Strom nicht bzw. nur geringfügig durchflössen wird, da der IGBT auch eingeschaltet einen deutlich höheren Widerstand oder Spannungsabfall als der mechanische Schalter 13 auf¬ weist. Der Gleichspannungsschalter 12 umfasst weiterhin einen Freilaufpfad über eine Freilaufdiode 19 als Verbindung zwischen der zweiten und dritten Anschlussklemme 122, 123. Der Frei¬ laufpfad ist optional und wird dann verbaut, wenn die in der Netzinduktivität 1111, beispielsweise in Kabeln gespeicherte Energie bei schnell unterbrochenem Strom möglicherweise zu Zerstörungen führen kann.
Ausgehend von der ersten der Anschlussklemmen 121, der die Primärwicklung des Transformators 14 zugewandt ist, ist eine weitere Verbindung über eine Diode 163 und einen Ladewiderstand 162 zu einem Kondensator 161 vorhanden. Der davon abseitig gelegene Anschluss des Kondensators 161 ist mit der dritten Anschlussklemme 123 verbunden. Der Potentialpunkt zwischen dem Kondensator 161 und dem Ladewiderstand 162 ist mit der Sekundärwicklung des Transforma¬ tors 14 verbunden. Von dieser weiterführend ist ein Schalter 152 in Form eines IGBT angeordnet, dessen zweiter Anschluss mit der dritten Anschlussklemme 123 und damit mit dem zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks 10 verbunden ist. Im norma¬ len Betriebsfall ist der Schalter 152 abgeschaltet und, so dass sich der Kondensator 161 nicht entladen kann. Der Kon- densator 161 ist im normalen Betriebsfall ständig geladen.
Durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses im Transformator 14 kann die nötige Spannung für den Kondensator 161 und somit die genaue Auslegung der Komponenten bestimmt werden. Dabei können die Komponenten beispielsweise für eine schnelle Ab¬ schaltung oder für geringe Baugrößen optimiert werden. Für das Windungszahlverhältnis zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators 14 werden zweckmäßig Werte zwischen 0,01 und 0,1 verwendet. Auf der Sekundärseite wird nur eine Spannung benötigt, die größer ist als der Spannungs¬ abfall an den Halbleitern beim zu kommutierenden Strom, was bei einer Niederspannungsanwendung unter 10V liegt. Die nötige Kapazität des Kondensators 161 und die Höhe der nötigen Ladespannung ergeben sich aus der Spannung des Gleichspan- nungsnetzwerks 10 und dem Übersetzungsverhältnis des Trans¬ formators 14.
Zunächst fließt im normalen Betrieb der gesamte Strom durch den mechanischen Schalter 13. Zum Einleiten des Abschaltvor- ganges schaltet eine Steuerung 17 für den Gleichspannungs¬ schalter 12 zunächst den Hauptschalter 15 ein. Wegen des größeren Durchlasswiderstandes wird zunächst nur ein kleiner Teil des Stromes vom mechanischen Schalter 13in den Hauptschalter 15 kommutieren. Um diese Kommutierung zu erzwingen, wird der Schalter 152 eingeschaltet, wodurch sich der Kondensator 161 über den Transformator 14 entlädt. Dadurch wird eine Spannung im Hauptstrompfad mit dem mechanischen Schalter 13 erzeugt, so dass der Strom vollständig in den Hauptschal¬ ter 15 kommutiert. Dann wird der mechanische Schalter 13 stromlos geöffnet und der Schalter 152 wieder geschlossen. Im letzten Schritt muss nun auch der Hauptschalter 15 abgeschaltet werden, damit der Stromfluss komplett unterbrochen wird. Die gespeicherte Energie in der Netzinduktivität 1112 kann sich über die Freilaufdiode 19 entladen. Die Energie in der Netzinduktivität 1111 würde am Eingang des Gleichspannungs¬ schalters 12 eine hohe Überspannung erzeugen. Um diese Ener- gie abzubauen und die Spannung zu begrenzen, wird der Schalter 152 nun wieder periodisch ein- und ausgeschaltet. Damit wird die Energie im Ladewiderstand 162 in Wärme umgesetzt und der Stromfluss durch Netzinduktivität 1111, Diode 163 und La¬ dewiderstand 162 abgebaut. In den Pulspausen, wenn der Schal- ter 152 abgeschaltet ist, kann der Strom weiterfließen in den Kondensator 161, so dass es nicht zu einem schnellen Stromab¬ bruch kommt. Während der Zeiten, in denen der Schalter 152 angeschaltet ist, wird der Kondensator 161 dann wieder etwas entladen, um die Spannung zu begrenzen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in Fi¬ gur 2 dargestellt. Der Gleichspannungsschalter 20 gemäß Figur 2 ist im Gegensatz zum Gleichspannungsschalter 12 der Figur 1 dafür ausgelegt, bidirektional arbeiten zu können, d.h. einen Stromfluss in beide Richtungen abschalten zu können. Übereinstimmende Komponenten der beiden Gleichspannungsschalter 12, 20 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Gleichspannungsschalter 20 ist dabei wiederum mit einer ersten und zweiten Anschlussklemme 121, 122 seriell in den ersten Pol 111 des Gleichspannungsnetzwerks 10 eingebunden. Eine dritte Anschlussklemme 123 ist mit dem zweiten Pol des Gleichspan¬ nungsnetzwerks 10 verbunden.
Zwischen erster und zweiter Anschlussklemme 121, 122 weist der Gleichspannungsschalter 20 eine Serienschaltung aus der primärseitigen Wicklung des Transformators 14, dem mechanischen Schalter 13 und der primärseitigen Wicklung eines weiteren Transformators 24 auf. Diese Serienschaltung stellt den Hauptstrompfad dar, durch den der Strom im normalen Betrieb des Gleichspannungsnetzwerks 10 fließt. Parallel zu der Se¬ rienschaltung ist eine weitere Serienschaltung aus dem Hauptschalter 15 und dem antiseriell angeordneten weiteren Hauptschalter 25 angeordnet, die den Nebenstrompfad darstellt. Pa- rallel zum Hauptschalter 15 ist Diode 163 geschaltet, wobei diese als Bauteil im Hauptschalter 15 integriert sein kann. Parallel zum weiteren Hauptschalter 25 ist Diode 263 geschal¬ tet, wobei diese als Bauteil im weiteren Hauptschalter 25 in- tegriert sein kann.
Der Gleichspannungsschalter 12 umfasst weiterhin einen Freilaufpfad über eine Freilaufdiode 19 als Verbindung zwischen der zweiten und dritten Anschlussklemme 122, 123 und einen weiteren Freilaufpfad mit einer weiteren Freilaufdiode 191 zwischen der ersten und dritten Anschlussklemme 121, 123.
Ausgehend vom Potentialpunkt zwischen dem Hauptschalter 15 und dem weiteren Hauptschalter 25 ist eine Verbindung über den Ladewiderstand 162 zum Kondensator 161 vorhanden. Der davon abseitig gelegene Anschluss des Kondensators 161 ist mit der dritten Anschlussklemme 123 verbunden.
Der Potentialpunkt zwischen dem Kondensator 161 und dem Lade- widerstand 162 ist mit der Sekundärwicklung des Transforma¬ tors 14 verbunden. Von dieser weiterführend ist der Schalter 152 angeordnet, dessen zweiter Anschluss mit der dritten Anschlussklemme 123 und damit mit dem zweiten Pol des Gleich¬ spannungsnetzwerks 10 verbunden ist. Zwischen dem Schalter 152 und dem Kondensator 161 ist parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 14 eine Diode 271 angeordnet.
Der Potentialpunkt zwischen dem Kondensator 161 und dem Ladewiderstand 162 ist weiterhin mit der Sekundärwicklung des weiteren Transformators 24 verbunden. Von dieser weiterführend ist ein weiterer Schalter 252 angeordnet, dessen zweiter Anschluss mit der dritten Anschlussklemme 123 und damit mit dem zweiten Pol des Gleichspannungsnetzwerks 10 verbunden ist. Zwischen dem weiteren Schalter 252 und dem Kondensator 161 ist parallel zur Sekundärwicklung des weiteren Transformators 24 eine Diode 272 angeordnet. Der bidirektionale Gleichspannungsschalter 20 umfasst in anderen Worten zwei anti-seriell geschaltete unidirektionale Gleichspannungsschalter 12, wobei die Elemente mechanischer Schalter 13, Ladewiderstand 162 und Kondensator 161 nur ein- mal benötigt werden.
Bei Abschaltung eines Stromes von links nach rechts, d.h. von der Seite der Netzinduktivität 1111, wird die Pulserzeugung durch den Schalter 152 und den Transformator 14 für die Er- zeugung der Kommutierungsspannung und zum Abbau der Energie in der Netzinduktivität 1111 verwendet. Freilaufdiode 19 dient dem Abbau der Energie in Netzinduktivität 1112.
Bei Abschaltung eines Stromes von rechts nach links wird die Pulserzeugung durch den weiteren Schalter 252 und den weiteren Transformator 24 für die Erzeugung der Kommutierungsspannung und zum Abbau der Energie in der Netzinduktivität 1112 verwendet. Die Freilaufiode 191 dient zum Abbau der Energie in Netzinduktivität 1111. Die beiden Dioden 271, 272 parallel zu den Sekundärwicklungen der Transformatoren 14, 24 dienen als Freilaufkreis für die Streuinduktivitäten und können auch durch Widerstände ersetzt werden, analog zum unidirektionalen Gleichspannungsschalter 12.

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungsschalter (12, 20) mit einem ersten und zweiten Anschluss (121, 122) zur seriellen Einbindung in ei- nen ersten Pol (111) eines Gleichspannungsnetzwerks (10), wo¬ bei
- sich zwischen den Anschlüssen (121, 122) ein Nebenstrompfad mit einem Halbleiterschalter (15) erstreckt und
- parallel zum Nebenstrompfad ein Betriebsstrompfad mit einem mechanischen Schalter (13) und in Serie dazu der primärseiti- gen Wicklung eines Transformators (14) angeordnet ist,
- die sekundärseitige Wicklung des Transformators (14) zwi¬ schen eine Spannungsquelle (161) und einen dritten Anschluss (123) zur Einbindung in einen zweiten Pol (112) des Gleich- spannungsnetzwerks (10) geschaltet ist,
- zwischen der Spannungsquelle (161) und dem dritten Anschluss (123) ein Schalter (152) in Serie zur sekundärseiti- gen Wicklung des Transformators (14) angeordnet ist,
- die Spannungsquelle (161) über eine Diode (163) und einen Ladewiderstand (162) mit dem ersten Anschluss (121) verbunden ist,
- eine Steuereinrichtung (17) zur Ansteuerung des Schalters (152) vorhanden ist, die ausgestaltet ist, nach dem Öffnen des mechanischen Schalters (13) die Spannung der Spannungs- quelle (161) wiederholt zu ermitteln wird und den Schalter
(152) derart intervallartig einzuschalten, so dass die ermit¬ telte Spannung unterhalb eines festlegbaren Schwellwertes bleibt .
2. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach Anspruch 1 mit einem parallel zur Sekundärseite des Transformators (14) geschalte¬ ten zweiten Widerstand.
3. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach Anspruch 1 oder 2 mit einer parallel zur Sekundärseite des Transformators (14) geschalteten Diode (271).
4. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
- der Nebenstrompfad einen antiseriell zum Halbleiterschalter (15) geschalteten weiteren Halbleiterschalter (25) umfasst, - der Hauptstrompfad die Primärseite eines weiteren Transfor¬ mators (24) umfasst.
5. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach Anspruch 4, bei dem
- die Sekundärseiten der Transformatoren (14, 24) in Serie geschaltet sind,
- der von der Sekundärseite des Transformators (14) abgewand¬ te Anschluss der Sekundärseite des weiteren Transformators (24) über einen weiteren Schalter (252) mit dem dritten Anschluss (123) verbunden ist.
6. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsquelle (161) einen Kondensator (161) umfasst.
7. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach Anspruch 6, bei dem der Kondensator (161) mit einer Einrichtung zum Laden des Kondensators (161) verbunden ist.
8. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach einem der vorange- henden Ansprüche, bei dem der mechanische Schalter (13) ein
Schalter mit einer Schaltzeit von weniger als 5 ms ist.
9. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Schalter zum Kurzschließen der se- kundärseitigen Wicklung des Transformators (14).
10. Gleichspannungsschalter (12, 20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsquelle (161) ein Zwi- schenkreiskondensator eines Umrichters ist.
11. HGÜ-Netzwerk mit einem Gleichspannungsschalter (12, 20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
12. Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug mit einem Gleich¬ spannungsschalter (12, 20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche .
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