WO2022101426A1 - Verfahren und schaltung zum symmetrieren von spannungen in einem dc-netz - Google Patents

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WO2022101426A1
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semiconductor switch
voltages
conductor
network
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Marcel Kratochvil
Burkard Mueller
Alexander UNRU
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Sma Solar Technology Ag
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4833—Capacitor voltage balancing

Definitions

  • a DC energy system comprises at least one energy source that preferably makes electrical power available as direct current, i.e. a DC source, e.g. a battery, a PV generator or a fuel cell, and at least one load that preferably consumes electrical power as direct current. i.e. a DC sink, e.g. B. a consumer, and connections between these electrical components.
  • the DC power system may include a DC grid or bus where the electrical components are connected and may include other sources, storage, and/or loads. The transition between a DC bus with a few connected components, for example only one source and one sink, and a DC network with a large number of such components is fluid.
  • the term DC network is also understood to mean a DC bus.
  • Such a DC network can be grounded or ungrounded.
  • different monitoring and protection mechanisms may be required by standards in the event of a ground fault.
  • An unearthed DC network in which the potentials DC+ and DC- of the respective DC lines DCL+ and DCL- have no fixed reference to the earth potential, has the advantage that any first earth fault in the DC network, for example an insulation fault along one of the DC lines, still no harm.
  • insulation monitoring is required in order to detect the occurrence of any fault and, if necessary, to be able to initiate countermeasures in the event of a first ground fault, e.g. switch off the energy source or disconnect the energy source and/or the fault location from the DC network.
  • the potentials DC+ and DC- have a defined reference to the ground potential.
  • a ground reference can, for example, by means a resistive connection between the ground potential and one of the DC potentials DC+ or DC-.
  • a DC network can be connected to another energy network, e.g. B. another DC network or an AC network, for example an AC supply network, and exchange electrical power with the other energy network, in particular to support or recharge the DC source in the DC network.
  • the DC network can also be supplied permanently or at times completely with energy from the other energy network via the converter, with the energy source of the DC network being able to be used to buffer power fluctuations if necessary.
  • the DC network can automatically be provided with a fixed earth reference via the power converter, i.e. grounded.
  • the concrete position of the potentials of the DC network relative to the ground reference is specified by the concrete topology of the power converter used.
  • the converter can have a divided intermediate circuit whose midpoint, i.e. middle potential, is connected to a neutral conductor with a fixed ground reference, so that the DC potentials of the DC conductors in the intermediate circuit are largely symmetrical about the ground potential.
  • Such a symmetry of the DC potentials has advantages in the system design.
  • a DC network that is not grounded per se also becomes a grounded network through a connection to a grounded energy network via a transformerless converter.
  • There can therefore be two operating states for such a DC network stand-alone operation without grounding via a power converter and grounded operation with a connection via a power converter to the grounded energy network. This must be taken into account when designing the system.
  • DC direct current or direct current
  • AC alternating current
  • the invention is based on the object of demonstrating a method and a device that support simple and safe operation of a DC network.
  • the object is solved by a method having the features of independent patent claim 1 .
  • the object is solved by a balancing unit with the features of independent claim 6 .
  • Advantageous embodiments of the method and the balancing unit are claimed in the dependent claims.
  • a method for balancing voltages on a first and a second DC conductor in a DC network if there is an asymmetry in the voltages of the first DC conductor with respect to ground potential and of the second DC conductor with respect to ground potential, an equalizing current is generated between at least one of the DC -Conductor and ground potential generated.
  • the balancing takes place by means of a balancing unit with a first semiconductor switch and a second semiconductor switch, which are connected in series between the first and the second DC conductor, and a connection to the ground potential arranged between the first semiconductor switch and the second semiconductor switch.
  • the compensating current in the presence of an asymmetry of the voltages of the first DC conductor to ground potential and the second DC conductor to ground potential between at least one of the DC conductors and ground potential is generated via one of the semiconductor switches in each case, the asymmetry of the voltages of the first and second DC conductors with respect to ground potential being reduced by the compensating current.
  • the voltages of the DC conductors in particular are balanced with respect to ground potential.
  • symmetrical voltages mean that the magnitudes of the direct voltages, i.e. DC voltages, are almost the same compared to ground potential on both DC conductors and have opposite polarity, i.e. positive for one of the DC conductors and positive for the other of the DC conductors are negative.
  • the semiconductor switches can be bipolar transistors, for example, which are preferably used as controllable resistors or current sources.
  • the compensating current flows as a result of the non-linearities of the semiconductors, in that the semiconductor has a variable resistance as a function of an analog control signal at the control input of the semiconductor.
  • the semiconductor switches can also be z. B. act switching transistors, the z. B. controlled by a control unit, preferably binary controlled, so preferably have only two states.
  • the control takes place by means of a binary control signal which, depending on the design of the circuit, is provided in particular by a control unit with a suitable regulation.
  • the method is preferably executed on the control unit.
  • the voltages in the DC network symmetrical which e.g. B. can be given by an indirect ground reference via the converter from the grounded AC supply network, this grounding and symmetry is not affected.
  • the DC grid can be operated flexibly both in "stand-alone” operation, for example with electrical power from the battery, and in grid-connected operation with a given ground reference from an AC supply grid via the converter.
  • the DC-side protection concept for a grounded DC network does not have to be changed. This simplifies the system design by ensuring that during operation of the DC network no voltages to earth occur that are significantly higher than half of the total DC voltage.
  • the voltage to ground potential can include the full system voltage if one of the DC potentials is close to ground potential.
  • the insulation in DC consumers must then or from the outset be designed for the maximum occurring DC voltages against earth potential. The method thus simplifies the system design, since the DC voltages can be balanced (within certain limits) and it can thus be ensured that the maximum occurring DC voltages against ground potential are limited to about half the DC intermediate circuit voltage or the DC -Mains is switched off if necessary
  • the compensating current is generated via the at least one semiconductor switch when the asymmetry of the voltages exceeds a predeterminable first threshold value.
  • the balancing unit only intervenes when the asymmetry of the two DC voltages exceeds the first threshold value.
  • Such an application threshold, ie the realization of the first threshold value, for the equalizing current can, for. B. be achieved by appropriate selection and design of the electrical and / or electronic components of the balancing unit, in particular through the use of Zener diodes to control the Semiconductor switch when the first threshold is reached. In this way it can be achieved that a compensating current flows through the balancing unit to ground potential only above a certain asymmetry. This can be particularly advantageous if z. B. the power converter is designed as a bidirectional, three-phase inverter and a zero-sequence system is modulated onto the DC lines on the DC side, as z. B. is the case when using a flattop modulation.
  • the method has the step that, alternatively or additionally, the asymmetry of the voltages is determined by the control unit.
  • the semiconductor switches are e.g. B. switching transistors are controlled by the control unit, preferably switched on and off in binary form.
  • the onset threshold for the equalization current i.e. the first threshold value, is determined by the control unit and the semiconductor switches are controlled via control signals, so that only above a certain asymmetry does an equalization current flow through the balancing unit to ground.
  • the size of the equalizing current is monitored by the control unit. If the compensating current exceeds a predefinable second threshold value, a switch-off signal is generated and output.
  • the control unit preferably generates the switch-off signal and outputs it. In such a case, the asymmetry of the DC voltages is too great, which can indicate a significant insulation fault in the DC network, and should no longer be compensated for by the method.
  • the output of the switch-off signal causes the DC network to be disconnected from an electrical energy store and/or a DC source. For this case of too large Equalizing current makes it possible to switch off the DC grid for safety reasons.
  • a balancing unit for a DC network with a first DC conductor and a second DC conductor, wherein at least one DC load and an electrical energy store and/or a DC source can be connected between the first DC conductor and the second DC conductor has a first semiconductor switch and a second semiconductor switch.
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch are connected in series between the first and the second DC conductor. There is a connection at ground potential between the first semiconductor switch and the second semiconductor switch.
  • the balancing unit is designed in such a way that at least one semiconductor switch is operated in such a way that if there is an asymmetry in the voltages of the first and second DC conductors with respect to ground potential, a compensating current flows between at least one of the DC conductors and ground potential via the at least one semiconductor switch, wherein the asymmetry of the voltages of the first and second DC conductors with respect to ground potential is reduced by the compensating current, the voltages in particular being balanced with respect to ground potential.
  • the first and second semiconductor switches are in the form of transistors.
  • the balancing unit can have bipolar transistors as semiconductor switches, which are used as controllable resistors or current sources and generate the compensating current at their terminals under certain voltage conditions.
  • the compensating current flows as a result of the non-linearities of the semiconductors, in that the semiconductor has a variable resistance depending on an analog control signal at the control input of the semiconductor.
  • the balancing unit can have switching transistors as semiconductor switches. The switching transistors can be actively actuated, for example, by a control unit.
  • the actuation takes place by means of a preferably digital control signal, which is generated by the control unit on which the above-described method is preferably carried out.
  • the control connections of the transistors are connected to a center tap of a series connection of two ohmic resistors arranged between the first and the second DC conductor, the series connection of the ohmic resistors forming a voltage divider. If the voltages on the DC conductors are asymmetric, the potential of the center tap shifts so that the control terminal of one of the transistors is activated and a compensating current is generated via this transistor.
  • This embodiment is particularly suitable for bipolar transistors, for example.
  • a zener diode is arranged between the center tap of the voltage divider and the control terminals of the transistors. This zener diode makes it possible to ensure that small asymmetries in the DC voltages do not affect the transistors, but that a voltage is only present at the control inputs of the transistors when a first threshold value is reached.
  • the first threshold value depends on the breakdown voltage of the zener diode. This embodiment is particularly suitable for bipolar transistors, for example.
  • the balancing unit described thus allows the implementation of the first threshold value, so that a compensating current flows through the balancing unit to ground potential only above a specific asymmetry.
  • the power converter is designed as a bidirectional, three-phase inverter and a zero-sequence system is modulated onto the DC lines on the DC side, as z. B. is the case when using a flattop modulation.
  • Implementing the first threshold value for activating the generation of the compensating current can prevent the balancing unit from working against a system behavior desired by the converter.
  • an ammeter and a further zener diode are arranged in series with it, with a control unit using the ammeter detecting a current flow through the further zener diode and generating and outputting a switch-off signal when a current flows through the further zener diode, resulting in switching of the additional zener diode and thus that a second threshold value for the compensating current is exceeded.
  • a compensating current that exceeds the second threshold value can be detected. This means that the DC network can be switched off if a required compensating current becomes too large, ie the asymmetry of the DC voltages is too large.
  • a first voltmeter is arranged in parallel with the first semiconductor switch and a second voltmeter is arranged in parallel with the second semiconductor switch, the first voltmeter being designed to measure the voltage of the first DC conductor against ground potential and the second voltmeter being designed to measure the voltage of the second DC conductor against ground potential.
  • the control unit z. B. monitor an asymmetry of the DC voltages, so the first DC conductor to ground potential and the second DC conductor to ground potential. If the asymmetry of the DC voltages is too large, ie exceeds e.g. B. the first threshold value, a switch-off signal is generated and output by the control unit.
  • the switch-off signal can e.g. B. Control switches that disconnect a DC source or a battery from the DC grid.
  • the first and the second semiconductor switch are connected as part of a charge pump.
  • the charge pump comprises a first series connection made up of four semiconductor switches, a second series connection made up of four diodes and a third series connection made up of two capacitors.
  • the series circuits are each connected between the DC conductors and their midpoints are tied together.
  • the charge pump preferably has a resonant circuit made up of a coil and a capacitor, the series connection of the capacitors forming an intermediate circuit into which charge is pumped from one of the DC conductors.
  • the balancing unit is designed such that a further DC network can be operated between the connection to ground potential, which is arranged between the first semiconductor switch and the second semiconductor switch, and the first or second DC conductor.
  • the connection point to the ground potential can thus be used as an additional busbar of the DC network, on which consumers can be operated with half the nominal voltage, for example.
  • the control unit is set up to control the at least one semiconductor switch as a function of the asymmetry of the DC voltages.
  • the compensating current that is suitable for reducing the determined asymmetry of the DC voltages and preferably for symmetrizing them is generated by suitably driving the semiconductor switches. This embodiment is particularly suitable for switching transistors.
  • the balancing unit can thus provide a dedicated balancing circuit that provides a (middle) potential between the two DC potentials that can be connected to ground potential via the semiconductor switches for balancing the voltages if necessary.
  • the balancing unit can work in several stages: no balancing with small asymmetry, balancing as long as possible or sensible, and switching off the DC network if necessary.
  • An insulation resistance of the DC network to ground potential changes depending on the asymmetry of the voltages. In the case of symmetrical DC voltages, it has a high resistance, and it becomes smaller as the asymmetry increases. If it becomes too small, the DC grid can be switched off by disconnecting the DC source or the battery.
  • the application also relates to a DC network with a balancing unit as described above.
  • the application also relates to an electrical system with such a DC network and a power converter for power transfer between an AC side of the power converter and a DC side of the power converter, the AC side of the power converter being connectable to a grounded three-phase AC supply network and the DC side of the converter is connected to the DC grid.
  • the DC network can optionally also be operated without a power converter. This can include the case that the power converter is switched off or not connected to the DC grid at all.
  • the DC network can optionally be operated with a galvanically isolating converter or a converter without a transformer. In each of these cases, the symmetry circuit can bring about a balancing of the DC voltages as required and at the same time, if necessary, a grounding of the DC network. This means that an effective protection concept for the DC network can be implemented using the balancing circuit.
  • the dimensioning of the insulation of the lines within the DC network can be sufficient for half the system voltage against ground potential, since the balancing unit can cause the DC voltages in the DC network to be essentially symmetrical about ground potential.
  • the insulation resistance of the DC network can be determined using a measuring circuit. They can be used to detect symmetrical errors if the working voltage of the measuring circuit remains below the activation threshold, ie the first threshold value, of the balancing circuit.
  • 1 schematically shows an exemplary embodiment of a method
  • 2 schematically shows an example of a course of the ground potential in relation to the DC voltages
  • FIG. 3 schematically shows an electrical system with an embodiment of a balancing unit
  • FIG. 4 schematically shows an electrical system with an embodiment of a balancing unit with a zener diode
  • FIG. 5 schematically shows an electrical system with an embodiment of a balancing unit with two zener diodes
  • FIG. 6 shows a schematic of an electrical system with an embodiment of a two-voltmeter balancing unit
  • FIG. 7 schematically shows an electrical system with an embodiment of a balancing unit with a charge pump
  • the method is used to balance voltages on a first DC conductor DC+ and a second DC conductor DC-, each with respect to ground potential in a DC network 14 (FIGS. 3 to 7).
  • the method is carried out by means of a balancing unit 20, 30, 40, 50, 60, examples of which are shown in FIGS.
  • the balancing unit has a first semiconductor switch T1, T3, T5, T7, T9 and a second semiconductor switch T2, T4, T6, T8, T12, which are connected in series between the first DC conductor DC+ and the second DC conductor DC- .
  • step S1 if there is an asymmetry of the voltages of the first DC conductor DC+ with respect to ground potential PE and of the second DC conductor DC- with respect to ground potential PE, a transition is made to step S2 via the “+” branch. In the absence of the asymmetry, branch step S1 continues.
  • step S1 can e.g. B. be done in that the control unit determines the presence of an asymmetry of the voltages.
  • the asymmetry z. B. be recognized by the circuit design in hardware.
  • step S1 the "+" branch can only be entered if the asymmetry of the voltages exceeds a first threshold value TH1 (FIG. 2).
  • TH1 a first threshold value
  • a compensating current IA (Fig. 8) between at least one of the DC conductors DC+, DC- and ground potential PE via at least one of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12 is generated, whereby the asymmetry of the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- in relation to ground potential PE is reduced by the compensating current IA, with the voltages of the DC conductors DC+, DC- being balanced in particular with respect to the ground potential PE.
  • the control unit 22 can preferably control the semiconductor switches T5, T6, T7, T8, T9, T12 in step S2 to generate the compensating current.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 z. B. be controlled via the hardware circuit.
  • Step S3 branch “+” is entered if the compensating current IA generated in step S2 exceeds a second threshold value TH2 (FIG. 8). If the second threshold value TH2 is not exceeded, branch step S3 continues. Step S3 can also be implemented in terms of circuitry in hardware or by means of the control unit 22 .
  • a switch-off signal for the DC network 14 is generated in step S4. This occurs because in step S3 an excessive equalizing current IA and/or an excessive asymmetry was detected.
  • the switch-off signal is preferably generated by the control unit 22 and separates the DC switch 28 z.
  • Fig. 2 exemplary curves of potentials P are shown in a DC network.
  • the ground potential PE is shown in relation to the DC voltages on the DC conductors DC+, DC-.
  • M designates the middle potential in the middle between the two potentials of DC+ and DC-. If the middle potential M corresponds exactly to the ground potential PE, then the DC voltages DC+, DC- are symmetrical about the ground potential PE. This is the desired state.
  • the ground potential PE can lie outside the middle M between the potentials of DC+ and DC-.
  • the DC voltages are asymmetrical, ie the magnitude of the voltage between DC+ and PE deviates more or less significantly from the magnitude of the voltage between DC- and PE.
  • TH1 denotes the first threshold. If the voltages DC+, DC- are in relation to the ground potential PE in such a way that PE lies within the band defined by TH1, then the asymmetry of the DC voltages is comparatively small. The asymmetry of the DC voltages falls below the first threshold value TH1. In this case, no compensating current is generated, the resistance of the balancing circuit and the insulation resistance of the DC network to earth potential are high. For the method shown in FIG. 1, this can mean that step S1 is continued.
  • step S2 can be carried out in the method of FIG. 1 and a compensating current IA can be generated.
  • the compensating current IA is intended to ensure that the position of the ground potential PE continues to be kept at the edge or within the tolerance band TH1.
  • the DC voltages are kept approximately symmetrical to the ground potential PE, with a certain asymmetry being permitted, but excessive voltages against the ground potential PE on one of the DC conductors DC+ or DC- being avoided.
  • the compensating current IA at the edges of the tolerance band TH1, in particular at the limiting value of the tolerance band TH1, changes greatly with a small voltage change, so that asymmetries in the DC voltages occur dynamically are compensated and the asymmetry is kept at the first threshold value TH1. This can be done by the control unit 22 or by a strongly non-linear behavior of the analog circuits according to FIGS. 4-7 realized.
  • the aim is to keep the position of PE close to the tolerance band TH1. If this is not possible, the equalizing current increases sharply and the equalizing current and/or the asymmetry reaches the second threshold value TH2. This corresponds e.g. 1, step S3, in which, if the second threshold value TH2 is exceeded by the compensating current IA, a switch-off signal is generated in step S4. The shutdown signal disconnects a battery 42 from the DC grid.
  • FIGS. 3 to 7 embodiments of balancing units 20, 30, 40, 50, 60 are shown schematically as components of electrical systems. Similar or identical elements are provided with the same reference symbols in FIGS.
  • FIG. 3 an embodiment of an electrical system is shown schematically.
  • a three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side of a converter 10 .
  • a DC network 14 is connected to the DC side.
  • the DC grid 14 includes a battery 42 and a load 44 connected between a first DC line DC+ and a second DC line DC-.
  • the load 44 can in particular include one or more consumers such.
  • the DC network 14 can be connected to the power converter 10 via a disconnect switch 26 .
  • the power converter 10 is preferably designed without a transformer, which means that its AC side and its DC side are galvanically coupled at least during operation. As a result, the DC network 14 can be grounded via the AC supply network, provided that both are connected to the converter 10 .
  • the balancing unit 20 has a first semiconductor switch T1 and a second semiconductor switch T2, which are preferably in the form of bipolar transistors and are connected in series between the first and the second DC conductor DC+, DC-.
  • a series circuit of two resistors R1, R2 is connected between the first DC conductor DC+ and the second DC conductor DC- Form voltage dividers and preferably have identical resistance values.
  • a midpoint of the voltage divider is connected to the control connection of the first semiconductor switch T1 and to the control connection of the second semiconductor switch T2.
  • a connection with ground potential PE is arranged between the first semiconductor switch T1 and the second semiconductor switch T2.
  • the balancing unit 20 is designed in such a way that at least one of the semiconductor switches T1, T2 is operated in such a way that when there is an asymmetry in the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE, a compensating current IA occurs between at least one of the DC conductors DC+, DC and ground potential PE flows through the at least one semiconductor switch T1, T2. This is done in that when there is an asymmetry of the voltages, a potential shift of the center point of the voltage divider occurs, so that a voltage relative to ground potential PE is present at the control terminals of the semiconductor switches T1, T2. Depending on the direction of the asymmetry, this means that one of the semiconductor switches T1, T2 changes its resistance.
  • this respective semiconductor switch T1, T2 is activated and establishes a conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and ground potential PE, with the resistance of the relevant semiconductor switch T1, T2 becoming smaller the larger the asymmetry and thus the voltage is at its control input with respect to ground potential PE.
  • a compensating current IA flows through this conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and ground potential PE, which reduces or at least keeps the asymmetry of the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE.
  • the voltages of the DC conductors DC+, DC- can be balanced with respect to the ground potential PE.
  • FIG. 4 schematically shows an embodiment of the electrical system corresponding to FIG. 3 with a zener diode Z1 for realizing the first threshold value TH1.
  • a three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side of a converter 10 .
  • a DC network 14 is connected to the DC side.
  • the DC grid 14 includes a battery 42 and a load 44 connected between a first DC line DC+ and a second DC line DC-.
  • the load 44 can in particular include one or more consumers such.
  • the DC network 14 can be connected to the power converter 10 via a disconnect switch 26 .
  • the balancing unit 30 has a first semiconductor switch T3 and a second semiconductor switch T4, which are preferably in the form of bipolar transistors and are connected in series between the first and the second DC conductor DC+, DC-.
  • Two resistors R3, R4 are connected in series between the first DC conductor DC+ and the second DC conductor DC- and form a preferably symmetrical voltage divider.
  • a center tap between the two resistors R3, R4 is connected to the control connection of the first semiconductor switch T3 and to the control connection of the second semiconductor switch T4 via a zener diode Z1.
  • a connection with ground potential PE is arranged between the first semiconductor switch T3 and the second semiconductor switch T4.
  • the balancing unit 30 is designed in such a way that at least one semiconductor switch T3, T4 is operated in such a way that if there is an asymmetry in the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE, which reaches a first threshold value TH1, a compensating current IA flows between at least one of the DC conductors DC+, DC- and ground potential PE via the at least one semiconductor switch T3, T4. This is done in that when there is an asymmetry of the voltages that is greater than the first threshold value TH1, a voltage is present at the zener diode Z1 that exceeds the breakdown voltage of the zener diode Z1.
  • the zener diode Z1 becomes conductive, so that a voltage is present at the control terminals of the semiconductor switches T3, T4.
  • this respective semiconductor switch T3, T4 is activated and establishes a conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and ground potential PE, with the resistance of the relevant semiconductor switch T1, T2 becoming smaller the larger the asymmetry and thus the voltage is at its control input with respect to ground potential PE.
  • a compensating current IA flows through this conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and ground potential PE, which reduces or at least keeps the asymmetry of the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE.
  • the voltages of the DC conductors DC+, DC- to be balanced to earth potential PE.
  • the circuit is designed in such a way that the breakdown voltage of the Zener diode Z1 is selected in such a way that the respective semiconductor switch T3, T4 is only activated and the compensating current IA is only generated when the asymmetry of the DC voltages reaches or exceeds the first threshold value TH1 .
  • FIG. 5 shows an embodiment of the electrical system according to FIG. 4 with two zener diodes.
  • a three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side of a converter 10 .
  • a DC network 14 is connected to the DC side.
  • the DC grid 14 includes a battery 42 and a load 44 connected between a first DC line DC+ and a second DC line DC-.
  • the load 44 can in particular include one or more consumers such.
  • the DC network 14 can be connected to the power converter 10 via a circuit breaker 26 .
  • the balancing unit 40 has a first semiconductor switch T5 and a second semiconductor switch T6, which are preferably in the form of bipolar transistors and are connected in series between the first and the second DC conductor DC+, DC-.
  • Two resistors R5, R6 are connected in series between the first DC conductor DC+ and the second DC conductor DC- and form a preferably symmetrical voltage divider.
  • a center tap between the two resistors R5, R6 is connected to the control connection of the first semiconductor switch T5 and to the control connection of the second semiconductor switch T6 via a Zener diode Z2.
  • Two resistors R9, R10 are connected in series between the first semiconductor switch T5 and the second semiconductor switch T6 and form a further, preferably symmetrical, voltage divider.
  • a connection with ground potential PE is arranged between the resistor R9 and the resistor R10.
  • the center between the resistors R9 and R10 is also connected to the control terminals of the first and second semiconductor switches T5, T6 and thus also to the Zener diode Z2 via a further Zener diode Z3 and an ammeter 24 connected in series with it.
  • the zener diode Z2, the ammeter 24 and the further zener diode Z3 are connected in series between the center tap between R5 and R6 and ground potential PE.
  • the balancing unit 40 is designed in such a way that at least one semiconductor switch T5, T6 is operated in such a way that if there is an asymmetry in the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE, which reaches a first threshold value TH1, a compensating current IA flows between at least one of the DC conductors DC+, DC- and ground potential PE via R9 or R10 and via the at least one semiconductor switch T5, T6. This happens because, when there is an asymmetry of the voltages that is greater than the first threshold value TH1, a voltage is present at the zener diode Z2 that exceeds the breakdown voltage of the zener diode Z2.
  • the zener diode Z2 becomes conductive, so that a voltage is present at the control terminals of the semiconductor switches T5, T6.
  • this respective semiconductor switch T5, T6 is activated and establishes a conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and earth potential PE via one of the resistors R9, R10, with the resistance of the semiconductor switch T5, T6 in question becoming the smaller the the greater the asymmetry and thus the voltage at its control input compared to ground potential PE.
  • a compensating current IA flows through this conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and ground potential PE, which reduces or at least keeps the asymmetry of the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE.
  • the voltages of the DC conductors DC+, DC- can be balanced with respect to the ground potential PE.
  • the circuit is designed in such a way that the breakdown voltage of the Zener diode Z2 is selected such that the respective semiconductor switch T5, T6 is only activated and the compensating current IA is only generated when the asymmetry of the DC voltages reaches or exceeds the first threshold value TH1 .
  • the compensating current IA is so great that a voltage is present at the further zener diode Z3 that reaches its breakdown voltage, then a current flows through the zener diode Z2, the ammeter 24 and the further zener diode Z3.
  • the circuit is designed in such a way that the breakdown voltage of the further zener diode Z3 is selected such that it becomes conductive when the compensating current IA or the asymmetry reaches the second threshold value TH2.
  • the control unit 22 can use the ammeter 24 to detect that a current is flowing through the zener diode Z2 and the other zener diode Z3 flows.
  • the control unit can generate a switch-off signal.
  • the switch-off signal can act on the DC switch 28 and separate the battery 42 from the DC network 14 .
  • the switch-off signal can act on the isolating switch 26 and separate the power converter 10 from the DC network 14 . The supply of electrical power to the DC network 14 from the battery 42 and/or via the power converter 10 is thus switched off.
  • FIG. 6 an embodiment of the electrical system according to FIG. 3 with two voltmeters 32, 34 is shown schematically.
  • a three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side of a converter 10 .
  • a DC network 14 is connected to the DC side.
  • the DC grid 14 includes a battery 42 and a load 44 connected between a first DC line DC+ and a second DC line DC-.
  • the load 44 can in particular include one or more consumers such.
  • the DC network 14 can be connected to the power converter 10 via a circuit breaker 26 .
  • the balancing unit 50 has a first semiconductor switch T7 and a second semiconductor switch T8, which are preferably in the form of bipolar transistors and are connected in series between the first and the second DC conductor DC+, DC-.
  • a series circuit made up of two resistors R7, R8, which form a preferably symmetrical voltage divider, is connected between the first DC conductor DC+ and the second DC conductor DC-.
  • a center tap between the two resistors R7, R8 is connected to the control terminals of the semiconductor switches T7, T8.
  • a first voltmeter 32 is connected in parallel with the first semiconductor switch T7.
  • a second voltmeter 34 is connected in parallel with the second semiconductor switch T8. Both voltmeters 32, 34 are connected to the control unit 22.
  • the balancing unit 50 is designed in such a way that at least one semiconductor switch T7, T8 is operated in such a way that if there is an asymmetry in the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE, a compensating current IA occurs between at least one of the DC conductors DC+ , DC and ground potential PE flows through the resistor R11 and through the at least one semiconductor switch T7, T8.
  • a compensating current IA flows through this conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and ground potential PE, which reduces or at least keeps the asymmetry of the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE.
  • the voltages of the DC conductors DC+, DC- can be balanced with respect to the ground potential PE.
  • the control unit 22 can detect this via the voltmeters 32, 34 and generate a switch-off signal.
  • the switch-off signal can act on the DC switch 28 and separate the battery 42 from the DC network 14 .
  • the switch-off signal can act on the isolating switch 26 and separate the power converter 10 from the DC network 14 . The supply of electrical power to the DC grid 14 from the battery 42 is thus switched off.
  • FIG. 7 an embodiment of the electrical system with switching transistors T9, T10, T11, T12 is shown schematically.
  • a three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side of a converter 10 .
  • a DC network 14 is connected to the DC side.
  • the DC grid 14 includes a battery 42 and a load 44 connected between a first DC line DC+ and a second DC line are DC-connected.
  • the load 44 can in particular include one or more consumers such.
  • the DC network 14 can be connected to the power converter 10 via a disconnect switch 26 .
  • the balancing unit 60 has a first semiconductor switch T9 and a second semiconductor switch T12, which are connected in series between the first and the second DC conductor DC+, DC-. Further semiconductor switches T10 and T11 are connected in series between the first semiconductor switch T9 and the second semiconductor switch T12. Between the other semiconductor switches T10 and T11, a connection to ground potential PE is arranged via a resistor R12. A first voltmeter 36 is connected in parallel with the series connection of the semiconductor switches T9, T10. A second voltmeter 38 is connected in parallel with the series connection of the semiconductor switches T11, T12. A series connection of two capacitors 56, 58 with preferably identical capacitance values is connected in parallel with the series connection of the semiconductor switches T9, T10, T11, T12.
  • the midpoints of the series connections of the semiconductor switches T9, T10, T11, T12 and the capacitors 56, 58 are connected to one another and to the midpoint between the voltmeters 36,38. Both voltmeters 36, 38 are connected to the control unit 22. Diodes D1, D2, D3, D4 are connected in parallel with the semiconductor switches T9, T10, T11, T12.
  • the balancing unit 60 is designed in such a way that at least the semiconductor switch T9 with T10 or the semiconductor switch T11 with T12 is operated in such a way that if there is an asymmetry in the voltages of the first and second DC conductors DC+, DC- with respect to ground potential PE, a compensating current IA occurs between at least one of the DC conductor DC+, DC- and ground potential PE flows via semiconductor switch T9 with T10 or T11 with T12.
  • control unit 22 determining an asymmetry in the voltages via the voltmeters 36, 38 and, if there is an asymmetry in the DC voltages which is greater than the first threshold value TH1, driving the semiconductor switches T9 with T10 or T11 with T12 in such a way that that a conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and ground potential PE is established via the resistor R12.
  • a compensating current IA flows through the conductive connection between one of the DC lines DC+, DC- and earth potential PE, which causes the asymmetry of the voltages of the first and second DC- Conductor DC+, DC- to ground potential PE is reduced or at least kept the same.
  • the voltages of the DC conductors DC+, DC- can be balanced with respect to the ground potential PE.
  • the control unit 22 can detect it via the voltmeter 36, 38 and generate a switch-off signal.
  • the switch-off signal can act on the DC switch 28 and separate the battery 42 from the DC network 14 .
  • the switch-off signal can act on the isolating switch 26 and separate the power converter 10 from the DC network 14 . The supply of electrical power to the DC network 14 from the battery 42 and/or via the power converter 10 is thus switched off.
  • the capacitors 56, 58 form a DC intermediate circuit into which charge is pumped by a charge pump.
  • the charge pump has a bridge circuit of the semiconductor switches T9, T10, T11, T12, which are supplemented by the coil 53 and the capacitor 54 to form a resonant circuit. Due to resonant operation, charge is pumped from a DC line DC+, DC- into the intermediate circuit.
  • FIG. 8 shows exemplary curves of compensating currents IA.
  • the upper profile C1 shows an example of a profile of the compensating current IA for the case of a balancing unit 60 with a control unit 22, which controls the semiconductor switches T9, T10, T11, T, 12, as z. B. shown in Fig. 7.
  • the lower profile C2 shows an example of a profile of the compensating current IA for the case of a balancing unit 40 with circuitry implementation of the method from FIG. as shown in Figures 4-6.
  • the balancing unit 40 from FIG. 5 has a control unit, this controls the DC switch 28 for the switch-off according to step S4.
  • the threshold value TH1 is realized in terms of circuitry via the zener diode Z1 in FIG. 4 or Z2 in FIG. 5 or by means of the voltmeters 32, 34 in FIG. 6 or 36, 38 in FIG.
  • the compensating current IA is in the range of 0 if the asymmetry of the DC voltages is within TH1, i. H. no compensating current IA is generated. If the asymmetry of the DC voltages is in the area of TH1, ie in the area of the edges of the band TH1, the compensating current IA rises rapidly in order to keep the asymmetry in the area of TH1. If the compensating current IA then reaches the second threshold value TH2—according to the amount—then the switch-off signal for the DC network 14 is generated, so that the compensating current IA subsequently no longer increases.
  • the upper curve C1 also has a hysteresis in the area at the edges of the band TH1, which is realized, for example, by starting the driving of the semiconductor switches in the embodiment according to FIG. 7 when the asymmetry is slightly outside the band TH1, and only is then stopped when the asymmetry is again within the band TH1. This avoids the triggering of the semiconductors being switched on and off in quick succession in the event of asymmetries at the edge of the band TH1.

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Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zum Symmetrieren von Spannungen an einem ersten und einem zweiten DC-Leiter (DC+, DC-) in einem DC-Netz (14) mittels einer Symmetriereinheit (20, 30, 40, 50, 60) mit einem ersten Halbleiterschalter (T1, T3, T5, T7, T9) und einem zweiten Halbleiterschalter (T2, T4, T6, T8, T12), welche zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter (DC+, DC-) in Reihe geschaltet sind, und einer zwischen dem ersten Halbleiterschalter (T1, T3, T5, T7, T9) und dem zweiten Halbleiterschalter (T2, T4, T6, T8, T12) angeordneten Verbindung mit einem Erdpotential (PE), wobei bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters (DC+) gegen Erdpotential (PE) und des zweiten DC-Leiters (DC-) gegen Erdpotential (PE) ein Ausgleichsstrom (IA) zwischen zumindest einem der DC-Leiter (DC+, DC-) und Erdpotential (PE) über zumindest einen der Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12) erzeugt wird, wobei durch den Ausgleichsstrom (IA) die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter (DC+, DC-) gegen Erdpotential (PE) verringert wird, wobei insbesondere die Spannungen der DC-Leiter (DC+, DC-) zum Erdpotential (PE) symmetriert werden. Die Anmeldung beschreibt weiter eine Symmetriereinheit.

Description

VERFAHREN UND SCHALTUNG ZUM SYMMETRIEREN VON SPANNUNGEN IN EINEM DC-NETZ
Technisches Gebiet der Erfindung
Ein DC-Energiesystem umfasst mindestens eine Energiequelle, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom zur Verfügung stellt, also eine DC-Quelle, z.B. eine Batterie, einen PV-Generator oder eine Brennstoffzelle, und mindestens eine Last, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom verbraucht, also eine DC- Senke, z. B. einen Verbraucher, sowie Verbindungen zwischen diesen elektrischen Komponenten. Das DC-Energiesystem kann ein DC-Netz oder einen DC-Bus umfassen, wo die elektrischen Komponenten angeschlossen sind, und weitere Quellen, Speicher und/oder Verbraucher umfassen. Der Übergang zwischen einem DC-Bus mit wenigen angeschlossenen Komponenten, beispielsweise lediglich einer Quelle und einer Senke, und einem DC-Netz mit einer Vielzahl an derartigen Komponenten ist fließend. In dieser Anmeldung wird unter dem Begriff DC-Netz auch ein DC-Bus verstanden.
Ein solches DC-Netz kann geerdet oder ungeerdet betrieben werden. Abhängig von der konkreten Betriebsart können unterschiedliche Überwachungs- und Schutzmechanismen für den Fall eines Erdschlusses normativ gefordert sein.
Ein ungeerdetes DC-Netz, in dem die Potentiale DC+ und DC- der jeweiligen DC- Leitungen DCL+ und DCL- keinen festen Bezug zum Erdpotential aufweisen, hat den Vorteil, dass ein etwaiger erster Erdschluss im DC-Netz, beispielsweise ein Isolationsfehler entlang einer der DC-Leitungen, noch zu keinem Schaden führt. Es wird jedoch eine Isolationsüberwachung benötigt, um das Auftreten jedweden Fehlers zu detektieren und ggf. schon bei einem ersten Erdschluss Gegenmaßnahmen einleiten zu können, z.B. die Energiequelle abzuschalten bzw. die Energiequelle und/oder die Fehlerstelle vom DC-Netz zu trennen.
In einem geerdeten DC-Netz weisen die Potentiale DC+ und DC- einen definierten Bezug zum Erdpotential auf. Ein derartiger Erdbezug kann beispielsweise mittels einer resistiven Verbindung zwischen dem Erdpotential und einem der DC-Potentiale DC+ oder DC- realisiert werden.
Ein DC-Netz kann über einen Stromrichter mit einem weiteren Energienetz, z. B. einem weiteren DC-Netz oder einem AC-Netz, beispielsweise einem AC- Versorgungsnetz, verbunden werden und mit dem weiteren Energienetz elektrische Leistung austauschen, insbesondere zur Unterstützung oder Wiederaufladung der DC-Quelle im DC-Netz. Grundsätzlich kann das DC-Netz auch dauerhaft oder zeitweise vollständig über den Stromrichter mit Energie aus dem weiteren Energienetz versorgt werden, wobei die Energiequelle des DC-Netzes ggf. zur Pufferung von Leistungsschwankungen verwendet werden kann.
Wenn das weitere Energienetz eine Erdung, z. B. in Form eines geerdeten Neutralleiters aufweist und der Stromrichter transformatorlos aufgebaut ist, d.h. keine galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite aufweist, kann das DC-Netz automatisch über den Stromrichter mit einem festen Erdbezug versehen, d.h. geerdet, werden. Die konkrete Lage der Potentiale des DC-Netzes relativ zum Erdbezug wird dabei durch die konkret verwendete Topologie des Stromrichters vorgegeben. Beispielsweise kann der Stromrichter gleichstromseitig einen geteilten Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt, also Mittelpotential, mit einem Neutralleiter mit festem Erdbezug verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale der DC-Leiter am Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential einstellen. Eine solche Symmetrie der DC-Potentiale hat Vorteile bei der Systemauslegung.
Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz durch eine Verbindung mit einem geerdeten Energienetz über einen transformatorlosen Stromrichter ebenfalls zu einem geerdeten Netz. Es können sich somit zwei Betriebszustände für ein solches DC-Netz ergeben, ein „Stand-alone“-Betrieb ohne Erdung über einen Stromrichter und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung über einen Stromrichter mit dem geerdeten Energienetz. Dies ist bei der Systemauslegung zu beachten.
Verbindet man allerdings ein geerdetes DC-Netz mit einem geerdeten AC-Netz, beispielsweise über einen Stromrichter, kann es zu derart hohen, unkontrollierten Stromflüssen zwischen den Netzen kommen, dass Komponenten des Stromrichters oder Komponenten der Netze beschädigt werden. Dies gilt auch, wenn in einem vermeintlich ungeerdeten DC-Netz ein Isolationsfehler vorhanden ist.
Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl. alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, die einen einfachen und sicheren Betrieb eines DC-Netzes unterstützen.
Lösung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird durch eine Symmetriereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Symmetriereinheit sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Beschreibung der Erfindung
Bei einem Verfahren zum Symmetrieren von Spannungen an einem ersten und einem zweiten DC-Leiter in einem DC-Netz wird bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential und des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential ein Ausgleichsstrom zwischen zumindest einem der DC-Leiter und Erdpotential erzeugt. Das Symmetrieren erfolgt mittels einer Symmetriereinheit mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter, welche zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter in Reihe geschaltet sind, und einer zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter angeordneten Verbindung mit dem Erdpotential. Der Ausgleichsstrom, der bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential und des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential zwischen zumindest einem der DC-Leiter und Erdpotential erzeugt wird, wird über jeweils einen der Halbleiterschalter erzeugt, wobei durch den Ausgleichsstrom die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter gegen Erdpotential verringert wird. In einer Ausführungsform werden insbesondere die Spannungen der DC-Leiter zum Erdpotential symmetriert.
Symmetrische Spannungen bedeuten im Kontext dieser Anmeldung, dass die Beträge der Gleichspannungen, also DC-Spannungen, gegenüber Erdpotential auf beiden DC-Leitern nahezu gleich groß sind und entgegengesetzte Polaritätaufweisen, also für einen der DC-Leiter positiv und für den anderen der DC- Leiter negativ sind.
Bei den Halbleiterschaltern kann es sich beispielsweise um Bipolartransistoren handeln, die bevorzugt als steuerbare Widerstände bzw. Stromquellen eingesetzt werden. Der Ausgleichsstrom fließt in diesen Ausführungsformen infolge der Nichtlinearitäten der Halbleiter, indem der Halbleiter einen variablen Widerstand in Abhängigkeit von einem analogen Steuersignal am Steuereingang der Halbleiter aufweist.
Bei den Halbleiterschaltern kann es sich auch um z. B. Schalt-Transistoren handeln, die z. B. von einer Steuereinheit angesteuert, bevorzugt binär angesteuert, werden, also bevorzugt nur zwei Zustände aufweisen. Die Ansteuerung erfolgt in einer solchen Ausführungsform mittels eines binären Steuersignals, das je nach Auslegung der Schaltung insbesondere durch eine Steuereinheit mit einer geeigneten Regelung bereitgestellt wird. Bevorzugt wird das Verfahren auf der Steuereinheit ausgeführt.
Das Verfahren greift ein, wenn eine Asymmetrie der Spannungen vorliegt und ermöglicht eine Symmetrierung der DC-Spannungen in verschiedenen Betriebszuständen des DC-Netzes. Dazu gehören insbesondere ein AC-gekoppelter Betrieb, bei dem das DC-Netz z.B. über einen transformatorlosen Stromrichter galvanisch mit einem geerdeten AC-Versorgungsnetz verbunden ist und zumindest überwiegend aus den AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird, sowie ein „Stand-alone“ Betrieb, bei dem das DC-Netz galvanisch vom AC- Versorgungsnetz getrennt ist Sind die Spannungen im DC-Netz symmetrisch, was z. B. durch einen indirekten Erdbezug über den Stromrichter aus dem geerdeten AC- Versorgungsnetz gegeben sein kann, so wird in diese Erdung und Symmetrie nicht eingegriffen. Damit kann das DC-Netz flexibel sowohl im „Stand-alone“ Betrieb, beispielsweise mit elektrische Leistung aus der Batterie, als auch im netzgekoppelten Betrieb mit gegebenem Erdbezug aus einem AC-Versorgungsnetz über den Stromrichter betrieben werden. Dabei muss das das DC-seitige Schutzkonzept für ein geerdetes DC-Netzes nicht verändert werden. Dies vereinfacht die Systemauslegung, indem sichergestellt ist, dass im Betrieb des DC-Netzes keine Spannungen gegen Erde auftreten, die wesentlich oberhalb der Hälfte der gesamten DC-Spannung liegen.
In einem ungeerdeten DC-Netz ohne Symmetrierung der DC-Spannungen kann die Spannung gegen Erdpotential die volle Systemspannung umfassen, wenn eines der DC-Potentiale in der Nähe des Erdpotentials zu liegen kommt. Die Isolation in DC- Verbrauchern muss dann bzw. von vornherein auf die maximal auftretenden DC- Spannungen gegen Erdpotential ausgelegt sein. Das Verfahren erleichtert somit die Systemauslegung, da eine Symmetrierung der DC-Spannungen (in gewissen Grenzen) erreicht werden kann und somit gewährleistet werden kann, dass die maximal auftretenden DC-Spannungen gegen Erdpotential auf etwa die Hälfte der DC-Zwischenkreisspannung begrenzt ist oder das DC-Netz ggf. abgeschaltet wird
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Ausgleichsstrom über den zumindest einen Halbleiterschalter erzeugt, wenn die Asymmetrie der Spannungen einen vorgebbaren ersten Schwellwert überschreitet. Bei einem solchen Verfahren wird erst dann durch die Symmetriereinheit eingegriffen, wenn die Asymmetrie der beiden DC-Spannungen den ersten Schwellwert überschreitet. Bei der Systemauslegung kann so berücksichtigt werden, dass z. B. kleinere Asymmetrien für das System unschädlich sein können oder sogar systembedingt erwünscht sein können, und es daher möglich sein kann, dass zunächst kein Eingriff nötig ist.
Eine solche Einsatzschwelle, also die Realisierung des ersten Schwellwertes, für den Ausgleichsstrom kann z. B. über geeignete Auswahl und Auslegung der elektrischen und/oder elektronischen Bauteile der Symmetriereinheit erreicht werden, insbesondere durch die Verwendung von Zenerdioden zur Ansteuerung der Halbleiterschalter bei Erreichen des ersten Schwellwertes. So kann erreicht werden, dass erst ab einer bestimmten Asymmetrie ein Ausgleichsstrom durch die Symmetriereinheit gegen Erdpotential fließt. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn z. B. der Stromrichter als bidirektionaler, dreiphasiger Wechselrichter ausgeführt ist und DC-seitig ein Nullsystem auf die DC-Leitungen aufmoduliert, wie es z. B. bei Verwendung einer Flattopmodulation der Fall ist. Dies führt nämlich dazu, dass das DC-Potential nicht konstant ist, sondern dass die Lage der DC- Spannungen durch die Art der Regelung der Brückenschaltung des Stromrichters mit der Netzfrequenz moduliert wird. Damit liegt eine Art systembedingte „modulierte Asymmetrie“ vor. Die Verwendung einer Einsatzschwelle kann insofern verhindern, dass das Verfahren gegen ein vom Stromrichter gewünschtes Systemverhalten arbeitet.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt auf, dass alternativ oder zusätzlich die Asymmetrie der Spannungen durch die Steuereinheit ermittelt wird. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn es sich bei den Halbleiterschaltern um z. B. Schalt-Transistoren handeln, die von der Steuereinheit angesteuert, bevorzugt binär ein- und ausgeschaltet, werden. Hier wird die Einsatzschwelle für den Ausgleichsstrom, also der erste Schwellwert, durch die Steuereinheit ermittelt und die Halbleiterschalter über Ansteuersignale angesteuert, so dass erst ab einer bestimmten Asymmetrie ein Ausgleichsstrom durch die Symmetriereinheit gegen Erde fließt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Größe des Ausgleichsstroms durch die Steuereinheit überwacht. Überschreitet der Ausgleichsstrom einen vorgebbaren zweiten Schwellwert, wo wird ein Abschaltsignal erzeugt und ausgegeben. Bevorzugt erzeugt die Steuereinheit das Abschaltsignal und gibt es aus. In einem solchen Fall ist die Asymmetrie der DC-Spannungen zu groß, was insbesondere auf einen erheblichen Isolationsfehler im DC-Netz hinweisen kann, und sollte durch das Verfahren nicht mehr ausgeglichen werden.
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens bewirkt die Ausgabe des Abschaltsignals eine Trennung des DC-Netzes von einem elektrischen Energiespeicher und/oder einer DC-Quelle. Für diesen Fall des zu großen Ausgleichsstroms wird ermöglicht, das DC-Netz aus Sicherheitsgründen abzuschalten.
Eine Symmetriereinheit für ein DC-Netz mit einem ersten DC-Leiter und einem zweiten DC-Leiter, wobei zwischen dem ersten DC-Leiter und dem zweiten DC-Leiter zumindest eine DC-Last sowie ein elektrischer Energiespeicher und/oder eine DC- Quelle anschließbar ist, weist einen ersten Halbleiterschalter und einen zweiten Halbleiterschalter auf. Der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter sind zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter in Reihe geschaltet. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter besteht eine Verbindung mit Erdpotential. Die Symmetriereinheit ist so ausgelegt ist, dass zumindest ein Halbleiterschalter so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential ein Ausgleichsstrom zwischen zumindest einem der DC-Leiter und Erdpotential über den zumindest einen Halbleiterschalter fließt, wobei durch den Ausgleichsstrom die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter gegen Erdpotential verringert wird, wobei insbesondere die Spannungen zum Erdpotential symmetriert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen der Symmetriereinheit sind der erste und der zweite Halbleiterschalter als Transistoren ausgebildet. Die Symmetriereinheit kann dabei als Halbleiterschalter Bipolartransistoren aufweisen, die als steuerbare Widerstände bzw. Stromquellen eingesetzt werden und bei bestimmten Spannungsverhältnissen an ihren Anschlüssen den Ausgleichsstrom erzeugen. Der Ausgleichsstrom fließt in diesen Ausführungsformen infolge der Nichtlinearitäten der Halbleiter, indem der Halbleiter einen variablen Widerstand in Abhängigkeit von einem analogen Steuersignal am Steuereingang der Halbleiter aufweist.. Alternativ oder zusätzlich kann die Symmetriereinheit als Halbleiterschalter Schalt-Transistoren aufweisen. Die Schalt-Transistoren können beispielsweise durch eine Steuereinheit aktiv betätigt werden. Die Betätigung erfolgt dabei durch ein bevorzugt digitales Steuersignal, welches durch die Steuereinheit erzeugt wird, auf der bevorzugt oben beschriebenes Verfahren ausgeführt wird. In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit sind die Steueranschlüsse der Transistoren mit einem Mittenabgriff einer zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter angeordneten Reihenschaltung zweier ohmscher Widerstände verbunden, wobei die Reihenschaltung der ohmschen Widerstände einen Spannungsteiler bildet. Bei einer Asymmetrie der Spannungen an den DC-Leitern verschiebt sich das Potential des Mittenabgriffs, so dass der Steueranschluss eines der Transistoren angesteuert und über diesen Transistor ein Ausgleichsstrom erzeugt wird. Diese Ausführungsform ist beispielsweise besonders für Bipolartransistoren geeignet.
In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ist zwischen dem Mittenabgriff des Spannungsteilers und den Steueranschlüssen der Transistoren eine Zenerdiode angeordnet. Durch diese Zenerdiode kann erreicht werden, dass kleine Asymmetrien der DC-Spannungen nicht auf die Transistoren durchgreifen, sondern erst bei Erreichen eines ersten Schwellwertes eine Spannung an den Steuereingänge der Transistoren anliegt. Der erste Schwellwert hängt dabei von der Durchbruchspannung der Zenerdiode ab. Diese Ausführungsform ist beispielsweise besonders für Bipolartransistoren geeignet.
Die beschriebene Symmetriereinheit erlaubt also die Realisierung des ersten Schwellwertes, so dass erst ab einer bestimmten Asymmetrie ein Ausgleichsstrom durch die Symmetriereinheit gegen Erdpotential fließt. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn z. B. der Stromrichter als bidirektionaler, dreiphasiger Wechselrichter ausgeführt ist und DC-seitig ein Nullsystem auf die DC-Leitungen aufmoduliert, wie es z. B. bei Verwendung einer Flattopmodulation der Fall ist. Dies führt nämlich dazu, dass das DC-Potential nicht konstant ist, sondern dass die Lage der DC-Spannungen durch die Art der Regelung der Brückenschaltung des Stromrichters mit der Netzfrequenz moduliert wird. Damit liegt eine Art systembedingte „modulierte Asymmetrie“ vor. Durch die Realisierung des ersten Schwellwertes zum Aktivieren der Generierung des Ausgleichsstroms kann insofern verhindert werden, dass die Symmetriereinheit gegen ein vom Stromrichter gewünschtes Systemverhalten arbeitet.
In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit mit Zenerdiode zwischen dem
Mittenabgriff des Spannungsteilers und den Steueranschlüssen der Transistoren ist zwischen den Steueranschlüssen der Transistoren und Erdpotential ein Strommesser sowie in Reihe dazu eine weitere Zenerdiode angeordnet, wobei eine Steuereinheit mittels des Strommessers einen Stromfluss durch die weitere Zenerdiode detektiert und ein Abschaltsignal erzeugt und ausgibt, wenn ein Strom durch die weitere Zenerdiode fließt, was ein Durchschalten der weiteren Zenerdiode und damit eine Überschreitung eines zweiten Schwellwertes für den Ausgleichsstrom indiziert. Hierdurch kann ein Ausgleichsstrom erfasst werden, der den zweiten Schwellwert überschreitet. Damit kann erreicht werden, dass das DC-Netz abgeschaltet werden kann, wenn ein benötigter Ausgleichsstrom zu groß wird, d. h. die Asymmetrie der DC-Spannungen zu groß ist.
In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ist ein erster Spannungsmesser parallel zum ersten Halbleiterschalter und ein zweiter Spannungsmesser parallel zum zweiten Halbleiterschalter angeordnet, wobei der erste Spannungsmesser ausgelegt ist, die Spannung des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential zu messen und der zweite Spannungsmesser ausgelegt ist, die Spannung des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential zu messen. Über die Spannungsmesser kann die Steuereinheit z. B. eine Asymmetrie der DC-Spannungen, also des ersten DC-Leiters gegen Erdpotential und des zweiten DC-Leiters gegen Erdpotential überwachen. Wird die Asymmetrie der DC-Spannungen zu groß, also überschreitet z. B. den ersten Schwellwert, so wird durch die Steuereinheit ein Abschaltsignal erzeugt und ausgegeben. Das Abschaltsignal kann z. B. Schalter ansteuern, die eine DC-Quelle oder eine Batterie vom DC-Netz trennen.
In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit sind der erste und der zweite Halbleiterschalter Teil einer Ladungspumpe geschaltet. Die Ladungspumpe umfasst eine erste Reihenschaltung aus vier Halbleiterschaltern, eine zweite Reihenschaltung aus vier Dioden und eine dritte Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren umfasst. Die Reihenschaltungen sind jeweils zwischen den DC-Leitern geschaltet, und ihre Mittelpunkte sind miteinander verbunden. Bevorzugt weist die Ladungspumpe einen Resonanzkreis aus einer Spule und einem Kondensator auf, wobei die Reihenschaltung der Kondensatoren einen Zwischenkreis bilden, in den Ladung von einem der DC-Leiter gepumpt wird. Durch das Pumpen der Ladung wird der Ausgleichsstrom gleichsam entlastet und die Verringerung der Asymmetrie der DC- Spannungen unterstützt.
In einer Ausführungsform ist die Symmetriereinheit so ausgelegt, dass zwischen der Verbindung mit Erdpotential, die zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter angeordnet ist, und dem ersten oder zweiten DC-Leiter ein weiteres DC-Netz betreibbar ist. Der Verbindungspunkt zum Erdpotential kann so als zusätzliche Stromschiene des DC-Netzes genutzt werden, an dem Verbraucher mit z.B. halber Nennspannung betrieben werden können.
In einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ist die Steuereinheit eingerichtet, den zumindest einen Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Asymmetrie der DC- Spannungen anzusteuern. Durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter wird der Ausgleichsstrom erzeugt, der geeignet ist, die ermittelte Asymmetrie der DC- Spannungen zu verringern und sie bevorzugt zu symmetrieren. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Schalt-Transistoren.
Die Symmetriereinheit kann damit eine dezidierte Symmetrierschaltung zur Verfügung stellen, die ein (Mitten-)Potenzial zwischen den beiden DC-Potentialen zur Verfügung stellt, das bedarfsweise über die Halbleiterschalter zur Symmetrierung der Spannungen mit Erdpotential verbunden werden kann. Die Symmetriereinheit kann in mehreren Stufen arbeiten: keine Symmetrierung bei kleiner Asymmetrie, Symmetrierung solange möglich bzw. sinnvoll, und Abschalten des DC-Netzes wenn nötig.
Ein Isolationswiderstand des DC-Netzes zum Erdpotential verändert sich dabei in Abhängigkeit von der Asymmetrie der Spannungen. Bei symmetrischen DC- Spannungen ist er hochohmig, bei zunehmender Asymmetrie wird er kleiner. Wenn er zu klein wird, kann das DC-Netz durch Trennung von DC-Quelle oder Batterie abgeschaltet werden.
Die Anmeldung betrifft weiter ein DC-Netz mit einer zuvor beschriebenen Symmetriereinheit. Die Anmeldung betrifft außerdem ein elektrisches System mit einem solchen DC- Netz und einem Stromrichter zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters und einer DC-Seite des Stromrichters, wobei die AC-Seite des Stromrichters an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz anschließbar ist und die DC-Seite des Stromrichters an das DC-Netz angeschlossen ist.
Das DC-Netz kann optional auch ohne einen Stromrichter betrieben werden. Dies kann den Fall umfassen, dass der Stromrichter abgeschaltet ist oder gar nicht mit dem DC-Netz verbunden ist. Das DC-Netz kann optional mit einem galvanisch trennenden oder einem transformatorlosen Stromrichter betrieben werden. Die Symmetrieschaltung kann in jedem dieser Fälle eine bedarfsweise Symmetrierung der DC-Spannungen und zugleich ggf. eine Erdung des DC-Netzes bewirken. Damit kann durch die Symmetrierschaltung ein wirksames Schutzkonzept für das DC-Netz verwirklicht werden. Die Auslegung der Isolation der Leitungen innerhalb des DC- Netzes kann auf halbe Systemspannung gegen Erdpotential ausreichend sein, da durch die Symmetriereinheit bewirkt werden kann, dass die DC-Spannungen im DC- Netz im Wesentlichen symmetrisch um Erdpotential sind. Es kann zudem möglich sein, auf die Messung des Isolationswiderstandes als Teil des Schutzkonzeptes zu verzichten, wodurch das Schutzkonzept vereinfacht werden kann.
Auf Seiten des DC-Netzes ist es möglich, übliche Verbraucher für DC-Netze zu verwenden, die nicht zwingend auf das Auftreten der vollen Systemspannung gegen Erde ausgelegt sind. Auf Seiten des AC-Versorgungsnetzes ist es möglich, für geerdete AC-Netze übliche AC-Verbraucher zu verwenden. Der Isolationswiderstand des DC-Netzes kann über eine Messschaltung bestimmt werden. Symmetrische Fehler sind durch sie erfassbar, wenn die Arbeitsspannung der Messschaltung unterhalb der Einsatzschwelle, also des ersten Schwellwertes, der Symmetrierschaltung bleibt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens; Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel eines Verlaufs des Erdpotentials in Relation zu den DC-Spannungen;
Fig. 3 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit;
Fig. 4 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit einer Zenerdiode;
Fig. 5 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit zwei Zenerdioden;
Fig. 6 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit zwei Spannungsmessern;
Fig. 7 zeigt schematisch ein elektrisches System mit einer Ausführungsform einer Symmetriereinheit mit einer Ladungspumpe;
Fig. 8 zeigt schematisch beispielhafte Verläufe von Ausgleichsströmen.
Figurenbeschreibung
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines Verfahrens dargestellt. Das Verfahren dient zum Symmetrieren von Spannungen an einem ersten DC-Leiter DC+ und einem zweiten DC-Leiter DC- jeweils gegen Erdpotential in einem DC-Netz 14 (Figuren 3 bis 7). Das Verfahren wird mittels einer Symmetriereinheit 20, 30, 40, 50, 60 ausgeführt, wovon Ausführungsbeispiele in den Figuren 3 bis 7 dargestellt sind. Die Symmetriereinheit weist einen ersten Halbleiterschalter T1 , T3, T5, T7, T9 und einem zweiten Halbleiterschalter T2, T4, T6, T8, T12 auf, welche zwischen dem ersten DC- Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T1 , T3, T5, T7, T9 und dem zweiten Halbleiterschalter T2, T4, T6, T8, T12 ist eine Verbindung mit einem Erdpotential PE vorhanden.
In einem Schritt S1 wird bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters DC+ gegen Erdpotential PE und des zweiten DC-Leiters DC- gegen Erdpotential PE über den Zweig „+“ zu Schritt S2 übergegangen. Bei Nichtvorliegen der Asymmetrie, Zweig wird Schritt S1 weiter ausgeführt. Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit mit einer Steuereinheit 22 kann Schritt S1 z. B. dadurch erfolgen, dass die Steuereinheit das Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen ermittelt. Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ohne Steuereinheit 22 kann die Asymmetrie z. B. durch die Schaltungsauslegung in Hardware erkannt werden.
Optional kann in Schritt S1 der Zweig „+“ nur dann beschritten werden, wenn die Asymmetrie der Spannungen einen ersten Schwellwert TH1 (Fig. 2) überschreitet. Auch dies kann schaltungstechnisch in Hardware oder mittels der Steuereinheit 22 realisiert werden.
In einem Schritt S2 wird ein Ausgleichsstrom IA (Fig. 8) zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über zumindest einen der Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12 erzeugt, wobei durch den Ausgleichsstrom IA die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC- Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert wird, wobei insbesondere die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit mit einer Steuereinheit 22, bei der Schritt S1 z. B. dadurch erfolgt, dass die Steuereinheit das Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen ermittelt, kann die Steuereinheit 22 bevorzugt in Schritt S2 die Halbleiterschalter T5, T6, T7, T8, T9, T12 zur Erzeugung des Ausgleichsstroms ansteuern. Bei einer Ausführungsform der Symmetriereinheit ohne Steuereinheit 22, bei der die Asymmetrie in Schritt S1 z. B. durch die Schaltungsauslegung in Hardware erkannt wird, können die Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4 z. B. über die Hardware-Schaltung angesteuert werden.
In einem Schritt S3 wird Zweig „+“ beschritten, falls der in Schritt S2 erzeugte Ausgleichsstrom IA einen zweiten Schwellwert TH2 (Fig. 8) überschreitet. Wird der zweite Schwellwert TH2 nicht überschritten, Zweig wird Schritt S3 weiter ausgeführt. Auch Schritt S3 kann schaltungstechnisch in Hardware oder mittels der Steuereinheit 22 realisiert werden.
In Schritt S4 wird ein Abschaltsignal für das DC-Netz 14 erzeugt. Dies erfolgt, da in Schritt S3 ein zu großer Ausgleichsstrom IA und/oder eine zu göße Asymmetrie erkannt wurde. Das Abschaltsignal wird bevorzugt durch die Steuereinheit 22 erzeugt und trennt über DC-Schalter 28 z. B. eine Batterie 42 von dem DC-Netz 14. In Fig. 2 sind beispielhafte Verläufe von Potentialen P in einem DC-Netz dargestellt. Das Erdpotential PE ist in Relation zu den DC-Spannungen auf den DC-Leitern DC+, DC- dargestellt. M bezeichnet das Mittenpotential in der Mitte zwischen den beiden Potentialen von DC+ und DC-. Wenn das Mittenpotential M genau dem Erdpotential PE entspricht, so liegen die DC-Spannungen DC+, DC- symmetrisch um das Erdpotential PE. Dies ist der erwünschte Zustand. Das Erdpotential PE kann außerhalb der Mitte M zwischen den Potentialen von DC+ und DC- liegen. In solchen Fällen sind die DC-Spannungen asymmetrisch, d.h. der Betrag der Spannung zwischen DC+ und PE weicht von dem Betrag der Spannung zwischen DC- und PE mehr oder weniger deutlich ab.
TH1 bezeichnet den ersten Schwellwert. Liegen die Spannungen DC+, DC- so gegenüber Erdpotential PE, dass PE innerhalb des Bandes liegt, das durch TH1 definiert ist, so ist die Asymmetrie der DC-Spannungen vergleichsweise gering. Die Asymmetrie der DC-Spannungen unterschreitet den ersten Schwellwert TH1. In diesem Fall wird kein Ausgleichsstrom erzeugt, der Widerstand der Symmetrierschaltung und der Isolationswiderstand des DC-Netzes gegen Erdpotential sind hochohmig. Für das in Figur 1 dargestellt Verfahren kann dies bedeuten, dass Schritt S1 weiter ausgeführt wird.
Erreicht die Asymmetrie der DC-Spannungen einen Wert, der einer Lage des Erdpotentials PE am Rand des Bandes entspricht, das durch TH1 definiert wird, so kann in dem Verfahren von Figur 1 der Schritt S2 ausgeführt werden und ein Ausgleichsstrom IA erzeugt werden. Durch den Ausgleichsstrom IA soll erreicht werden, dass die Lage des Erdpotentials PE weiterhin am Rand oder innerhalb des Toleranzbandes TH1 gehalten wird. Die DC-Spannungen werden insofern annähernd symmetrisch zum Erdpotential PE gehalten, wobei eine gewisse Asymmetrie zugelassen wird, zu große Spannungen gegen Erdpotential PE auf einem der DC-Leiter DC+ oder DC- jedoch vermieden werden.
Der Ausgleichsstrom IA an den Rändern des Toleranzbandes TH1 , insbesondere am Begrenzungswert des Toleranzbandes TH1 , ändert sich bei kleiner Spannungsänderung stark, so dass Asymmetrien der DC-Spannungen dynamisch kompensiert werden und die Asymmetrie am ersten Schwellwert TH1 gehalten wird. Dies kann durch die Steuereinheit 22 erfolgen oder wird durch ein stark nichtlineares Verhalten der analogen Schaltungen gemäß Figs. 4-7 realisiert.
Es wird angestrebt, die Lage von PE nahe des Toleranzbandes TH1 zu halten. Wenn dies nicht möglich ist, steigt der Ausgleichstrom stark an und der Ausgleichsstrom und/oder die Asymmetrie erreicht den zweiten Schwellwert TH2. Dies entspricht z. B. im Verfahren von Figur 1 Schritt S3, in welchem, wenn der zweite Schwellwert TH2 durch den Ausgleichsstrom IA überschritten wird, in Schritt S4 ein Abschaltsignal erzeugt wird. Das Abschaltsignal trennt eine Batterie 42 vom DC-Netz.
In den Figuren 3 bis 7 sind Ausführungsformen von Symmetriereinheiten 20, 30, 40, 50, 60 als Bestandteile von elektrischen Systemen schematisch dargestellt. Ähnliche oder gleiche Elemente sind in den Figuren 3 bis 7 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 3 ist schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Systems dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar. Der Stromrichter 10 ist bevorzugt transformatorlos ausgebildet, dass heißt, dass seine AC-Seite und seine DC-Seite zumindest im Betrieb galvanisch gekoppelt sind. Hierdurch kann das DC-Netz 14 über das AC-Versorgungsnetz geerdet werden, sofern beide mit dem Stromrichter 10 verbunden sind.
Die Symmetriereinheit 20 weist einen ersten Halbleiterschalter T1 und einen zweiten Halbleiterschalter T2 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- ist eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen R1 , R2 geschaltet, die einen Spannungsteiler ausbilden und bevorzugt identische Widerstandswerte aufweisen. Ein Mittelpunkt des Spannungsteilers ist mit dem Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters T1 und mit dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters T2 verbunden. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T1 und dem zweiten Halbleiterschalter T2 ist eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet.
Die Symmetriereinheit 20 ist so ausgelegt, dass zumindest einer der Halbleiterschalter T1 , T2 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über den zumindest einen Halbleiterschalter T1 , T2 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen eine Potentialverschiebung des Mittelpunktes des Spannungsteiler auftritt, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T1 , T2 eine Spannung gegenüber Erdpotential PE anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T1 , T2 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T1 , T2 angesteuert und stellt eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T1 , T2 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
In Fig. 4 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems entsprechend Fig. 3 mit einer Zenerdiode Z1 zur Realisierung des ersten Schwellwertes TH1 dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
Die Symmetriereinheit 30 weist einen ersten Halbleiterschalter T3 und einen zweiten Halbleiterschalter T4 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- sind zwei Widerstände R3, R4 in Reihe geschaltet und bilden einen bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler. Ein Mittenabgriff zwischen den beiden Widerständen R3, R4 ist über eine Zenderdiode Z1 mit dem Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters T3 und mit dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters T4 verbunden. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T3 und dem zweiten Halbleiterschalter T4 ist eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet.
Die Symmetriereinheit 30 ist so ausgelegt, dass zumindest ein Halbleiterschalter T3, T4 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE, die einen ersten Schwellwert TH1 erreicht, ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über den zumindest einen Halbleiterschalter T3, T4 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen, die größer als der erste Schwellwert TH1 ist, eine Spannung an der Zenerdiode Z1 anliegt, die die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z1 überschreitet. Dadurch wird die Zenerdiode Z1 leitend, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T3, T4 eine Spannung anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T3, T4 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T3, T4 angesteuert und stellt eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T1 , T2 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z1 so gewählt ist, dass der jeweilige Halbleiterschalter T3, T4 erst dann angesteuert und der Ausgleichsstrom IA erst dann erzeugt wird, wenn die Asymmetrie der DC-Spannungen den ersten Schwellwert TH1 erreicht oder überschreitet.
In Fig. 5 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems entsprechend Fig. 4 mit zwei Zenerdioden dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC- Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC- Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
Die Symmetriereinheit 40 weist einen ersten Halbleiterschalter T5 und einen zweiten Halbleiterschalter T6 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- sind zwei Widerstände R5, R6 in Reihe geschaltet und bilden einen bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler. Ein Mittenabgriff zwischen den beiden Widerständen R5, R6 ist über eine Zenerdiode Z2 mit dem Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters T5 und mit dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters T6 verbunden.
Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T5 und dem zweiten Halbleiterschalter T6 sind zwei Widerstände R9, R10 in Reihe geschaltet und bilden einen weiteren bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler. Zwischen dem Widerstand R9 und dem Widerstand R10 ist eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet. Die Mitte zwischen den Widerständen R9 und R10 ist außerdem über eine weitere Zenerdiode Z3 und einen dazu in Reihe geschalteten Strommesser 24 mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Halbleiterschalters T5, T6 und damit auch mit der Zenerdiode Z2 verbunden. Damit sind zwischen dem Mittenabgriff zwischen R5 und R6 und Erdpotential PE die Zenerdiode Z2, der Strommesser 24 und die weitere Zenerdiode Z3 in Reihe geschaltet. Die Symmetriereinheit 40 ist so ausgelegt, dass zumindest ein Halbleiterschalter T5, T6 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE, die einen ersten Schwellwert TH1 erreicht, ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über R9 oder R10 und über den zumindest einen Halbleiterschalter T5, T6 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen, die größer als der erste Schwellwert TH1 ist, eine Spannung an der Zenerdiode Z2 anliegt, die die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z2 überschreitet. Dadurch wird die Zenerdiode Z2 leitend, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T5, T6 eine Spannung anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T3, T4 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T5, T6 angesteuert und stellt über einen der Widerstände R9, R10 eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T5, T6 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z2 so gewählt ist, dass der jeweilige Halbleiterschalter T5, T6 erst dann angesteuert und der Ausgleichsstrom IA erst dann erzeugt wird, wenn die Asymmetrie der DC- Spannungen den ersten Schwellwert TH1 erreicht oder überschreitet.
Wird der Ausgleichsstrom IA so groß, dass an der weiteren Zenderdiode Z3 eine Spannung anliegt, die deren Durchbruchspannung erreicht, so fließt ein Strom über die Zenerdiode Z2, den Strommesser 24 und die weitere Zenerdiode Z3. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass die Durchbruchspannung der weiteren Zenerdiode Z3 so gewählt ist, dass sieleitend wird, wenn der Ausgleichsstrom IA bzw. die Asymmetrie den zweiten Schwellwert TH2 erreicht. Über den Strommesser 24 kann die Steuereinheit 22 damit erfassen, dass ein Strom durch die Zenerdiode Z2 und die weitere Zenderdiode Z3 fließt. Fließt ein solcher Strom, hat der Ausgleichsstrom IA bzw. die Asymmetrie den zweiten Schwellwert TH2 erreicht und die Steuereinheit kann ein Abschaltsignal erzeugen. Das Abschaltsignal kann im dargestellten Ausführungsbeispiel auf die DC-Schalter 28 wirken und die Batterie 42 vom DC-Netz 14 trennen. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschaltsignal auf die Trennschalter 26 wirken und den Stromrichter 10 vom DC-Netz 14 trennen. Die Zufuhr elektrischer Leistung zum DC-Netz 14 aus der Batterie 42 und/oder über den Stromrichter 10 wird damit abgeschaltet.
In Fig. 6 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems entsprechend Fig. 3 mit zwei Spannungsmessern 32, 34 dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC- Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC- Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
Die Symmetriereinheit 50 weist einen ersten Halbleiterschalter T7 und einen zweiten Halbleiterschalter T8 auf, welche bevorzugt als Bipolartransistoren ausgebildet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten DC-Leiter DC+ und dem zweiten DC-Leiter DC- ist eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen R7, R8 geschaltet, die einen bevorzugt symmetrischen Spannungsteiler bilden. Ein Mittenabgriff zwischen den beiden Widerständen R7, R8 ist mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T7, T8 verbunden. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T7 und dem zweiten Halbleiterschalter T8 ist über einen Widerstand R11 eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet. Parallel zum ersten Halbleiterschalter T7 ist ein erster Spannungsmesser 32 geschaltet. Parallel zum zweiten Halbleiterschalter T8 ist ein zweiter Spannungsmesser 34 geschaltet. Beide Spannungsmesser 32, 34 sind mit der Steuereinheit 22 verbunden. Die Symmetriereinheit 50 ist so ausgelegt, dass zumindest ein Halbleiterschalter T7, T8 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über den Widerstand R11 und über den zumindest einen Halbleiterschalter T7, T8 fließt. Dies geschieht dadurch, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen eine Potentialverschiebung des Mittelpunktes des Spannungsteiler auftritt, so dass an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter T7, T8 eine Spannung gegenüber Erdpotential anliegt. Je nach Richtung der Asymmetrie führt dies dazu, dass einer der Halbleiterschalter T7, T8 seinen Widerstand ändert. Dadurch wird dieser jeweilige Halbleiterschalter T7, T8 angesteuert und stellt eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE her, wobei der Widerstand des betreffenden Halbleiterschalter T7, T8 umso kleiner wird, je größer die Asymmetrie und damit die Spannung an seinem Steuereingang gegenüber Erdpotential PE ist. Durch diese leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
Wird die Asymmetrie der DC-Spannungen so groß, dass der zweite Schwellwert TH2 erreicht oder überschritten wird, so kann die Steuereinheit 22 dies über die Spannungsmesser 32, 34 erfassen und ein Abschaltsignal erzeugen. Das Abschaltsignal kann im dargestellten Ausführungsbeispiel auf die DC-Schalter 28 wirken und die Batterie 42 vom DC-Netz 14 trennen. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschaltsignal auf die Trennschalter 26 wirken und den Stromrichter 10 vom DC- Netz 14 trennen. Die Zufuhr elektrischer Leistung zum DC-Netz 14 aus der Batterie 42 wird damit abgeschaltet.
In Fig. 7 ist schematisch eine Ausführungsform des elektrischen Systems mit Schalt- Transistoren T9, T10, T11 , T12 dargestellt. An der AC-Seite eines Stromrichters 10 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42 und eine Last 44 auf, welche zwischen eine erste DC-Leitung DC+ und eine zweite DC-Leitung DC- geschaltet sind. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 ist über Trennschalter 26 mit dem Stromrichter 10 verbindbar.
Die Symmetriereinheit 60 weist einen ersten Halbleiterschalter T9 und einen zweiten Halbleiterschalter T12 auf, welche zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter DC+, DC- in Reihe geschaltet sind. Zwischen dem ersten Halbleiterschalter T9 und dem zweiten Halbleiterschalter T12 sind weitere Halbleiterschalter T10 und T11 in Reihe geschaltet. Zwischen den weiteren Halbleiterschaltern T10 und T11 ist über einen Widerstand R12 eine Verbindung mit Erdpotential PE angeordnet. Parallel zur Reihenschaltung der Halbleiterschalter T9, T10 ist ein erster Spannungsmesser 36 geschaltet. Parallel zurReihenschaltung der Halbleiterschalter T11 , T12 ist ein zweiter Spannungsmesser 38 geschaltet. Parallel zur Reihenschaltung der Halbleiterschalter T9, T10, T11 , T12 ist eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren 56, 58 mit bevorzugt identischen Kapazitätswerten geschaltet. Die Mittelpunkte der Reihenschaltungen der Halbleiterschalter T9, T10, T11 , T12 und der Kondensatoren 56, 58 sind miteinander und mit dem Mittelpunkt zwischen den Spannungsmessern 36, 38 verbunden. Beide Spannungsmesser 36, 38 sind mit der Steuereinheit 22 verbunden. Parallel zuden Halbleiterschaltern T9, T10, T11 , T12 sind jeweilige Dioden D1 , D2, D3, D4 geschaltet.
Die Symmetriereinheit 60 ist so ausgelegt, dass zumindest Halbleiterschalter T9 mit T10 oder Halbleiterschalter T11 mit T12 so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters DC+, DC- gegen Erdpotential PE ein Ausgleichsstrom IA zwischen zumindest einem der DC-Leiter DC+, DC- und Erdpotential PE über Halbleiterschalter T9 mit T10 oder T11 mit T12 fließt. Dies geschieht dadurch, dass die Steuereinheit 22 eine Asymmetrie der Spannungen über die Spannungsmesser 36, 38 ermittelt und bei Vorliegen einer Asymmetrie der DC-Spannungen, die größer als der erste Schwellwert TH1 ist, die Halbleiterschalter T9 mit T10 oder T11 mit T12 so ansteuert, dass eine leitende Verbindung zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE über den Widerstand R12 hergestellt wird. Durch die leitende Verbindung fließt ein Ausgleichsstrom IA zwischen einer der DC-Leitungen DC+, DC- und Erdpotential PE, wodurch durch den die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC- Leiter DC+, DC- gegen Erdpotential PE verringert oder zumindest gleichgehalten wird. Insbesondere können die Spannungen der DC-Leiter DC+, DC- zum Erdpotential PE symmetriert werden.
Wird der Ausgleichsstrom IA so groß, er den zweiten Schwellwert TH2 erreicht, so kann dies Steuereinheit 22 über die Spannungsmesser 36, 38 erfassen und ein Abschaltsignal erzeugen. Das Abschaltsignal kann im dargestellten Ausführungsbeispiel auf die DC-Schalter 28 wirken und die Batterie 42 vom DC-Netz 14 trennen. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschaltsignal auf die Trennschalter 26 wirken und den Stromrichter 10 vom DC-Netz 14 trennen. Die Zufuhr elektrischer Leistung zum DC-Netz 14 aus der Batterie 42 und/oder über den Stromrichter 10 wird damit abgeschaltet.
Die Kondensatoren 56, 58 bilden einen DC-Zwischenkreis, in den durch eine Ladungspumpe Ladung gepumpt wird. Die Ladungspumpe weist in Fig. 7 eine Brückenschaltung der Halbleiterschalter T9, T10, T11 , T12 auf, die durch die Spule 53 und den Kondensator 54 zu einem Resonanzkreis ergänzt werden. Durch resonanten Betrieb wird Ladung aus einer DC-Leitung DC+, DC- in den Zwischenkreis gepumpt.
In Fig. 8 sind beispielhafte Verläufe von Ausgleichsströmen IA dargestellt. Der obere Verlauf C1 zeigt ein Beispiel eines Verlaufs des Ausgleichsstrom IA für den Fall einer Symmetriereinheit 60 mit Steuereinheit 22, die die Halbleiterschalter T9, T10, T11 , T, 12 ansteuert, wie es z. B. in Fig. 7 gezeigt ist. Der untere Verlauf C2 zeigt ein Beispiel eines Verlaufs des Ausgleichsstrom IA für den Fall einer Symmetriereinheit 40 mit schaltungstechnischer Realisierung des Verfahrens aus Fig. 1 , wie es z. B. in den Fig. 4-6 gezeigt ist. Die Symmetriereinheit 40 aus Fig. 5 weist zwar eine Steuereinheit auf, diese steuert jedoch die DC-Schalter 28 für die Abschaltung gemäß Schritt S4 an. Der Schwellwert TH1 wird schaltungstechnisch über die Zenerdiode Z1 in Fig. 4 bzw. Z2 in Fig. 5 oder mittels der Spannungsmesser 32, 34 in Fig. 6 bzw. 36, 38 in Fig. 7 realisiert.
Beiden Verläufen C1 , C2 ist gemein, dass der Ausgleichsstrom IA, sofern die Asymmetrie der DC-Spannungen innerhalb von TH1 liegt, im Bereich von 0 liegt, d. h. kein Ausgleichsstrom IA erzeugt wird. Liegt die Asymmetrie der DC-Spannungen im Bereich von TH1 , d. h. im Bereich der Ränder des Bandes TH1 , so steigt der Ausgleichsstrom IA schnell stark an, um die Asymmetrie im Bereich von TH1 zu halten. Erreicht der Ausgleichsstrom IA - dem Betrage nach - dann den zweiten Schwellwert TH2, so wird das Abschaltsignal für das DC-Netz 14 erzeugt, so dass der Ausgleichsstrom IA in der Folge nicht mehr weiter ansteigt. Der obere Verlauf C1 weist weiterhin eine Hysterese im Bereich an den Rändern des Bandes TH1 auf, die beispielsweise realisiert wird, indem die Ansteuerung der Halbleiterschalter in der Ausführungsform gemäß Fig. 7 gestartet wird, wenn die Asymmetrie etwas außerhalb des Bandes TH1 liegt, und erst dann gestoppt wird, wenn die Asymmetrie wieder innerhalb des Bandes TH1 liegt. Dadurch wird vermieden, dass die Ansteuerung der Halbleiter bei Asymmetrien am Rand des Bandes TH1 in schneller Folge an- und abgeschaltet wird.
Bezuqszeichenliste
10 Stromrichter
12 AC-Versorgungsnetz
14 DC-Netz
20, 30, 40, 50, 60 Symmetriereinheit
22 Steuereinheit
24 Strommesser
26 Trennschalter
28 DC-Schalter
32, 34, 36, 38 Spannungsmesser
42 Batterie
44, 46 Last
52 Spule
54, 56, 58 Kondensator
C1 , C2 Verlauf Ausgleichsstrom
D1 , D2, D3, D4 Diode
DC+, DC- DC-Leitungen
IA Ausgleichsstrom
M Mittenpotential
P Potential
PE Potential Erde
R1 , R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 ohmscher Widerstand
R9, R10, R11 , R12 ohmscher Widerstand
S1 , S2, S3, S4 Verfahrensschritte
T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8 Halbleiterschalter
T9, T10, T11 , T12 Halbleiterschalter
TH1 erster Schwellwert
TH2 zweiter Schwellwert
Z1 , Z2 Zenerdiode
Z3 weitere Zenerdiode

Claims

26
Patentansprüche Verfahren zum Symmetrieren von Spannungen an einem ersten und einem zweiten DC-Leiter (DC+, DC-) in einem DC-Netz (14) mittels einer Symmetriereinheit (20, 30, 40, 50, 60) mit einem ersten Halbleiterschalter (T1 , T3, T5, T7, T9) und einem zweiten Halbleiterschalter (T2, T4, T6, T8, T12), welche zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter (DC+, DC-) in Reihe geschaltet sind, und einer zwischen dem ersten Halbleiterschalter (T1 , T3, T5, T7, T9) und dem zweiten Halbleiterschalter (T2, T4, T6, T8, T12) angeordneten Verbindung mit einem Erdpotential (PE),
• wobei bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters (DC+) gegen Erdpotential (PE) und des zweiten DC-Leiters (DC-) gegen Erdpotential (PE) ein Ausgleichsstrom (IA) zwischen zumindest einem der DC-Leiter (DC+, DC-) und Erdpotential (PE) über zumindest einen der Halbleiterschalter (T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12) erzeugt wird, wobei durch den Ausgleichsstrom (IA) die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter (DC+, DC-) gegen Erdpotential (PE) verringert wird, wobei insbesondere die Spannungen der DC-Leiter (DC+, DC-) zum Erdpotential (PE) symmetriert werden. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsstrom über den zumindest einen Halbleiterschalter (T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12) erzeugt wird, wenn die Asymmetrie der Spannungen einen vorgebbaren ersten Schwellwert (TH1 ) überschreitet. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt, dass die Asymmetrie der Spannungen durch eine Steuereinheit (22) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Ausgleichsstroms (IA) durch die Steuereinheit (22) überwacht wird und bei Überschreiten eines vorgebbaren zweiten Schwellwertes (TH2) ein Abschaltsignal erzeugt und ausgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe des Abschaltsignals eine Trennung des DC-Netzes (14) von einem elektrischen Energiespeicher (44) und/oder einer DC-Quelle (42) bewirkt. Symmetriereinheit für ein DC-Netz (14) mit einem ersten DC-Leiter (DC+) und einem zweiten DC-Leiter (DC-), wobei zwischen dem ersten DC-Leiter (DC+) und dem zweiten DC-Leiter (DC-) zumindest eine DC-Last (44) sowie ein elektrischer Energiespeicher (42) und/oder eine DC-Quelle anschließbar ist, aufweisend einen ersten Halbleiterschalter (T1 , T3, T5, T7, T9) und einen zweiten Halbleiterschalter (T2, T4, T6, T8, T12), welche zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter (DC+, DC-) in Reihe geschaltet sind, und eine zwischen dem ersten Halbleiterschalter (T1 , T3, T5, T7, T9) und dem zweiten Halbleiterschalter (T2, T4, T6, T8, T12) angeordnete Verbindung mit Erdpotential (PE), wobei die Symmetriereinheit (20, 30, 40, 50, 60) so ausgelegt ist, dass zumindest ein Halbleiterschalter (T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12) so betrieben wird, dass bei Vorliegen einer Asymmetrie der Spannungen des ersten und zweiten DC-Leiters (DC+, DC-) gegen Erdpotential (PE) ein Ausgleichsstrom (IA) zwischen zumindest einem der DC-Leiter (DC+, DC-) und Erdpotential (PE) über den zumindest einen Halbleiterschalter (T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12) fließt, wobei durch den Ausgleichsstrom (IA) die Asymmetrie der Spannungen von erstem und zweitem DC-Leiter (DC+, DC-) gegen Erdpotential (PE) verringert wird, wobei insbesondere die Spannungen zum Erdpotential (PE) symmetriert werden. Symmetriereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Halbleiterschalter (T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12) als Transistoren (T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T12) ausgebildet sind. Symmetriereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranschlüsse der Transistoren (T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8) mit einem Mittenabgriff einer zwischen dem ersten und dem zweiten DC-Leiter (DC+, DC-) angeordneten Reihenschaltung zweier ohmscher Widerstände (R1 , R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8) verbunden sind. Symmetriereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mittenabgriff der in Reihe geschalteten ohmschen Widerstände (R1 , R2, R3, R4, R5, R6) und den Steueranschlüssen der Transistoren eine Zenerdiode (Z1 , Z2) angeordnet ist. Symmetriereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Steueranschlüssen der Transistoren und Erdpotential (PE) ein Strommesser (24) sowie in Reihe dazu eine weitere Zenerdiode (Z3) angeordnet sind, wobei eine Steuereinheit (22) mittels des Strommessers (24) einen Stromfluss durch die weitere Zenerdiode (Z3) detektiert und ein Abschaltsignal erzeugt und ausgibt, wenn ein Strom durch die weitere Zenerdiode (Z3) fließt. Symmetriereinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Spannungsmesser (32, 36) parallel zum ersten Halbleiterschalter (T7, T9) und ein zweiter Spannungsmesser (34, 38) parallel zum zweiten Halbleiterschalter (T8, T12) angeordnet ist, wobei der erste Spannungsmesser (32, 36) ausgelegt ist, die Spannung des ersten DC-Leiters (DC+) gegen Erdpotential (PE) zu messen und der zweite Spannungsmesser (34, 38) ausgelegt ist, die Spannung des zweiten DC-Leiters (DC-) gegen Erdpotential (PE) zu messen. Symmetriereinheit nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (22) mittels der Spannungsmesser (32, 34, 36, 38) eine Asymmetrie der Spannungen des ersten DC-Leiters (DC+) gegen Erdpotential (PE) und des zweiten DC-Leiters (DC-) gegen Erdpotential (PE) überwacht und ein Abschaltsignal erzeugt und ausgibt. Symmetriereinheit nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Halbleiterschalter (T9, T12) Teil einer Ladungspumpe sind, die eine erste Reihenschaltung aus vier Halbleiterschaltern (T9, T10, T11 , T12), eine zweite Reihenschaltung aus vier Dioden (D1 , D2, D3, D4) und eine dritte Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren (56, 58) umfasst, wobei die Reihenschaltungen jeweils zwischen den DC-Leitern (DC+, DC-) geschaltet sind und wobei ihre Mittelpunkte miteinander verbunden sind, und wobei die Ladungspumpe einen Resonanzkreis aus einer Spule 52 und einem Kondensator 54 aufweist. 29 Symmetriereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verbindung mit Erdpotential (PE), die zwischen dem ersten Halbleiterschalter (T1 , T3, T5, T7, T9) und dem zweiten Halbleiterschalter (T2, T4, T6, T8, T12) angeordnet ist, und dem ersten oder zweiten DC-Leiter (DC+, DC-) ein weiteres DC-Netz betreibbar ist. Symmetriereinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) eingerichtet ist, den zumindest einen Halbleiterschalter (T5, T6, T7, T8, T9, T12) in Abhängigkeit von der der Asymmetrie der Spannungen anzusteuern. DC-Netz mit einer Symmetriereinheit (20, 30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 6 bis 15. Elektrisches System mit einem DC-Netz (14) gemäß Anspruch 16 und einem Stromrichter (10) zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters (10) und einer DC-Seite des Stromrichters (10), wobei die AC-Seite des Stromrichters (10) an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz (12) anschließbar ist und die DC-Seite des Stromrichters (10) an das DC-Netz (14) angeschlossen ist.
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