WO2008090178A1 - Elektrisches gleichstromnetz für wasserfahrzeuge sowie für offshoreanlagen - Google Patents

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WO2008090178A1
WO2008090178A1 PCT/EP2008/050762 EP2008050762W WO2008090178A1 WO 2008090178 A1 WO2008090178 A1 WO 2008090178A1 EP 2008050762 W EP2008050762 W EP 2008050762W WO 2008090178 A1 WO2008090178 A1 WO 2008090178A1
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commutation
switch
circuit
network
switching
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PCT/EP2008/050762
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Gerd Ahlf
Werner Hartmann
Reinhard Vogel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
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    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches

Definitions

  • the invention relates to an electrical DC network for watercraft, especially for underwater vehicles, as well as for offshore installations according to the preamble of claim 1;
  • Such an electrical DC network is known for example from DE 10 2005 031 761 B3.
  • an electrical DC network of a watercraft in particular an underwater vehicle, known in which between a DC power source, such as a battery or a fuel cell system, and an electrical load, such as a traction motor or a vehicle electrical system, a Stromabschalt adopted is connected, which comprises a formed as a vacuum switch circuit breaker and a commutation device.
  • a DC power source such as a battery or a fuel cell system
  • an electrical load such as a traction motor or a vehicle electrical system
  • the commutation device acts on the vacuum switch immediately after the generation of the arc with an oppositely directed current which compensates for the current flowing in the arc or at least reduces it to such an extent that the arc is extinguished.
  • the commutation device can be constructed in a variety of ways.
  • the commutation device has a commutation circuit lying parallel to the vacuum switch and comprising a switch and a charge accumulator, for example a capacitor. Via a control device, it is ensured that the switch is activated immediately after the opening of the vacuum switch in such a way that the charge accumulator runs parallel to the vacuum. circuit breaker and polarity reversed in order to extinguish the arc resulting in the switch when opening.
  • a charge generator such as an electric coil, which is controlled by the control device so that it generates a compensation current after opening the vacuum switch, which extinguishes the arc resulting from the opening of the vacuum switch.
  • the invention is based on the recognition that current can flow not always only in one direction, but also in the other, opposite direction through a vacuum switch in an electrical DC network.
  • the direction of a short-circuit current through a vacuum switch can basically be indefinite, since it depends on the location of the short-circuit in the network.
  • switching in the network in the case of an underwater vehicle, for example, to set different driving levels or to switch a battery from feed to load operation, can lead to changes in the direction of the current through a vacuum switch.
  • Even in vacuum switches on power couplings currents of different directions can occur.
  • the direction of the current through the vacuum switch before its opening, and thus also the direction of the current in an emerging when opening the switch arc can thus be different.
  • the commutation device In order to ensure a safe switching off of the current even in such different directions of the current through the vacuum switch, the commutation device according to the invention is designed such that it can be erased by arcing currents generated by switch currents of different directions are. This is possible, for example, by virtue of the fact that counter-currents of different directions can be generated by the commutation device and the vacuum switch is intentionally charged with the countercurrent required to extinguish the resulting arc, to which the current through the arc is directed in opposite direction.
  • the commutation device can have its own commutation circuit for each of the different current directions.
  • Kommut istsstrom Vietnamese this is understood in general terms a circuit for generating a countercurrent to extinguish an arc.
  • a countercurrent in one direction and by the other of the two commutation circuits, a countercurrent in the other, opposite direction can then be generated, i. E. it can counterflows of different directions to compensate for the arc current can be generated.
  • the commutation device can have a common commutation circuit for the different current directions, wherein the common commutation circuit can be connected to the vacuum switch differently for the different current directions.
  • the turn-off device has a device for determining the direction of a current flowing through the vacuum switch. This makes it possible, in the case of an indefinite direction of the current through the switch, to determine the current direction actually present at a given point in time and to selectively control one of two commutation circuits provided for the arc quenching in this current direction or trigger the correct connection of a commutation circuit common to both current directions.
  • An even further increase in the switch-off safety is possible because the commutation device is designed in such a way that arcs generated by switch currents of different sizes can be erased. This is possible, for example, in that countercurrents of different sizes can be generated by the commutation device and the vacuum switch is intentionally subjected to a countercurrent with a countercurrent required to extinguish the resulting arc when the switch is opened.
  • the switch current in the case of a short circuit in the DC network can be more than 25 times the maximum current during normal operation of the DC network.
  • the maximum operating current is a maximum of 4 kA.
  • the commutation device must therefore ensure safe switching off both of the operating currents and of the 25 times higher short-circuit currents. A commutation device designed to switch off operating current would therefore not be able to extinguish an arc generated by a short-circuit current.
  • the commutation at least for the shutdown of operating currents and for the shutdown of short-circuit currents each have their own commutation circuit.
  • the commutation can have a common Kommut réellesstrom réelle for the shutdown of operating currents and for the switching off of short-circuit currents, each in the common Kommut réellesstromnik for switching off operating currents and for the shutdown of short-circuit currents different sized countercurrents can be generated.
  • this common commutation circuit has a charging device for charging a capacitor of the commutation circuit to a maximum expected and disconnected short-circuit current and a discharging device for targeted discharge of the capacitor upon occurrence of a short circuit or a required normal shutdown shortly before triggering a countercurrent pulse on.
  • this common commutation circuit has a capacitor charging device, by means of which a capacitor of the commutation circuit can be charged to a predeterminable level upon the occurrence of a short circuit or a demanded normal shutdown.
  • a particularly low weight and volume of the shutdown device can be made possible.
  • the turn-off device has a device for determining the size of the current flowing through the vacuum switch. This makes it possible to determine the size of the current actually flowing through the switch with indeterminate size of the current through the switch and specifically to generate the counter current required for the arc extinction at this current size.
  • the vacuum switch may have two mechanically coupled to each other switching poles, wherein one of the switching poles in a branch of a positive pole of the DC power source to the load and the other switching pole in a branch current from a negative pole the DC power source is connected to the consumer, and wherein the turn-off device has its own commutation device for each of the two switching poles.
  • the turn-off device has its own commutation device for each of the two switching poles.
  • the vacuum circuit breaker has three mechanically coupled switching poles, wherein a first of the switching poles in a branch of a positive pole of the DC power source to the consumer and the other two switching poles in series in a branch of a negative pole of the DC power source are connected to the consumer, and wherein the turn-off device has its own commutation device for the first switching pole and a separate commutation device together for the other two switching poles.
  • This also double earth faults in a DC network can be switched off.
  • the commutation devices described above are likewise preferably used for the commutation device.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an electrical DC network of an underwater vehicle with a representation of different current directions for operating and short-circuit currents through a vacuum switch
  • FIG. 2 shows a block diagram of a DC network with a
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a DC network with a commutation device, each with its own Kom- mutation circuit for different current directions,
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of a DC network with a
  • Commutation device with a common commutation circuit for different current directions
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a DC network with a turn-off device with a vacuum switch with two switching poles and one commutation device for each of the switching poles
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of a DC network with a commutation device, each with its own commutation circuit for operating currents and for short-circuit currents,
  • FIG. 8 shows a circuit diagram of a DC network with a commutation device with a common commutation circuit for operating currents and short-circuit currents
  • FIG. 9 shows a first advantageous embodiment of a commutation circuit of FIG. 8,
  • FIG. 10 shows a second advantageous embodiment of a commutation circuit of FIG. 8 and
  • FIG. 11 shows a circuit diagram of a DC network with a turn-off device with a vacuum switch with three switching poles and a commutation device for one of the poles and a commutation device together for the other two poles.
  • Underwater vehicle consists of two sub-networks 2, 3, which can be connected to one another via a network coupling 4.
  • DC power supply 1 has batteries 5 and generators 6 as DC power sources and a drive motor 7 (eg a DC motor or a DC-powered motor) with two winding systems 8 for driving a propeller 9 of the underwater vehicle. as a not-shown electrical system as electrical consumers.
  • a drive motor 7 eg a DC motor or a DC-powered motor
  • two winding systems 8 for driving a propeller 9 of the underwater vehicle.
  • the individual components of the DC power supply are connected to each other via switches 10, 10 ', 11, 11', 12, 12 ', 13.
  • the switches can flow currents of different directions and sizes. For example, when the traction motor 7 is powered by the batteries 5 when driving the underwater vehicle, an operating current I NF flows from a battery 5 through the battery switch 10 to the traction motor 7.
  • a charging current I NL flows from a generator 6 through the battery switch 10 into the battery 5.
  • the operating current I NF and the charging current I NL are oppositely directed in the battery switch 10.
  • a short circuit current I KF i flows from the battery 5 via the battery switch 10 into the traction motor 7. If, however, Kf2 is present in a second short circuit case Short circuit in the battery 5 before, a short-circuit current I KF2 flows from the generator 6 via the battery switch 10 in the battery 5.
  • the short-circuit currents I K FI and I K F2 are hereby directed in the battery switch 10 opposite.
  • the battery switches 10, 10 'thus have currents of different direction and size off.
  • currents of different direction and magnitude are to be switched off, since both operating currents and short-circuit currents can flow via the network coupling switch 13 either from the subnetwork 1 into the subnetwork 2 or from the subnetwork 2 into the subnetwork 1.
  • the switches 10, 10 ', 11, 11', 12, 12 ', 13 are designed as vacuum switches and each part of a turn-off, which - as explained in connection with Figures 2 - 11, additionally a commutation to Extinguish an arc in the vacuum switch has.
  • the two battery switches 10, 10 ', the two generator switches 11, 11' or the two drive motor switches 12, 12 'of a subnetwork 2, 3 do not necessarily have to be separate switches in each case, but can also be mechanically coupled to each other.
  • the two battery switches 10, 10 ' are mechanically coupled poles of a two- or three-pole battery switch
  • the two generator switches 11, 11' are mechanically coupled together poles of a two- or three-pole generator switch
  • FIG. 2 shows in a particularly simplified representation a subnetwork 20 of the DC network 1 shown in FIG. 1.
  • the subnetwork 20 has a DC power source 21, an electrical load 22 and a shutdown device 23 for switching off a current flowing between the DC power source 21 and the load 22.
  • the switch-off device 23 has a switched between the DC power source 21 and the load 22 vacuum switch 24 and a parallel to the vacuum switch 24 switched commutation 25.
  • the commutation 25 By the commutation 25 an arc in the vacuum switch 24 can be erased, which is generated when opening the switch 24 by current flowing through the switch 24.
  • the commutation device 25 is embodied such that arcs generated by the switch currents of different directions can be erased.
  • the commutation device 25 extinguishes an arc by generating a countercurrent and subjecting the vacuum switch to this countercurrent, ie a current which is opposite to the current flowing through the arc, and which compensates or at least reduces the current flowing in the arc the arc comes to extinction.
  • the commutation device 25 For generating the countercurrent has the commutation device 25 has one or more switched commutation circuits 26 (see also FIG. 5).
  • the commutation device 25 can have its own commutation circuit 26 for each of the different current directions.
  • the two Kommut istsstromnike 26 can hereby be the same structure, but be connected to the vacuum switch 24 with different polarity.
  • the commutation device 25 can also have a commutation circuit 26 which is common for the different current directions and can be connected in parallel to the vacuum switch 24 by means of a switching device 27 for the different current directions.
  • the switching device 27 for changing the polarity of the commutation can be performed both as electromechanically, pneumatically or hydraulically operated mechanical switch or as a bridge circuit of high-power semiconductor switches such.
  • the switch-off device 23 has a device 28 for determining the direction of the current flowing through the switch 24 current.
  • the device 28 controls by means of one or more control lines 29, the Kommut istsstromnike 26 (see FIG 3) and the switching device 27 (see FIG 4) in response to the direction of the current flowing through the switch 24 current.
  • a commutation circuit 26 itself preferably has a high-power semiconductor switch 30 for high pulse currents, for example a thyristor, a capacitor 31, a charging device 32 for charging the capacitor 31 and an ignition device 33 for igniting the high-power semiconductor switch 30, as shown in FIG.
  • the vacuum switch 24 has two mechanically coupled switching poles (ie switching paths) 24a, 24b, wherein the switching pole 24a in a current branch 42 from the positive pole of the DC power source 21 to the load 22 and the switching pole 24b in a current branch 43 is connected from the negative pole of the DC power source 21 to the load 22, and wherein the cut-off device 23 each has its own commutation device 25 for each of the two switching poles 24a, 24b.
  • each of the two commutation devices 25 has in each case two commutation circuits 26 for the different current directions through the switching poles 24a, 24b.
  • a commutation device 25 may additionally be designed in such a way that arcs generated by switch currents of different sizes can be erased. As a result, the shutdown safety can be further increased.
  • the commutation device 25 has for this purpose a commutation circuit 26a for the generation of countercurrents for extinguishing arcs which are generated by very high short-circuit currents, and a commutation circuit 26b for the generation of countercurrents for extinguishing arcs which are produced by relatively low operating currents. on.
  • a switching device 40 By means of a switching device 40, one of the two commutation circuits 26a, 26b can be selectively switched in parallel to the switch 24.
  • the commutation 25 counter currents of different sizes are thus generated and the vacuum switch 24 can be acted upon by these countercurrents.
  • the shut-off device 23 also has a device 41 for determining the size of the current flowing through the vacuum switch. This makes it possible, with an indeterminate magnitude of the current through the switch, to determine the magnitude of the current which actually flows through the switch at a specific time and, depending on the current magnitude, to actuate the switching device 40 in this way, that this specifically switches on the commutation circuit 26a or 26b provided for the arc quenching in this current magnitude in parallel with the switch 24 and triggers the generation of the countercurrent in this commutation circuit.
  • the commutation device 25 can also have a common commutation circuit 26c both for the disconnection of operating currents and for the disconnection of short-circuit currents, wherein in the common commutation circuit 26c for the disconnection of operating currents and for the disconnection of short-circuit currents each have different sizes Countercurrents can be generated.
  • the capacitor 31 is always charged to the maximum expected and disconnected short-circuit current by means of a charging device 32, but upon occurrence of a short circuit or during a required normal disconnection by a capacitor 31 parallel unloading device 34 just before discharge of a Kommut istsstromimpulses discharge discharged so far that the resulting commutation has a just sufficient amplitude and time to extinguish the switching arc in the vacuum switch 24.
  • the amplitude of the expected current to be disconnected and the optimum time for the triggering of vacuum switch 24 and commutation device 25 are determined.
  • the discharge device 34 is advantageously made of the series connection of a semiconductor switch 35, such. As an IGBT, IGCT or thyristor, and a load resistor 36 which receives the energy to be discharged.
  • the point in time at which the unloading device 34 is triggered is determined by the device 41 by electronic measures, for. B. a microprocessor control, calculated so that at the time of triggering the Kommut réellesstromimpulses the For this required charge state of the pulse capacitor 31 is reached exactly. In this way it is possible to switch off operating currents and short-circuit currents of very different amplitudes with only a single commutation circuit 26c.
  • the capacitor 31 can also be charged to the respectively required level only upon the occurrence of a short circuit or a demanded normal shutdown;
  • a constantly idling ready capacitor charger 37 is provided, which is characterized in that it has a low electrical continuous load, but a very high short-term load and an electronically adjustable amplitude and preferably also polarity.
  • the charging process is terminated by the device 41 at an early stage.
  • the required polarity is also detected by the device 41 and transmitted to the charger 37, so that the capacitor 31 is charged with the appropriate polarity.
  • This circuit is particularly advantageous if value is placed on the low weight and construction volume of the shutdown device; for the power semiconductors of the switched commutation circuit while full bridge circuit, but only a parallel circuit 44 is required by two power semiconductors, wherein the respectively required polarity corresponding semiconductor is driven by the device 41 for generating a Kommut réellesimpulses.
  • both semiconductors can always be driven simultaneously, so that a commutation current, which may vary in polarity, is also carried by the respective other semiconductor switch; As a result, antiparallel freewheeling diodes are no longer needed, which is particularly advantageous in terms of cost, size and weight.
  • this circuit has the advantage that the capacitor 31 is always acted upon only for a short time with voltage, whereby the same can be built considerably more compact and easier. This is due in particular to the fact that in the case of capacitors loaded with DC voltage, the dielectric must be dimensioned considerably thicker for a low error rate than in the case of capacitors, which are subjected only to pulse voltages.
  • a shutdown device 23 shown in FIG 11 has a
  • Vacuum switch 24 with three mechanically coupled switching poles 24a, 24b, 24c, wherein the switching pole 24a in a current branch 42 from the positive pole of the DC power source 21 to the load 22 and the switching poles 24b and 24c in series in a NEN branch 43 from the negative pole of the DC power source 21 are connected to the load 22, and wherein the turn-off device 23 has a commutation device 25 for the switching pole 24a and a commutation 25 together for the two switching poles 24b and 24c.
  • Each of the two commutation devices 25 has for this purpose in each case a commutation circuit 26a for the extinction of arcs generated by short-circuit currents for each of the two current directions, and a commutation circuit 26b for the extinction of arcs generated by operating currents.
  • a common commutation circuit 26c instead of two commutation circuits 26a and 26b for short-circuit and operating current, a common commutation circuit 26c according to FIGS. 8-10 can also be provided.
  • a control device 45 assumes the function of the device 28 of FIG. 4 and the device 41 of FIG. 7 and determines the size and direction of the current through the vacuum switch 24, determines the size and polarity of the countercurrent required for the arc quenching, and controls as a function thereof via control lines, not shown specifically the one or the necessary for the generation of this countercurrent commutation and possibly existing loading / unloading and switching devices.
  • the shutdown device 23 a particularly high shutdown safety can be achieved. If there are greater differences in terms of operating currents, it may be useful to provide further commutation circuits to further increase the cut-out safety.

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Abstract

Bei einem elektrischen Gleichstromnetz (1, 20) für Unter- und Überwasserfahrzeuge sowie für Offshoreanlagen, mit zumindest einer Gleichstromquelle (21), insbesondere einer Batterie- und/oder einer Brennstoffzellenanlagen, zumindest einem elektrischen Verbraucher (22), z.B. einem elektrischen Antriebsmotor oder einem Bordnetz, und zumindest einer Abschalteinrichtung (23) zur Abschaltung eines in dem Netz (1) fliessenden Gleichstromes, wobei die Abschalteinrichtung (23) einen in das Netz (1, 20) geschalteten Vakuumschalter (24) und eine Kommutierungseinrichtung (25) aufweist, durch welche ein beim Öffnen des Schalters (24) durch den durch den Schalter (24) fliessenden Strom erzeugter Lichtbogen löschbar ist kann die Einsatzfähigkeit auf Wasserfahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen, und Offshoreanlagen dadurch erhöht werden, dass die Kommutierungseinrichtung (25) derart ausgebildet ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung erzeugte Lichtbögen löschbar sind.

Description

Beschreibung
Elektrisches Gleichstromnetz für Wasserfahrzeuge sowie für Offshoreanlagen
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gleichstromnetz für Wasserfahrzeuge, insbesondere für Unterwasserfahrzeuge, sowie für Offshoreanlagen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ; ein derartiges elektrisches Gleichstromnetz ist beispielswei- se aus der DE 10 2005 031 761 B3 bekannt.
Aus der DE 10 2005 031 761 B3 ist ein elektrischen Gleichstromnetz eines Wasserfahrzeuges, insbesondere eines Unterwasserfahrzeuges, bekannt, bei dem zwischen einer Gleich- Stromquelle, beispielsweise einer Batterie oder einer Brennstoffzellenanlage, und einem elektrischen Verbraucher, beispielsweise einem Fahrmotor oder einem Bordnetz, eine Stromabschalteinrichtung geschaltet ist, die einen als Vakuumschalter ausgebildeten Leistungsschalter und eine Kommutie- rungseinrichtung umfasst.
Durch die Kommutierungseinrichtung ist ein Lichtbogen löschbar ist, der beim Öffnen des Schalters durch den durch den Schalter fließenden Strom erzeugt wird. Die Kommutierungsein- richtung beaufschlagt hierzu den Vakuumschalter unmittelbar nach der Erzeugung des Lichtbogens mit einem entgegengesetzt gerichteten Strom, der den im Lichtbogen fließenden Strom kompensiert oder zumindest soweit vermindert, dass der Lichtbogen zum Erlöschen kommt.
Die Kommutierungseinrichtung kann hierbei auf vielfältige Weise aufgebaut sein. Beispielsweise weist die Kommutierungseinrichtung einen parallel zum Vakuumschalter liegenden Kommutierungsstromkreis auf, der einen Schalter sowie einen La- dungsspeicher, beispielsweise einen Kondensator, umfasst. Ü- ber eine Steuereinrichtung wird sichergestellt, dass unmittelbar nach dem Öffnen des Vakuumschalters der Schalter so angesteuert wird, dass der Ladungsspeicher parallel zum Vaku- umleistungsschalter und gegensinnig gepolt geschaltet wird, um den im Schalter beim Öffnen entstehenden Lichtbogen zu löschen. Anstelle des Ladungsspeichers kann auch ein Ladungserzeuger, beispielsweise eine elektrische Spule, vorgesehen sein, der von der Steuereinrichtung so angesteuert wird, dass er nach dem Öffnen des Vakuumschalters einen Kompensationsstrom erzeugt, der den beim Öffnen des Vakuumschalters entstehenden Lichtbogen löscht.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Gleichstromnetz gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass es noch besser für den Einsatz auf Wasserfahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen, und Offsho- reanlagen geeignet ist.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass durch einen Vakuumschalter in einem elektrischen Gleichstromnetz Strom nicht immer nur in einer Richtung, sondern auch in der anderen, entgegengesetzten Richtung fließen kann. Beispiels- weise kann die Richtung eines Kurzschlussstromes durch einen Vakuumschalter grundsätzlich unbestimmt sein, da sie abhängig ist vom Ort des Kurzschlusses im Netz. Auch im normalen Betrieb des Netzes können Umschaltungen im Netz, im Falle eines Unterwasserfahrzeuges beispielsweise zur Einstellung unter- schiedlicher Fahrtstufen oder zur Umschaltung einer Batterie von Speise- zu Ladebetrieb, zu Änderungen in der Richtung des Stromes durch einen Vakuumschalter führen. Auch in Vakuumschaltern an Netzkupplungen können sich Ströme unterschiedlicher Richtung einstellen. Die Richtung des Stromes durch den Vakuumschalter vor dessen Öffnung und somit auch die Richtung des Stromes in einem beim Öffnen des Schalters entstehendem Lichtbogen kann somit unterschiedlich sein.
Um auch bei derart unterschiedlichen Richtungen des Stromes durch den Vakuumschalter ein sicheres Abschalten des Stromes zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß die Kommutierungseinrichtung derart ausgebildet, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass durch die Kommutierungseinrichtung Gegenströme unterschiedlicher Richtung erzeugbar sind und der Vakuumschalter beim Öffnen des Schalters gezielt mit dem für die Löschung des dabei entste- henden Lichtbogens benötigten, zu dem Strom durch den Lichtbogen entgegengesetzt gerichteten, Gegenstrom beaufschlagt wird.
Die Kommutierungseinrichtung kann hierzu für jede der unter- schiedlichen Stromrichtungen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis aufweisen. Unter einem Kommutierungsstromkreis wird hierbei ganz allgemein ein Stromkreis zur Erzeugung eines Gegenstromes zur Löschung eines Lichtbogens verstanden. Durch einen der beiden Kommutierungsstromkreise kann dann ein Gegenstrom in der einen Richtung und durch den anderen der beiden Kommutierungsstromkreise ein Gegenstrom in der anderen, entgegengesetzen Richtung erzeugt werden, d.h. es können Gegenströme unterschiedlicher Richtung zur Kompensierung des Lichtbogenstromes erzeugt werden.
Alternativ kann die Kommutierungseinrichtung einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die unterschiedlichen Stromrichtungen aufweisen, wobei der gemeinsame Kommutierungsstromkreis dem Vakuumschalter für die unterschiedlichen Stromrichtungen jeweils unterschiedlich zuschaltbar ist.
Von Vorteil weist die Abschalteinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Richtung eines durch den Vakuumschalter fließenden Stromes auf. Diese ermöglicht es, bei unbestimmter Richtung des Stromes durch den Schalter, die zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich vorliegende Stromrichtung zu bestimmen und gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei dieser Stromrichtung vorgesehenen einen von zwei Kommutierungsstromkreisen anzusteuern oder die korrekte Zuschaltung eines für beide Stromrichtungen gemeinsamen Kommutierungsstromkreises auszulösen. Eine noch weitere Erhöhung der Abschaltsicherheit ist dadurch möglich, dass die Kommutierungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Größe erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Dies ist beispiels- weise dadurch möglich, dass durch die Kommutierungseinrichtung Gegenströme unterschiedlicher Größe erzeugbar sind und der Vakuumschalter beim Öffnen des Schalters gezielt mit einem Gegenstrom mit einer für die Löschung des dabei entstehenden Lichtbogens benötigten Größe beaufschlagt wird.
Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in der Praxis die Größe des Schalterstromes sehr unterschiedlich sein kann. So kann der Schalterstrom im Fall eines Kurzschlusses im Gleichstromnetz mehr als das 25-fache des maximalen Stromes im Normalbetrieb des Gleichstromnetzes betragen. Beispielsweise sind bei modernen Unterwasserfahrzeugen Summenkurzschluss- ströme von mehr als 10OkA möglich, wogegen der maximale Betriebsstrom maximal 4 kA beträgt. Durch die Kommutierungseinrichtung muss somit ein sicheres Abschalten sowohl der Be- triebsströme als auch der um den Faktor 25 höheren Kurzschlussströme gewährleistet werden. Eine auf ein Abschalten von Betriebsstrom ausgelegte Kommutierungseinrichtung wäre deshalb nicht in der Lage, einen durch einen Kurzschlussstrom erzeugten Lichtbogen zu löschen. Umgekehrt würde eine auf ein Abschalten von Kurzschlussströmen ausgelegte Kommutierungseinrichtung den Vakuumschalter mit einem viel zu großen Gegenstrom beaufschlagen, der seinerseits wieder einen Lichtbogen erzeugen könnte. Für ein sicheres Löschen eines Lichtbogens muss deshalb der von der Kommutierungseinrichttung er- zeugte Gegenstrom hinsichtlich seiner Größe auf den in dem Lichtbogen fließenden Schalterstrom angepasst sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kommutierungseinrichtung zumindest für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis auf. Alternativ kann die Kommutierungseinrichtung einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen aufweisen, wobei in dem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen jeweils unterschiedlich große Gegenströme erzeugbar sind.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist dieser gemeinsame Kommutierungsstromkreis eine Ladevorrichtung zur Ladung eines Kondensators des Kommutierungsstromkreises auf einen maximal zu erwartenden und abzuschaltenden Kurzschlussstrom und eine Entladevorrichtung zur gezielten Entladung des Kondensators bei Eintreten eines Kurzschlusses oder bei einer geforderten normalen Abschaltung kurz vor Auslösen eines Ge- genstromimpulses auf.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung weist dieser gemeinsame Kommutierungsstromkreis ein Kondensatorladegerät auf, durch welches ein Kondensator des Kommutierungsstromkreises bei Eintreten eines Kurzschlussfalls oder einer geforderten Normalabschaltung auf ein vorgebbares Niveau aufladbar ist. Hierdurch kann ein besonders geringes Gewicht und Bauvolumen der Abschalteinrichtung ermöglicht werden.
Von Vorteil weist die Abschalteinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Größe des durch den Vakuumschalter fließenden Stromes auf. Dies ermöglicht es, bei unbestimmter Größe des Stromes durch den Schalter die Größe des tatsächlich durch den Schalter fließenden Stromes zu bestimmen und gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei dieser Stromgröße benötigten Gegenstrom zu erzeugen.
Zur weiteren Erhöhung der Abschaltsicherheit kann der Vakuum- Schalter zwei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole aufweisen, wobei einer der Schaltpole in einen Stromzweig von einem Pluspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher und der andere Schaltpol in einen Stromzweig von einem Minuspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher geschaltet ist, und wobei die Abschalteinrichtung eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung für jeden der beiden Schaltpole aufweist. Hierdurch sind sogar Doppelerdschlüsse in einem Gleichstrom- netz abschaltbar. Für die Kommutierungseinrichtung kommen bevorzugt die vorstehend beschriebenen Kommutierungseinrichtungen zum Einsatz.
Eine noch weitergehende Erhöhung der Abschaltsicherheit ist dadurch möglich, dass der Vakuumleistungsschalter drei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole aufweist, wobei ein erster der Schaltpole in einen Stromzweig von einem Pluspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher und die beiden anderen Schaltpole in Reihe in einen Stromzweig von einem Minus- pol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher geschaltet sind, und wobei die Abschalteinrichtung eine eigene Kommutierungseinrichtung für den ersten Schaltpol und eine eigene Kommutierungseinrichtung gemeinsam für die beiden anderen Schaltpole aufweist. Hierdurch sind ebenfalls Doppelerdschlüsse in einem Gleichstromnetz abschaltbar. Für die Kommutierungseinrichtung kommen ebenfalls bevorzugt die vorstehend beschriebenen Kommutierungseinrichtungen zum Einsatz.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; es zeigen:
FIG 1 ein Prinzipschaltbild eines elektrischen Gleichstrom- netzes eines Unterwasserfahrzeuges mit einer Darstellung unterschiedlicher Stromrichtungen für Betriebsund Kurzschlussströme durch einen Vakuumschalter,
FIG 2 ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer
Abschalteinrichtung mit einem zwischen einer Gleich- Stromquelle und einem Verbraucher geschalteten Vakuumschalter und einer Kommutierungseinrichtung,
FIG 3 ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung mit jeweils einem eigenen Kom- mutierungsstromkreis für unterschiedliche Stromrichtungen,
FIG 4 ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer
Kommutierungseinrichtung mit einem gemeinsamen Kommu- tierungsstromkreis für unterschiedliche Stromrichtungen,
FIG 5 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises,
FIG 6 ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung mit einem Vakuumschalter mit zwei Schaltpolen und jeweils einer Kommutierungseinrichtung für jeden der Schaltpole,
FIG 7 ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung mit jeweils einem eigenen Kom- mutierungsstromkreis für Betriebsströme und für Kurzschlussströme,
FIG 8 ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Kommutierungseinrichtung mit einem gemeinsamen Kommutierungsstromkreis für Betriebsströme und für Kurz- Schlussströme,
FIG 9 eine erste vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises von FIG 8,
FIG 10 eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung eines Kommutierungsstromkreises von FIG 8 und FIG 11 ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung mit einem Vakuumschalter mit drei Schaltpolen und einer Kommutierungseinrichtung für einen der Pole und einer Kommutierungseinrichtung gemeinsam für die anderen beiden Pole.
Ein in FIG 1 gezeigtes elektrisches Gleichstromnetz 1 eines
Unterwasserfahrzeuges besteht aus zwei Teilnetzen 2, 3, die über eine Netzkupplung 4 miteinander verbindbar sind. Das
Gleichstromnetz 1 weist Batterien 5 und Generatoren 6 als Gleichstromquellen und einen Fahrmotor 7 (z.B. einen DC-Motor oder einen DC-gespeisten Motor) mit zwei Wicklungssystemen 8 zum Antrieb eines Propellers 9 des Unterwasserfahrzeuges so- wie ein nicht näher dargestelltes Bordnetz als elektrische Verbraucher auf.
Die einzelnen Komponenten des Gleichstromnetzes sind über Schalter 10, 10', 11, 11', 12, 12', 13, miteinander verbunden. Durch die Schalter können hierbei Ströme unterschiedlicher Richtung und Größe fließen. Wird beispielsweise im Fahrbetrieb des Unterwasserfahrzeuges der Fahrmotor 7 durch die Batterien 5 gespeist, fließt ein Betriebsstrom INF von einer Batterie 5 durch den Batterieschalter 10 zum Fahrmotor 7.
Wenn dagegen im Ladebetrieb die Batterien 5 durch die Generatoren 6 aufgeladen werden, fließt ein Ladestrom INL von einem Generator 6 durch den Batterieschalter 10 in die Batterie 5. Der Betriebsstrom INF und der Ladestrom INL sind im Batterie- Schalter 10 entgegengesetzt gerichtet.
Liegt in einem ersten Kurzschlussfall KfI ein Kurzschluss in dem von dem ersten Teilnetz 2 gespeisten Wicklungssystem 8 des Fahrmotors 7 vor, fließt ein Kurzschlussstrom IKFi von der Batterie 5 über den Batterieschalter 10 in den Fahrmotor 7. Liegt dagegen in einem zweiten Kurzschlussfall Kf2 ein Kurzschluss in der Batterie 5 vor, so fließt ein Kurzschlussstrom IKF2 von dem Generator 6 über den Batterieschalter 10 in die Batterie 5. Die Kurzschlussströme IKFI und IKF2 sind hierbei im Batterieschalter 10 entgegengesetzt gerichtet.
Die Batterieschalter 10, 10' haben somit Ströme unterschiedlicher Richtung und Größe abzuschalten. Auch im Fall des Netzkupplungsschalters 13 sind Ströme unterschiedlicher Rich- tung und Größe abzuschalten, da über den Netzkupplungsschalter 13 sowohl Betriebsströme als auch Kurzschlussströme entweder von dem Teilnetz 1 in das Teilnetz 2 oder von dem Teilnetz 2 in das Teilnetz 1 fließen können.
Die Schalter 10, 10', 11, 11', 12, 12', 13 sind als Vakuumschalter ausgebildet und jeweils Bestandteil einer Abschalteinrichtung, die - wie im Zusammenhang mit den FIG 2 - 11 erläutert, zusätzlich noch eine Kommutierungseinrichtung zur Löschung eines Lichtbogens in dem Vakuumschalter aufweist. Die beiden Batterieschalter 10, 10', die beiden Generatorschalter 11, 11' bzw. die beiden Fahrmotorschalter 12, 12' eines Teilnetzes 2, 3 müssen hierbei nicht zwangsläufig je- weils separate Schalter sein, sondern können auch mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Vakuumschalters sein, d.h. die beiden Batterieschalter 10, 10' sind mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Batterieschalters, die beiden Generatorschalter 11, 11' sind mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Generatorschalters und die beiden Fahrmotorschalter 12, 12' sind mechanisch miteinander gekoppelte Pole eines zwei- oder dreipoligen Fahrmotorschalters.
FIG 2 zeigt in einer besonders vereinfachten Darstellung ein Teilnetz 20 des in FIG 1 dargestellten Gleichstromnetzes 1. Das Teilnetz 20 weist eine Gleichstromquelle 21, einen elektrischen Verbraucher 22 und eine Abschalteinrichtung 23 zur Abschaltung eines zwischen der Gleichstromquelle 21 und dem Verbraucher 22 fließenden Stromes auf. Die Abschalteinrichtung 23 weist einen zwischen die Gleichstromquelle 21 und den Verbraucher 22 geschalteten Vakuumschalter 24 sowie eine parallel zu dem Vakuumschalter 24 geschaltete Kommutierungseinrichtung 25 auf.
Durch die Kommutierungseinrichtung 25 ist ein Lichtbogen in dem Vakuumschalter 24 löschbar, der beim Öffnen des Schalters 24 durch Strom erzeugt wird, der durch den Schalter 24 fließt. Die Kommutierungseinrichtung 25 ist hierbei derart ausgebildet ist, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Richtung erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Die Kommutierungseinrichtung 25 löscht einen Lichtbogen durch Erzeugung eines Gegenstromes und Beaufschlagung des Vakuumschalters mit diesem Gegenstrom, d.h. eines Stromes, der ent- gegengesetzt zu dem durch den Lichtbogen fließenden Strom gerichtet ist, und der den im Lichtbogen fließenden Strom kompensiert oder zumindest soweit vermindert, dass der Lichtbogen zum Erlöschen kommt. Zur Erzeugung des Gegenstromes weist die Kommutierungseinrichtung 25 einen oder mehrere geschaltete Kommutierungsstromkreise 26 auf (siehe auch FIG 5) .
Die Kommutierungseinrichtung 25 kann hierbei - wie in FIG 3 dargestellt - für jede der unterschiedlichen Stromrichtungen einen jeweils eigenen Kommutierungsstromkreis 26 aufweisen. Die beiden Kommutierungsstromkreise 26 können hierbei an sich gleich aufgebaut, aber mit unterschiedlicher Polarität dem Vakuumschalter 24 zuschaltbar sein.
Die Kommutierungseinrichtung 25 kann aber auch - wie in FIG 4 dargestellt - einen für die unterschiedlichen Stromrichtungen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26 aufweisen, der mittels einer Umschalteinrichtung 27 für die unterschiedlichen Strom- richtungen mit jeweils unterschiedlicher Polarität dem Vakuumschalter 24 parallel zuschaltbar ist. Die Umschalteinrichtung 27 zur Änderung der Polarität des Kommutierungsstroms kann dabei sowohl als elektromechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigter mechanischer Umschalter ausgeführt sein oder auch als Brückenschaltung von Hochleistungshalbleiterschaltern wie z. B. Hochstrom-belastbaren Thyristoren.
In beiden Fällen weist die Abschalteinrichtung 23 eine Einrichtung 28 zur Bestimmung der Richtung des durch den Schal- ter 24 fließenden Stromes auf. Die Einrichtung 28 steuert mittels einer oder mehrere Steuerleitungen 29 die Kommutierungsstromkreise 26 (siehe FIG 3) bzw. die Umschalteinrichtung 27 (siehe FIG 4) in Abhängigkeit von der Richtung des durch den Schalter 24 fließenden Stromes.
Ein Kommutierungsstromkreis 26 selbst weist hierbei bevorzugt - wie in FIG 5 dargestellt - einen Hochleistungshalbleiterschalter 30 für hohe Impulsströme, z.B. einen Thyristor, einen Kondensator 31, eine Ladevorrichtung 32 zur Aufladung des Kondensators 31 und eine Zündvorrichtung 33 zur Zündung des Hochleistungshalbleiterschalters 30 auf. Bei einer in FIG 6 gezeigten Abschalteinrichtung mit erhöhter Abschaltsicherheit weist der Vakuumschalter 24 zwei mechanisch miteinander gekoppelte Schaltpole (d.h. Schaltstrecken) 24a, 24b auf, wobei der Schaltpol 24a in einen Stromzweig 42 vom Pluspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 und der Schaltpol 24b in einen Stromzweig 43 vom Minuspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 geschaltet ist, und wobei die Abschalteinrichtung 23 jeweils eine eigene Kommutierungseinrichtung 25 für jeden der beiden Schaltpole 24a, 24b aufweist. Jede der beiden Kommutierungseinrichtungen 25 weist hierzu jeweils zwei Kommutierungsstromkreise 26 für die unterschiedlichen Stromrichtungen durch die Schaltpole 24a, 24b auf.
Wie in FIG 7 dargestellt, kann eine Kommutierungseinrichtung 25 zusätzlich noch derart ausgebildet sein, dass durch sie von Schalterströmen unterschiedlicher Größe erzeugte Lichtbögen löschbar sind. Hierdurch kann die Abschaltsicherheit noch weiter erhöht werden. Die Kommutierungseinrichtung 25 weist hierzu einen Kommutierungsstromkreis 26a für die Erzeugung von Gegenströmen zur Löschung von Lichtbögen, die von sehr hohen Kurzschlussströmen erzeugt werden, und einen Kommutierungsstromkreis 26b für die Erzeugung von Gegenströmen zur Löschung von Lichtbögen, die von relativ niedrigen Betriebs- strömen erzeugt werden, auf. Mittels einer Umschalteinrichtung 40 kann gezielt einer der beiden Kommutierungsstromkreise 26a, 26b parallel dem Schalter 24 zugeschaltet werden. Durch die Kommutierungseinrichtung 25 sind somit Gegenströme unterschiedlicher Größe erzeugbar und der Vakuumschalter 24 mit diesen Gegenströmen beaufschlagbar.
Die Abschalteinrichtung 23 weist außerdem eine Einrichtung 41 zur Bestimmung der Größe des durch den Vakuumschalter fließenden Stromes auf. Diese ermöglicht es, bei unbestimmter Größe des Stromes durch den Schalter die Größe des tatsächlich zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Schalter fließenden Stromes zu bestimmen und in Abhängigkeit von der Stromgröße die Umschalteinrichtung 40 derart anzusteuern, dass diese gezielt den für die Lichtbogenlöschung bei dieser Stromgröße vorgesehenen Kommutierungsstromkreis 26a oder 26b parallel dem Schalter 24 zuschaltet und bei diesem Kommutierungsstromkreis die Erzeugung des Gegenstromes auslöst.
Alternativ kann gemäß FIG 8 die Kommutierungseinrichtung 25 auch einen gemeinsamen Kommutierungsstromkreis 26c sowohl für die Abschaltung von Betriebsströmen als auch für die Abschaltung von Kurzschlussströmen aufweisen, wobei in dem gemeinsa- men Kommutierungsstromkreis 26c für die Abschaltung von Betriebsströmen und für die Abschaltung von Kurzschlussströmen jeweils unterschiedlich große Gegenströme erzeugbar sind.
Gemäß einer in FIG 9 gezeigten besonders vorteilhaften Aus- gestaltung des Kommutierungsstromkreises 26c wird der Kondensator 31 mittels einer Ladevorrichtung 32 immer auf den maximal zu erwartenden und abzuschaltenden Kurzschlussstrom aufgeladen, jedoch bei Eintreten eines Kurzschlusses oder bei einer geforderten normalen Abschaltung durch eine zum Konden- sator 31 parallel geschaltete Entladevorrichtung 34 kurz vor Auslösen eines Kommutierungsstromimpulses gezielt soweit entladen, dass der resultierende Kommutierungsstrom eine gerade ausreichende Amplitude und Zeitdauer aufweist, um den Schaltlichtbogen im Vakuumschalter 24 zu löschen. Über die Einrich- tung 41 zur Bestimmung der Größe des durch den Vakuumschalter fließenden Stromes wird dabei die Amplitude des erwarteten, abzuschaltenden Stroms sowie der optimale Zeitpunkt für die Auslösung von Vakuumschalter 24 und Kommutierungseinrichtung 25 bestimmt.
Die Entladevorrichtung 34 besteht in vorteilhafter Weise aus der Serienschaltung eines Halbleiterschalters 35, wie z. B. einem IGBT, IGCT oder Thyristors, und einem Lastwiderstand 36, welcher die zu entladende Energie aufnimmt. Der Zeit- punkt, zu dem die Entladevorrichtung 34 ausgelöst wird, wird dabei von der Einrichtung 41 durch elektronische Maßnahmen, z. B. eine Mikroprozessorsteuerung, so berechnet, dass zum Zeitpunkt der Auslösung des Kommutierungsstromimpulses der dafür benötigte Ladungszustand des Impulskondensators 31 genau erreicht wird. Auf diese Weise ist es möglich, Betriebsströme und Kurzschlussströme unterschiedlichster Amplituden mit nur einem einzigen Kommutierungsstromkreis 26c abzuschal- ten .
Alternativ kann - wie in FIG 10 gezeigt - der Kondensator 31 auch erst bei Eintreten eines Kurzschlussfalls oder einer geforderten Normalabschaltung auf das jeweils geforderte Niveau aufgeladen werden; hierzu ist ein ständig im Leerlauf bereitstehendes Kondensatorladegerät 37 vorgesehen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine nur geringe elektrische Dauerbelastbarkeit aufweist, jedoch eine sehr hohe Kurzzeitbelastbarkeit sowie eine elektronisch einstellbare Amplitude und vorzugsweise auch Polarität.
Für niedrigere Kurzschlussströme und Betriebsströme wird der Ladevorgang durch die Einrichtung 41 entsprechend frühzeitig abgebrochen. Die benötigte Polarität wird ebenfalls von der Einrichtung 41 erkannt und dem Ladegerät 37 übermittelt, so dass der Kondensator 31 mit der entsprechenden Polarität aufgeladen wird.
Diese Schaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn auf gerin- ges Gewicht und Bauvolumen der Abschalteinrichtung Wert gelegt wird; für die Leistungshalbleiter des geschalteten Kommutierungsstromkreises wird dabei keine Vollbrückenschaltung, sondern nur eine Parallelschaltung 44 von zwei Leistungshalbleitern benötigt, wobei der jeweils der geforderten Polarität entsprechende Halbleiter von der Einrichtung 41 zur Erzeugung eines Kommutierungsimpulses angesteuert wird. Alternativ können auch immer beide Halbleiter simultan angesteuert werden, so dass auch ein gegebenenfalls die Polarität wechselnder Kommutierungsstrom vom jeweiligen anderen Halbleiterschalter getragen wird; dadurch werden antiparallele Freilaufdioden nicht mehr benötigt, was hinsichtlich Kosten, Baugröße und Gewicht von besonders großem Vorteil ist. Weiterhin hat diese Schaltung den Vorteil, dass der Kondensator 31 immer nur kurzzeitig mit Spannung beaufschlagt wird, wodurch derselbe erheblich kompakter und leichter gebaut werden kann. Dies liegt insbesondere an der Tatsache, dass bei mit Gleichspannung belasteten Kondensatoren das Dielektrikum für eine niedrige Fehlerrate erheblich dicker dimensioniert werden muss als bei Kondensatoren, welche nur mit Impulsspannungen beaufschlagt werden.
Eine in FIG 11 gezeigte Abschalteinrichtung 23 weist einen
Vakuumschalter 24 mit drei mechanisch miteinander gekoppelten Schaltpolen 24a, 24b, 24c auf, wobei der Schaltpol 24a in einen Stromzweig 42 vom Pluspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 und die Schaltpole 24b und 24c in Reihe in ei- nen Stromzweig 43 vom Minuspol der Gleichstromquelle 21 zu dem Verbraucher 22 geschaltet sind, und wobei die Abschalteinrichtung 23 eine Kommutierungseinrichtung 25 für den Schaltpol 24a und eine Kommutierungseinrichtung 25 gemeinsam für die beiden Schaltpole 24b und 24c aufweist. Jede der bei- den Kommutierungseinrichtungen 25 weist hierzu für jede der beiden Stromrichtungen jeweils einen Kommutierungsstromkreis 26a für die Löschung von Lichtbögen, die von Kurzschlussströmen erzeugt werden, und einen Kommutierungsstromkreis 26b für die Löschung von Lichtbögen, die von Betriebsströmen erzeugt werden. Alternativ kann statt zweier Kommutierungsstromkreise 26a und 26b für Kurzschluss- und Betriebsstrom auch ein gemeinsamer Kommutierungsstromkreis 26c gemäß FIG 8 - 10 vorgesehen werden.
Eine Steuereinrichtung 45 übernimmt die Funktion der Einrichtung 28 von FIG 4 und der Einrichtung 41 von FIG 7 und bestimmt die Größe und Richtung des Stromes durch den Vakuumschalter 24, ermittelt die für die Lichtbogenlöschung benötigte Größe und Polarität des Gegenstromes und steuert in Ab- hängigkeit davon über nicht näher dargestellte Steuerleitungen gezielt den oder die für die Erzeugung dieses Gegenstromes notwendigen Kommutierungsstromkreise sowie ggf. vorhandene Lade-/Entladevorrichtungen und Umschalteinrichtungen an. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Abschalteinrichtung 23 ist eine besonders hohe Abschaltsicherheit erzielbar. Falls sich hinsichtlich der Betriebsströme größere Unterschiede ergeben, kann es sinnvoll sein, zur weiteren Erhöhung der Abschaltsicherheit noch weitere Kommutierungsstromkreise vorzusehen .

Claims

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