WO2013131581A1 - Vorrichtung zum schalten eines gleichstroms in einem pol eines gleichspannungsnetzes - Google Patents

Vorrichtung zum schalten eines gleichstroms in einem pol eines gleichspannungsnetzes Download PDF

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WO2013131581A1
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branch
current
power semiconductor
switches
power
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PCT/EP2012/054137
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Dominik ERGIN
Herbert Gambach
Hans-Joachim Knaak
Andreas Philipp
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H01H2009/544—Contacts shunted by static switch means the static switching means being an insulated gate bipolar transistor, e.g. IGBT, Darlington configuration of FET and bipolar transistor

Definitions

  • the invention relates to a device for switching a direct current in a pole of a DC voltage branch.
  • WO 2011/057675 AI a DC voltage switch is described which has an operating current path with a mechanical switch and a Abschaltzweig which is connected in parallel to the operating current path.
  • Abschaltzweig a series circuit of power semiconductor switches is arranged, each of which a freewheeling diode is connected in parallel paral ⁇ lel.
  • the consisting of power semiconductor switch and freewheeling diode switching units are arranged antiserially, the turn-off cruschleiterschal ⁇ ter are arranged in series and for each hoschlei ⁇ terschalter a corresponding power semiconductor switch is provided with opposite passage direction. On this way, the current can be interrupted in both directions in Abschaltzweig.
  • the operating current path is in addition to the mechanical switch and an electronic
  • Auxiliary switch arranged in series with the mechanical switch.
  • the current flows through the operating current path and thus via the electronic auxiliary switch and via the closed mechanical switch, since the power semiconductor switches of the turn-off branch represent an increased resistance for the direct current.
  • the electronic auxiliary switch is transferred to its disconnected position.
  • the fast me ⁇ chanic circuit breaker can therefore be opened normally.
  • the short-circuit current conducted via the turn-off branch can be interrupted by the power semiconductor switches.
  • absorbers are provided, which are each connected in parallel to the power semiconductor switches of the turn-off branch.
  • US Pat. No. 5,999,388 describes a DC power switch which is connected in series to a DC power line. can be tegrierbar. It consists of a series connection of power semiconductor switches which can be switched on and off, to each of which an opposite freewheeling diode is connected in parallel. Wei ⁇ terhin is parallel to each power semiconductor switch a Abieiter, for example, a varistor, connected to the voltage limit.
  • the previously known DC voltage switch is designed purely electronic and thus switches considerably faster compared to commercially available mechanical switches. Within a few microseconds, a short circuit current flowing via the DC voltage switch can be interrupted. The disadvantage, however, is that the operating current must also be conducted via the power semiconductor switches. This results in high transmission losses.
  • WO 2011/141055 discloses a DC voltage switch which can be serially connected in one pole of a high voltage direct current network.
  • the DC voltage switch consists of a mechanical switch in series with a power semiconductor switch, to which an opposite free-wheeling diode is connected in parallel again.
  • Parallel to the series circuit of power semiconductor switch and mechanical switch a series circuit of coil and capacitor, ie an LC branch and a Abieiter, connected, which limits the voltage drop across the LC branch voltage.
  • the power semiconductor switch a Abieiter is connected in parallel.
  • the object of the invention is to provide a device of the aforementioned type, can be turned off reliably and inexpensively with the fault currents in a DC voltage network, while at the same time clotting ⁇ ge losses incurred in normal operation.
  • the invention achieves this object by a device for switching a direct current to a pole of a direct voltage network having two terminals for serial connection with the pole, a is réellere- between terminals-bridging main current path, in which two mechanical switches at ⁇ sorted, an in Parallel circuit to the main current branch between the terminals extending Maustromzweig, in which also two mechanical switches and / or two power semiconductors are arranged, a middle branch, arranged between the mechanical switches middle branch potential point of the main current path with a arranged between the mechanical switches or the power semiconductors Middle branch potential point of the Maustromzweiges connects to each other and having a power switching unit comprising a series circuit of apprispo ⁇ ligen submodules each having at least one buttergur ⁇ conductor switch and means for Ab Having
  • a so-called H-rge- circuit provides that, NaEM ⁇ Lich, has two mutually parallel branches of a main current path and a bypass branch on ⁇ .
  • the two parallel branches each extend between the two terminals, each of said branches having two mechanical switches.
  • the potential point between the mechanical switches of the main current branch is connected to the potential point between the two mechanical switches or between the power semiconductor switches of the bypass branch via a central branch.
  • a power switching unit is arranged, which in turn comprises a series connection of two-pole sub ⁇ modules.
  • Each submodule has at least one power semiconductor switch which can be switched on and off, ie IGBT, IGCT, GTO or the like, if necessary with each opposite parallel freewheeling diode.
  • reverse conductive power semiconductor switches can be used.
  • the number of submodules depends on the respective requirements. In any case, the submodules of the power switching unit must be able to absorb the anlie ⁇ ing voltages and also switch off high short-circuit currents safely and quickly enough.
  • the stored the direct voltage network and released during turn-off energy is reduced by appropriate means of reducing switching ⁇ energy. This is, for example, nonlinear resistors, for example, Abieiter, Va ⁇ varistors or the like. If the voltage dropped across them exceeds a threshold voltage, these components behave as ohmic resistors, converting the energy released during switching into thermal energy and releasing it to the outside atmosphere.
  • the means for breaking down the switching energy are integrated into the submodules. Notwithstanding this, the non-linear resistors are sorted ⁇ wells connected to one or more sub-modules in parallel.
  • the submodules can also have energy storage in the invention.
  • the DC to be switched can in the context of the invention in normal operation over the
  • the direct current is conducted both via the main current branch and the secondary branch.
  • the light ⁇ H-circuit, for commutating the direct current as in the middle branch that it is always guided irrespective of the direction of the DC current in one direction only over the center branch.
  • the power semiconductors of the power switching unit must therefore be designed basically only for switching currents in one direction. Countercurrents in the middle branch may, however, have to be taken into account in the case of possible network oscillations.
  • commutation means are furthermore provided which have at least one controllable power semiconductor. Due to the commutation means it has become possible within the scope of the invention to switch the commutation of the to actively start the DC current at least from a portion of the main ⁇ current branch in the central branch.
  • the power semiconductor of the commutation means is controlled by means of a control signal so that either the resistance in the said section of the
  • the commutation support the mechanical scarf ⁇ ter in the commutation of the direct current in the central branch.
  • a charging branch which on the one hand ⁇ verbun ⁇ with the ground potential or with an opposite pole to the pole of the DC voltage network ⁇ is the other hand connected or connectable to the central branch, wherein the charging branch has an ohmic resistance.
  • the load branch is used both for commissioning ⁇ acquisition as well as for operating the device in Normalbe- drive. If the load branch connected for example to the Mittelzweigpo ⁇ tenzial Vietnamese of the bypass branch, the main current path through the central branch and the charging branch is entwe ⁇ connected to said ground potential or the opposite pole of the DC clamping ⁇ voltage network.
  • a voltage is applied to the power switching unit, which voltage can be used, for example, for the operation of the electronics of the power semiconductor switches of the power switching unit.
  • the load branch is within the scope of the invention entwe ⁇ the continuously connected to the middle branch or it has a mechanical switch that can be manufactured with which the connection between loading branch and branch and means un- interrupted again. Only due to the ohmic resistance, it is possible to establish the connection between the load branch and branch means for fault-free operation continually ready ⁇ . It is also not necessary within the scope of the invention. to separate the charging circuit prior to disabling a Kurzröstro ⁇ mes from the central branch dig. The flow of current is always limited in the invention by the ohmic resistance of the charging branch.
  • the power semiconductor switch of the power switching unit can then interrupt the short-circuit current.
  • the energy released in this process is reduced by the means for reducing the energy released during switching.
  • the remaining mechanical switches open the device according to the invention.
  • the short-circuit current is interrupted, the middle branch is galvanically isolated from the lines.
  • the resistance of the charging branch is interpreted as high impedance that he at least temporarily at the full occurring
  • DC voltage are operated at the same time and so low that the charge current required for pre-charging and permanent receipt of the charge of the energy storage can flow.
  • a voltage drop of a few kilovolts is sufficient.
  • the Wi ⁇ resistance of the charging branch can therefore be designed very high impedance become. The maximum power loss and the size of the ohmic resistance are therefore relatively low.
  • the charging branch is expediently connected or connectable to the middle branch potential point of the bypass branch.
  • the charging current flows from the main current branch over the entire central branch. All arranged in the central branch energy storage can thus be charged when in the current flow direction first mechanical switch of the main flow branch is in sei ⁇ ner closed position.
  • the charging branch has a mechanical switch in series connection to the ohmic resistance, which is set up to connect the charging branch to the central branch.
  • the mechanical switch may be a relatively slow mechanical switch because of the ohmic resistance.
  • the switch is, for example, a simple disconnector that opens almost without power.
  • the resistance of the charging branch which can also be referred to as a pre-charge, thermally relieved.
  • each submodule may also include a single reverse conducting power semiconductor switch.
  • Suitable power semiconductor switches include, for example, IGBTs, IGCTs, GTOs or the like.
  • a power semiconductor switch ⁇ several arranged in a housing power semiconductors switch chips.
  • IGBTs IGBTs
  • IGCTs IGCTs
  • GTOs GTOs
  • pressure-contacted power semiconductor switches can also be used within the scope of the invention, in which the power semiconductor switches chip on the load connection side via a pressure contact connected with each other.
  • such power semiconductor switches are known to the person skilled in the art, so that their design need not be discussed in more detail here.
  • the power semiconductor switches of the submodules that can be switched on and off are preferably designed to switch off currents in one direction.
  • the submodules of the power switching unit form two groups, each with the same oriented transmission directions of their power semiconductor switches , wherein the power semiconductor switches of one group are oriented opposite to the power semiconductor switches ⁇ the other group.
  • the current can flow not only in both current directions via the turn-off branch, but also currents can be switched off safely in both directions.
  • the sub-modules of the power switching unit at least partially depending Weil an energy storage and parallel to the power ⁇ memory connected series circuit of two switched on and off power semiconductor switches, each with an oppositely arranged parallel thereto freewheeling diode, wherein a submodule connection terminal with a potential point between tern incoming and turn-off power semiconductor saddle and the other terminal connected to one pole of the Ener ⁇ gieiquess.
  • a submodule topology is also called a half bridge.
  • a submodule instead of a single power semiconductor switch and a synchronously angesteu ⁇ th series circuit of power semiconductor switches are used.
  • the synchronously driven power semiconductor switches of the series circuit then behave exactly like a single power semiconductor switch. Incidentally, this also applies to the submodules described in greater detail below, that is also to the full bridge circuit or the brake divider circuit.
  • the power switching unit For dissipating a free during the switching energy that is stored in the direct voltage network, the power switching unit, a nonlinear resistor Wi ⁇ example in the form of a Abieiters and / or a varistor are provided at least for each submodule.
  • the non-linear resistor is, for example, connected in parallel with the entire submodule.
  • Submodules of the power switching unit which are designed as half bridges, can interrupt the current in only one direction. If the current flow in two directions is interrupted, the formation of two groups of submodules is also required here, wherein the submodules of the one group for the interruption of the current in a first direction and the submodules of the other group for the interruption of the current in serve a second direction opposite to the first direction.
  • the submodules of the power switching unit are at least partially designed as a full bridge circuit and therefore have an energy storage and two series-connected parallel to the energy storage series circuits each with two switched on and off power semiconductor switches each with oppositely parallel freewheeling diodes, wherein a first An - Termination terminal with the potential point between the two
  • Power semiconductor switches of the first series circuit and a second submodule connection terminal with the potential point between the two power semiconductor switches of the second Series connection is connected.
  • Such a full-bridge circuit is capable of interrupting currents in both directions, in other words switching them off.
  • each submodule of the Leis ⁇ tung switching unit conveniently carried out either as the only one and the turn-off power semiconductor switches, or in parallel with the energy storage of the submodule to a Abieiter and / or a varistor in parallel.
  • the submodules of the power switching ⁇ unit a series circuit of a switched on and off power semiconductor switch with opposite freewheeling diode and a diode having the same forward direction as the freewheeling diode, wherein the series circuit is connected in parallel to an energy store and a first Submo- dulan gleichklemme with the potential point between the on and turn-off power semiconductor switch and the diode and the other Submodulan gleichklemme connected to one pole of the energy store and which is arranged on and turn-off Leis ⁇ semiconductor switch between the Submodulan gleichklemmen.
  • Such a submodule can be referred to as a half bridge with only one controllable power semiconductor.
  • a corresponding embodiment of the full bridge circuit may also be advantageous within the scope of the invention.
  • Such a full-bridge circuit would have then two controllable Leis ⁇ semiconductor switch.
  • the submodules of the power switching unit are at least partially designed as a brake actuator modules.
  • brake actuator modules have an energy store, to which a first series circuit is connected in parallel.
  • the first series circuit consisting of a single and abschaltba ⁇ ren power semiconductor switches with opposite directions parallel freewheeling diode and a same direction as the freewheeling diode orien ⁇ oriented diode.
  • a second series circuit is provided, which is also connected in parallel to the energy store.
  • the second series circuit consists of a switched on and off power semiconductor switch with oppositely parallel freewheeling diode and another oriented in the same direction to the freewheeling diode.
  • the diode of the two ⁇ th series circuit bypasses a resistor.
  • the first submodule connection terminal is connected to one pole of the energy ⁇ memory and the second submodule connection terminal to the Po ⁇ potential point between the turn-off power semiconductor switch and the diode of the first series circuit.
  • brake actuator modules can convert the energy stored in the network and degraded during switching particularly well into thermal energy and dissipate it to the outside atmosphere.
  • the commutator means are in the central branch in series with the power switching unit ⁇ arranged and configured to generate an over at least one of the me chanical ⁇ switch Haupstromzweigs flowing circuit current which is opposite to that to be switched direct current.
  • a circular flow may be generated in both meshes to the left and right of the central branch, each mesh being formed by the central branch, a portion of the skin and a portion of the secondary flow path. In one mesh, it is opposite to the direct current to be switched in the main current branch. Both currents ideally add up to zero so that subsequently the mechanical switch in the said section of the main flow branch can open normally.
  • DC current switch can only be influenced if at least one mechanical switch of the main current branch is open and a flow of the the direct current via the bypass branch either by ei ⁇ nen also open mechanical switch or a diode is prevented.
  • the commutator means are designed from ⁇ that they produce such a high reverse voltage in the benö- preferential time slot in the stating mesh, that the current flow is suppressed in the main current branch and the downstream mechanical switches normally ge the central ⁇ branch potential point of the main current branch in the flow direction of the DC current ⁇ can be opened.
  • the commutation means have a current sensor, which is arranged in the main current branch .
  • the current ⁇ sensor is connected to a control or regulation unit of the device according to the invention.
  • the current sensor detects the current flowing through the main current branch and provides current measurements for the control unit.
  • the control unit checks the received current measured values for the presence of an intervention criterion.
  • an intervention criterion is reached a ⁇ for example, rose to great Stroman-, di / dt, or is present when the measured current values exceed a current threshold over a predetermined time ⁇ window of time. Basically, however, any linkages with further measured values of protective devices or the like or further criteria within the scope of the invention are possible.
  • the current is commutated into the central branch and the mechanical switch (s) is opened.
  • Switch voltage can absorb the now flowing over the central branch current is limited or switched off. If the power in the central branch only limited but not turned off, only a few submodules of the power switching ⁇ unit are turned off. If a non-linear resistor such as a drain is connected in parallel to the switched-off submodules, this unfolds its effect of resisting the electrical resistance of the central branch. The current flowing over the central branch is therefore limited. If the limitation, for example, after the rapid elimination of a disturbance, has become superfluous, NEN the mechanical switches of the main flow branches are closed again, so that the current flows almost lossless again over the main branch and, if necessary, branch branch.
  • the charging branch is connected with the potential point between power ⁇ switching unit and the Kommut istsstoffn.
  • the charge branch between the commutation means and the power switching unit makes it possible to use parts of the secondary current branch for the charging current for charging the energy stores of the commutation means.
  • This is advantageous in particular ⁇ sondere when the commutating Submo- modules have, which are designed as so-called half-bridge.
  • the commutation form a series connection of two-pole submodules, each submodule has a Energyspei ⁇ cher and a power semiconductor switch in parallel with the energy storage.
  • the falling of the voltage of the two-pole Submodulan gleichklemmen submodule is adjustable. Either the voltage dropping across the energy store is applied to the submodule connection terminals or a zero voltage, ie no voltage. Therefore, due to the series circuit, the voltage dropped across the entire series connection of the submodules of the commutating voltage can be gradually turned ⁇ represents, wherein the height of the steps of dropping at the energy storage ⁇ a submodule voltage. The higher the voltage generated in said loop by the Kommuttechniksmit ⁇ tel is, the higher is the driven by this voltage circuit current.
  • the design of the power semiconductor circuit of the commutator, as already described in conjunction with the Sub ⁇ modules of the power switching unit, either a half-bridge or a full bridge circuit to be. is the power semiconductor circuit is a half-bridge circuit, only a series circuit of two turn-off power semiconductor switches is provided with oppositely paralle ler freewheeling diode, wherein a first Submodulan- circuit terminal with the potential point between the on and off power semiconductor switches and another submodule connection terminal is connected to a pole of the energy storage.
  • the submodules of the commutation means designed as a half-bridge circuit must be oriented in such a way that a countervoltage with the desired polarity can be generated in the operating current path. This is usually the case when the half-bridge circuits of the commutation are oriented opposite to the half-bridge ⁇ circuits of the submodules of the power switching unit.
  • the power semiconductor circuit of the submodules of the commutation is formed together with the energy ⁇ memory as a full bridge circuit, wherein, as already been described above, two series circuits are provided.
  • the two series circuits are connected in parallel to the energy store and each have two switched on and off power semiconductor switches, each with ge ⁇ gensinnig parallel freewheeling diode.
  • power semi ⁇ conductor switch with freewheeling diode and reverse leit ⁇ enabled power semiconductor switches can be used.
  • the pole point between the two power semiconductor switches is in each case connected to a submodule connection terminal, so that either the voltage dropping across the energy store, a zero voltage or else the inverse energy storage voltage can be generated at the submodule connection terminals.
  • the full bridge circuit can thus generate voltages having different polarities. These are particularly advantageous when countervailing currents are to be generated for currents in both directions.
  • the commutation means are designed as Kommut réelle profleiter ⁇ switch, which are arranged in the main flow branch.
  • the commutation semiconductor switches like the other power semiconductor switches, can be switched on and off and, if necessary, have a freewheeling diode which runs in parallel in opposite directions.
  • the power semiconductor scarf ⁇ tern a Abieiter, a varistor or other non-linear resistor can be connected in parallel.
  • Energy ⁇ memory such as capacitors or the like can be used to reduce energy.
  • the commutation ⁇ semiconductor switches between the potential point of the middle branch, so the center point potential branch of the main current ⁇ branch, and a mechanical switch of the main power branch are arranged.
  • two Kommuttechnik profleiter ⁇ switch with oppositely parallel freewheeling diode and Abieiter if necessary as a means for reducing an energy released during switching provided.
  • a non-linear resistance is not always mandatory and can be omitted within the scope of the invention depending on the requirement.
  • the central branch potential point commutation switch For commutating a current flowing through the main current branch of the current in the central branch of the downstream in the direction of Gleichstromflus ⁇ ses the central branch potential point commutation switch is converted to its breaker position, in which a current flow is interrupted by means of the commutation switch. If the resistance across the main current branch becomes too large, the direct current commutates into the central branch and can be selectively interrupted there after opening the mechanical switch. Simultaneously with the control of the commutation semiconductor switch and the commutation ⁇ semiconductor switch downstream in the direction of current flow mechanical switch is opened. The forward direction of the commutation semiconductor switch is selected so that an associated by means ⁇ potential branch point to the respective mechanical Switch flowing current from the commutation semiconductor switch can be interrupted. In order to interrupt both current directions, the two commutation Halblei ⁇ terschalter according to this embodiment are oriented in opposite directions to each other.
  • the bypass branch also has two commutation Halblei ⁇ terschalter, which are arranged and oriented as the commutation of the main current branch.
  • the current can thus flow both via the main current branch and via the bypass branch. Therefore the Mittelzweigpo ⁇ tenzial Vietnamese of the main current branch are once transferred downstream commutation switches in the main current branch, as well as the Mittelzweigpo ⁇ tenzial gleich of the bypass branch in flow direction vorgela ⁇ siege commutation switches in their respective disconnected position for commutation of the current in the central branch.
  • the secondary flow path can also include power semiconductor instead of two mechanical scarf ⁇ ter, the central branch point potential between said hogurlei ⁇ tern is arranged.
  • the said power semiconductors have an oppositely oriented forward direction and are designed, for example, as diodes or thyristors. They prevent a flow of current through the bypass branch during normal operation.
  • the mechanical switches of the main ⁇ current branch are designed as a fast switch and to open set up within 1 ms to 10 ms.
  • the mechanical switches of the bypass branch for example, are ver ⁇ slow mechanical switches that open in a time range of 10 ms to 60 ms.
  • Such fast switches have a low switching mass, which must be moved when Schal ⁇ th.
  • fast attrac ⁇ -reaching drives for example electrodynamic actuators required.
  • commercially available power semiconductor switches usually turn off in the order of 10 ms to 50 ms.
  • Such commercial switches are arranged for example in the bypass branch. They are opened before the occurrence of a fault, the direction of the direct current to be switched is known.
  • mechanical switches are also known which open within a few milliseconds.
  • the inventive device is also used as modules and thus takes as a bipolar or two-pole construction part in a series circuit use.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the device according to the invention
  • Figure 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention, which has two terminals 2 and 3, with which the device 1 can be connected in series in a pole, so a line of a DC voltage network.
  • the device 1 is used to interrupt a current flow in the pole of the DC network and can thus as
  • the device 1 has a main flow branch 4 and a bypass branch 5.
  • both current paths are equal and white ⁇ sen in other words, the approximately equal electrical resistor on Wi.
  • a DC current flowing between the connection terminals 2 and 3 thus flows both via the main current branch 4 and via the branch current branch 5.
  • Main current path 4 and the bypass branch 5 each have ⁇ wells two mechanical switches 6, 7, and 8. 9 Between the mechanical switches 6 and 7 of the main current branch 4, a middle branch potential point 10 is formed.
  • the middle branch ⁇ potential point 10 is connected via a central ver ⁇ branch 11 with egg ⁇ nem means branch potential point 12 of the bypass branch. 5
  • the middle branch 11 has a power switching unit 13, which has a series connection of submodules 14, the configuration of which will be discussed in more detail later.
  • each of the submodules le 14 has a switched on and turn-off power semiconductor ⁇ state switches, at least, whose conducting direction is oriented from the central branch potential point 10 of the main current branch 4 for With ⁇ telzweigpotenzialpraxis 12 of the bypass branch.
  • 13 flowing streams can be selectively interrupted by the on and off ⁇ switchable power semiconductor switches of the power switching unit 13 in this direction over the switching unit.
  • To absorb the released thereby switching energy resources are used for on ⁇ takeover of the released when switching energy, ie at ⁇ play as non-linear resistors varistors as Abieiter or Va ⁇ .
  • These payloads are either part of the submodules, as shown, or are connected in parallel to one or more submodules.
  • FIG. 1 also shows commutation means 34, whose design will also be discussed in more detail later.
  • the commutator means 34 have in each case at least Wenig ⁇ a mono- and turn-off power semiconductor switch which is figured not shown in FIG. 1
  • the Kom ⁇ mutation means 34 effect with appropriate control of the power semiconductor switch or a commutation of the disconnected direct current in the central branch eleventh
  • the commutating a load branch 15 provided ⁇ see having a resistor 16 as a pre-charge resistor as well as a mechanical switch 17, which is designed here as a disconnector.
  • the loading arm 15 is connected in the ver ⁇ shown in Fi gur 1 embodiment with the ground potential. Notwithstanding this, the charging branch 15, however, with the opposite pole, so for example a negative terminal of a
  • the switch 17 Closing of the switch 17 with the mechanical switch 6 closed, it is possible to tap a voltage dropping across the switched on and off power semiconductor switches to supply power to the electronics of the power semiconductor switches and thus make the power switching unit 13 ready for operation.
  • the height of the charging current is determined by the size of the ohmic resistance 16.
  • the ohmic resistance is designed so that it can be at least temporarily operated at full voltage falling between the pole and the earth potential or the opposite pole from ⁇ .
  • the switch 17 can remain permanently closed with a correspondingly high design of the resistor 16. Deviating from this, it can serve to relieve the ohmic resistance 16, which occurs when the switch 17 opens .
  • Figure 4 shows a further embodiment of the OF INVENTION ⁇ to the invention the device 1, which largely corresponds to the embodiment according to FIG 1, wherein the
  • Switches 8 and 9 between terminal 2 and a branch point 18 between main branch 4 and branch ⁇ branch 5 or between the branch point 19 and the terminal have wandered.
  • Power semiconductors 20 and 21 in the form of diodes are provided in their place in the secondary current branch, which prevent a current from the connection terminal 2 or 3 from flowing directly into the charging branch 15 via the bypass branch 5, without being led via the central branch 11.
  • the switches 8 and 9 between the connection terminals 2 and 3 and the branching points 18 and 19 can basically be dispensed with. However, they allow the controlled turning on a DC voltage ⁇ network section and the galvanic separation of the unit from the DC network.
  • FIGS. 5, 6, 7 and 8 Examples of possible submodules 14 for the device 1 according to the invention are shown in FIGS. 5, 6, 7 and 8.
  • the submodule 14 shown in FIG. 5 has only a single power semiconductor switch 22, which can be switched on and off, with a freewheeling diode 23 connected in parallel in opposite directions.
  • Such a submodule 14 may in the embodiments of the invention according to the figures 1 to 4 only as part of the power switching unit 13, but not as part of Commutation serve 34, since they must have an energy storage in an arrangement in the central branch 11 to produce a circular current.
  • the parallel connection of power semiconductor switch 23 and freewheeling diode is connected in parallel to an arrester 24, which receives the switching energy released during switching.
  • the arrester 24 is thus a means for receiving the energy released during switching.
  • the number of submodules 14 in the power switching unit 13 depends on the blocking capability of the power semiconductor switches 22, in this case IGBTs. This is currently in the range of up to 6.5 kV.
  • the voltage in high-voltage direct current networks, which are currently designed almost exclusively as point-to-point connections, is usually between 300 and 500 kV. Also 800kV transmission lines are known.
  • the arrester 24 are dimensioned so that they lock together with applied operating voltage, so are not conductive.
  • the number of series-connected arresters 24 corresponds to the number of non-conductive, ie interrupted, submodules. If, therefore, submodules 14 are not transferred to their interruption position, a current flow of controlled size can be determined via the arresters. This serves, for example, for the controlled connection of a network section.
  • the half-bridge consists of a Energyspei cher ⁇ 25, here a high-voltage capacitor, and a Series circuit 26, which is connected in parallel to the energy storage 25.
  • the series circuit 26 has two in series to ⁇ switched on and disconnected bath endeavourlei ⁇ terschalter in the form of IGBTs 22, which in each case a freewheeling diode 23 is connected in parallel opposite directions.
  • a first terminal 27 is connected to the potential point between the two power semiconductor switches 22 of the series circuit 26.
  • the second terminal 28 is at the potential of one of the poles of the energy storage 25.
  • a bridging switch 29 is provided with which the submodule 14 can be bridged in case of failure.
  • the entire power switching unit 13 remains functional.
  • a diode 30 is arranged between the submount connection terminals 27 and 28. This supports the freewheeling diode 23, which is likewise arranged between the submodule connection terminals 27 and 28, in the case of high currents which flow via the submodule 14.
  • a thyristor can also be used.
  • the submodule 14 used for example in a Leis ⁇ tung switching unit 13 to switch off the current flowing through the branch 11 means current can be eliminated without replacement, the diode 30 or an inserted instead of the diode thyristor.
  • the diode 30 in the present invention also tikkon- lactated power semiconductors can be used with a so-called "Conduct on Fail" property that become conductive so in error ⁇ case. This would make the diode 30 dispensable usually
  • the half bridge has also again a Abieiter 24 which is connected in parallel to the energy accumulator 25.
  • this Abieiter 24 again serves to accommodate In the case of an embodiment deviating from FIG. 6, the collector 24 is between the submodule terminals 27 and 28 arranged.
  • the half-bridge circuit according to FIG. 6 can interrupt the current flow only from the first submodule connection terminal 27 in the direction of the second submodule connection terminal 28. In the opposite direction the current flows unhindered and uncontrolled over the
  • Freewheeling diode 23 and optionally via the short-circuit diode 30 By selected in the invention H circuit, the current to be disconnected, however, flows only in one direction over the central branch 11, so that a half-bridge switching the current submodule 14 in the central branch 11 be ⁇ special is preferred. It is hingewie ⁇ sen at this point that for switching or limiting the current of the upper in Figure 6, power semiconductor switch 22, which is therefore not arranged between the Submodulan gleichklemmen 28, 29, also can be omitted.
  • Figure 7 illustrates a sub-module 14, which is realized as a full bridge circuit.
  • the full bridge circuit shown in FIG 7 includes an energy storage device 25 and a first series connection 26 of two IGBTs 22 in opposite directions parallel freewheeling diode 23.
  • a second Rei ⁇ henscrien 31 is provided which is also connected in parallel to the energy store 25, and also two IGBTs 22 in series with each other in each case in the opposite sense parallel free-wheeling diode 23 has.
  • the first submodule connection terminal 27 is connected to the potential point between the IGBTs 22 of the first series circuit
  • the second submodule connection terminal 28 is connected to the potential point between the IGBTs 22 of the two ⁇ th series circuit 31.
  • the half-bridge circuit according to FIG. 6 is capable of either the capacitor voltage Uc dropping across the capacitor 25 or else a zero voltage, ie a zero voltage, at the submodule connection terminals 27 and 28 produce. Moreover, it is not possible to generate at the submodule connection terminals 27 and 28 the capacitor voltage Uc dropping across the energy store 25 and a zero voltage, but also the inverse capacitor voltage -Uc. Thus, the submodule connection terminals 27, 28 of the full bridge circuit can be polarized differently. It should also be pointed out again here that with each series connection 26 and / or 31 of one of the IGBTs 22, for example the IGBT 22 shown in FIG. 7 in each case above, can be omitted without substitution.
  • Such a full-bridge submodule 14 with a total of two or three power semiconductors 22 which can be switched on and off is indeed suitable for switching or limiting the current in the central branch 11 as part of the power switching unit 13.
  • the generation of a circulating current is however with such a submodule 14 not possible.
  • a full-bridge submodule 14 with two or three power semiconductor switches 22 which can be switched on and off is therefore not suitable as part of commutation means 34 in the middle branch 11, the configuration of which will be discussed in more detail later.
  • FIG. 8 shows a submodule 14, which is referred to here as a brake actuator module.
  • the brake actuator module 14 also has an energy store 25 and a first series circuit 26, which is connected in parallel to the energy store 25.
  • the series circuit 26 has only one power semiconductor switch 22 with a freewheeling diode 23 which is in parallel opposition.
  • a further diode 32 is connected, which is oriented in the same direction as the freewheeling diode 23 of the first series circuit 26.
  • a second series circuit 31 is again provided, which is also connected in parallel to the energy store 25 and also has only one IGBT 22 with counter ⁇ sensible freewheeling diode 23 and in series with another diode 32.
  • the second series circuit 31 serves to limit the voltage drop across the energy store 25. If this is too high, the IGBT 22 is turned on, so that a current flow over the Ohmic resistor 33 and a discharge of Energyspei ⁇ chers 25 takes place.
  • the first submodule connection terminal 27 is connected to the potential point between the diode 32 and the IGBT 22 of the first series circuit 26, whereas the second submodule connection terminal 28 is at the potential of the pole of the energy store 25. Due to this interconnection, the application of the energy storage voltage between the submodule connection terminals 27 and 28 is not possible.
  • the energy store 25 essentially serves to supply power to the electronics of the IGBT or IGBTs.
  • the capacitor also ensures that no voltage peaks occur during switching, which could destroy the semiconductors.
  • a drain which is connected in parallel to the energy store 25.
  • the brake actuator module would then correspond to the half-bridge circuit shown in FIG. 6, wherein the IGBT 22 not arranged between the two submodule connection terminals 27 and 28 is omitted.
  • a power semiconductor switch for example a thyristor, or a mechanical switch 29 is arranged between the submodule connection terminals 27 and 28, as described in connection with FIG the half bridge is shown in FIG.
  • the mecha ⁇ African switch 29 serves to bridge the submodule 14 as required.
  • Figure 9 shows a further embodiment of the OF INVENTION ⁇ to the invention the device 1, which largely corresponds to the embodiment shown in Figure 1, but with the attached ⁇ arranged in the central branch 11 in series with the power switching unit 13 commutator means are shown in more detail 34th
  • the commutation means 34 also consist of a series ⁇ circuit of submodules 14, of which in Figure 9 only one is shown, but with the dot-dash lines of the central branch 11, the series connection of these identical submodules 14 is indicated figuratively.
  • the submodules 14 of the commutation means 34 as a full bridge circuit with
  • the submodules 14 of the commutation means 34 are intended to drive two countercurrent circulating currents in the loops formed by the main flow branch, bypass branch and central branch.
  • the device shown in Figure 9 is designed symmetrically. In other words, the shutdown flows
  • Each of the two circuit currents generated by the commutation 34 is in one of the mechanical switch, here 7 and 8, to opposite directing direct current, so that a resulting current in the respective mechanical switch 7 and 8 of about zero results.
  • the mechanical switches 7 and 8 therefore open normally.
  • the total current commutes to the
  • Middle branch 11 flows through the power switching unit 13 and the mechanical switches 6 and 9 to the terminal 3.
  • the submodules 14 of the power switching unit 13 can now turn off the DC or limit. Subsequently, the remaining mechanical switches 6 and 9 can be opened.
  • two circulating currents are as already described above driven through the medium formed of, sidestream and Hauptsromzweig two Ma ⁇ rule.
  • One of the circulating currents flows in a clockwise direction, while the other circulating current flows counterclockwise over the respective mesh. In this way, it is ensured that, regardless of the direction of the direct current to be disconnected, the direct current to be switched and one of the circulating currents always overlap to approximately zero in one of the mechanical switches 6, 7 of the main current branch and a mechanical switch of the bypass branch 8 or 9 - gladly.
  • the switches in which a resulting current of approximately zero, are arranged on different sides of the middle branch, ie in the direction of the direct current to be switched, before or after the center branch potential point of their respective branch.
  • Said me chanical ⁇ switch, for example, 7 and 8 can now be opened so that the current through the power switching unit 13 flows, the submodules 14 can then interrupt or limit the current flow.
  • the submodules 14 shown in Figure 9 of the commutator 34 also have a Abieiter 24, so that they can also act as the submodulesssenschaltein ⁇ standardized.
  • sub-modules 14 of the power ⁇ switching unit 13 is also designed as a full-bridge circuits according to Figure 7 can also be spoken by only a single series circuit, only the actuation of the sub-modules by an unshown control ⁇ and control unit a difference there, represents whether the Submodule 14 act as part of the commutation 34 or as part of the power switching unit 13.
  • a full-bridge submodule 14 can unfold both We ⁇ kungen time-shifted.
  • the submodules 14 of the commutator 34, the full bridge circuit as shown in FIG 7 are formed with Abieiter 24, also the switching off ⁇ th or limiting the current may be used.
  • the submodules 14 of the power switching unit 13 need not always be configured identically.
  • a part of the submodules 14 may be designed according to FIG. 5, another part according to FIG. 6, another part according to FIG. 7 and a last part according to FIG.
  • the Submo ⁇ modules 14 of the commutator 34 are required to have an energy storage device 25, with the only the generation of a circulating current is provided in the mesh.
  • the sub-module 14 must be capable of the voltage dropped across the energy storage 25 ⁇ voltage to the Submodulan gleichklem- men 27 to generate 28th
  • FIG. 10 shows an embodiment according to FIG. 9, but the commutation means 34 are designed as half-bridge circuits according to FIG.
  • FIG. 10 a plurality of submodules 14 of the commutation means 34 are connected in series, wherein here too this series connection is illustrated by the dot-dash line.
  • the half-bridge circuit according to FIG. 10 can only generate one voltage polarity at the submode connection terminals 27 and 28. However, since the current through the central branch 11 always flows in only one direction, this voltage polarity is entirely sufficient to switch ei ⁇ nen direct current in both directions or limit.
  • a current flowing from the main current branch 4 to the bypass branch 5 via the central branch 11 can not be interrupted by the submodules 14 of the commutation means 34, since this flows via the free-wheeling diodes 23 between the submodule connection terminals 27 and 28.
  • the submodules 14 of the power switching unit 13 also have a half-bridge circuit, the IGBTs or the IGBTs of the submodules 14 of the commutation means 34 have an opposite one
  • the commutation means 34 generate countercurrent, ie clockwise and counterclockwise, circulating currents, so that two of the mechanical switches can be opened without current and the current commutes into the central branch 11. Due to the different in comparison ⁇ equal to the submodules 14 of the power switching unit 13 polarization of the power semiconductor switch 22 of the submodules 14 of the commutator 34 of the charge is branch 15 is no longer at the center tap potential point of the side ⁇ current branch 5 is connected, but with the potential point between the power switching unit 13 and connected to the commutation ⁇ means 34. The charging current for charging the energy Memory 25 of the submodules 14 of the commutation means 34 then flows from the terminal 3 via the switch 9, via the commutation means 34 and finally via the La ⁇ dezweig 15 to the ground or to the opposite pole from.
  • Figure 11 shows a further embodiment of the invention, wherein not a single device, but a plurality of impresspo ⁇ lige devices 1 are connected in series with each other.
  • the mode of operation of the individual devices corresponds to the mode of operation which has been explained in connection with the previous figures.
  • the device 1 may be constructed in accordance with the other embodiments of the invention illustrated or set forth above.
  • the number of devices 1 connected in series is quite arbitrary.
  • the series connection has the advantage that the existing total DC voltage switch for interrupting the current is better scalable and can be better designed for different voltage levels.
  • the comparatively klei ⁇ Neren devices can be produced cost-effectively and handled.
  • the voltage drop across the individual switches is smaller, so that the switching speed of the mechanical switches is accelerated.
  • the disadvantage is the necessary synchronization of the individual devices.
  • Such a coil or throttle is also possible in the embodiment according to FIG. 11, wherein the throttle is distributed over the individual devices.
  • the throttle is more easily scalable.
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, wherein commutation means 34 are no longer arranged in the central branch 11. Rather, a commutation semiconductor switch 36 and 37 is arranged between the central branch potential point of the main stream ⁇ branch 4 and each mechanical switch 6 and 7 of the main current branch 4, each with opposite directions parallel freewheeling diode 23. Parallel to each commutation semiconductor switch 36 and thus also to each freewheeling diode 23 is a Abieiter 24 ge ⁇ switches, which serves as a means for reducing an energy released during switching.
  • the commutation means 34 therefore comprise the commutation semiconductor switches 36, 37, the respective freewheeling diode 23 and the respective non-linear resistor 24.
  • the commutation semiconductor switches 36 and 37 are oriented in opposite directions so that a current flow is interrupted or limited in both directions can.
  • the commutation semiconductor switches 36 and 37 support the mechanical switches 6 and 7 in order to commute the current into the center branch 11. If, for example, the current flows from the connection terminal 2 to the connection terminal 3 via the main current branch 4 when the mechanical switch 8 is open, the commutation semiconductor switch 37 and simultaneously the mechanical switch 7 are actuated to switch off the current. ⁇ on the basis of the so rapidly increasing resistance of the current flow is commutated into the central branch 11, so that the power switching unit 13 can interrupt this. Subsequently, all mechanical switches are opened.
  • FIG 13 shows a further embodiment of the OF INVENTION ⁇ to the invention apparatus 1 corresponds to the embodiment shown in Figure 12 as far as possible, but also two Kommut réelle relatedleiterschalter 38 and 39 are arranged in the form of IGBTs in the bypass branch. 5
  • all mechanical switches 6, 7, 8 and 9 are closed during normal operation.
  • the commutation semiconductor switches 36, 37, 38 and 39 are transferred to their forward position, so that a current from the terminal 2 can flow through both the main branch 4 and the bypass branch 5 to the terminal 3 through.
  • the commutating semiconductor switches 37 and 38 as well as the mechanical switches 7 and 8 are rela ⁇ hung as simultaneously transferred into their disconnected position opened.
  • the current then flows from the connection ⁇ terminal 2 only via the main current branch 4, the mechanical see switch 6, the freewheeling diode 23 in the central branch 11 and then via the freewheeling diode 23, the mechanical closed switch 9 to the terminal 3.
  • the power switching unit 13 can interrupt the current now.
  • FIG. 14 illustrates a further embodiment of the switch according OF INVENTION ⁇ dung, in which the Kommut istleiterschalter 38 and 39 of the bypass branch 5 eliminated, compared to the off ⁇ operation example according to FIG. 13 Instead, as in the embodiment of Figure 4, two diodes
  • the switches 8 and 9 support the diodes 20 and 21, but can also be dispensed with if the diodes 20 and 21 are designed accordingly.

Abstract

Um Fehlerströme in einem Gleichspannungsnetz zuverlässig und kostengünstig abzuschalten, wobei bei Normalbetrieb gleichzeitig geringe Verluste entstehen, wird eine Vorrichtung (1) zum Schalten eines Gleichstroms in einem Pol eines Gleichspannungsnetzes mit zwei Anschlussklemmen (2, 3) zum seriellen Verbinden mit dem Pol, einem sich zwischen den Anschlussklemmen (2, 3) erstreckenden Hauptstromzweig (4), in dem zwei mechanische Schalter (6, 7) angeordnet sind, einem sich in Parallelschaltung zum Hauptstromzweig (4) zwischen den Anschlussklemmen (2, 3) erstreckenden Nebenstromzweig (5), in dem ebenfalls zwei mechanische Schalter (8, 9) und/oder zwei Leistungshalbleiter (20, 21) angeordnet sind, einem Mittelzweig (11), der einen zwischen den mechanischen Schaltern (6, 7) angeordneten Mittelzweigpotenzialpunkt (10) des Hauptstrompfades (4) mit einem zwischen den mechanischen Schaltern (8, 9) angeordneten Mittelzweigpotenzialpunkt (12) des Nebenstromzweiges (5) miteinander verbindet und der eine Leistungsschalteinheit (13) aufweist, die eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen (14) mit jeweils wenigstens einem Leistungshalbleiterschalter (22) und Mittel zum Abbau einer beim Schalten frei werdenden Energie (24) aufweist, und Kommutierungsmitteln (34) zum Kommutieren des Gleichstroms in den Mittelzweig (11), so dass der gesamte Gleichstrom über den Mittelzweig (11) geführt ist, wobei die Kommutierungsmittel (34) wenigstens einen ansteuerbaren Leistungshalbleiter (22, 36) aufweisen, vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Schalten eines Gleichstroms in einem Pol ei¬ nes Gleichspannungsnetzes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten eines Gleichstromes in einem Pol eines Gleichspannungsnetzzweiges.
Der weltweit steigende Energiebedarf und die gleichzeitig ge- wünschte Verringerung des C02-Ausstoßes machen so genannte erneuerbare Energien immer attraktiver. Quellen erneuerbarer Energien sind beispielsweise seeseitig aufgestellte Wind¬ kraftanlagen oder aber Photovoltaikkraftanlagen in sonnenreichen Wüstenbereichen. Um die so erzeugte Energie ökonomisch nutzen zu können, kommt der Anbindung der erneuerbaren Energiequellen an ein Landversorgungsnetz eine immer größere Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund wird die Errichtung und der Betrieb eines vermaschten Gleichspannungsnetzes immer stärker diskutiert. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass Kurzschlussströme, die in einem solchen vermaschten Gleichspannungsnetz auftreten können, schnell und zuverlässig abgeschaltet werden können. Hierzu sind jedoch Gleichspannungs¬ schalter erforderlich, die bisher am Markt nicht verfügbar sind. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Konzep- te für einen solchen Gleichspannungsschalter bekannt.
In der WO 2011/057675 AI ist ein Gleichspannungsschalter beschrieben, der einen Betriebsstrompfad mit einem mechanischen Schalter sowie einen Abschaltzweig aufweist, der dem Be- triebsstrompfad parallel geschaltet ist. In dem Abschaltzweig ist eine Reihenschaltung von Leistungshalbleiterschaltern angeordnet, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig paral¬ lel geschaltet ist. Die aus Leistungshalbleiterschalter und Freilaufdiode bestehenden Schalteinheiten sind antiseriell angeordnet, wobei die abschaltbaren Leistungshalbleiterschal¬ ter in Reihe angeordnet sind und für jeden Leistungshalblei¬ terschalter ein entsprechender Leistungshalbleiterschalter mit entgegen gesetzter Durchlassrichtung vorgesehen ist. Auf diese Art und Weise kann der Strom in beiden Richtungen im Abschaltzweig unterbrochen werden. Im Betriebsstrompfad ist neben dem mechanischen Schalter auch ein elektronischer
Hilfsschalter in Reihe zum mechanischen Schalter angeordnet. Im Normalbetrieb fließt der Strom über den Betriebsstrompfad und somit über den elektronischen Hilfsschalter sowie über den geschlossenen mechanischen Schalter, da die Leistungshalbleiterschalter des Abschaltzweiges einen erhöhten Widerstand für den Gleichstrom darstellen. Zum Unterbrechen bei- spielsweise eines Kurzschlussstromes wird der elektronische Hilfsschalter in seine Trennstellung überführt. Hierdurch steigt der Widerstand im Betriebsstrompfad an, so dass der Gleichstrom in den Abschaltzweig kommutiert. Der schnelle me¬ chanische Trennschalter kann daher stromlos geöffnet werden. Der über den Abschaltzweig geführte Kurzschlussstrom kann durch die Leistungshalbleiterschalter unterbrochen werden. Zur Aufnahme der im Gleichspannungsnetz gespeicherten und beim Schalten abzubauenden Energie sind Abieiter vorgesehen, die den Leistungshalbleiterschaltern des Abschaltzweiges je- weils parallel geschaltet sind.
In der DE 694 08 811 T2 ist ein Gleichspannungsschalter beschrieben, bei dem zwei mechanische Schalter in Reihe ge¬ schaltet sind. Die aus den beiden mechanischen Schaltern be- stehende Reihenschaltung ist durch einen Abieiter sowie einen Kondensator vor hohen Überspannungen geschützt. Lediglich einem der mechanischen Schalter ist ein ein- und abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter parallel geschaltet. Beim Öffnen der mechanischen Schalter entsteht ein Lichtbogen. Die an dem Lichtbogen abfallende Spannung zündet den Leistungshalblei¬ terschalter, wodurch der parallele geöffnete mechanische Schalter kurzgeschlossen wird. Der Lichtbogen erlischt. Der über den Leistungshalbleiterschalter geführte Strom kann nun durch entsprechende Ansteuerung des Leistungshalbleiters un- terbrochen werden.
In der US 5,999,388 ist ein Gleichspannungsleistungsschalter beschrieben, der seriell in eine Gleichspannungsleitung in- tegrierbar ist. Er besteht aus einer Reihenschaltung von ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern, denen jeweils eine gegensinnige Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Wei¬ terhin ist parallel zu jedem Leistungshalbleiterschalter ein Abieiter, beispielsweise ein Varistor, zur Spannungsbegrenzung geschaltet. Der vorbekannte Gleichspannungsschalter ist rein elektronisch ausgeführt und schaltet somit im Vergleich zu marktüblichen mechanischen Schaltern erheblich schneller. Innerhalb weniger Mikrosekunden kann ein über den Gleichspan- nungsschalter fließender Kurzschlussstrom unterbrochen werden. Nachteilig ist jedoch, dass auch der Betriebsstrom über die Leistungshalbleiterschalter geführt werden muss. Hierdurch entstehen hohe Übertragungsverluste. Die WO 2011/141055 offenbart einen Gleichspannungsschalter, der seriell in einen Pol eines Hochspannungsgleichstromnetzes geschaltet werden kann. Der Gleichspannungsschalter besteht aus einem mechanischen Schalter in Reihe zu einem Leistungshalbleiterschalter, dem wieder eine gegensinnige Freilaufdio- de parallel geschaltet ist. Parallel zur Reihenschaltung aus Leistungshalbleiterschalter und mechanischem Schalter sind eine Reihenschaltung aus Spule und Kondensator, also ein LC- Zweig sowie ein Abieiter, geschaltet, der die über dem LC- Zweig abfallende Spannung begrenzt. Auch dem Leistungshalb- leiterschalter ist ein Abieiter parallel geschaltet. Nach dem Öffnen des mechanischen Schalters wird der Leistungshalblei¬ terschalter mit der Eigenfrequenz des LC-Zweigs ein- und ausgeschaltet. Hierdurch wird eine Schwingung und schließlich ein Stromnulldurchgang im mechanischen Schalter erzeugt, so dass der entstehende Lichtbogen gelöscht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der Fehlerströme in einem Gleichspannungsnetz zuverlässig und kostengünstig abgeschal- tet werden können, wobei im Normalbetrieb gleichzeitig gerin¬ ge Verluste entstehen. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Schalten eines Gleichstroms in einem Pol eines Gleichspannungsnetzes mit zwei Anschlussklemmen zum seriellen Verbinden mit dem Pol, einen sich zwischen den Anschlussklemmen erstre- ckenden Hauptstromzweig, in dem zwei mechanische Schalter an¬ geordnet sind, einem sich in Parallelschaltung zum Hauptstromzweig zwischen den Anschlussklemmen erstreckenden Neben- stromzweig, in dem ebenfalls zwei mechanische Schalter und/oder zwei Leistungshalbleiter angeordnet sind, einem Mit- telzweig, der einen zwischen den mechanischen Schaltern angeordneten Mittelzweigpotenzialpunkt des Hauptstrompfades mit einem zwischen den mechanischen Schaltern oder den Leistungshalbleitern angeordneten Mittelzweigpotenzialpunkt des Neben- stromzweiges miteinander verbindet und der eine Leistungs- schalteinheit aufweist, die eine Reihenschaltung aus zweipo¬ ligen Submodulen mit jeweils wenigstens einem Leistungshalb¬ leiterschalter und Mittel zum Abbau einer beim Schalten frei werdenden Energie aufweist, und Kommutierungsmitteln zum Kom- mutieren des Gleichstroms in den Mittelzweig, so dass der ge- samte zu Gleichstrom über den Mittelzweig geführt ist, wobei die Kommutierungsmittel wenigstens einen ansteuerbaren Leis¬ tungshalbleiter aufweisen.
Erfindungsgemäß ist eine so genannte H-Schaltung bereitge- stellt, die zwei parallel zueinander verlaufende Zweige, näm¬ lich einen Hauptstromzweig sowie einen Nebenstromzweig, auf¬ weist. Die beiden parallelen Zweige erstrecken sich jeweils zwischen den beiden Anschlussklemmen, wobei jeder der besagten Zweige zwei mechanische Schalter aufweist. Der Potenzial- punkt zwischen den mechanischen Schaltern des Hauptstromzweiges ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden mechanischen Schaltern oder zwischen den Leistungshalbleiterschaltern des Nebenstromzweigs über einen Mittelzweig verbunden. In dem Mittelzweig ist eine Leistungsschalteinheit angeord- net, die ihrerseits eine Reihenschaltung aus zweipoligen Sub¬ modulen umfasst. Jedes Submodul verfügt über wenigstens einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter, also IGBT, IGCT, GTO oder dergleichen, im Bedarfsfall mit jeweils gegensinnig paralleler Freilaufdiode . Stattdessen können jedoch auch rückwärts leitfähige Leistungshalbleiterschalter eingesetzt werden. Die Anzahl der Submodule richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen. In jedem Fall müssen die Submodule der Leistungsschalteinheit in der Lage sein, die anlie¬ genden Spannungen aufzunehmen und auch hohe Kurzschlussströme sicher und ausreichend schnell abzuschalten. Die im Gleichspannungsnetz gespeicherte und beim Abschalten frei gesetzte Energie wird durch zweckmäßige Mittel zum Abbau der Schalt¬ energie abgebaut. Hierbei handelt es sich beispielsweise um nicht lineare Widerstände, beispielsweise um Abieiter, Va¬ ristoren oder dergleichen. Übersteigt die an ihnen abfallende Spannung eine Schwellenspannung, verhalten sich diese Bauteile wie ohmsche Widerstände, wobei sie die beim Schalten frei werdende Energie in thermische Energie umwandeln und an die Außenatmosphäre abgeben. Zweckmäßigerweise sind die Mittel zum Abbauen der Schaltenergie in die Submodule integriert. Abweichend hiervon sind die nicht linearen Widerstände je¬ weils einem oder mehreren Submodulen parallel geschaltet. Darüber hinaus können die Submodule im Rahmen der Erfindung auch Energiespeicher aufweisen. Der zu schaltende Gleichstrom kann im Rahmen der Erfindung bei Normalbetrieb über den
Hauptstromzweig allein geführt sein. Alternativ wird der Gleichstrom bei Normalbetrieb sowohl über den Hauptstromzweig als auch den Nebenstromzweig geführt. In jedem Fall ermög¬ licht die H-Schaltung, den Gleichstrom so in den Mittelzweig zu kommutieren, dass er unabhängig von der Richtung des Gleichstroms immer in nur einer Richtung über den Mittelzweig geführt wird. Die Leistungshalbleiter der Leistungsschalteinheit müssen daher grundsätzlich nur zum Schalten von Strömen in einer Richtung ausgelegt sein. Gegenströme im Mittelzweig müssen unter Umständen jedoch bei möglichen Netzpendelungen berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß sind ferner Kommutierungsmittel vorgesehen, die über wenigstens einen ansteuerbaren Leistungshalbleiter verfügen. Durch die Kommutierungsmittel ist es im Rahmen der Erfindung möglich geworden, die Kommutierung des zu schalten- den Gleichstroms zumindest von einem Abschnitt des Haupt¬ stromzweiges in den Mittelzweig aktiv in Gang zu setzen.
Hierzu wird der oder werden die Leistungshalbleiter der Kommutierungsmittel mittels eines Steuersignals so gesteuert, dass entweder der Widerstand in dem besagten Abschnitt des
Hauptstromzweigs und gegebenenfalls des Nebenstromzweiges er¬ höht oder ein über den besagten Abschnitt oder die besagten Abschnitte geführter Kreisstrom erzeugt wird, der sich mit dem zu schaltenden Gleichstrom in etwa zu Null überlagert. Die Kommutierungsmittel unterstützen die mechanischen Schal¬ ter bei der Kommutierung des Gleichstroms in den Mittelzweig.
Vorteilhafterweise ist ein Ladezweig vorgesehen, der einer¬ seits mit dem Erdpotenzial oder mit einem entgegengesetzt zum Pol polarisierten Gegenpol des Gleichspannungsnetzes verbun¬ den ist und andererseits mit dem Mittelzweig verbunden oder verbindbar ist, wobei der Ladezweig über einen ohmschen Widerstand verfügt. Der Ladezweig dient sowohl zur Inbetrieb¬ nahme als auch zum Betreiben der Vorrichtung im Normalbe- trieb. Ist der Ladezweig beispielsweise an dem Mittelzweigpo¬ tenzialpunkt des Nebenstromzweigs angeschlossen, ist der Hauptstromzweig über den Mittelzweig und den Ladezweig entwe¬ der mit dem Erdpotenzial oder dem Gegenpol des Gleichspan¬ nungsnetzes verbunden. An der Leistungsschalteinheit liegt somit eine Spannung an, die beispielsweise für den Betrieb der Elektronik der Leistungshalbleiterschalter der Leistungsschalteinheit eingesetzt werden kann. Weisen die Submodule im Mittelzweig Energiespeicher auf, können diese über den Ladezweig aufgeladen werden, wobei die Höhe des Ladestroms von der Auslegung des ohmschen Widerstands des Ladezweigs be¬ stimmt wird. Der Ladezweig ist im Rahmen der Erfindung entwe¬ der fortwährend mit dem Mittelzweig verbunden oder aber er weist einen mechanischen Schalter auf, mit dem die Verbindung zwischen Ladezweig und Mittelzweig hergestellt und wieder un- terbrochen werden kann. Erst aufgrund des ohmschen Widerstands ist es möglich, die Verbindung zwischen Ladezweig und Mittelzweig bei fehlerfreiem Netzbetrieb fortwährend bereit¬ zustellen. Im Rahmen der Erfindung ist es auch nicht notwen- dig, den Ladezweig vor dem Abschalten eines Kurzschlussstro¬ mes von dem Mittelzweig zu trennen. Der Stromfluss wird im Rahmen der Erfindung jederzeit durch den ohmschen Widerstand des Ladezweigs begrenzt.
Ist die Leistungsschalteinheit betriebsbereit, kann bei¬ spielsweise ein Kurzschlussstrom durch die erfindungsgemäße Vorrichtung unterbrochen werden. Im Normalbetrieb fließt ein Gleichstrom über den Hauptstromzweig mit seinen zwei mechanischen Schaltern nahezu verlustfrei. Dies gilt bei symmetri¬ schen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch für den Nebenstromzweig . Im Fehlerfall öffnet der in Strom¬ flussrichtung dem Mittelzweigpotenzialpunkt nachgeordnete Schalter des Hauptstromzweigs und der dem Mittelzweigpotenzialpunkt gegebenenfalls vorgelagerte mechanische Schalter des Nebenstromzweiges . Durch die Trennung der Kontakte der Schal¬ ter würde, wenn keine weiteren Maßnahmen vorgesehen wären werden, ein Lichtbogen gezogen. Die Kommutierungsmittel unterdrücken die Entstehung eines Lichtbogens im Idealfall vollständig. Durch das Öffnen der Schalter kommutiert der Strom vom Hauptstromzweig in den Mittelzweig und den unteren Teil des Nebenstromzweigs . Anschließend können die Leistungs¬ halbleiterschalter der Leistungsschalteinheit den Kurzschlussstrom unterbrechen. Die hierbei frei werdende Energie wird durch die Mittel zum Abbau der beim Schalten frei werdenden Energie abgebaut. Schließlich öffnen auch die restlichen mechanischen Schalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Kurzschlussstrom ist unterbrochen, der Mittelzweig ist galvanisch von den Leitungen getrennt.
Der Widerstand des Ladezweiges ist so hochohmig auszulegen, dass er zumindest zeitweise an der vollen auftretenden
Gleichspannung betrieben werden und gleichzeitig so niederoh- mig, dass der zum Vorladen und dauerhaften Erhalt der Ladung der Energiespeicher erforderliche Ladestrom fließen kann. Zum Aufladen von Energiespeichern der Leistungsschalteinheit ist ein Spannungsabfall von einigen Kilovolt ausreichend. Der Wi¬ derstand des Ladezweiges kann daher sehr hochohmig ausgelegt werden. Die maximale Verlustleistung und die Baugröße des ohmschen Widerstands sind daher relativ gering.
Zweckmäßigerweise ist der Ladezweig mit dem Mittelzweigpoten- zialpunkt des Nebenstromzweiges verbunden oder verbindbar.
Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung fließt der Ladestrom vom Hauptstromzweig über den gesamten Mittelzweig. Alle im Mittelzweig angeordneten Energiespeicher können somit aufgeladen werden, wenn der in Stromflussrichtung erste mechanische Schalter des Hauptstromzweiges sich in sei¬ ner geschlossenen Stellung befindet.
Zweckmäßigerweise weist der Ladezweig einen mechanischen Schalter in Reihenschaltung zum ohmschen Widerstand auf, der zur Verbindung des Ladezweigs mit dem Mittelzweig eingerichtet ist. Bei dem mechanischen Schalter kann es sich aufgrund des ohmschen Widerstands, wie bereits ausgeführt wurde, um einen relativ langsamen mechanischen Schalter handeln. Der Schalter ist beispielsweise ein einfacher Trenner, der nahezu stromlos öffnet. Durch den Schalter wird der Widerstand des Ladezweigs, der auch als Vorladewiderstand bezeichnet werden kann, thermisch entlastet.
Vorteilhafterweise weisen die Submodule der Leistungsschalt- einheit zumindest teilweise jeweils einen ein- und abschalt¬ baren Leistungshalbleiterschalter und eine gegensinnig parallel hierzu geschaltete Freilaufdiode auf. Alternativ hierzu kann jedes Submodul auch einen einzigen rückwärts leitfähigen Leistungshalbleiterschalter aufweisen. Als Leistungshalblei- terschalter kommen beispielsweise IGBTs, IGCTs, GTOs oder dergleichen in Betracht. In der Regel weist ein Leistungs¬ halbleiterschalter mehrere in einem Gehäuse angeordnete Leis- tungshalbleiterschalterchips auf. Zur Verbindung der Lastan¬ schlüsse der Leistungshalbleiterschalterchips dienen bei- spielsweise Bonddrähte. Abweichend hiervon können jedoch auch druckkontaktierte Leistungshalbleiterschalter im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, bei denen die Leistungshalblei- terschalterchips lastanschlussseitig über eine Druckkontak- tierung miteinander verbunden sind. Solche Leistungshalblei- terschalter sind dem Fachmann jedoch bekannt, so dass auf de- ren Ausgestaltung hier nicht genauer eingegangen zu werden braucht .
Die ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter der Submodule sind bevorzugt zum Abschalten von Strömen in einer Richtung ausgelegt.
Gemäß einer hiervon abweichenden Weiterentwicklung bilden die Submodule der Leistungsschalteinheit jedoch zwei Gruppen mit jeweils gleich orientierten Durchlassrichtungen ihrer Leistungshalbleiterschalter aus, wobei die Leistungshalbleiterschalter der einen Gruppe entgegengesetzt zu den Leistungs¬ halbleiterschaltern der anderen Gruppe orientiert sind. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung kann der Strom nicht nur in beiden Stromrichtungen über den Abschaltzweig fließen, sondern auch Ströme in beiden Richtungen sicher abgeschaltet werden. Fließt der Strom beispielsweise aufgrund von Netzpen¬ delungen in die erste Richtung, werden die Leistungshalblei¬ terschalter der ersten Gruppe angesteuert, um den Strom in der besagten ersten Richtung zu unterbrechen. Fließt der Strom in die entgegengesetzte zweite Richtung, kommen die Leistungshalbleiterschalter der zweiten Gruppe zum Einsatz.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen di Submodule der Leistungsschalteinheit zumindest teilweise je weils einen Energiespeicher und eine parallel zum Energie¬ speicher geschaltete Reihenschaltung aus zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern mit jeweils einer gegensinnig parallel hierzu angeordneten Freilaufdiode auf, wobei eine Submodulanschlussklemme mit einem Potenzialpunkt zwischen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterscha tern und die andere Anschlussklemme mit einem Pol des Ener¬ giespeichers verbunden sind. Eine solche Submodultopologie wird auch als Halbbrücke bezeichnet. Selbstverständlich kann in einem Submodul statt eines einzigen Leistungshalbleiterschalters auch eine synchron angesteu¬ erte Reihenschaltung von Leistungshalbleiterschaltern eingesetzt werden. Die synchron angesteuerten Leistungshalbleiter- Schalter der Reihenschaltung verhalten sich dann genau wie ein einzelner Leistungshalbleiterschalter. Dies gilt im Übrigen auch für die weiter unten genauer beschriebenen Submodule, also auch für die Vollbrückenschaltung oder die BremssteilerSchaltung .
Zum Abbau einer beim Schalten freiwerdenden Energie, die im Gleichspannungsnetz gespeichert ist, sind für jedes Submodul der Leistungsschalteinheit wenigstens ein nichtlinearer Wi¬ derstand beispielsweise in Gestalt eines Abieiters und/oder ein Varistors vorgesehen. Der nichtlineare Widerstand ist beispielsweise dem gesamten Submodul parallel geschaltet.
Submodule der Leistungsschalteinheit, die als Halbbrücken ausgestaltet sind, können den Strom in nur einer Richtung un- terbrechen. Soll der Stromfluss in zwei Richtungen unterbrochen werden, ist auch hier die Ausbildung von zwei Gruppen von Submodulen erforderlich, wobei die Submodule der einen Gruppe für die Unterbrechung des Stromes in einer ersten Richtung und die Submodule der anderen Gruppe für die Unter- brechung des Stromes in einer zur ersten Richtung entgegen gesetzten zweiten Richtung dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Submodule der Leistungsschalteinheit jedoch zumindest teil- weise als Vollbrückenschaltung ausgebildet und weisen daher einen Energiespeicher und zwei parallel zum Energiespeicher geschalteten Reihenschaltungen mit jeweils zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern mit jeweils gegensinnig parallelen Freilaufdioden auf, wobei eine erste An- schlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden
Leistungshalbleiterschaltern der ersten Reihenschaltung und eine zweite Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern der zweiten Reihenschaltung verbunden ist. Eine solche Vollbrückenschal- tung ist in der Lage, Ströme in beiden Richtungen zu unterbrechen, also mit anderen Worten abzuschalten.
Wie bereits ausgeführt wurde, weist jedes Submodul der Leis¬ tungsschalteinheit zweckmäßigerweise einen Abieiter und/oder einen Varistor in Parallelschaltung entweder zum einzigen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter oder aber in Parallelschaltung zum Energiespeicher des Submoduls auf.
Vorteilhafterweise weisen die Submodule der Leistungsschalt¬ einheit eine Reihenschaltung aus einem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter mit gegensinniger Freilaufdiode und einer Diode auf, welche die gleiche Durchlassrichtung wie die Freilaufdiode aufweist, wobei die Reihenschaltung einem Energiespeicher parallel geschaltet ist und eine erste Submo- dulanschlussklemme mit dem Potentialpunkt zwischen dem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter und der Diode und die andere Submodulanschlussklemme mit einem Pol des Energiespeichers verbunden und der ein und abschaltbare Leis¬ tungshalbleiterschalter zwischen den Submodulanschlussklemmen angeordnet ist. Ein solches Submodul kann als Halbbrücke mit nur einem steuerbaren Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Eine entsprechende Ausgestaltung der Vollbrückenschaltung kann im Rahmen der Erfindung ebenfalls vorteilhaft sein. Eine solche Vollbrückenschaltung würde dann zwei steuerbare Leis¬ tungshalbleiterschalter aufweisen .
Abweichend hiervon sind die Submodule der Leistungsschalteinheit zumindest teilweise als Bremsstellermodule ausgebildet. Solche Bremsstellermodule weisen einen Energiespeicher auf, dem eine erste Reihenschaltung parallel geschaltet ist. Die erste Reihenschaltung besteht aus einem ein- und abschaltba¬ ren Leistungshalbleiterschalter mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode und einer gleichsinnig zur Freilaufdiode orien¬ tierten Diode. Darüber hinaus ist eine zweite Reihenschaltung vorgesehen, die dem Energiespeicher ebenfalls parallel geschaltet ist. Die zweite Reihenschaltung besteht aus einem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode und einer weiteren gleichsinnig zur Freilaufdiode orientierten Diode. Die Diode der zwei¬ ten Reihenschaltung überbrückt einen ohmschen Widerstand. Die erste Submodulanschlussklemme ist mit einem Pol des Energie¬ speichers und die zweite Submodulanschlussklemme mit dem Po¬ tenzialpunkt zwischen dem abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter und der Diode der ersten Reihenschaltung verbunden. Solche Bremsstellermodule können die im Netz gespeicherte und beim Schalten abzubauende Energie besonders gut in thermische Energie umwandeln und an die Außenatmosphäre abführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kommutierungsmittel im Mittelzweig in Reihe zur Leistungsschalteinheit an¬ geordnet und zum Erzeugen eines über wenigstens einen der me¬ chanischen Schalter des Haupstromzweigs fließenden Kreisstroms eingerichtet, der dem zu schaltenden Gleichstrom entgegengesetzt ist. Ein solcher Kreisstrom kann in beiden Maschen links und rechts vom Mittelzweig erzeugt werden, wobei jede Masche durch den Mittelzweig, einen Abschnitt des Haut- und einen Abschnitt des Nebenstrompfades ausgebildet ist. In der einen Masche ist er dem zu schaltenden Gleichstrom im Hauptstromzweig entgegengerichtet. Beide Ströme addieren sich idealerweise zu null, so dass anschließend der mechanische Schalter im besagten Abschnitt des Hauptstromzweiges stromlos öffnen kann. In der anderen Masche fließen Kreisstrom und abzuschaltender Gleichstrom im Hauptstromzweig jedoch in der gleichen Richtung und verstärken sich daher. Bei symmetrischer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gilt entsprechendes für den Nebenstromzweig, so dass auch im Ne- benstromzweig ein mechanischer Schalter stromlos öffnet. Da¬ bei sind die beiden stromlos öffnenden Schalter in Richtung des Gleichstroms im Nebenstromzweig und im Hauptstromzweig nach dem jeweiligen Mittelzweigpotenzialpunkt angeordnet. Ein äußerer Strom, also ein außerhalb des erfindungsgemäßen
Gleichspannungsschalters fließender Strom kann erst beein- flusst werden, wenn mindestens ein mechanischer Schalter des Hauptstromzweiges geöffnet ist und ein Fluss des zu schalten- den Gleichstroms über den Nebenstromzweig entweder durch ei¬ nen ebenfalls geöffneten mechanischen Schalter oder eine Diode verhindert ist. Dabei sind die Kommutierungsmittel so aus¬ gestaltet, dass sie eine so hohe Gegenspannung in dem benö- tigten Zeitfenster in der besagen Masche erzeugen, dass der Stromfluss im Hauptstromzweig unterdrückt und der dem Mittel¬ zweigpotenzialpunkt des Hauptstromzweigs in Flussrichtung des Gleichstroms nachgeordnete mechanische Schalter stromlos ge¬ öffnet werden kann.
Zweckmäßigerweise weisen die Kommutierungsmittel einen Strom¬ sensor auf, der im Hauptstromzweig angeordnet ist. Der Strom¬ sensor ist mit einer Steuerung- oder Regelungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden. Der Stromsensor er- fasst den über den Hauptstromzweig fließenden Strom und stellt Strommesswerte für die Regelungseinheit bereit. Die Regelungseinheit überprüft die empfangenen Strommesswerte auf das Vorliegen eines Eingriffkriteriums . Ein solches Ein¬ griffskriterium ist beispielsweise ein zu großer Stroman- stieg, di/dt, oder liegt dann vor, wenn die gemessenen Stromwerte einen Stromschwellenwert über ein vorgegebenes Zeit¬ fenster hinweg überschreiten. Grundsätzlich sind jedoch beliebige Verknüpfungen mit weiteren Messwerten von Schutzgeräten oder dergleichen oder weitere Kriterien im Rahmen der Er- findung möglich. Liegt ein solches Eingriffskriterium vor, wird der Strom in den Mittelzweig kommutiert und der oder die mechanischen Schalter geöffnet. Sobald die mechanischen
Schalter Spannung aufnehmen können, wird der nun über den Mittelzweig fließende Strom begrenzt oder abgeschaltet. Soll der Strom im Mittelzweig nur begrenzt aber nicht abgeschaltet werden, werden nur einige Submodule der der Leistungsschalt¬ einheit abgeschaltet. Ist parallel zu den abgeschalteten Sub- modulen ein nicht linearer Widerstand wie beispielsweise ein Abieiter geschaltet, entfaltet dieser seine dahin gehende Wirkung, dass der elektrische Widerstand des Mittelzweiges erhört wird. Der über den Mittelzweig fließende Strom wird daher begrenzt. Ist die Begrenzung, beispielsweise nach der schnellen Behebung einer Störung, überflüssig geworden, kön- nen die mechanischen Schalter der Hauptstromzweiges wieder geschlossen werden, so dass der Strom wieder nahezu verlustfrei über den Hauptstromzweig und gegebenenfalls Nebenstrom- zweig fließt.
Bei einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Ladezweig mit dem Potenzialpunkt zwischen Leistungs¬ schalteinheit und den Kommutierungsmitteln verbunden. Eine solche Anbindung des Ladezweiges zwischen Kommutierungsmittel und Leistungsschalteinheit ermöglicht es, zum Laden der von Energiespeichern der Kommutierungsmittel auch Teile des Ne- benstromzweigs für den Ladestrom zu nutzen. Dies ist insbe¬ sondere dann vorteilhaft, wenn die Kommutierungsmittel Submo- dule aufweisen, die als so genannte Halbbrücke ausgestaltet sind .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden die Kommutierungsmittel eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen aus, wobei jedes Submodul über einen Energiespei¬ cher und eine Leistungshalbleiterschalter in Parallelschaltung zum Energiespeicher verfügt. Mit Hilfe der Leistungs¬ halbleiterschaltung ist die an den Submodulanschlussklemmen abfallende Spannung des zweipoligen Submoduls einstellbar. Entweder wird die an dem Energiespeicher abfallende Spannung an die Submodulanschlussklemmen gelegt oder eine Nullspannung, also keine Spannung. Aufgrund der Reihenschaltung kann daher die an der gesamten Reihenschaltung der Submodule der Kommutierungsmittel abfallende Spannung stufenweise einge¬ stellt werden, wobei die Höhe der Stufen der an dem Energie¬ speicher eines Submoduls abfallenden Spannung entspricht. Je höher die in der besagten Masche durch die Kommutierungsmit¬ tel erzeugte Spannung ist, desto höher ist der von dieser Spannung getriebene Kreisstrom.
Die Ausgestaltung der Leistungshalbleiterschaltung der Kommutierungsmittel kann, wie bereits im Zusammenhang mit den Sub¬ modulen der Leistungsschalteinheit beschrieben, entweder eine Halbbrücken- oder aber eine Vollbrückenschaltung sein. Ist die Leistungshalbleiterschaltung eine Halbbrückenschaltung, ist lediglich eine Reihenschaltung von zwei abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern mit jeweils gegensinnig paralle ler Freilaufdiode vorgesehen, wobei eine erste Submodulan- schlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern und eine weitere Submodulanschlussklemme mit einem Pol des Energiespeichers verbunden ist. Die als Halbbrückenschaltung ausgebildeten Submodule der Kommutierungsmittel müssen so orientiert sein, dass eine Gegenspannung mit der gewünschten Polarität in dem Betriebsstrompfad erzeugbar ist. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn die Halbbrückenschaltungen der Kommutierungsmittel entgegengesetzt orientiert sind zu den Halbbrücken¬ schaltungen der Submodule der Leistungsschalteinheit.
Abweichend davon ist die Leistungshalbleiterschaltung der Submodule der Kommutierungsmittel gemeinsam mit dem Energie¬ speicher als Vollbrückenschaltung ausgebildet, wobei, wie be reits weiter oben beschrieben wurde, zwei Reihenschaltungen vorgesehen sind. Die beiden Reihenschaltungen sind parallel zum Energiespeicher geschaltet und weisen jeweils zwei ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter mit jeweils ge¬ gensinnig paralleler Freilaufdiode auf. Statt Leistungshalb¬ leiterschalter mit Freilaufdiode können auch rückwärts leit¬ fähige Leistungshalbleiterschalter eingesetzt werden. Der Po tenzialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschalter ist jeweils mit einer Submodulanschlussklemme verbunden, so dass an den Submodulanschlussklemmen entweder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Energiespeicherspannung erzeugbar ist. Die Vollbrückenschaltung kann somit Spannungen erzeugen, die unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Diese sind insbesonder vorteilhaft, wenn Gegenspannungen für Ströme in beiden Richtungen erzeugt werden sollen.
Als Energiespeicher der Submodule sowohl der Kommutierungsmittel als auch der Leistungsschalteinheit ist beispielsweise ein Kondensator vorgesehen. Gemäß einer hiervon abweichenden Ausgestaltung der Erfindung sind die Kommutierungsmittel als Kommutierungshalbleiter¬ schalter ausgebildet, die im Hauptstromzweig angeordnet sind. Die Kommutierungshalbleiterschalter sind wie die anderen Leistungshalbleiterschalter ein- und abschaltbar und weisen im Bedarfsfall eine gegensinnig parallele Freilaufdiode auf. Statt der Parallelschaltung von Leistungshalbleiterschaltung und Freilaufdiode können rückwärts leitfähige Leistungshalb¬ leiterschalter eingesetzt werden. Zum Abbau einer beim Schalten frei werdenden Energie kann den Leistungshalbleiterschal¬ tern ein Abieiter, ein Varistor oder ein sonstiger nicht linearer Widerstand parallel geschaltet werden. Auch Energie¬ speicher wie Kondensatoren oder dergleichen können zum Abbau von Energie eingesetzt werden. Dabei sind die Kommutierungs¬ halbleiterschalter zwischen dem Potenzialpunkt des Mittelzweigs, also dem Mittelzweigpotenzialpunkt des Hauptstrom¬ zweigs, und einem der mechanischen Schalter des Hauptstromzweigs angeordnet. Somit sind zwei Kommutierungshalbleiter¬ schalter mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode und im Bedarfsfall Abieiter als Mittel zum Abbau einer beim Schalten frei werdenden Energie vorgesehen. Ein nicht linearer Widerstand ist jedoch nicht immer zwingend erforderlich und kann im Rahmen der Erfindung je nach Anforderung entfallen. Zum Kommutieren eines über den Hauptstromzweig fließenden Stroms in den Mittelzweig wird der in Richtung des Gleichstromflus¬ ses dem Mittelzweigpotenzialpunkt nachgeordnete Kommutie¬ rungsschalter in seine Unterbrecherstellung überführt, in der ein Stromfluss über den Kommutierungsschalter unterbrochen ist. Wird der Widerstand über den Hauptstromzweig zu groß, kommutiert der Gleichstrom in den Mittelzweig und kann dort nach dem Öffnen der mechanischen Schalter gezielt unterbrochen werden. Zeitgleich mit der Ansteuerung des Kommutierungshalbleiterschalters wird auch der dem Kommutierungs¬ halbleiterschalter in Stromflussrichtung nachgeordnete mechanische Schalter geöffnet. Die Durchlassrichtung des Kommutie¬ rungshalbleiterschalters ist so gewählt, dass ein vom Mittel¬ zweigpotenzialpunkt zum jeweiligen zugeordneten mechanischen Schalter fließender Strom von dem Kommutierungshalbleiterschalter unterbrochen werden kann. Um beide Stromrichtungen unterbrechen zu können, sind die beiden Kommutierungshalblei¬ terschalter gemäß diesem Ausführungsbeispiel gegensinnig zueinander orientiert.
Weist der Nebenstromzweig keine Kommutierungshalbleiterschal¬ ter auf, sind die mechanischen Schalter im Normalbetrieb ge¬ öffnet, da ansonsten der Stromfluss aufgrund des erhöhten Wi¬ derstands im Hauptstromzweig sonst über den Nebenstromzweig fließen würde. Der Nebenstromzweig muss daher schnell schlie¬ ßende mechanische Schalter aufweisen, um eine Kommutierung in dem Mittelzweig zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist daher der Nebenstromzweig ebenfalls zwei Kommutierungshalblei¬ terschalter auf, die wie die Kommutierungsschalter des Hauptstromzweigs angeordnet und orientiert sind. Bei Normalbetrieb kann der Strom somit sowohl über den Hauptstromzweig als auch über den Nebenstromzweig fließen. Zum Kommutieren des Stromes in dem Mittelzweig werden daher einmal der dem Mittelzweigpo¬ tenzialpunkt des Hauptstromzweigs nachgeordnete Kommutie¬ rungsschalter im Hauptstromzweig sowie der dem Mittelzweigpo¬ tenzialpunkt des Nebenstromzweigs in Stromrichtung vorgela¬ gerte Kommutierungsschalter in ihre jeweilige Trennstellung überführt .
Der Nebenstromzweig kann anstelle zweier mechanischer Schal¬ ter auch Leistungshalbleiter aufweisen, wobei der Mittelzweigpotenzialpunkt zwischen den besagten Leistungshalblei¬ tern angeordnet ist. Die besagten Leistungshalbleiter weisen eine entgegengesetzt orientierte Durchlassrichtung auf und sind beispielsweise als Dioden oder Thyristoren ausgestaltet. Sie verhindern einen Stromfluss über den Nebenstromzweig bei Normalbetrieb .
Zweckmäßigerweise sind die mechanischen Schalter des Haupt¬ stromzweiges als schnelle Schalter ausgebildet und zum Öffnen innerhalb von 1 ms bis 10 ms eingerichtet. Die mechanischen Schalter des Nebenstromzweigs sind beispielsweise jedoch ver¬ gleichsweise langsame mechanische Schalter, die in einem Zeitbereich von 10 ms bis 60 ms öffnen. Solche schnellen Schalter weisen eine geringe Schaltmasse auf, die beim Schal¬ ten bewegt werden muss. Darüber hinaus sind schnell anspre¬ chende Antriebe, beispielsweise elektrodynamische Antriebe, erforderlich. Derzeit handelsübliche Leistungshalbleiterschalter schalten in der Regel in einer Größenordnung von 10 ms bis 50 ms ab. Solche handelsüblichen Schalter sind beispielsweise im Nebenstromzweig angeordnet. Sie werden vor dem Auftreten eines Fehlerfalls geöffnet, wobei die Richtung des zu schaltenden Gleichstroms bekannt ist. Allerdings sind auch mechanische Schalter bekannt, die innerhalb weniger Millise- künden öffnen.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist es zweckmä¬ ßig, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls modular eingesetzt wird und somit als bipolares oder zweipoliges Bau- teil in einer Reihenschaltung Verwendung findet.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass ein- und abschalt¬ bare Leistungshalbleiterschalter hier zwar immer im Zusammenhang mit jeweils einer gegensinnig parallelen Freilaufdioden oder als rückwärts leitfähige Leistungshalbleiter offenbart sind. Dies ist jedoch in erster Linie dem Umstand geschuldet, dass abschaltbare Leistungshalbleiter wie IGBTs, IGCTs, GTOs oder dergleichen in der Regel immer mit einer gegensinnig parallelen Freilaufdiode im Markt vertrieben werden. Eine sol- che gegensinnige Freilaufdiode, dient dem Schutz des Leis¬ tungshalbleiterschalters, der gegenüber einer Spannung entge¬ gengesetzt zu seiner Durchlassrichtung äußerst empfindlich ist. Die besagte Freilaufdiode ist jedoch nicht in allen hier gezeigten Fällen zwingend erforderlich. Diese Fälle sind dem Fachmann klar ersichtlich, so dass hierauf nicht im Einzelfall gesondert hingewiesen wird. Realisierungen der Erfindung, bei denen die gegensinnig parallel zum Leitungshalblei- terschalter angeordnete Freilaufdiode funktionsbedingt ent¬ fallen kann, sollen jedoch vom Schutzumfang mit umfasst sein.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin- dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile ver¬ weisen und wobei
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung,
das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 m un¬ terschiedlichen Stellungen, um das Aufladen der Vorrichtung gemäß Figur 1 schrittweise z verdeutlichen,
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung,
Figuren 5
bis 8 Ausführungsbeispiele der Submodule für einen
Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Figuren 9
bis 14 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung zeigen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die zwei Anschlussklemmen 2 und 3 aufweist, mit denen die Vorrichtung 1 seriell in einen Pol, also eine Leitung eines Gleichspannungsnetzes, geschaltet werden kann. Die Vorrichtung 1 dient zum Unterbrechen eines Stromflusses in dem Pol des Gleichspannungsnetzes und kann somit als
Gleichspannungsschalter bezeichnet werden. Die Vorrichtung 1 weist einen Hauptstromzweig 4 sowie einen Nebenstromzweig 5 auf. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind beide Strompfade gleichberechtigt und wei¬ sen mit anderen Worten den in etwa gleichen elektrischen Wi- derstand auf. Ein zwischen den Anschlussklemmen 2 und 3 fließender Gleichstrom fließt somit sowohl über den Hauptstromzweig 4 als auch über den Nebenstromzweig 5. Sowohl der
Hauptstromzweig 4 als auch der Nebenstromzweig 5 weisen je¬ weils zwei mechanische Schalter 6, 7, 8 und 9 auf. Zwischen den mechanischen Schaltern 6 und 7 des Hauptstromzweigs 4 ist ein Mittelzweigpotenzialpunkt 10 ausgebildet. Der Mittel¬ zweigpotenzialpunkt 10 ist über einen Mittelzweig 11 mit ei¬ nem Mittelzweigpotenzialpunkt 12 des Nebenstromzweigs 5 ver¬ bunden. Der Mittelzweig 11 weist eine Leistungsschalteinheit 13 auf, die über eine Reihenschaltung von Submodulen 14 verfügt, auf deren Ausgestaltung später noch genauer eingegangen werden wird. Bereits hier sei gesagt, dass jedes der Submodu- le 14 wenigstens einen ein- und abschaltbaren Leistungshalb¬ leiterschalter aufweist, dessen Durchlassrichtung von dem Mittelzweigpotenzialpunkt 10 des Hauptstromzweigs 4 zum Mit¬ telzweigpotenzialpunkt 12 des Nebenstromzweigs 5 orientiert ist. Somit können in dieser Richtung über die Leistungsschalteinheit 13 fließende Ströme durch die ein- und ab¬ schaltbaren Leistungshalbleiterschalter der Leistungsschalt- einheit 13 gezielt unterbrochen werden. Zur Aufnahme der hierbei frei werdenden Schaltenergie dienen Mittel zur Auf¬ nahme der beim Schalten frei werdenden Energie, also bei¬ spielsweise nicht lineare Widerstände wie Abieiter oder Va¬ ristoren. Diese Abieiter sind entweder Teil der Submodule, wie gezeigt, oder sind einem oder mehreren Submodulen parallel geschaltet.
In Figur 1 sind ferner Kommutierungsmittel 34 erkennbar, auf deren Ausgestaltung später ebenfalls noch genauer eingegangen wird. Die Kommutierungsmittel 34 weisen in jedem Fall wenigs¬ tens einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter auf, der figürlich in Figur 1 nicht dargestellt ist. Die Kom¬ mutierungsmittel 34 bewirken bei entsprechender Ansteuerung des oder der Leistungshalbleiterschalter eine Kommutierung des abzuschaltenden Gleichstroms in den Mittelzweig 11.
Zum Hochfahren der Elektronik und gegebenenfalls zum Laden der Energiespeicher der Leistungsschalteinheit 13 und gegebe¬ nenfalls der Kommutierungsmittel ist ein Ladezweig 15 vorge¬ sehen, der einen ohmschen Widerstand 16 als Vorladewiderstand sowie einen mechanischen Schalter 17 aufweist, der hier als Trennschalter ausgebildet ist. Der Ladezweig 15 ist im in Fi- gur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Erdpotenzial ver¬ bunden. Abweichend hiervon ist der Ladezweig 15 jedoch mit dem Gegenpol, also beispielsweise einem Minuspol eines
Gleichspannungsnetzes, verbunden, wohingegen die Anschluss¬ klemmen 2 und 3 mit dem Pluspol des Gleichspannungsnetzes verbunden sind. Bei beiden Varianten würde nach Beaufschlagung der Anschlussklemme 2 mit der Polspannung und dem
Schließen des Schalters 17 bei geschlossenem mechanischen Schalter 6 die Möglichkeit bestehen, eine an den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern abfallende Spannung zur Energieversorgung der Elektronik der Leistungshalbleiterschalter abzugreifen und somit die Leistungsschalteinheit 13 betriebsbereit zu machen. Darüber hinaus besteht die Möglich¬ keit, in den Submodulen 14 angeordnete Energiespeicher kontrolliert aufzuladen, wobei die Höhe des Ladestroms durch die Größe des ohmschen Widerstands 16 festgelegt wird. Der ohm- sche Widerstand ist so ausgelegt, dass er zumindest zeitweise an der vollen Spannung betrieben werden kann, die zwischen dem Pol und dem Erdpotenzial beziehungsweise dem Gegenpol ab¬ fällt. Grundsätzlich kann der Schalter 17 bei entsprechend hoher Auslegung des Widerstandes 16 permanent geschlossen bleiben. Abweichend davon kann er zur Entlastung des ohmschen Widerstands 16 dienen, die bei Öffnung des Schalters 17 ein¬ tritt . In den Figuren 2 und 3 ist das Aufladen von Energiespeichern der Submodule 14 der Leistungsschalteinheit 13 und ggf. der nicht gezeigten Submodule der Kommutierungsmittel 34 verdeut¬ licht. Hierzu werden zunächst lediglich die mechanischen Schalter 6 und 17 geschlossen. Der Ladestrom I fließt nun von der Anschlussklemme 2 über den Schalter 6 durch den Mittelzweig 11 und den Ladezweig 15 zur Erde hin ab. Zunächst wer¬ den Energiepuffer der Elektronik der Leistungshalbleiter- Schalter aufgeladen, anschließend die Hochspannungsenergie¬ speicher der Submodule 14. Ist die Leistungsschalteinheit 13 betriebsbereit, wird der Schalter 7 geschlossen. Der Hauptstrom fließt nun über die mechanischen Schalter 6 und 7 zur Anschlussklemme 3. Der über den Mittelzweig 11 fließende La- destrom bleibt jedoch so lange erhalten, wie die Schalter 8 und 9 des Nebenstromzweiges 5 geöffnet sind.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung 1, die weitestgehend dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Figur 1 entspricht, wobei jedoch die
Schalter 8 und 9 zwischen Anschlussklemme 2 und einem Verzweigungspunkt 18 zwischen Hauptstromzweig 4 und Nebenstrom¬ zweig 5 beziehungsweise zwischen dem Verzweigungspunkt 19 und der Anschlussklemme gewandert sind. An ihrer Stelle im Neben- stromzweig sind Leistungshalbleiter 20 und 21 in Gestalt von Dioden vorgesehen, die verhindern, dass ein Strom von der Anschlussklemme 2 beziehungsweise 3 über den Nebenstromzweig 5 direkt in den Ladezweig 15 fließt, ohne über den Mittelzweig 11 geführt zu werden. Die Schalter 8 und 9 zwischen den An- schlussklemmen 2 und 3 und den Verzweigungspunkten 18 beziehungsweise 19 können grundsätzlich entfallen. Sie ermöglichen jedoch das kontrollierte Anschalten eines Gleichspannungs¬ netzabschnitts und die galvanische Abtrennung der Einheit vom Gleichspannungsnetz .
Beispiele möglicher Submodule 14 für die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sind in den Figuren 5, 6, 7 und 8 dargestellt. Das in Figur 5 dargestellte Submodul 14 weist lediglich einen einzigen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 22 mit gegensinnig parallel geschalteter Freilaufdiode 23 auf. Ein solches Submodul 14 kann bei den Ausführungen der Erfindung gemäß der Figuren 1 bis 4 nur als Bestandteil der Leistungsschalteinheit 13, nicht jedoch als Bestandteil der Kommutierungsmittel 34 dienen, da diese bei einer Anordnung im Mittelzweig 11 einen Energiepspeicher aufweisen müssen, um einen Kreisstrom zu erzeugen. Der Parallelschaltung von Leistungshalbleiterschalter 23 und Freilaufdiode ist ein Ableiter 24 parallel geschaltet, der die beim Schalten frei werdende Schaltenergie aufnimmt. Bei dem Ableiter 24 handelt es sich somit um ein Mittel zur Aufnahme der beim Schalten frei werdenden Energie. Statt einem einzigen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiter ist es im Rahmen der Erfindung auch mög- lieh eine Reihenschaltung gleichzeitig ansteuerbarer ein- und abschaltbarer Leistungshalbleiter einzusetzen, wobei ein einziger Ableiter der gesamten Reihenschaltung parallel geschaltet ist. Die Anzahl der Submodule 14 in der Leistungsschalteinheit 13 ist von der Sperrfähigkeit der Leistungshalbleiterschalter 22, in diesem Fall IGBTs, abhängig. Diese liegt derzeit im Bereich von bis zu 6,5 kV. Die Spannung in Hochspannungsgleichstromnetzen, die derzeit fast ausschließlich als Punkt- zu-Punkt-Verbindungen ausgestaltet sind, liegt in der Regel zwischen 300 und 500 kV. Auch 800kV-Übertragungsleitungen sind bekannt. Die Ableiter 24 sind so dimensioniert, dass diese gemeinsam bei anliegender Betriebsspannung sperren, also nicht leitend sind. Übersteigt die an ihnen abfallende Spannung jedoch eine Maximalspannung, werden diese leitend, so dass ein kontrollierter Stromfluss ermöglicht ist, wobei sich die Ableiter 24 erwärmen und die Elektroenergie als thermische Energie an die Außenatmosphäre abgeben. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Ableiter 24 entspricht der Anzahl der nicht leitenden, also unterbrochenen, Submodule. Werden also nicht Submodule 14 in ihre Unterbrecherstellung überführt, kann ein Stromfluss kontrollierter Größe über die Ableiter festgelegt werden. Dies dient beispielsweise dem kontrollierten Anschluss eines Netzabschnitts.
Figur 6 zeigt ein Submodul 14, das eine so genannte Halbbrü¬ cke ausbildet. Die Halbbrücke besteht aus einem Energiespei¬ cher 25, hier einem Hochspannungskondensator, sowie einer Reihenschaltung 26, die dem Energiespeicher 25 parallel geschaltet ist. Die Reihenschaltung 26 weist zwei in Reihe zu¬ einander geschaltete ein- und abschaltbare Leistungshalblei¬ terschalter in Gestalt von IGBTs 22 auf, denen jeweils eine Freilaufdiode 23 gegensinnig parallel geschaltet ist. Eine erste Anschlussklemme 27 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern 22 der Reihenschaltung 26 verbunden. Die zweite Anschlussklemme 28 liegt auf dem Potenzial eines der Pole des Energiespeichers 25. Zwi- sehen den Anschlussklemmen 27 und 28 ist ein Überbrückungs- schalter 29 vorgesehen, mit dem das Submodul 14 im Fehlerfall überbrückt werden kann. Bei Ausfall eines einzelnen Submoduls bleibt die gesamte Leistungsschalteinheit 13 funktionsfähig. Zur Aufnahme hoher Kurzschlussströme ist zwischen den Submo- dulanschlussklemmen 27 und 28 eine Diode 30 angeordnet. Diese unterstützt die ebenfalls zwischen den Submodulanschlussklem- men 27 und 28 angeordnete Freilaufdiode 23 im Falle hoher Ströme, die über das Submodul 14 fließen. Statt einer Diode 30 kann auch ein Thyristor eingesetzt werden. Ein Überbrü- ckungsschalter 29 und eine Diode 30 oder ein Thyristor 30 zwischen den Klemmen, ist jedoch nicht immer zwingend erforderlich. Wird das Submodul 14 beispielsweise in einer Leis¬ tungsschalteinheit 13 zum Abschalten des über den Mittelzweig 11 fließenden Stroms eingesetzt kann die Diode 30 oder ein an Stelle der Diode eingesetzter Thyristor ersatzlos entfallen. Darüber hinaus können im Rahmen der Erfindung auch druckkon- taktierte Leistungshalbleiter mit einer so genannten „Conduct on Fail"-Eigenschaft eingesetzt werden, die also im Fehler¬ fall leitend werden. Dies würde die Diode 30 in der Regel entbehrlich machen. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass an Stelle von zwei einzelnen Leistungshalbleiterschaltern jeweils eine also insgesamt zwei Reihenschaltungen von Leis¬ tungshalbleiterschaltern eingesetzt werden können. Die Halbbrücke weist darüber hinaus wieder einen Abieiter 24 auf, der dem Energiespeicher 25 parallel geschaltet ist. Auch dieser Abieiter 24 dient wieder zur Aufnahme von beim Schalten frei werdender Energie. Der Abieiter 24 ist bei einem von Figur 6 abweichenden Ausführungsbeispiel zwischen den Submodulklemmen 27 und 28 angeordnet. Allerdings kann die Halbbrückenschal¬ tung gemäß Figur 6 den Stromfluss nur von der ersten Submo- dulanschlussklemme 27 in Richtung der zweiten Submodulan- schlussklemme 28 unterbrechen. In der entgegengesetzten Rich- tung fließt der Strom ungehindert und ungesteuert über die
Freilaufdiode 23 und gegebenenfalls über die Kurzschlussdiode 30. Durch die im Rahmen der Erfindung gewählte H-Schaltung fließt der abzuschaltende Strom jedoch grundsätzlich nur in einer Richtung über den Mittelzweig 11, so das eine den Strom schaltende Halbbrücke als Submodul 14 im Mittelzweig 11 be¬ sonders bevorzugt ist. An dieser Stelle sei darauf hingewie¬ sen, dass zum Schalten oder Begrenzen des Stromes der in Figur 6 obere Leistungshalbleiterschalter 22, der also nicht zwischen den Submodulanschlussklemmen 28, 29 angeordnet ist, auch entfallen kann. Die Reihenschaltung 26 gemäß Figur 6 entspräche dann der Reihenschaltung 26 gemäß Figur 8. Ein solches Halbbrücken-Submodul 14 ist jedoch nicht für die Er¬ zeugung von Kreisströmen und somit nicht als Bestandteil von Kommutierungsmitteln 34 im Mittelzweig 11 geeignet, auf die später noch genauer eingegangen werden wird.
Figur 7 verdeutlicht ein Submodul 14, das als Vollbrücken- schaltung realisiert ist. Auch die Vollbrückenschaltung gemäß Figur 7 verfügt über einen Energiespeicher 25 und eine erste Reihenschaltung 26 zweier IGBTs 22 mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode 23. Darüber hinaus ist jedoch eine zweite Rei¬ henschaltung 31 vorgesehen, die ebenfalls parallel zum Energiespeicher 25 geschaltet ist und die ebenfalls zwei IGBTs 22 in Reihe zueinander mit jeweils gegensinnig paralleler Frei- laufdiode 23 aufweist. Die erste Submodulanschlussklemme 27 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs 22 der ersten Reihenschaltung, wohingegen die zweite Submodulanschlussklemme 28 mit dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs 22 der zwei¬ ten Reihenschaltung 31 verbunden ist. Die Halbbrückenschal- tung gemäß Figur 6 ist in der Lage, je nach Ansteuerung der IGBTs 22 entweder die an dem Kondensator 25 abfallende Kondensatorspannung Uc oder aber eine Spannung null, also eine Nullspannung, an den Submodulanschlussklemmen 27 und 28 zu erzeugen. An den Submodulanschlussklemmen 27 und 28 ist darüber hinaus nicht die an dem Energiespeicher 25 abfallende Kondensatorspannung Uc erzeugbar sowie eine Nullspannung, sondern auch die inverse Kondensatorspannung -Uc . Somit sind die Submodulanschlussklemmen 27, 28 der Vollbrückenschaltung unterschiedlich polarisierbar. Es sei auch hier wieder darauf hingewiesen, dass bei jeder Reihenschaltung 26 und/oder 31 einer der IGBTs 22, beispielsweise der in Figur 7 jeweils oben dargestellte IGBT 22, ersatzlos entfallen kann. Ein sol- ches Vollbrücken-Submodul 14 mit insgesamt zwei oder drei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleitern 22 eignet sich zwar zum Schalten oder Begrenzen des Stromes im Mittelzweig 11 als Teil der Leistungsschalteinheit 13. Die Erzeugung ei¬ nes Kreisstromes ist mit einem solchen Submodul 14 jedoch nicht möglich. Ein Vollbrücken-Submodul 14 mit zwei oder drei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern 22 eignet sich daher nicht als Teil von Kommutierungsmitteln 34 im Mittelzweig 11, auf deren Ausgestaltung später noch genauer eingegangen werden wird.
Figur 8 zeigt ein Submodul 14, das hier als Bremsstellermodul bezeichnet ist. Auch das Bremsstellermodul 14 weist einen Energiespeicher 25 sowie eine erste Reihenschaltung 26 auf, die dem Energiespeicher 25 parallel geschaltet ist. Die Rei- henschaltung 26 weist jedoch nur einen Leistungshalbleiterschalter 22 mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode 23 auf. In Reihe zum Leistungshalbleiterschalter 22, hier ein IGBT, ist eine weitere Diode 32 geschaltet, die gleichsinnig wie die Freilaufdiode 23 der ersten Reihenschaltung 26 orientiert ist. Darüber hinaus ist wieder eine zweite Reihenschaltung 31 vorgesehen, die ebenfalls dem Energiespeicher 25 parallel geschaltet ist und ebenfalls lediglich einen IGBT 22 mit gegen¬ sinniger Freilaufdiode 23 aufweist und in Reihe hierzu eine weitere Diode 32. Parallel zur Diode 32 der zweiten Reihen- Schaltung 31 ist ein ohmscher Widerstand 33 vorgesehen. Die zweite Reihenschaltung 31 dient zur Begrenzung der am Energiespeicher 25 abfallenden Spannung. Wird diese zu hoch, wird der IGBT 22 eingeschaltet, so dass ein Stromfluss über den ohmschen Widerstand 33 sowie eine Entladung des Energiespei¬ chers 25 erfolgt. Die erste Submodulanschlussklemme 27 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen der Diode 32 und dem IGBT 22 der ersten Reihenschaltung 26 verbunden, wohingegen die zwei- te Submodulanschlussklemme 28 auf dem Potenzial des Pols des Energiespeichers 25 liegt. Aufgrund dieser Verschaltung ist das Anlegen der Energiespeicherspannung zwischen den Submodulanschlussklemmen 27 und 28 nicht möglich. Lediglich ein Stromfluss von der Submodulanschlussklemme 27 zur Submodulan- schlussklemme 28 kann geschaltet werden. Der Energiespeicher 25 dient im Wesentlichen zur Energieversorgung der Elektronik des oder der IGBTs. Der Kondensator sorgt auch dafür, dass beim Schalten keine Spannungsspitzen entstehen, durch welche die Halbleiter zerstört werden könnten. In diesem Zusammen- hang sei darauf hingewiesen, dass statt einer zweiten Reihenschaltung 31 auch ein Abieiter einsetzbar ist, der dem Energiespeicher 25 parallel geschaltet ist. Mit anderen Worten würde das Bremsstellermodul dann der in Figur 6 gezeigten Halbbrückenschaltung entsprechen, wobei der nicht zwischen den beiden Submodulanschlussklemmen 27 und 28 angeordnete IGBT 22 entfällt.
Es kann im Rahmen der Erfindung sowohl beim Submodul 14 gemäß Figur 7 als auch gemäß Figur 8 vorteilhaft sein, wenn zwi- sehen den Submodulanschlussklemmen 27 und 28 ein Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise ein Thyristor, oder ein mechanischer Schalter 29 angeordnet ist, wie dies im Zusammenhang mit der Halbbrücke in Figur 6 gezeigt ist. Der mecha¬ nische Schalter 29 dient zum Überbrücken des Submoduls 14 bei Bedarf.
Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung 1, die weitestgehend dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht, wobei jedoch die im Mittelzweig 11 in Reihe zur Leistungsschalteinheit 13 ange¬ ordneten Kommutierungsmittel 34 genauer dargestellt sind. Die Kommutierungsmittel 34 bestehen ebenfalls aus einer Reihen¬ schaltung von Submodulen 14, von denen in Figur 9 lediglich eines gezeigt ist, wobei jedoch durch die strichpunktierten Linien des Mittelzweiges 11 die Reihenschaltung dieser identischen Submodule 14 figürlich angedeutet ist. Gemäß dem in Figur 9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 als Vollbrückenschaltung mit
Abieiter 24 gemäß Figur 7 ausgebildet. Die Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 sind dazu vorgesehen, zwei einander entgegengesetzte Kreisströme in den durch Hauptstromzweig, Nebenstromzweig und Mittelzweig gebildeten Maschen zu trei- ben. Die in Figur 9 gezeigte Vorrichtung ist symmetrisch ausgestaltet. Mit anderen Worten fließt der abzuschaltende
Gleichstrom im Normalbetrieb beispielsweise von der An¬ schlussklemme 2 zur Anschlussklemme 3 sowohl über den Haupt¬ stromzweig 4 als auch über den Nebenstromzweig 5. Jeder der beiden von den Kommutierungsmitteln 34 erzeugte Kreisströme ist in einem der mechanischen Schalter, hier 7 und 8, dem zu schaltenden Gleichstrom entgegengesetzt, so dass sich ein resultierender Strom in dem jeweiligen mechanischen Schalter 7 und 8 von etwa null ergibt. Die mechanischen Schalter 7 und 8 öffnen daher stromlos. Der Gesamtstrom kommutiert auf den
Mittelzweig 11 und fließt über die Leistungsschalteinheit 13 sowie die mechanischen Schalter 6 und 9 zur Anschlussklemme 3. Die Submodule 14 der Leistungsschalteinheit 13 können nun den Gleichstrom abschalten oder begrenzen. Anschließend kön- nen die restlichen mechanischen Schalter 6 und 9 geöffnet werden .
Durch die Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 werden wie oben bereits beschrieben wurde zwei Kreisströme durch die aus Mittel-, Nebenstrom- und Hauptsromzweig gebildeten zwei Ma¬ schen getrieben. Einer der Kreisströme fließt im Uhrzeigersinn, während der andere Kreisstrom entgegen dem Uhrzeigersinn über die jeweilige Masche fließt. Auf diese Weise ist sicher gestellt, dass unabhängig von der Richtung des abzu- schaltenden Gleichstroms der zu schaltende Gleichstrom und einer der Kreisströme sich immer in einem der mechanischen Schalter 6, 7 des Hauptstromzweigs und einem mechanischen Schalter des Nebenstromzweigs 8 oder 9 zu etwa Null überla- gern. Dabei sind die Schalter, in denen sich ein resultierender Strom von etwa Null einstellt, auf unterschiedlichen Sei¬ ten des Mittelzweiges also in Richtung des zu schaltenden Gleichstromes vor oder nach der nach dem Mittelzweigpotenti- alpunkt ihres jeweiligen Zweiges angeordnet. Die besagten me¬ chanischen Schalter, z.B. 7 und 8 können nun geöffnet werden, so dass der Strom über die Leistungsschalteinheit 13 fließt, deren Submodule 14 den Stromfluss dann unterbrechen oder begrenzen können. Die in Figur 9 gezeigten Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 weisen ebenfalls einen Abieiter 24 auf, so dass diese auch als Submodule der Leistungsschaltein¬ heit 13 wirken können. Sind die Submodule 14 der Leistungs¬ schalteinheit 13 ebenfalls als Vollbrückenschaltungen gemäß Figur 7 ausgebildet, kann auch von lediglich einer einzigen Reihenschaltung gesprochen werden, wobei lediglich die An- steuerung der Submodule durch eine nicht gezeigte Steuerungs¬ und Regelungseinheit einen Unterschied dahin ausmacht, ob die Submodule 14 als Teil der Kommutierungsmittel 34 oder als Teil der Leistungsschalteinheit 13 wirken. Selbstverständlich kann ein Vollbrücken-Submodul 14 auch zeitversetzt beide Wir¬ kungen entfalten. Selbstverständlich können Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34, die gemäß Figur 7 als Vollbrücken- schaltung mit Abieiter 24 ausgebildet sind, auch zum Abschal¬ ten oder Begrenzen des Stromes eingesetzt werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung die Submodule 14 der Leistungsschalteinheit 13 nicht immer identisch ausgestaltet sein müssen. So kann ein Teil der Submodule 14 beispielsweise gemäß Figur 5, ein ande- rer Teil gemäß Figur 6, ein weiterer Teil gemäß Figur 7 und ein letzter Teil gemäß Figur 8 ausgestaltet sein. Die Submo¬ dule 14 der Kommutierungsmittel 34 müssen jedoch einen Energiespeicher 25 aufweisen, mit dem erst die Erzeugung eines Kreisstromes in der Masche ermöglicht ist. Darüber hinaus muss das Submodul 14 in der Lage sein, die an dem Energie¬ speicher 25 abfallende Spannung an den Submodulanschlussklem- men 27, 28 zu erzeugen. Figur 10 zeigt eine Ausgestaltung gemäß Figur 9, wobei jedoch die Kommutierungsmittel 34 als Halbbrückenschaltungen gemäß Figur 6 ausgestaltet sind, wobei jedoch keine Dioden 30 und keine Überbrückungsschalter vorgesehen sind. Auch in Figur 10 sind mehrere Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 in Reihe geschaltet, wobei auch hier diese Reihenschaltung durch die strichpunktierte Linie verdeutlicht ist. Im Gegensatz zu der Vollbrückenschaltung gemäß Figur 9 kann die Halbbrückenschaltung gemäß Figur 10 nur eine Spannungspolarität an den Submo- dulanschlussklemmen 27 und 28 erzeugen. Da jedoch der Strom über den Mittelzweig 11 immer nur in einer Richtung fließt, ist diese eine Spannungspolarität vollkommen ausreichend, ei¬ nen Gleichstrom in beiden Richtungen zu schalten oder zu begrenzen. Darüber hinaus kann ein vom Hauptstromzweig 4 zum Nebenstromzweig 5 über den Mittelzweig 11 fließender Strom von den Submodulen 14 der Kommutierungsmittel 34 nicht unterbrochen werden, da dieser über die Freilaufdioden 23 zwischen den Submodulanschlussklemmen 27 und 28 fließt. Nach der Kommutierung des Stromes in den Mittelzweig 11 kann es daher zweckmäßig sein, den die Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 überbrückenden Schalter 29, der in den Figuren 9 und 10 nicht gezeigt ist, zu schließen. Sollten die Submodule 14 der Leistungsschalteinheit 13 ebenfalls eine Halbbrückenschaltung aufweisen, weisen die IGBTs oder gegenüber den IGBTs der Sub- module 14 der Kommutierungsmittel 34 eine entgegengesetzte
Orientierung auf. In der in Figur 10 gezeigten Ausgestaltung der Vorrichtung 1 erzeugen die Kommutierungsmittel 34 gegensinnig, also im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn, zueinander fließende Kreisströme, so dass zwei der me- chanischen Schalter stromlos geöffnet werden können und der Strom in den Mittelzweig 11 kommutiert. Aufgrund der im Ver¬ gleich zu den Submodulen 14 der Leistungsschalteinheit 13 unterschiedlichen Polarisation der Leistungshalbleiterschalter 22 der Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 ist der Lade- zweig 15 nicht mehr am Mittelzweigpotenzialpunkt des Neben¬ stromzweig 5 angeschlossen, sondern mit dem Potenzialpunkt zwischen der Leistungsschalteinheit 13 und den Kommutierungs¬ mitteln 34 verbunden. Der Ladestrom zum Laden der Energie- Speicher 25 der Submodule 14 der Kommutierungsmittel 34 fließt dann von der Anschlussklemme 3 über den Schalter 9, über die Kommutierungsmittel 34 und schließlich über den La¬ dezweig 15 zur Erde beziehungsweise zum Gegenpol hin ab.
Figur 11 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wobei nicht eine einzelne Vorrichtung, sondern mehrere zweipo¬ lige Vorrichtungen 1 in Reihe miteinander geschaltet sind. Die Funktionsweise der einzelnen Vorrichtungen entspricht der Funktionsweise, die im Zusammenhang mit den bisherigen Figuren erläutert wurde. Auch kann die Vorrichtung 1 gemäß der anderen dargestellten oder weiter oben ausgeführten Ausgestaltungen der Erfindung aufgebaut sein. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Vorrichtungen 1 ist durchaus beliebig. Die Reihenschaltung hat den Vorteil, dass der aus ihr bestehende gesamte Gleichspannungsschalter zum Unterbrechen des Stromes besser skalierbar ist und besser für unterschiedliche Spannungsebenen ausgelegt werden kann. Die vergleichsweise klei¬ neren Vorrichtungen können kostengünstiger produziert und gehandhabt werden. Die an den einzelnen Schaltern abfallende Spannung ist kleiner, so dass die Schaltgeschwindigkeit der mechanischen Schalter beschleunigt ist. Nachteilig ist jedoch die notwendige Synchronisierung der einzelnen Vorrichtungen. Darüber hinaus ist es möglich, wie dies in Figur 1 bereits angedeutet ist, die Vorrichtung 1 mit einer Induktivität in Gestalt einer Spule oder Drossel auszurüsten. Eine solche Spule oder Drossel ist auch bei der Ausgestaltung gemäß Figur 11 möglich, wobei die Drossel auf die einzelnen Vorrichtungen verteilt angeordnet ist. Somit ist auch die Drossel leichter skalierbar .
Die Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei Kommutierungsmittel 34 nicht mehr länger im Mittelzweig 11 angeordnet sind. Vielmehr ist zwischen dem Mittelzweigpotenzialpunkt des Hauptstrom¬ zweigs 4 und jedem mechanischen Schalter 6 und 7 des Hauptstromzweigs 4 ein Kommutierungshalbleiterschalter 36 und 37 angeordnet, mit jeweils gegensinnig paralleler Freilaufdiode 23. Parallel zu jedem Kommutierungshalbleiterschalter 36 und somit auch zu jeder Freilaufdiode 23 ist ein Abieiter 24 ge¬ schaltet, der als Mittel zum Abbau einer beim Schalten frei werdenden Energie dient. Die Kommutierungsmittel 34 umfassen daher die Kommutierungshalbleiterschalter 36, 37, die jeweilige Freilaufdiode 23 sowie den jeweiligen nicht linearen Wi¬ derstand 24. Die Kommutierungshalbleiterschalter 36 und 37 sind gegensinnig zueinander orientiert, so dass ein Strom- fluss in beiden Richtungen unterbrochen beziehungsweise be- grenzt werden kann. Im Vergleich zu Figur 1 unterstützen die die Kommutierungshalbleiterschalter 36 beziehungsweise 37 die mechanischen Schalter 6 und 7, um den Strom in den Mittelzweig 11 zu kommutieren. Fließt beispielsweise der Strom von der Anschlussklemme 2 zur Anschlussklemme 3 über den Haupt- stromzweig 4 bei geöffnetem mechanischen Schalter 8, wird zum Abschalten des Stromes der Kommutierungshalbleiterschalter 37 und gleichzeitig der mechanische Schalter 7 betätigt. Auf¬ grund des so schnell ansteigenden Widerstands kommutiert der Stromfluss in den Mittelzweig 11, so dass die Leistungs- schalteinheit 13 diesen unterbrechen kann. Anschließend werden sämtliche mechanischen Schalter geöffnet.
Figur 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung 1, die dem in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel weitestgehend entspricht, wobei jedoch auch zwei Kommutierungshalbleiterschalter 38 und 39 in Gestalt von IGBTs im Nebenstromzweig 5 angeordnet sind. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung sind bei Normalbetrieb alle mechanischen Schalter 6, 7, 8 und 9 geschlossen. Die Kommutierungshalbleiterschalter 36, 37, 38 und 39 sind in ihre Durchlassstellung überführt, so dass ein Strom von der Anschlussklemme 2 sowohl über den Hauptstromzweig 4 als auch über den Nebenstromzweig 5 zur Anschlussklemme 3 hin fließen kann. Zum Abschalten des Stromes werden die Kommutierungs- halbleiterschalter 37 und 38 sowie die mechanischen Schalter 7 und 8 gleichzeitig in ihre Trennstellung überführt bezie¬ hungsweise geöffnet. Der Strom fließt dann von der Anschluss¬ klemme 2 nur noch über den Hauptstromzweig 4, den mechani- sehen Schalter 6, die Freilaufdiode 23 in den Mittelzweig 11 und anschließend über die Freilaufdiode 23, den mechanischen geschlossenen Schalter 9 zur Anschlussklemme 3. Die Leistungsschalteinheit 13 kann den Strom nunmehr unterbrechen.
Figur 14 verdeutlicht eine weitere Ausgestaltung des erfin¬ dungsgemäßen Schalters, bei dem die Kommutierungshalbleiterschalter 38 und 39 des Nebenstromzweigs 5 gegenüber dem Aus¬ führungsbeispiel gemäß Figur 13 entfallen. Stattdessen sind, wie gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4, zwei Dioden
20 und 21 im Nebenstromzweig 5 angeordnet. Die Dioden 20 und
21 verhindern einen Stromfluss über den Nebenstromzweig 5, ohne dass dieser zuvor über den Mittelzweig 11 geführt wird. Die Schalter 8 und 9 unterstützen die Dioden 20 und 21, kön- nen jedoch bei entsprechender Auslegung der Dioden 20 und 21 auch entfallen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Schalten eines Gleichstroms in einem Pol eines Gleichspannungsnetzes mit
- zwei Anschlussklemmen (2,3) zum seriellen Verbinden mit dem Pol,
- einen sich zwischen den Anschlussklemmen (2,3) erstreckenden Hauptstromzweig (4), in dem zwei mechanische Schalter (6,7) angeordnet sind,
- einem sich in Parallelschaltung zum Hauptstromzweig (4) zwischen den Anschlussklemmen (2,3) erstreckenden Nebenstrom- zweig (5), in dem ebenfalls zwei mechanische Schalter (8,9) und/oder zwei Leistungshalbleiter (20,21) angeordnet sind,
- einem Mittelzweig (11), der einen zwischen den mechanischen Schaltern (6,7) angeordneten Mittelzweigpotenzialpunkt (10) des Hauptstrompfades (4) mit einem zwischen den mechanischen Schaltern (8,9) oder den Leistungshalbleitern (20,21) angeordneten Mittelzweigpotenzialpunkt (12) des Nebenstromzweiges (5) miteinander verbindet und der eine Leistungsschalteinheit (13) aufweist, die eine Reihenschaltung aus zweipoligen Sub- modulen (14) mit jeweils wenigstens einem Leistungshalblei¬ terschalter (22) und Mittel zum Abbau einer beim Schalten frei werdenden Energie (24) aufweist, und
- Kommutierungsmitteln (34) zum Kommutieren des Gleichstroms in den Mittelzweig (11), so dass der gesamte Gleichstrom über den Mittelzweig (11) geführt ist, wobei die Kommutierungsmit¬ tel (34) wenigstens einen ansteuerbaren Leistungshalbleiter (22,36) aufweisen.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
ein Ladezweig (15) vorgesehen ist, der einerseits mit dem Erdpotenzial oder mit einem entgegengesetzt zum Pol polari¬ sierten Gegenpol des Gleichspannungsnetzes verbunden ist und andererseits mit dem Mittelzweig (11) verbunden oder verbind¬ bar ist, wobei der Ladezweig (15) einen ohmschen Widerstand (16) aufweist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Ladezweig (15) mit dem Mittelzweigpotenzialpunkt (12) des
Nebenstromzweigs (5) verbunden oder verbindbar ist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Ladezweig (15) einen mechanischen Schalter (17) in Reihenschaltung zum ohmschen Widerstand (16) aufweist, der zur Verbindung des Ladezweigs (15) mit dem Mittelzweig (11) ein¬ gerichtet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Submodule (14) der Leistungsschalteinheit (13) zumindest teilweise jeweils einen ein- und abschaltbaren Leistungshalb¬ leiterschalter (22) und eine gegensinnig parallel hierzu geschaltete Freilaufdiode (23) aufweisen.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Leistungsschalteinheit (13) zum Abschalten von Strömen in nur einer Richtung eingerichtet ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Submodule (14) der Leistungsschalteinheit (13) zumindest teilweise jeweils einen Energiespeicher (25) und eine paral¬ lel zum Energiespeicher (25) geschaltete Reihenschaltung (26) aus zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern
(22) mit jeweils einer gegensinnig paralleler Freilaufdiode
(23) aufweisen, wobei eine Submodulanschlussklemme (27) mit einem Potenzialpunkt zwischen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern (22) und die andere Anschluss- klemme (28) mit einem Pol des Energiespeichers (25) verbunden ist .
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Submodule (14) der Leistungsschalteinheit (13) zumindest teilweise einen Energiespeicher (25) und zwei parallel zum Energiespeicher (25) geschaltete Reihenschaltungen (26,31) mit jeweils zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode aufweisen, wobei eine erste Anschlussklemme (27) mit einem Potenzial¬ punkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern (22) der ersten Reihenschaltung (26) und eine zweite Submodulan- schlussklemme (28) mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern (22) der zweiten Reihenschaltung (31) verbunden ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Mittel zum Abbau der beim Schalten frei werdenden Energie Varistoren und/oder Abieiter (24) sind.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Varistoren und/oder Abieiter zumindest teilweise einem Energiespeicher (25) parallel geschaltet sind.
11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Submodule (14) der Leistungsschalteinheit (13) zumindest teilweise als Bremsstellermodul ausgebildet sind und einen Energiespeicher (25) aufweisen, dem eine erste Reihenschaltung (26) aus einem ein- und abschaltbaren Leistungshalblei- terschalter (22) mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode
(23) und einer gleichsinnig zur Freilaufdiode (23) orientierten Diode (32) und eine zweite Reihenschaltung (31) aus einem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter (28) mit gegensinnig paralleler Freilaufdiode (23) und einer weiteren gleichsinnig zur Freilaufdiode (23) orientierten Diode (32) parallel geschaltet ist, wobei die Diode (32) der zweiten Reihenschaltung (31) einen ohmschen Widerstand (33) überbrückt, die erste Submodulanschlussklemme (27) mit einem Pol des Energiespeichers (25) und die zweite Anschlussklemme (28) mit dem Potenzialpunkt zwischen dem schaltbaren Leistungs¬ halbleiterschalter (22) und der Diode (32) der ersten Reihenschaltung (26) verbunden ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kommutierungsmittel (34) im Mittelzweig (11) in Reihe zur Leistungsschalteinheit (13) angeordnet und zum Erzeugen eines Kreisstromes eingerichtet sind, der dem zu schaltenden
Gleichstrom entgegen gesetzt ist.
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Ladezweig (15) mit dem Potenzialpunkt zwischen der Leis¬ tungsschalteinheit (13) und den Kommutierungsmitteln (34) verbunden oder verbindbar ist.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kommutierungsmittel (34) eine Reihenschaltung von zweipo¬ ligen Submodulen (14) ausbilden, wobei jedes Submodul (14) über einen Energiespeicher (25) und eine Leistungshalbleiterschaltung (26,31) in Parallelschaltung zum Energiespeicher (25) verfügt.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Leistungshalbleiterschaltung eine Reihenschaltung (26) aus zwei abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern (22) mit jeweils gegensinnig paralleler Freilaufdiode (23) ausbildet, wobei eine erste Submodulanschlussklemme (27) mit dem Poten¬ zialpunkt zwischen den abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern (22) und eine weitere Submodulanschlussklemme (28) mit einem Pol des Energiespeichers (25) verbunden ist.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungshalbleiterschaltung zwei Reihenschaltungen
(26,31) aus jeweils zwei ein- und abschaltbaren Leistungs¬ halbleiterschaltern (22) mit jeweils gegensinnig paralleler Freilaufdiode (23) ausbildet, wobei der Potenzialpunkt zwi- sehen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern (22) der ersten Reihenschaltung (26) mit der ersten Submodul- anschlussklemme (27) und der Potenzialpunkt zwischen dem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter (22) der zweiten Reihenschaltung (31) mit der zweiten Submodulanschluss- klemme (28) verbunden ist.
17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kommutierungsmittel (34) im Hauptstromzweig (4) angeord- net sind und Kommutierungshalbleiterschalter (31,37) aufweisen, denen Mittel zum Abbau einer beim Schalten frei werdenden Energie (24) parallel geschaltet sind, wobei jeder Kommu¬ tierungshalbleiterschalter (36,37) zwischen dem Mittelzweigpotenzialpunkt (10) des Hauptstromzweigs (4) und einem der mechanischen Schalter (6,7) des Hauptstromzweigs (4) angeordnet ist.
18. Vorrichtung (1) nach Anspruch 17,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
zwischen jedem mechanischen Schalter (6,7) und dem Mittelzweigpotenzialpunkt (10) des Hauptstromzweigs (4) ein Kommu¬ tierungshalbleiterschalter angeordnet ist, wobei die beiden Kommutierungshalbleiterschalter (36,37) des Hauptstromzweiges (4) gegensinnig zueinander orientiert sind.
19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Nebenstromzweig (5) Kommutierungshalbleiterschalter
(38,39) aufweist und in Parallelschaltung zu dem oder den Kommutierungshalbleiterschaltern (38,39) Mittel zum Abführen einer beim Schalten frei werdenden Energie (24) vorgesehen sind .
20. Vorrichtung (1) nach Anspruch 19,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
zwischen jedem mechanischen Schalter (8,9) oder zwischen jedem Leistungshalbleiter (20,21) des Nebenstromzweigs (5) und dem Mittelzweigpotenzialpunkt (12) des Nebenstromzweigs (5) jeweils ein Kommutierungshalbleiterschalter (38,39) angeordnet ist, wobei die beiden Kommutierungshalbleiterschalter (38,39) gegensinnig zueinander orientiert sind.
21. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die mechanischen Schalter (6,7) des Hauptstromzweiges (4) schnelle Schalter und zum Öffnen innerhalb von 1 ms bis 10 ms eingerichtet sind, wobei die mechanischen Schalter (8,9) des Nebenstromzweigs (5) vergleichsweise langsame mechanische
Schalter sind, die in einem Zeitbereich von 10 bis 50 ms öffnen .
22. Einrichtung zum Schalten von Gleichströmen in einem Pol eines Gleichspannungsnetzes mit einer Reihenschaltung von
Vorrichtungen (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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