DE-102024210594-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 Detektoreinheit (13), die eingerichtet ist, einen Schließzeitpunkt (t1) zu detektieren, zu dem der erste Schalter (S1) geschlossen ist und der zweite Schalter (S2) geöffnet ist, und eine Steuereinheit (15), die eingerichtet ist, die Halbleiterschalteinheit (11) beim Schließen der Schalter (S1, S2) nach dem Schließzeitpunkt (t1) in den Durchlasszustand zu versetzen 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
• Jie Liu
• HAUKE NANNEN

Assignees

• SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (15)

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 Detektoreinheit (13), die eingerichtet ist, beim Schließen der Schalter (S1, S2) einen Schließzeitpunkt (t1) zu detektieren, zu dem der erste Schalter (S1) geschlossen ist und der zweite Schalter (S2) geöffnet ist, und - eine Steuereinheit (15), die eingerichtet ist, die Halbleiterschalteinheit (11) beim Schließen der Schalter (S1, S2) nach dem Schließzeitpunkt (t1) bei noch geöffnetem zweiten Schalter (S2) in den Durchlasszustand zu versetzen 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 Detektoreinheit (13) eingerichtet ist, den Schließzeitpunkt (t1) durch eine potentialfreie Detektion eines Anstiegs einer über dem zweiten Schalter (S2) abfallenden Spannung (U2) zu detektieren.
7. Schaltanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektoreinheit (13) eine zu dem zweiten Schalter (S2) parallel geschaltete Reihenschaltung eines Strombegrenzungselements (19) und eines Optokopplers (21) aufweist.
8. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 7 , wobei der Optokoppler (21) bidirektional ausgebildet ist.
9. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei die Detektoreinheit (13) eine zu dem zweiten Schalter (S2) parallel geschaltete Reihenschaltung eines Strombegrenzungselements (19) und zweier antiseriell geschalteter Optokoppler (21) aufweist.
10. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 , wobei das Strombegrenzungselement (19) ein Vorwiderstand ist.
11. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 , wobei das Strombegrenzungselement (19) eine Konstantstromquelle ist, die aus einem Feldeffekttransistor und einem seriell verschalteten Widerstand besteht.
12. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , wobei die Detektoreinheit (13) eine Schutzbeschaltung über jedem Optokoppler (21) aufweist.
13. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12 , wobei die Detektoreinheit (13) eingerichtet ist, die von jedem Optokoppler (21) erfassten Messsignale an die Steuereinheit (15) auszugeben.
14. Schaltanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein ohmscher Widerstand parallel zu der Halbleiterschalteinheit (11) geschaltet ist.
15. 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) ein Schließzeitpunkt (t1) detektiert wird, zu dem der erste Schalter (S1) geschlossen ist und der zweite Schalter (S2) geöffnet ist, und nach dem Schließzeitpunkt (t1) die Halbleiterschalteinheit (11) bei noch geöffnetem zweiten Schalter (S2) in den Durchlasszustand versetzt wird, 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 15 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 Detektoreinheit, die eingerichtet ist, beim Schließen der Schalter einen Schließzeitpunkt zu detektieren, zu dem der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, und- eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Halbleiterschalteinheit beim Schließen der Schalter nach dem Schließzeitpunkt bei noch geöffnetem zweiten Schalter in den Durchlasszustand zu versetzen 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. Die erfindungsgemäße Schaltanordnung ermöglicht insbesondere, beim Schließen der Schalter die Halbleiterschalteinheit erst nach dem Schließen des ersten Schalters bei noch geöffnetem zweiten Schalter in den Durchlasszustand zu versetzen. Zu diesem Zweck umfasst die Schaltanordnung eine Detektoreinheit, die eingerichtet ist, einen Schließzeitpunkt zu detektieren, zu dem der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter noch geöffnet ist. Dadurch, dass die Halbleiterschalteinheit erst nach dem Schließen des ersten Schalters in den Durchlasszustand versetzt wird, wird ein Prellen des ersten Schalters bei dessen Schließen verhindert, da nicht der erste Schalter, sondern die Halbleiterschalteinheit den Strompfad, in dem die Schaltanordnung angeordnet ist, 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 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 Halbleiterschalteinheit beispielsweise zwei antiseriell geschaltete, selbstsperrende Halbleiterschalter auf. Die antiserielle Schaltung selbstsperrender Halbleiterschalter ermöglicht ein Sperren von Gleichströmen beider Stromrichtungen. Beispielsweise ist jeder Halbleiterschalter ein IGBT (Abkürzung für Insulated-Gate Bipolar Transistor, deutsch: Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) mit einer antiparallel geschalteten Diode, ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor, beispielsweise ein MOSFET (Abkürzung für Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, deutsch: MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die Detektoreinheit eingerichtet, den Schließzeitpunkt durch eine potentialfreie Detektion eines Anstiegs einer über dem zweiten Schalter ab