In Bearbeitung

Bitte warten ...

Einstellungen

Einstellungen

Gehe zu Anmeldung

1. WO2020193134 - GLEICHSPANNUNGSSCHALTER

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Gleichspannungsschalter

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungsschalter zum Kop peln eines Gleichspannungsgerätes oder Gleichspannungsabzwei ges mit einem Plus- und einem Minusleiter an einen Gleich spannungsbus und ein zugehöriges Verfahren.

Mit Gleichspannung sind Spannungen bis 1500 Volt gemeint. Gleichspannungen bis zu dieser Höhe werden auch als Nieder spannung bezeichnet. Mit Gleichspannung sind spezieller ins besondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspan nung mit einer Höhe von 120 Volt Gleichspannung sind. Mit Gleichspannung sind insbesondere Spannungen von 400-800 Volt gemeint .

Mit Gleichspannungsstromkreis bzw. Gleichstromkreis sind Stromkreise für Ströme, insbesondere Nennströme bzw. maximal Ströme, von 2 bis 1000 Ampere; spezieller für Ströme von 2 Ampere bis 400 Ampere oder 200 Ampere gemeint.

Mit Gleichspannungsbus ist ein mindestens Zweileitersystem mit einem Plusleiter und einem Minusleiter gemeint, das von mindestens einer Energiequelle mit Gleichspannung versorgt wird. An den Gleichspannungsbus ist über jeweils einen

Gleichspannungsabzweig ein (Gleichspannungs- ) Gerät, z.B. ein Gleichspannungsverbraucher, Last, Wechselrichter, kombinierte Energiesenke oder Energiequelle, reine (weitere) Energiequel le, etc., angeschlossen. An einem Gleichspannungsabzweig kön nen auch mehrere Gleichspannungsgeräte angeschlossen sein.

Mit Gleichspannungsgerät ist insbesondere ein Gerät mit einer Leistung von 1 Kilowatt bis 500 Kilowatt gemeint.

Mittlerweile werden verstärkt Gleichspannungsstromkreise, auch als Gleichspannungsnetze respektive Niederspannungs gleichstromnetze bezeichnet, entwickelt und aufgebaut, die üblicherweise einen Gleichspannungsbus mit Gleichspannungsab zweigen aufweisen.

Die Gleichspannungsabzweige, auch als Verbraucherabzweige be zeichnet, werden üblicherweise über einen Gleichspannungs schalter (DC Schalter) abgesichert. Diese Gleichspannungs schalter weisen eine Schalteinrichtung auf.

Eine Prinzipdarstellung eines Gleichspannungsstromkreises, Gleichspannungsnetzes, Niederspannungsgleichstromnetzes bzw. DC-Netzes mit einem Gleichspannungsbus DCB und mehreren

Gleichspannungsabzweigen DCA1, DCA2, DCA3 mit Gleichspan nungsschaltern Sl, S2, S3 zeigt Figur 1.

Figur 1 zeigt prinziphaft eine Gleichspannungsquelle EQ die über einen Einspeiseschalter S4 mit einem Gleichspannungsbus DCB verbunden ist. Am Gleichspannungsbus DCB ist über einen ersten Gleichspannungsschalter Sl ein erster Gleichspannungs abzweig DCA1 mit mindestens einem ersten Gleichspannungsgerät Gl angeschlossen; in analoger Weise über einen zweiten

Gleichspannungsschalter S2 ein zweiter Gleichspannungsabzweig DCA2 mit mindestens einem zweiten Gleichspannungsgerät G2 an geschlossen, über einen dritten Gleichspannungsschalter S3 ein dritter Gleichspannungsabzweig DCA3 mit mindestens einem dritten Gleichspannungsgerät G3 angeschlossen.

Weitere Gleichspannungsschalter, Gleichspannungsabzweige, Gleichspannungsgeräte können vorgesehen sein. Die Gleichspan nungsschalter können Abgangsschalter sein. Die Gleichspan nungsgeräte weisen üblicherweise eine elektrische Kapazität auf, die nicht unerhebliche Energiemenggen speichern können.

Tritt in dem Gleichspannungsstromkreis gemäß Figur 1 ein Feh ler auf, z.B. ein Kurzschluss im ersten Gleichspannungsab zweig DCA1 an der Fehlerstelle Fl, die sich zwischen erstem Gleichspannungsschalter Sl und ersten (Gleichspannungs- ) Gerät Gl befindet, so wird der dortige Kurzschluss aus der Energie quelle EQ sowie ferner aus den umliegenden Gleichspannungsab- zweigen, im Beispiel dem zweiten und dritten Gleichspannungs abzweig DCA2, DCA3, respektive den sich darin befindlichen Energiequellen bzw. Kapazitäten (der Geräte) gespeist. Dies führt zu einem hohen Strom in der zugehörigen Schalteinrich tung, im Beispiel im zweiten bzw. dritten Gleichspannungs schalter S2, S3, die mit einer Abschaltung auslöst / auslösen können .

Das zweite und dritte Gerät G2, G3 bzw. dessen Kapazitäten können einen hohen ( Fehler- ) Strom liefern. Besitzt beispiels weise das zweite Gerät G2 einen kleinen Nennstrom, so ist der zweite Gleichspannungsschalter S2 dementsprechend klein be messen und kann den Stromfluss unterbrechen, auch wenn der Fehler in einem anderen Abzweig aufgetreten ist.

Grundsätzlich sollen die umliegenden Gleichspannungsschalter (S2 , S3) den Stromfluss aus dem jeweiligen Gleichspannungsab zweig bzw. Verbraucherabzweig zum Kurzschluss Fl möglichst wenig behindern, damit der Gleichspannungsschalter, im Bei spiel der erste Gleichspannungsschalter Sl, sicher auslöst.

Weiterhin wichtig dabei ist, dass die umliegenden Gleichspan nungsschalter ( S2 , S3) nicht auslösen, so dass ein so genann tes selektives Abschalten des Fehlers (durch Sl) erfolgt.

Dies ist, wie oben dargestellt, nicht immer sichergestellt. Insbesondere wenn die umliegenden Gleichspannungsschalter Schalteinrichtungen mit Halbleiterschaltelementen aufweisen. Die Halbleiterschaltelemente weisen meist einen Sättigungs strom auf, der kleiner als der Kurzschlussstrom im Fehlerfall ist, und wirken somit strombegrenzend. Dieser Sättigungsstrom kann zudem nur für kurze Zeit, meist im einstelligen ps Be reich, durch das Halbleiterschaltelement getragen werden. Die Gleichspannungsschalter müssen zum Schutz des Halbleiter-schaltelementes deshalb ohne Berücksichtigung der geforderten Selektivität ausschalten (Eigenschutz), d.h. den Stromfluss unterbrechen .

Bislang wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass die Gleich spannungsschalter entweder elektromechanische Schalteinrich tungen aufweisen oder stark überdimensioniert wurden, was teuer bzw. nicht ökonomisch ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Schaltverhal ten von Gleichspannungsschaltern zur Erzielung von Selektivi tät zu verbessern, insbesondere für Gleichspannungsschalter mit halbleiterbasierten Schalteinrichtungen eine Lösung für das genannte Problem anzugeben.

Dieses Problem wird durch einen Gleichspannungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Gleichspannungsschalter zum Koppeln eines für mindestens ein Gleichspannungsgerät vorgesehenen Gleichspannungsabzweiges mit einem Plus- und einem Minuslei ter an einen Gleichspannungsbus vorgeschlagen, wobei eine Vorwärtsrichtung des elektrischen Stromes durch einen Strom fluss vom Plusleiter des Gleichspannungsbusses DCB über den Gleichspannungsschalter zum Plusleiter des Gleichspannungsab zweiges sowie vom Minusleiter des Gleichspannungsabzweiges über den Gleichspannungsschalter zum Minusleiter des Gleich spannungsbusses definiert ist.

Eine Rückwärtsrichtung des elektrischen Stromes ist folglich vom Plusleiter des Gleichspannungsabzweiges über den Gleich spannungsschalter zum Plusleiter des Gleichspannungsbusses sowie vom Minusleiter des Gleichspannungsbusses über den Gleichspannungsschalter zum Minusleiter des Gleichspannungs abzweiges definiert.

Der Gleichspannungsschalter weist auf:

- eine halbleiterbasierte, elektronisch steuerbare Schaltein richtung,

- einen vor der Schalteinrichtung vorgesehenen gleichspan nungsbusseitigen Spannungssensor, zur Ermittlung der gleich spannungsbusseitigen Spannungshöhe,

- einen nach der Schalteinrichtung vorgesehenen gleichspan nungsabzweigseitigen Spannungssensor, zur Ermittlung der gleichspannungsabzweigseitigen Spannungshöhe,

- einen Stromsensor zur Ermittlung der Stromhöhe und der Stromrichtung,

- eine Steuereinrichtung, die mit der Schalteinrichtung, den Spannungssensoren und dem Stromsensor verbunden ist.

Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass

- die Richtung des Stromes und die Stromhöhe ermittelt wird, insbesondere periodisch die Richtung und Stromhöhe ermittelt wird,

- bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes (Strom schwellwert) der Stromhöhe erfolgt eine Unterbrechung des Stromflusses durch die Schalteinrichtung,

- bei vorliegender Rückwärtsrichtung bei Überschreitung des ersten Schwellwertes der Stromhöhe:

- wird nach Unterbrechung des Stromflusses die gleichspan nungsbusseitige mit der gleichspannungsabzweigseitigen Span nungshöhe verglichen, bei einem Spannungsunterschied, der kleiner als ein Spannungsdifferenzwert ist, wird die Schalt einrichtung leitfähig geschaltet.

Dies hat den Vorteil, dass bei einem versehentlichen Abschal ten des Gleichspannungsschalters bei zu hohem Stromfluss ein Wiedereinschalten dann erfolgt, wenn der zur Abschaltung füh rende Strom (Stromhöhe) nicht zum Gleichspannungsgerät, son dern vom Gleichspannungsgerät zum Gleichspannungsbus geflos sen ist. D.h. ein Fehler nicht im Gleichspannungsabzweig des Gleichspannungsschalters vorliegt, sondern auf Seiten des Gleichspannungsbusses bzw. eines anderen Gleichspannungsab zweig. Ferner, wenn die Spannungshöhe auf dem Gleichspan nungsbus wieder einem Wert entspricht, der in etwa der Span nungshöhe im Gleichspannungsabzweig entspricht. In einem sol- chen Fall kann davon ausgegangen werden, dass ein fehlerbe hafteter Abzweig abgeschaltet wurde und sich die Spannung auf dem Gleichspannungsbus normalisiert hat, so dass fehlerfreie Gleichspannungsabzweige, die versehentlich abschalten muss ten, bestimmungsgemäß weiter versorgt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schalteinrichtung mindestens ein, insbesondere zwei,

den plus- oder minusleiterseitigen Stromfluss führendes Halb-leierschaltelement auf.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Lösung für eine Schalteinrichtung gegeben ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleiterschaltelement ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransis-tor oder ein Galliumnitrid-Transistor.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Lösung für die Halbleiterschaltelemente des Schaltmoduls gegeben ist .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Halbleiterschaltelement eine Diode parallel geschaltet, ins besondere mit ihrer Durchlassrichtung entgegen der Durchlass richtung des Halbleiterschaltelementes.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Lösung für unidirektionale Halbleiterschaltelemente, insbesondere bei Serienschaltung zweier unidirektionale Halbleiterschalt elemente, gegeben ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Diode eine niedrige Durchlassspannung auf, insbesondere ist es eine Netzdiode oder Schottkydiode .

Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein besonders niedriger Spannungsabfall in Rückwärtsrichtung vorliegt, wodurch einer seits eine geringe Verlustleistung vorliegt und andererseits ein maximaler Strom in Rückwärtsrichtung zur Erhöhung der Se lektivität gegeben ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Gleichspannungsschalter in einem Gehäuse angeordnet.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein kompakter Gleich spannungsschalter in einem Gehäuse zur Verfügung steht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse einen Plusleitereingangsanschluss, einen Minusleiter eingangsanschluss, einen Plusleiterausgangsanschluss und ei nen Minusleiterausgangsanschluss auf. Die Eingangsanschlüsse sind mit dem Gleichspannungsbus verbindbar. Die Ausgangsan schlüsse sind mit dem Gleichspannungsabzweig verbindbar.

Die Schalteinrichtung verbindet den Plusleitereingangsan schluss mit dem Plusleiterausgangsanschluss oder

die Schalteinrichtung verbindet den Minusleitereingangsan schluss mit dem Minusleiterausgangsanschluss.

In einer Variante können im Plus- und Minusleiter Schaltein richtungen vorgesehen sein.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Lösung für einen kompakten Gleichspannungsschalter zur Verfügung steht .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die nicht die Schalteinrichtung aufweisenden Anschlüsse durch ei ne elektrische Leitung miteinander verbunden.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Lösung, insbesondere einpolig schaltende Lösung, für einen Gleich spannungsschaler gegeben ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Spannungsdifferenzwert 10 Volt.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass zu hohe Ausgleichsströ me zwischen Gleichspannungsabzweig und Gleichspannungsbus mi nimiert werden bzw. die Spannungsdifferenz ein hohes Maß überschreitet .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromsensor ein Sensor auf Basis des Hall-Effekts.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Lösung für die Ermittlung der Höhe und Richtung des Stromes gegeben ist .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ferner derart ausgestaltet ist, dass bei einem Anstieg des Stromes, der einen Stromanstiegsschwellwert überschreitet, eine Unterbrechung des Stromflusses durch die Schalteinrichtung erfolgt.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein weiteres Schutzkri terium des Gleichspannungsschalters für eine gezielte Auslö sung bzw. den Eigenschutz gegeben ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Netzteil, Energiespeicher oder ein Anschluss für eine externe Energieversorgung für die Steuereinrichtung vorgesehen.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass insbesondere eine Ener gieversorgung nach Auslösen des Gleichspannungsschalters ge geben ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinrichtung einen Mikroprozessor auf.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders komfor table bzw. änderbare Steuerung der Gleichspannungsschalters ermöglicht wird.

Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 oder 16 als auch rückbezogen ledig lich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Pa tentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Gleichspan nungsschalters zur Verbesserung der Selektivität in einem Gleichspannungsnetz. Dadurch können insbesondere Geräte un terschiedlicher Leistungsklassen an einem gemeinsamen Gleich spannungsbus betrieben werden.

Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Gleichspannungsstrom kreises mit einem Gleichspannungsbus und mehreren Gleichspan nungsabzweigen mit Gleichspannungsschaltern,

Figur 2 eine Darstellung eines Gleichspannungsschalters mit Gleichspannungsbus, Gleichspannungsabzweig und Gleichspan nungsgerät gemäß der Erfindung,

Figur 3 ein Beispiel für eine Schalteinrichtung mit Halb leiterschaltelementen .

Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Gleichspannungs stromkreises mit einem Gleichspannungsbus und mehreren

Gleichspannungsabzweigen mit Gleichspannungsschaltern gemäß dem Stand der Technik, wie sie bereits eingangs beschrieben wurde .

Figur 2 einen Gleichspannungsschalter Sx, wie er beispiels weise als erster, zweiter oder dritter Schalter Sl, S2, S3 gemäß Figur 1 eingesetzt werden könnte, mit einem Gehäuse GEH. Das Gehäuse GEH weist einen Plusleitereingangsanschluss PE, einen Minusleitereingangsanschluss ME, einen Plusleiter ausgangsanschluss PA und einen Minusleiterausgangsanschluss MA auf .

Die Eingangsanschlüsse PE, ME sind mit dem Gleichspannungsbus DCB verbunden, der einen Plusleiter DCP (+) und einen Minus leiter DCN (-) aufweist.

Die Ausgangsanschlüsse PA, MA sind mit einem Gleichspannungs abzweig DCA verbunden, der wiederum mit mindestens einem Ge-lichspannungsgerät Gx verbunden ist, beispielsweise ein ers tes, zweites oder drittes Gerät Gl, G2, G3 gemäß Figur 1.

Der Gleichspannungsschalter Sx weist eine Schalteinrichtung SCH auf.

Gehäuseintern verbindet die Schalteinrichtung SCH entweder den Plusleitereingangsanschluss PE mit dem Plusleiteraus gangsanschluss PA, wie dargestellt, oder den Minusleiterein gangsanschluss ME mit dem Minusleiterausgangsanschluss MA.

Alternativ können auch zwei Schalteinrichtungen, eine erste und eine zweite Schalteinrichtung, vorgesehen sein. Wobei die erste Schalteinrichtung für die Plusleiteranschlüsse und die zweite Schalteinrichtung für die Minusleiteranschlüsse vorge sehen ist.

Gemäß Figur 2 sind die nicht die Schalteinrichtung SCH auf weisenden Anschlüsse durch eine elektrische Leitung miteinan der verbunden, im Beispiel ist der Minusleitereingangsan schluss ME durch die elektrische Leitung mit dem Minusleiter- ausgangsanschluss MA verbunden.

Vor der Schalteinrichtung SCH, d.h. auf Seiten des Gleich spannungsbusses DCB, ist ein gleichspannungsbusseitiger Span nungssensor Ul zwischen Plus- und Minusleiter vorgesehen, zur Ermittlung der gleichspannungsbusseitigen Spannungshöhe.

Nach der Schalteinrichtung SCH, d.h. auf Seiten des Gleich spannungsabzweiges DCA, ist ein gleichspannungsabzweigseiti gen Spannungssensor U2 zwischen Plus- und Minusleiter vorge sehenen, zur Ermittlung der gleichspannungsabzweigseitigen Spannungshöhe .

Im Plusleiter oder Minusleiter, vor oder nach der Schaltein richtung SCH, ist ein Stromsensor I zur Ermittlung der Strom höhe und der Stromrichtung vorgesehen. Der Stromsensor kann ein Sensor auf Basis des Hall-Effekts sein.

Die Schalteinrichtung SCH ist eine halbleiterbasierte, elekt ronisch steuerbare Schalteinrichtung SCH. Sie kann mindestens ein den (je nach Lage plus- oder minusleiterseitigen) Strom fluss führendes Halbleierschaltelement aufweisen. Insbesonde re können zwei den (je nach Lage plus- oder minusleiterseiti gen) Stromfluss führende Halbleierschaltelemente vorgesehen sein. Das Halbleiterschaltelement kann ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder ein Galliumnitrid-Transistor sein.

Dem Halbleiterschaltelement kann eine Diode parallel geschal tet sein, insbesondere mit ihrer Durchlassrichtung entgegen der Durchlassrichtung des Halbleiterschaltelementes. Die Dio de kann eine niedrige Durchlassspannung aufweisen, insbeson dere eine Netzdiode oder Schottkydiode sein.

Es ist eine Steuereinrichtung SE vorgesehen, die mit der Schalteinrichtung SCH, den Spannungssensoren Ul, U2 und dem Stromsensor I verbunden ist. Die kann Steuereinrichtung SE kann einen Mikroprozessor aufweisen.

Die Steuereinrichtung kann durch ein (nicht dargestelltes) Netzteil mit Energie versorgt werden. Das Netzteil kann an den gleichspannungsbusseitigen Eingangsanschlüssen oder/und gleichspannungsabzweigseitigen Ausgangsanschlüssen ange schlossen sein.

Alternativ oder zusätzlich kann ein Energiespeicher, wie ein Superkondensator, ein Akkumulator oder eine Batterie, vorge sehen sein, zur Energieversorgung der Steuereinrichtung SE für den Fall der Auslösung oder eines Kurzschlusses/Fehler-falls auf einen Gleichspannungsabzweig DCA1, DCA2, DCA3 oder dem Gleichspannungsbus DCB . Alternativ kann ein Anschluss für eine externe Energieversorgung für die Steuereinrichtung und ggfs, weitere Einrichtungen des Gleichspannungsschalters Sx vorgesehen sein.

Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass

- (insbesondere periodisch) die Richtung des Stromes und die Stromhöhe ermittelt wird,

- bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes der Stromhö he, d.h. eines Stromschwellwertes, eine Unterbrechung des Stromflusses durch die Schalteinrichtung SCH erfolgt,

- bei vorliegender Rückwärtsrichtung des Stromes kurz vor bzw. während der Überschreitung des ersten Schwellwertes der Stromhöhe :

- nach Unterbrechung des Stromflusses die gleichspannungsbus seitige mit der gleichspannungsabzweigseitigen Spannungshöhe (periodisch) verglichen wird und bei einem Spannungsunter schied, der kleiner als ein Spannungsdifferenzwert ist, die Schalteinrichtung leitfähig geschaltet wird. Beispielsweise kann dieser Spannungsdifferenzwert 10 Volt betragen. D.h. wenn der Spannungsunterschied zwischen Gleichspannungsbus DCB und Gleichspannungsabzweig DCA kleiner als 10 Volt ist, wird die Schalteinrichtung SCH durch die Steuereinrichtung SE wie der eingeschaltet, die Schalteinrichtung SCH wird für den elektrischen Stromfluss leitfähig.

Zusätzlich kann die Steuereinrichtung SE ferner derart ausge staltet sein, dass bei einem Anstieg des Stromes, der einen Stromanstiegsschwellwert überschreitet, eine Unterbrechung des Stromflusses durch die Schalteinrichtung erfolgt. Auch nach einer derartigen Unterbrechung kann die Erfindung einge setzt werden und bei Stromfluss in Rückwärtsrichtung zum Zeitpunkt der Auslösung/Stromunterbrechung ein Vergleich der Spannungen und ggfs. Einschalten erfolgen.

Im Plusleiter oder Minusleiter, vor oder nach der Schaltein richtung SCH, können ferner in einem oder beiden Leitern (Plus-, Minusleiter) Trennkontakte bzw. ein Trennschalter vorgesehen sein, zur galvanischen Trennung des Gleichspan nungsgerätes bzw. Gleichspannungsschalters. Die Trennkontakte können durch die Steuereinrichtung SE schaltbar sein.

Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine Schalteinrichtung SCH mit Halbleiterschaltelementen. Die Schalteinrichtung SCH weist eine Serienschaltung eines ersten und eines zweiten Halb-leiterschaltelementes Ql, Q2 auf. Das erste steuerbare Halb-leiterschaltelement Ql ist beispielsweise für eine erste Stromrichtung leitfähig und das zweite steuerbare Halbleiter-schaltelement Q2 für die entgegengesetzte Stromrichtung.

Dem ersten Halbleiterschaltelement Ql ist eine erste Diode Dl, die in der entgegengesetzten Stromrichtung wie das erste Halbleiterschaltelement Ql leitfähig ist, und dem zweiten Halbleiterschaltelement Q2 ist eine zweite Diode D2, die in der ersten Stromrichtung des ersten Halbleiterschaltelementes Ql leitfähig ist, parallel geschaltet.

Die Schalteinrichtung SCH ist mit zweipoligen Anschlüssen ausgeführt (für Plus- und Minusleiter), im Beispiel befinden sich die ersten und zweiten Halbleiterschaltelemente Ql, Q2 in einem Leiter, im Beispiel im Plusleiter; der Minusleiter ist durchgeführt und weist keine Halbleiterschaltelemente auf .

Alternativ können die Halbleiterschaltelemente auch im Minus leiter angeordnet sein bzw. beide Leiter können Halbleiter-schaltelemente aufweisen.

Der Serienschaltung der beiden Halbleiterschaltelemente Ql,

Q2 folgt geräteseitig bzw. gleichspannungsabzweigseitig ein Trennkontakt, wobei für den Plusleiter ein erster Trennkon takt TK1 und den Minusleiter ein zweiter Trennkontakt TK2 vorgesehen sind, allgemein als Trennkontakt bzw. Trennkontak te bezeichnet, zur galvanischen Trennung des Gleichspannungs abzweiges bzw. Gerätes.

Die Schalteinrichtung SCH kann auch andersartig aufgebaut sein, beispielsweise durch die Parallelschaltung zweier Halb-leiterschaltelemente Ql, Q2. Wobei jedem der Halbleiter-schaltelemente Ql, Q2 eine Diode in Serie geschaltet kann sein und diese Serienschaltung parallel geschaltet wird.

Andere Varianten sind ebenso denkbar.

Im Folgenden soll die Erfindung nochmals mit anderen Worten dargestellt werden.

In Gleichspannungsnetzen mit verteilten Kapazitäten in den Lastabgängen und Einspeisepfaden kann künftig der Schutz von Maschinen und Betriebsmitteln durch leistungselektronische Gleichspannungsschalter (Schalter) realisiert werden. Dabei wird Selektivität der Schalter erwartet. Selektivität erfor dert nun, dass (dauerhaft) nur der fehlerhafte Abzweig abge schaltet wird und alle anderen Zweige aktiv bleiben.

Halbleiter-basierte Schaltelemente wie Si-IGBTs oder SiC MOS-FETs erreichen einen Sättigungsstrom, der kleiner ist als die Kurzschlussströme im Fehlerfall. Da diese schaltenden Elemen te einen solchen Sättigungsstrom nur für kurze Zeit (im ps-Bereich) tragen können, müssen diese Schalter zum Eigenschutz ausschalten, ohne Berücksichtigung der geforderten Selektivi tät in einem solchen Gleichspannungssystem.

Erfindungsgemäß werden zwei Möglichkeiten für die Realisie rung der Selektivität vorgeschlagen:

A: Auswerten des Kurzschlussstroms und Spannung vor Abschal tung des Schalters,

B: Auswertung der Spannung nach Abschaltung des Schalters und ggf. schnelle Wiederzuschaltung.

In Gleichspannungsnetzen mit verteilten Kapazitäten und trei benden Leitungsinduktivitäten sollen bidirektionale, leis tungselektronische Schalter für den Schutz der Abgänge einge setzt werden. Diese Schalter können für den Eigenschutz über eine Strom- und Spannungsmessung (nicht nur über Emitter-Kollektor, sondern zwischen den Polen) verfügen. Damit können die Größen Strom, Stromanstiegsrate, Spannung und Spannungs änderungsgeschwindigkeit erfasst werden.

Aus der Stromrichtung kann ein Gleichspannungsschalter, wie ein Abgangsschalter Sl, ermitteln, ob der Fehler in seinem Gleichspannungsabzweig bzw. Abgang aufgetreten ist und er dauerhaft ausschalten muss, sofern der Fehler als solcher aus Stromanstieg und Spannungseinbruch sicher erkannt wird.

Wenn ein Schalter zum Eigenschutz abschalten muss, können die o.g. Größen erfasst und für eine Auswertung durch einen Mik rocontroller bzw. Controller im Schalter gepuffert werden.

Für den Betrieb des Schalters ist dabei vorteilhaft eine wei terhin verfügbare Steuerspannung vorhanden.

Für die zweiten und dritten Gleichspannungsschalter S2, S3 in benachbarten Abzweigen bzw. Abgängen vergleichbarer oder kleinerer Leistung erfolgt der Stromfluss im Fehlerfall in Rückwärtsrichtung, zum Gleichspannungsbus bzw. zur DC-Vertei-lung hin, und er kann über die Tiefe des Spannungseinbruchs (Entladung der Kapazität im Abgang) und einer wiederkehrenden Spannung durch weiter speisende Pfade und Leitungsindukti vitäten zusätzlich einen Zeitpunkt für die Wiederzuschaltung bestimmen, die im Millisekundenbereich / ms-Bereich liegen wird .

Us(t) = RL · /s(t) + LL(d/s(t)/dt)— Is(t)/C dt + UFehler

Falls Schalter zum Eigenschutz abschalten müssen, können S2 und S3 aufgrund der Stromrichtung entscheiden, so schnell wie möglich wieder zu zuschalten. In diesem Fall würde S4 eine Rückkehr der DC-Spannung erkennen und könnte, falls er abge schaltet hätte, ebenfalls sehr schnell wieder zuschalten. S1 bleibe aufgrund des Kurzschlusses und damit der Spannungslo-sigkeit am Abgang geöffnet.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass gegenüber einem Schutz mit elektromechanischen Leistungsschaltern Selektivität in kapazitätsgepufferten Gleichspannungsnetzen gewährleistet werden kann, wenn leistungselektronische Schalter, nach sys-temangepassten Kriterien nicht abschalten bzw. wieder zu schalten und die nicht-fehlerhaften Abgänge weiter versorgen können, bevor die Kapazitäten vollständig entladen sind und das System neu gestartet werden muss.

Insbesondere werden für die Kriterien nicht nur der fließende Strom, sondern auch die Spannung und deren jeweilige Änderung berücksichtigt. Dafür ist schnelles Ab- und wieder Zuschalten durch leistungselektronische Schalter entscheidend.

Vorteilhaft ist eine verbesserte Selektivität ohne Überdimen sionierung der Halbleiter-Schalter.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.