DE-102024210593-A1 - Schalten von Gleichströmen

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hybride Schaltanordnung (1) zum Schalten von Gleichströmen. Die Schaltanordnung (1) umfasst einen elektromechanischen ersten Schalter (S1) und eine zu dem ersten Schalter (S1) in Reihe geschaltete Parallelschaltung eines elektromechanischen zweiten Schalters (S2), der zeitversetzt zu dem ersten Schalter (S1) schließt und öffnet, und einer Halbleiterschalteinheit (11), die einen Durchlasszustand und einen Sperrzustand aufweist. Ferner umfasst die Schaltanordnung (1) eine Komparatoreinheit (13), die eingerichtet ist, eine Referenzspannung mit einer Messspannung zu vergleichen, die monoton steigend von einer Spannung über dem zweiten Schalter (S2) abhängt, und eine Steuereinheit (15), die eingerichtet ist, die Halbleiterschalteinheit (11) beim Schließen der Schalter (S1, S2) in den Durchlasszustand zu versetzen, wenn die Messspannung die Referenzspannung unterschreitet, und beim Öffnen der Schalter (S1, S2) vor dem Öffnen des zweiten Schalters (S2) in den Durchlasszustand und nach dem Öffnen des zweiten Schalters (S2) bei noch geschlossenem ersten Schalter (S1) in den Sperrzustand zu versetzen.

Inventors

• Karsten Handt
• HAUKE NANNEN

Assignees

• SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (11)

1. Hybride Schaltanordnung (1) zum Schalten von Gleichströmen, die Schaltanordnung (1) umfassend - einen elektromechanischen ersten Schalter (S1), - eine zu dem ersten Schalter (S1) in Reihe geschaltete Parallelschaltung eines elektromechanischen zweiten Schalters (S2), der beim Schließen der Schalter (S1, S2) automatisch zeitversetzt nach dem Schließen des ersten Schalters (S1) schließt und beim Öffnen der Schalter (S1, S2) automatisch vor dem Öffnen des ersten Schalters (S1) öffnet, und einer Halbleiterschalteinheit (11), die einen Durchlasszustand, in dem sie für Gleichströme wenigstens einer Stromrichtung leitend ist, und einen Sperrzustand, in dem sie für Gleichströme beider Stromrichtungen sperrend ist, aufweist, - eine Komparatoreinheit (13), die eingerichtet ist, eine Referenzspannung mit einer Messspannung zu vergleichen, die monoton steigend von einer Spannung über dem zweiten Schalter (S2) abhängt, und - eine Steuereinheit (15), die eingerichtet ist, die Halbleiterschalteinheit (11) beim Schließen der Schalter (S1, S2) in den Durchlasszustand zu versetzen, wenn die Messspannung die Referenzspannung unterschreitet, und beim Öffnen der Schalter (S1, S2) vor dem Öffnen des zweiten Schalters (S2) in den Durchlasszustand und nach dem Öffnen des zweiten Schalters (S2) bei noch geschlossenem ersten Schalter (S1) in den Sperrzustand zu versetzen.
2. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 1 , wobei die Halbleiterschalteinheit (11) wenigstens einen selbstsperrenden Halbleiterschalter (17) aufweist.
3. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Halbleiterschalteinheit (11) in dem Durchlasszustand für Gleichströme beider Stromrichtungen leitend ist.
4. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 3 , wobei die Halbleiterschalteinheit (11) zwei antiseriell geschaltete, selbstsperrende Halbleiterschalter (17) aufweist.
5. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 , wobei jeder Halbleiterschalter (17) ein IGBT mit einer antiparallel geschalteten Diode, ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor, beispielsweise ein MOSFET, ist.
6. Schaltanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komparatoreinheit (13) einen Komparator (19) mit einem ersten Eingang (27), an dem die Referenzspannung anliegt, und einem zweiten Eingang (31), an dem die Messspannung anliegt, aufweist und der Komparator (19) eingerichtet ist, ein binäres Ausgangssignal (33) auszugeben, das einen ersten Wert annimmt, wenn die Messspannung die Referenzspannung unterschreitet, und andernfalls einen zweiten Wert annimmt.
7. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 6 , wobei der Komparator (19) eingerichtet ist, das Ausgangssignal (33) an die Steuereinheit (15) auszugeben.
8. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7 , wobei die Komparatoreinheit (13) einen ersten Spannungsteiler (21) einer Versorgungsspannung (U) mit einem ersten ohmschen Widerstand (R1) und einem zweiten ohmschen Widerstand (R2) aufweist und die Referenzspannung durch den ersten Spannungsteiler (21) als eine Teilspannung der Versorgungsspannung (U) erzeugt wird.
9. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 , wobei die Komparatoreinheit (13) eine Diode (25) und einen zweiten Spannungsteiler (23) einer Versorgungsspannung (U) mit einem dritten ohmschen Widerstand (R3) und einem vierten ohmschen Widerstand (R4) aufweist, wobei parallel zu dem vierten ohmschen Widerstand (R4) eine Reihenschaltung der Diode (25) und des zweiten Schalters (S2) geschaltet ist und ein Messabgriff (29) des zweiten Spannungsteilers (23) zwischen dem dritten ohmschen Widerstand (R3) und dem vierten ohmschen Widerstand (R4) mit dem zweiten Eingang (31) des Komparators (19) verbunden ist.
10. Schaltanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem parallel zu der Halbleiterschalteinheit (19) geschalteten Überspannungsableiter (16).
11. Verfahren zum Schalten von Gleichströmen mit einem elektromechanischen ersten Schalter (S1) und einer zu dem ersten Schalter (S1) in Reihe geschalteten Parallelschaltung eines elektromechanischen zweiten Schalters (S2), der beim Schließen der Schalter (S1, S2) automatisch zeitversetzt nach dem Schließen des ersten Schalters (S1) schließt und beim Öffnen der Schalter (S1, S2) automatisch zeitversetzt vor dem Öffnen des ersten Schalters (S1) öffnet, und einer Halbleiterschalteinheit (11), die einen Durchlasszustand, in dem sie für Gleichströme wenigstens einer Stromrichtung leitend ist, und einen Sperrzustand, in dem sie für Gleichströme beider Stromrichtungen sperrend ist, aufweist, wobei - beim Schließen der Schalter (S1, S2) eine Referenzspannung mit einer Messspannung verglichen wird, die monoton steigend von einer Spannung über dem zweiten Schalter (S2) abhängt, und die Halbleiterschalteinheit (11) in den Durchlasszustand versetzt wird, wenn die Messspannung die Referenzspannung unterschreitet, und - beim Öffnen der Schalter (S1, S2) die Halbleiterschalteinheit (11) vor dem Öffnen des zweiten Schalters (S2) in den Durchlasszustand und nach dem Öffnen des zweiten Schalters (S2) bei noch geschlossenem ersten Schalter (S1) in den Sperrzustand versetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine hybride Schaltanordnung und ein Verfahren zum Schalten von Gleichströmen. Gleichstromnetze gewinnen in der Niederspannung immer weiter an Bedeutung. Sie werden mittlerweile nicht nur wie bisher zur Energieversorgung von Bahnen eingesetzt, sondern beispielsweise auch für Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher und Schnellladesäulen für Elektroautos sowie in industriellen Anwendungen. Zahlreiche Forschungsprojekte, beispielsweise „DC Industrie“, belegen Vorteile von Gleichstromnetzen. Für solche Netze werden Einrichtungen zum Schalten von Gleichströmen benötigt. Das Abschalten von Gleichströmen wird dadurch kompliziert, dass ein Gleichstrom im Unterschied zu Wechselstrom keinen natürlichen Stromnulldurchgang aufweist, der beispielsweise das Löschen von Lichtbögen bewirkt, die beim Öffnen von Schaltkontakten entstehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltanordnung und ein verbessertes Verfahren zum Schalten von Gleichströmen anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine erfindungsgemäße hybride Schaltanordnung zum Schalten von Gleichströmen umfasst- einen elektromechanischen ersten Schalter,- eine zu dem ersten Schalter in Reihe geschaltete Parallelschaltung eines elektromechanischen zweiten Schalters, der beim Schließen der Schalter automatisch zeitversetzt nach dem Schließen des ersten Schalters schließt und beim Öffnen der Schalter automatisch vor dem Öffnen des ersten Schalters öffnet, und einer Halbleiterschalteinheit, die einen Durchlasszustand, in dem sie für Gleichströme wenigstens einer Stromrichtung leitend ist, und einen Sperrzustand, in dem sie für Gleichströme beider Stromrichtungen sperrend ist, aufweist,- eine Komparatoreinheit, die eingerichtet ist, eine Referenzspannung mit einer Messspannung zu vergleichen, die monoton steigend von einer Spannung über dem zweiten Schalter abhängt, und- eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Halbleiterschalteinheit beim Schließen der Schalter in den Durchlasszustand zu versetzen, wenn die Messspannung die Referenzspannung unterschreitet, und beim Öffnen der Schalter vor dem Öffnen des zweiten Schalters in den Durchlasszustand und nach dem Öffnen des zweiten Schalters bei noch geschlossenem ersten Schalter in den Sperrzustand zu versetzen. Unter der Spannung über dem zweiten Schalter wird dabei der Betrag einer über dem zweiten Schalter abfallenden Spannung verstanden. Erfindungsgemäß wird die Halbleiterschalteinheit beim Schließen der Schalter von der Steuereinheit aktiviert (eingeschaltet), das heißt in den Durchlasszustand versetzt, wenn die Messspannung die Referenzspannung unterschreitet. Die Messspannung triggert also die Steuereinheit. Da die Messspannung monoton mit der Spannung über dem zweiten Schalter steigt, triggert auch die Spannung über dem zweiten Schalter die Steuereinheit, das heißt die Halbleiterschalteinheit wird von der Steuereinheit aktiviert, wenn die Spannung über dem zweiten Schalter einen von der Referenzspannung abhängigen Schwellenwert unterschreitet. Die Erfindung nutzt aus, dass der zweite Schalter erst nach dem Schließen des ersten Schalters schließt, zum Schließen eine gewisse Zeit benötigt, während die Spannung über ihm sinkt und deutlich langsamer als die Halbleiterschalteinheit schaltet. Da die Halbleiterschalteinheit während des Schließens des zweiten Schalters aktiviert wird, schließt die Halbleiterschalteinheit daher den Strompfad, in dem die Schaltanordnung angeordnet ist, nach dem Schließen des ersten Schalters und bevor das Schließen des zweiten Schalters abgeschlossen ist (sofern die Referenzspannung nicht zu klein gewählt wird). Dadurch, dass die Halbleiterschalteinheit erst nach dem Schließen des ersten Schalters aktiviert wird, wird ein Prellen des ersten Schalters bei dessen Schließen verhindert, da nicht der erste Schalter, sondern die Halbleiterschalteinheit den Strompfad schließt. Insbesondere zieht der erste Schalter beim Schließen keine Lichtbögen, die beim Prellen entstehen können. Außerdem wird der Strompfad durch dasselbe Element, nämlich durch die Halbleiterschalteinheit, geschlossen und geöffnet, da beim Öffnen der Schalter der Strompfad erst dadurch unterbrochen wird, dass die Halbleiterschalteinheit deaktiviert, das heißt, in den Sperrzustand versetzt wird. Damit genügt die Schaltanordnung Normen, die eben dies verlangen, nämlich das Schließen und Öffnen des Strompfads durch dasselbe Element. Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung weist die Halbleiterschalteinheit wenigstens einen selbstsperrenden Halbleiterschalter auf. Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die Halbleiterschalteinheit in dem Durchlasszustand für Gleichströme beider Stromrichtungen leitend. In diesem Fall weist die Ha