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WO2022243196A1 - Verfahren zum betrieb eines kurzschlussgesicherten versorgungssystems und kurzschlussgesichertes versorgungssystem - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines kurzschlussgesicherten versorgungssystems und kurzschlussgesichertes versorgungssystem Download PDF

Info

Publication number
WO2022243196A1
WO2022243196A1 PCT/EP2022/063066 EP2022063066W WO2022243196A1 WO 2022243196 A1 WO2022243196 A1 WO 2022243196A1 EP 2022063066 W EP2022063066 W EP 2022063066W WO 2022243196 A1 WO2022243196 A1 WO 2022243196A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
network
short
rectifier
supply system
grid
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/063066
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander UNRU
Marcel Kratochvil
Josef Baumgartner
Josef HOEFLSAUER
Michael Schreck
Original Assignee
Sma Solar Technology Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sma Solar Technology Ag filed Critical Sma Solar Technology Ag
Publication of WO2022243196A1 publication Critical patent/WO2022243196A1/de

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
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    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only

Definitions

  • the application relates to a method for short-circuit protected operation of a DC network, and a short-circuit protected supply system of a DC network from an AC network.
  • Thyristor rectifiers or active rectifiers are used to supply a DC voltage network, also referred to below as a DC network.
  • Active rectifiers also referred to below as AFE (Active Front End) have a bridge circuit in which power semiconductor switches, in particular IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) with antiparallel freewheeling diodes, are used.
  • the freewheeling diodes form a rectifier in relation to the AC voltage network, also referred to below as the AC network, so that uncontrolled current flows through the freewheeling diodes if the output-side DC voltage of an active rectifier is below a rectified value of the AC mains voltage.
  • One possible measure would be to design the freewheeling diodes of the AFE in such a way that an expected short-circuit current could be accepted without damaging them.
  • the freewheeling diodes cannot then be optimally designed for normal operation of the AFE, which has a disadvantageous effect on the costs, the required installation space and/or the efficiency in nominal operation and per AFE.
  • the object of the invention is to ensure that the network structure and operation of the DC network are protected against short circuits.
  • a short-circuit protected supply system of a DC network from an AC network has an active rectifier with upstream sine filter reactors on the AC side, a pre-charging device and a short-circuit protection device, the short-circuit protection device being set up to prevent a short-circuit current occurring as a result of a fault in the DC network, bypassing the active rectifier from the AC grid to the DC grid.
  • a method for operating such a supply system comprises the following steps for starting up the supply system: a) Pre-charging the DC network via the pre-charging device, with the AFE being connected to the DC network on the DC side.
  • step a) the DC network is initially precharged via the precharging device to a first threshold value of the DC voltage.
  • the pre-charging via the pre-charging device is preferably current-limited, for example via a pre-charging resistor of the pre-charging device.
  • step a) at least the AFE is already connected to the DC grid on the DC side. If there is a short circuit or ground fault in the DC Mains before, the current limit of the pre-charging device can prevent that the first threshold value of the DC voltage is reached. The subpoena can then be canceled in this case.
  • the AFE can be connected to the AC grid on the AC side in step b).
  • the DC grid may be precharged to a second DC voltage threshold. If the second threshold value of the DC voltage is exceeded, in step c) the AC network is connected to the DC network via the short-circuit protection device. In one embodiment of the method, the second threshold is greater than the first threshold. If the DC voltage of the DC network is precharged in a continuously increasing manner, the first threshold value and then the second threshold value of the DC voltage are reached first. This therefore corresponds to an embodiment in which the first point in time is before the second point in time.
  • the second threshold value is selected to be smaller than the first threshold value.
  • the second threshold value is first reached at the second point in time during the pre-charging and the short-circuit protection device is switched on on the AC side. If the first threshold value is then reached at the first point in time during the further course of the pre-charging, the AFE is also connected to the AC grid. If there is a short circuit or ground fault in the DC grid during this pre-charging process, the current limitation of the pre-charging device can prevent the second threshold value of the DC voltage from being reached. The subpoena can then be canceled in this case. Because the short-circuit protection device is connected to the AC grid in front of the AFE, the AFE is protected from the consequences of a short circuit or ground fault at all times.
  • Sinusoidal filter chokes are part of an AC-side mains filter of the AFE, which ensure a strongly delayed increase in current.
  • the supply system can be connected to the AC grid via a pre-transformer, which converts the voltage level to a value desired for the supply system.
  • the AC network connected to the supply system can be a grounded network, for example in that the pre-transformer has a ground connection connected to PE on the secondary side.
  • an unearthed AC network is also conceivable, in which case one-sided earth faults do not lead to a short-circuit current and therefore remain unprotected.
  • the pre-charging device is a power electronic circuit that allows current-limited pre-charging of the DC network at least until the first threshold value is reached, preferably until the rated voltage of the DC network is reached.
  • a preloader can For example, by an active rectifier - also an AFE - with a downstream DC/DC converter with step-down function or by a thyristor rectifier with a downstream DC/DC converter with step-up function.
  • Other forms of circuitry are also known to those skilled in the art and can be used.
  • the pre-charging device and the short-circuit protection device can each be arranged in separate branches parallel to the active rectifier between the AC network and the DC network.
  • the pre-charging of the DC side and the short-circuit protection can be taken over by a common, combined device. For example, it is possible to use a bridgeable pre-charging resistor in series
  • the pre-charging resistor can be bridged during operation as a short-circuit protection device, for example, by a closed switch.
  • this switch can be open and the pre-charging resistor can thus limit the pre-charging current.
  • the DC grid is precharged after the AC-side connection of the AFE to the AC grid has been established, at least partially via the AFE. This means that the DC grid can be pre-charged up to the first threshold value of the DC voltage via the pre-charging device and thereafter via the pre-charging device and/or the AFE.
  • the first threshold value depends on a first AC input voltage at the AC input of the AFE and can in particular correspond to a rectified value of the first AC input voltage or be a predetermined first distance above the rectified value of the first AC input voltage.
  • the DC grid is precharged up to a rated voltage of the DC grid.
  • the first and the second threshold are both below the nominal voltage of the DC network. The method can thus ensure safe pre-charging of the DC network up to its rated voltage. If a short circuit or earth fault occurs before the rated voltage is reached, the safety function is already active through the short-circuit protection device.
  • the short-circuit protection device has a rectifier, via which the connection between the AC grid and the DC grid is established.
  • the rectifier can be a passive rectifier, for example, which is connected to the AC grid on the AC side and to the DC grid on the DC side. The rectifier is supplied with a second AC input voltage.
  • the short-circuit protection device can have a transformer, in particular a step-up transformer, the transformer supplying the rectifier with a second AC input voltage that is higher than the first AC input voltage at the AFE, so that the rectified value of the second AC input voltage can also be higher .
  • the second AC input voltage corresponds to the first AC input voltage.
  • the second threshold value depends on the second AC input voltage of the rectifier of the short-circuit protection device and can in particular correspond to a rectified value of the second AC input voltage or be a predetermined second distance above the rectified value of the second AC input voltage.
  • the second threshold value can thus be selected in such a way that the diodes of the passive rectifier block at a DC voltage greater than the second threshold value, so that no current flows from the AC grid into the DC grid via the passive rectifier when it is switched on.
  • the DC voltage drops suddenly. If this falls below the rectified value of the second AC input voltage, the diodes of the rectifier of the short-circuit protection device become conductive and make at least a significant part of the short-circuit current from the AC network available. At the same time, the intermediate circuit capacitance of the active rectifier can be further discharged.
  • the sine-wave filter chokes ensure that the current flowing through the freewheeling diodes of the active rectifier increases with a considerable delay.
  • the short-circuit current that flows in the event of a fault can thus largely flow through the rectifier for a certain period of time
  • Short-circuit protection device and the intermediate circuit capacity are provided.
  • a suitable dimensioning of the sine-wave filter chokes can ensure that the period of time is sufficient to trigger or actuate corresponding isolating devices on the DC side, for example fuses.
  • the supply system can then also be designed without a step-up transformer on the AC side of the rectifier of the short-circuit protection device, which saves costs can.
  • the sine-wave filter chokes which are arranged, for example, as mains filters on the active rectifier, an increase in the current can be limited and the AFE can be kept supplied with subcritical current over a sufficiently long period of time in the event of a short circuit.
  • the fuses can then be triggered, for example, by the short-circuit current supplied via the short-circuit protection device.
  • the supply system may have a plurality of AFE connected in parallel.
  • the AFE can be connected to the AC grid by connecting the plurality of AFEs in parallel. All AFEs connected in parallel in this way can be started up using the method described via the precharging device and the short-circuit protection device.
  • the active rectifiers of the plurality of active rectifiers are connected in parallel one after the other when the supply system is started up.
  • the active rectifiers are preferably connected in parallel individually according to the method described above.
  • the method also has the following steps when decommissioning the supply system:
  • an enable signal is generated via the short-circuit protection device and transmitted to a DC load or to DC loads of the DC grid. This makes it possible to inform the DC load or the DC loads of the DC network when the start-up is complete and safe normal operation of the DC network is possible.
  • the release signal can also be transmitted to other DC units connected to the DC network, such as a battery or the like.
  • the release signal can also be transmitted to the AFE and used, for example, to determine a power value or power limit value provided by the AFE or its operating mode.
  • a short-circuit protected supply system for a DC network from an AC network can have:
  • a pre-charging device for pre-charging the DC grid from the AC grid
  • control unit is set up to carry out the method according to one of the preceding claims.
  • a mains filter which can have sinusoidal filter chokes, can be connected upstream of the AFE on the AC side.
  • the mains filter can then greatly delay the increase in current through the AFE in the event of a fault.
  • the mains filter is preferably designed in such a way that it delays the rise in the current so much and for so long that fuses in the supply system trip in good time in the event of a fault before the AFE is damaged.
  • the supply system has a plurality of AFEs connected in parallel, which are preferably connected in parallel individually one after the other when starting up using the method described above.
  • the short-circuit protection device has a rectifier via which the connection between the AC grid and the DC grid is established, the rectifier being supplied with a second AC input voltage on which the second threshold value depends, the second threshold value corresponds in particular to a rectified value of the second AC input voltage of the rectifier.
  • the rectifier is preferably a passive rectifier, via the diodes of which short-circuit currents can be diverted from the DC network to the AC network in the event of a fault.
  • the short-circuit protection device and the pre-charging device have a common, preferably step-up transformer and a common rectifier, the short-circuit protection device also having a switch and the pre-charging device also having a pre-charging resistor connected in parallel with the switch.
  • Short-circuit protection devices are therefore in parts the same combined device, the pre-charging resistor of the pre-charging device being bridged by the closed switch during operation as a short-circuit protection device.
  • Such a system design enables a low-cost implementation with fewer components.
  • the use of a step-up transformer as a common component of the short-circuit protection device and the pre-charging device enables improved short-circuit protection and faster pre-charging, as well as a currentless connection of the active rectifier to the AC grid.
  • FIG 3 shows a further embodiment of a supply system protected against short circuits.
  • FIG. 1 schematically shows steps a), b), c) of a method for operating a short-circuit protected supply system 10 (FIG. 2, FIG. 3).
  • a DC network 14 is precharged via a precharging device 39, 41 in step a).
  • An active rectifier 20 of the supply system 10 is connected to the DC network 14 on the DC side in step a).
  • the active rectifier 20 is connected to the AC network 12 by closing AC switches 22 in a step b).
  • a connection between the AC Network 12 and the DC network 14 made.
  • the DC network 14 is then further precharged via the precharging device 39, 41 and/or the active rectifier 20 up to a rated voltage of the DC network.
  • the pre-charging device 39 from FIG. 2 can be separated from the AC grid by opening the AC switch 23 . This can happen, for example, after the rated voltage of the DC network 14 has been reached.
  • the AC network 12 is, for example, a three-phase AC network and can in particular be an AC supply network, which can be provided, for example, via a network transformer that provides a suitable voltage level for the supply system 10 via its transformation ratio. This can be grounded by connecting to potential earth PE.
  • the supply system 10 has the active rectifier 20 with upstream sine filter chokes 20.1 on the AC side, a short-circuit protection device 37 and a pre-charging device 39.
  • the DC network 14 has a two-part insulation resistance 50 to ground potential PE.
  • a battery 42 can be connected to the DC grid 14 via DC switches 46 .
  • a load 44 can be connected to the DC grid via DC switches 48 .
  • the load 44 may have an undesirable parasitic resistance 44.P to ground potential PE.
  • a load 44 can in particular include one or more consumers, such as a machine, an industrial plant or an electrolyzer.
  • the DC grid 14 may also include multiple loads 44 and multiple batteries 42 .
  • the DC network can also have parasitic resistances between the DC lines without a ground connection.
  • the pre-charging device 39 can be connected to the AC grid 12 via the AC switches 23 .
  • the pre-charging device 39 has a current-limiting charging circuit 38, with the aid of which the current is limited when the DC network 14 is being pre-charged.
  • the intermediate circuit 18 of the active rectifier 20 can be precharged via the precharging device 39 when the supply system 10 is started up before the AC side is connected to the AC network 12 .
  • the pre-charging device 39 is set up to carry out such a pre-charging from the AC grid 12 .
  • the intermediate circuit 18 of the active rectifier 20 can be precharged directly from the AC network 12 via the precharging device 39 .
  • the short-circuit protection device 37 can be connected to the AC grid 12 via AC switch 24 and has a passive rectifier 36, via which a short-circuit current occurring as a result of a fault in the DC grid 14 is bypassed by the active rectifier 20 can be conducted from the AC grid 12 into the DC grid 14 .
  • a fault in the DC network occurs, for example, if the two-part insulation resistance 50 or the parasitic resistance 44.P becomes too small and this causes a ground fault or short circuit in the DC network, i.e. a too low-impedance connection to the potential ground PE or between DC+ and DC-, arises.
  • the passive rectifier is supplied with a second AC input voltage from the AC network 12 .
  • a transformer 16 which supplies the rectifier 36 with the second AC input voltage can optionally be arranged between the AC switches 24 and the passive rectifier 36 .
  • the second threshold value depends on the second AC input voltage and can be used to ensure that the connection between the AC network 12 and the DC network 14 via the short-circuit protection device 37 is only established when the intermediate circuit 18 and thus the DC network 14 is sufficiently preloaded.
  • the connection via the short-circuit protection device 37 can be established, for example, via the switches 24 that are controlled by the control unit 30 .
  • the active rectifier 20 is designed to convert alternating current or alternating voltage on its AC side into direct current or direct voltage on its DC side.
  • the active rectifier 20 is also designed to convert direct current or direct voltage on its DC side into alternating current or alternating voltage on its AC side.
  • the conversion takes place in that a control unit of the active rectifier 20 suitably controls the semiconductor switches.
  • the control unit 30 of the supply system 10 is set up and designed to carry out the method for operating the short-circuit protected supply system 10 and to activate the switches 22, 23, 24 accordingly, for example.
  • it has suitable computing power and suitable memory.
  • the control unit 30 can also include the control unit of the active rectifier 20 .
  • each active rectifier can also have its own control unit.
  • the sine filter chokes 20.1 can act as a mains filter of the active rectifier, with the mains filter being able to have further components, for example a filter capacitance.
  • the sine wave chokes have the property of effectively delaying a sudden increase in current through the active rectifier. This delay can give DC fuses 32.1, 32.2 of the DC network time to blow before excessive current damages elements of the active rectifier 20, such as its freewheeling diodes. Such a case can occur, for example, if a ground fault or short circuit in the DC network 14 would cause a fault current from the AC network 12 into the DC network 14, which would damage the freewheeling diodes of the active rectifier 20 if it were to flow at full strength through the active rectifier 20 would be passed.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of a short-circuit-protected supply system 10 for supplying the DC network 14 from the AC network 12 is shown schematically in FIG. 3 .
  • the AC network 12 is, for example, a three-phase AC network and can in particular be an AC supply network.
  • the AC grid 12 can be provided via a grid transformer. This can be grounded by connecting to potential earth PE.
  • the supply system 10 has the active rectifier 20 with the upstream sine filter chokes 20.1 on the AC side and a combined device 41, which can assume both the function of the precharging device and the function of the short-circuit protection device.
  • the combined pre-charging and short-circuit protection device 41 can be connected to the AC grid via AC switches 24 .
  • It has a transformer 16 which supplies a passive rectifier 36 with a second AC input voltage. This transformer 16 can also be connected to the ground potential PE; in particular, it is connected to the ground potential when the AC network 12 is also grounded.
  • the DC network 14 has a two-part insulation resistance 50 to ground potential PE.
  • a battery 42 can be connected to the DC grid 14 via DC switches 46 .
  • a load 44 can be connected to the DC grid via DC switches 48 .
  • the load 44 can also have an undesirable parasitic resistance 44.P to ground potential PE.
  • a load 44 can in particular include one or more consumers, such as a machine, an industrial plant or an electrolyzer.
  • the DC grid 14 may also include multiple loads 44 and multiple batteries 42 .
  • the AC grid 12 can be connected to the supply system 10 via an upstream transformer.
  • the voltage provided by the AC network 12 can be adjusted to a level suitable by the supply system 10 by the upstream transformer.
  • the active rectifier 20 can be supplied via the pre-transformer with a first AC input voltage on which the first threshold value depends. In this way it can be achieved that the active rectifier 20 is only connected to the AC network 12 by controlling the AC switch 22 by a control unit 30 when the DC network 14, including the intermediate circuit 18, is at a sufficiently high level DC voltage is preloaded, so that the switching on of the active rectifier 20 can be done gently, so completely or largely without current.
  • the active rectifier 20 is designed to convert alternating current or alternating voltage on its AC side into direct current or direct voltage on its DC side.
  • the active rectifier 20 is also designed to convert direct current or direct voltage on its DC side into alternating current or alternating voltage on its AC side.
  • the conversion is done in that the Control unit 30 controls the semiconductor switch of the active rectifier 20 appropriately.
  • the control unit can also be set up and designed to carry out the method for operating the short-circuit-protected supply system 10 and to activate the switches 22, 24, 34 accordingly, for example.
  • it has suitable computing power and suitable memory.
  • the semiconductor switches of the active rectifier 20 and the controller 30 for carrying out the method can also be driven by separate control units.
  • the device 41 has a pre-charging resistor 28 via which the current is limited when the DC network 14 is being pre-charged. If the device 41 is operated as a pre-charging device, the switch 34 is open. The intermediate circuit 18 of the active rectifier 20 can be precharged via the precharging device 41 when the supply system 10 is started up before the AC side is connected to the AC network 12 . For this purpose, the AC switch 24 is first closed with the switch 34 open and the DC network 14 is pre-charged. The pre-charging device 41 is set up to carry out such a pre-charging from the AC network 12 and has the passive rectifier 36 for this purpose. At least the intermediate circuit 18 of the active rectifier 20, preferably the entire DC network 14, can be precharged directly from the AC network 12 via the precharging device 41.
  • the switch 34 is closed and the precharging resistor is thus bridged.
  • the pre-charging of the intermediate circuit 18 and the DC network 14 then only takes place via the active rectifier 20 or has already ended.
  • the second threshold value depends on the second AC input voltage and can be used to ensure that the connection between the AC grid 12 and the DC grid 14 via the closed switch 34 at the second point in time during precharging is only established when the Intermediate circuit 18 and thus the DC network 14 is sufficiently precharged.
  • the switch 34 can be closed, for example, by activation by the control unit 30 .
  • a short-circuit current occurring as a result of a fault in the DC network 14 can be conducted via the passive rectifier 36 from the AC network 12 into the DC network 14 , bypassing the active rectifier 20 .
  • Such a fault in the DC network occurs, for example, when the insulation resistance 50 or the parasitic resistance 44.P becomes too small and this results in a ground fault in the DC network, ie a connection to the potential ground PE that is too low.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems (10) eines DC-Netzes (14) aus einem AC-Netz (12), wobei das Versorgungssystem (10) einen aktiven Gleichrichter (20) mit AC-seitig vorgelagerten Sinusfilterdrosseln (20.1), eine Vorladevorrichtung und eine Kurzschlusssicherungsvorrichtung aufweist, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen durch einen Fehler im DC-Netz auftretenden Kurzschlussstrom unter Umgehung des aktiven Gleichrichters (20) aus dem AC-Netz (12) in das DC-Netz (14) zu leiten. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte zum Aufstarten des Versorgungssystems (10): a) Vorladen des DC-Netzes (14) über die Vorladevorrichtung (39, 41), wobei der aktive Gleichrichter (20) DC-seitig mit dem DC-Netz (14) verbunden ist, b) Herstellen einer AC-seitigen Verbindung des aktiven Gleichrichters (20) mit dem AC-Netz (12) zu einem ersten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem eine Spannung des DC- Netzes (14) einen ersten Schwellwert überschreitet, c) Herstellen einer Verbindung zwischen dem AC-Netz (12) und dem DC-Netz (14) über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41) zu einem zweiten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem die Spannung des DC-Netzes (14) einen zweiten Schwellwert überschreitet. Die Anmeldung betrifft weiter ein kurzschlussgesichertes Versorgungssystem (10).

Description

Verfahren zum Betrieb eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems und kurzschlussgesichertes Versorgungssystem
Hintergrund
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum kurzschlussgesicherten Betrieb eines DC-Netzes, sowie ein kurzschlussgesichertes Versorgungssystem eines DC-Netzes aus einem AC-Netz.
Zur Versorgung eines Gleichspannungsnetzes, im Folgenden auch als DC-Netz bezeichnet, werden Thyristor-Gleichrichter oder aktive Gleichrichter eingesetzt. Aktive Gleichrichter im Folgenden auch AFE (Active Front End) genannt, weisen hierbei eine Brückenschaltung auf, in der Leistungshalbleiterschalter, insbesondere IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) mit antiparallelen Freilaufdioden eingesetzt werden. Hierbei bilden die Freilaufdioden einen Gleichrichter gegenüber dem Wechselspannungs-Netz, im Folgenden auch als AC-Netz bezeichnet, so dass unkontrolliert Strom über die Freilaufdioden fließt, wenn die ausgangseitige DC- Spannung eines aktiven Gleichrichters unter einem Gleichrichtwert der AC-Netzspannung liegt.
Aus diesem Grunde besteht bei aktiven Gleichrichtern im Falle eines Erdfehlers oder Kurzschlusses auf der DC-Seite, bei denen die ausgangsseitige DC-Spannung unter den Gleichrichtwert des AC-Netzes fällt, die Gefahr, dass ein zu hoher Strom über die Freilaufdioden fließt, der diese beschädigt.
Eine mögliche Maßnahme wäre, die Freilaufdioden des AFE so auszulegen, dass ein zu erwartender Kurzschlussstrom ohne deren Beschädigung übernommen werden könnte. Die Freilaufdioden können dann aber nicht optimal für den Normalbetrieb des AFE ausgelegt werden, was sich im Nennbetrieb und pro AFE nachteilig auf die Kosten, den nötigen Bauraum und/oder den Wirkungsgrad auswirkt.
Es ist bekannt, schnell schaltende DC-Trennschalter einzusetzen, so dass eine Trennung von der Fehlerstelle schneller als eine Beschädigung der Freilaufdioden durch den durch den Kurzschluss oder Erdfehler entstehenden Überstrom erfolgt. Dies erfordert hybride DC- Trennschalter, die sowohl elektromechanische Schalter als auch schnelle Halbleiterschalter aufweisen. Solche hybriden Trennschalter sind aber teuer und bringen zusätzliche Komplexität in eine Versorgungsanlage für ein DC-Netz. Weiterhin sind die Durchlassverluste der Halbleiterschalter höher als bei Sicherungen oder Leistungsschaltern, weswegen zusätzliche Kühlmaßnahmen notwendig sind. Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den kurzschlusssicheren Netzaufbau und Betrieb des DC-Netzes zu gewährleisten.
Lösung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Das Verfahren kann durch ein Versorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 durchgeführt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und des Versorgungssystems sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Beschreibung
Ein kurzschlussgesichertes Versorgungssystems eines DC-Netzes aus einem AC-Netz weist einen aktiven Gleichrichter mit AC-seitig vorgelagerten Sinusfilterdrosseln, eine Vorladevorrichtung und eine Kurzschlusssicherungsvorrichtung auf, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen durch einen Fehler im DC- Netz auftretenden Kurzschlussstrom unter Umgehung des aktiven Gleichrichters aus dem AC-Netz in das DC-Netz zu leiten. Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Versorgungssystems umfasst die folgenden Schritte zum Aufstarten des Versorgungssystems: a) Vorladen des DC-Netzes über die Vorladevorrichtung, wobei das AFE DC-seitig mit dem DC-Netz verbunden ist. b) Herstellen einer AC-seitigen Verbindung des AFE mit dem AC-Netz zu einem ersten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem eine Spannung des DC-Netzes einen ersten Schwellwert überschreitet. c) Herstellen einer Verbindung zwischen dem AC-Netz und dem DC-Netz über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung zu einem zweiten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem die Spannung des DC-Netzes einen zweiten Schwellwert überschreitet.
Das DC-Netz wird in Schritt a) zunächst über die Vorladevorrichtung auf einen ersten Schwellwert der DC-Spannung vorgeladen. Das Vorladen über die Vorladevorrichtung erfolgt dabei bevorzugt strombegrenzt, beispielsweise über einen Vorladewiderstand der Vorladevorrichtung. In Schritt a) ist zumindest das AFE DC-seitig bereits mit dem DC-Netz verbunden. Liegt während dieses Vorladevorgangs ein Kurzschluss oder Erdfehler im DC- Netz vor, kann die Strombegrenzung der Vorladevorrichtung verhindern, dass der erste Schwellwert der DC-Spannung erreicht wird. Die Vorladung kann dann für diesen Fall abgebrochen werden.
Wird der erste Schwellwert der DC-Spannung überschritten, kann in Schritt b) das AFE AC- seitig mit dem AC-Netz verbunden werden. Das DC-Netz kann auf einen zweiten Schwellwert der DC-Spannung vorgeladen werden. Wird der zweite Schwellwert der DC- Spannung überschritten, erfolgt in Schritt c) eine Verbindung des AC-Netzes mit dem DC- Netz über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der zweite Schwellwert größer als der erste Schwellwert. Wird die DC-Spannung des DC- Netzes kontinuierlich ansteigend vorgeladen, so wird zunächst der erste Schwellwert und danach der zweite Schwellwert der DC-Spannung erreicht. Dies entspricht damit einer Ausführungsform, bei der der erste Zeitpunkt vor dem zweiten Zeitpunkt liegt.
Ebenfalls denkbar ist eine Ausführungsform, in der der zweite Schwellwert kleiner als der erste Schwellwert gewählt wird. In diesem Fall wird während des Vorladens zunächst zum zweiten Zeitpunkt der zweite Schwellwert erreicht und die Kurzschlusssicherungsvorrichtung AC-seitig zugeschaltet. Wenn im weiteren Verlauf des Vorladens zum ersten Zeitpunkt dann der erste Schwellwert erreicht wird, wird auch das AFE mit dem AC-Netz verbunden. Liegt während dieses Vorladevorgangs ein Kurzschluss oder Erdfehler im DC-Netz vor, kann die Strombegrenzung der Vorladevorrichtung verhindern, dass der zweite Schwellwert der DC- Spannung erreicht wird. Die Vorladung kann dann für diesen Fall abgebrochen werden. Dadurch, dass die Kurzschlusssicherungsvorrichtung vor dem AFE mit dem AC-Netz verbunden wird, ist das AFE zu jedem Zeitpunkt vor den Folgen eines Kurzschlusses oder Erdfehlers geschützt.
Sinusfilterdrosseln sind Teil eines AC-seitigen Netzfilters des AFE, die für einen stark verzögerten Anstieg des Stromes sorgen.
Das Versorgungssystem kann mit dem AC-Netz über einen Vortransformator angebunden sein, der das Spannungsniveau auf einen für das Versorgungssystem gewünschten Wert umsetzt. Das an das Versorgungssystem angeschlossene AC-Netz kann ein geerdetes Netz sein, beispielsweise indem der Vortransformator sekundärseitig einen mit PE verbundenen Erdanschluss aufweist. Aber auch ein ungeerdetes AC-Netz ist denkbar, wobei dann einseitige Erdfehler zu keinem Kurzschlussstrom führen und damit ungesichert bleiben.
Die Vorladevorrichtung ist eine leistungselektronische Schaltung, die ein strombegrenztes Vorladen des DC-Netzes zumindest bis zum Erreichen des ersten Schwellwertes, bevorzugt bis zum Erreichen der Nennspannung des DC-Netzes erlaubt. Eine Vorladevorrichtung kann beispielsweise durch einen aktiven Gleichrichter - auch ein AFE - mit nachgelagertem DC/DC-Wandler mit tiefsetzstellender Funktion oder durch einen Thyristor-Gleichrichter mit nachgelagertem DC/DC-Wandler mit hochsetzstellender Funktion realisiert werden. Auch andere Schaltungsformen sind dem Fachmann bekannt und einsetzbar.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Vorladevorrichtung und die Kurzschlusssicherungsvorrichtung jeweils in getrennten Zweigen parallel zum aktiven Gleichrichter zwischen AC-Netz und DC-Netz angeordnet sein. In einerweiteren Ausführungsform kann das Vorladen der DC-Seite und die Kurzschlusssicherung von einer gemeinsamen, kombinierten Vorrichtung übernommen werden. Beispielsweise ist es möglich, einen überbrückbaren Vorladewiderstand in Serie zur
Kurzschlusssicherungsvorrichtung vorzusehen, wobei der Vorladewiderstand beim Betrieb als Kurzschlusssicherungsvorrichtung beispielsweise durch einen geschlossenen Schalter überbrückt sein kann. Beim Betrieb als Vorladevorrichtung kann dieser Schalter geöffnet sein und der Vorladewiderstand somit den Vorladestrom begrenzen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Vorladen des DC-Netzes nach dem Herstellen der AC-seitigen Verbindung des AFE mit dem AC-Netz zumindest teilweise über das AFE. Dies bedeutet, dass das DC-Netz bis zum ersten Schwellwert der DC-Spannung über die Vorladevorrichtung vorgeladen werden kann und danach über die Vorladevorrichtung und/oder das AFE.
In einer Ausführungsform des Verfahrens hängt der erste Schwellwert von einer ersten AC- Eingangsspannung am AC-Eingang des AFE ab und kann insbesondere einem Gleichrichtwert der ersten AC-Eingangsspannung entsprechen oder einen vorgegebenen ersten Abstand über dem Gleichrichtwert der ersten AC-Eingangsspannung liegen. Durch eine solche Wahl des ersten Schwellwertes kann erreicht werden, dass der aktive Gleichrichter erst dann AC-seitig mit dem AC-Netz verbunden wird, wenn die DC-Spannung im DC-Netz groß genug ist und der aktive Gleichrichter stromlos oder weitgehend stromlos zugeschaltet werden kann. Dies stellt sicher, dass die Freilaufdioden im aktiven Gleichrichter keinen Schaden nehmen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Vorladen des DC-Netzes bis zu einer Nennspannung des DC-Netzes. Der erste und der zweite Schwellwert liegen beide unterhalb der Nennspannung des DC-Netzes. Das Verfahren kann somit ein sicheres Vorladen des DC-Netzes bis zu seiner Nennspannung realisieren. Sollte vor Erreichen der Nennspannung ein Kurzschluss oder Erdfehler auftreten, ist die Sicherungsfunktion durch die Kurzschlusssicherungsvorrichtung bereits aktiv. In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Kurzschlusssicherungsvorrichtung einen Gleichrichter auf, über den die Verbindung zwischen dem AC-Netz und dem DC-Netz hergestellt wird. Der Gleichrichter kann beispielsweise ein passiver Gleichrichter sein, der AC-seitig mit dem AC-Netz verbunden und DC-seitig mit dem DC-Netz verbunden wird. Der Gleichrichter wird mit einer zweiten AC-Eingangsspannung versorgt. Optional kann die Kurzschlusssicherungsvorrichtung einen Transformator, insbesondere einen hochsetzenden Transformator, aufweisen, wobei der Transformator den Gleichrichter mit einer im Vergleich zur ersten AC-Eingangsspannung am AFE höheren zweiten AC-Eingangsspannung versorgt, so dass auch der Gleichrichtwert der zweiten AC-Eingangsspannung höher liegen kann. Fehlt ein solcher Transformator, entspricht die zweite AC-Eingangsspannung der ersten AC-Eingangsspannung.
In einer Ausführungsform des Verfahrens hängt der zweite Schwellwert von der zweiten AC- Eingangsspannung des Gleichrichters der Kurzschlusssicherungsvorrichtung ab und kann insbesondere einem Gleichrichtwert der zweiten AC-Eingangsspannung entsprechen oder einen vorgegebenen zweiten Abstand über dem Gleichrichtwert der zweiten AC- Eingangsspannung liegen. Der zweite Schwellwert kann damit so gewählt werden, dass die Dioden des passiven Gleichrichters bei einer DC-Spannung größer als der zweite Schwellwert sperren, sodass über den passiven Gleichrichter beim Zuschalten kein Strom aus dem AC-Netz in das DC-Netz fließt.
Kommt es während des laufenden Betriebs im DC-Netz zu einem Kurzschluss oder Erdfehler, sinkt die DC-Spannung schlagartig ab. Unterschreitet diese den Gleichrichtwert der zweiten AC-Eingangsspannung, werden die Dioden des Gleichrichters der Kurzschlusssicherungsvorrichtung leitend und stellen zumindest einen erheblichen Teil des Kurzschlussstroms aus dem AC-Netz zur Verfügung. Gleichzeitig kann die Zwischenkreiskapazität des aktiven Gleichrichters weiter entladen werden.
Selbst wenn die DC-Spannung unter den Gleichrichtwert der ersten AC-Eingangsspannung sinkt, und die Freilaufdioden des AFE leitend werden, sorgen die Sinusfilterdrosseln für einen stark verzögerten Anstieg des über die Freilaufdioden des aktiven Gleichrichters fließenden Stromes. Der im Fehlerfall fließende Kurzschlussstrom kann hierdurch für einen gewissen Zeitraum größtenteils durch den Gleichrichter der
Kurzschlusssicherungsvorrichtung und die Zwischenkreiskapazität bereitgestellt werden. Durch eine geeignete Dimensionierung der Sinusfilterdrosseln kann erreicht werden, dass der Zeitraum ausreichend ist, um entsprechende Trennvorrichtungen auf der DC-Seite, zum Beispiel Sicherungen, auszulösen beziehungsweise zu betätigen. Hierdurch kann dann das Versorgungssystem auch ohne einen hochsetzenden Transformator auf der AC-Seite des Gleichrichters der Kurzschlusssicherungsvorrichtung ausgelegt werden, was Kosten sparen kann. Mittels der Sinusfilterdrosseln, welche beispielsweise als Netzfilter am aktiven Gleichrichter angeordnet sind, kann also ein Anstieg des Stroms begrenzt werden, und das AFE im Kurzschlussfall über einen ausreichend langen Zeitraum unterkritisch bestromt gehalten werden. Die Sicherungen können dann beispielsweise durch den über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung zugeführten Kurzschlussstrom ausgelöst werden.
Für den Fall, dass Kurzschlussströme auch über einen längeren als durch die Sinusfilterdrosseln realisierbaren Zeitraum auftreten könnten, zum Beispiel bei trägeren Sicherungen, ist es möglich, auf der AC-Seite des Gleichrichters der Kurzschlusssicherungsvorrichtung den Transformator vorzusehen. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators kann nun so gewählt werden, dass der Gleichrichter der Kurzschlusssicherungsvorrichtung im Falle eines Erd- oder Kurzschlusses und bei Abfall der DC-Spannung in den leitenden Zustand übergeht und einen für ein Auslösen der DC-seitigen Trennvorrichtungen notwendigen Strom bereitstellt, bevor die Freilaufdioden des aktiven Gleichrichters in den leitenden Zustand übergehen würden. Hierdurch können die Freilaufdioden des aktiven Gleichrichters noch besser geschützt werden.
In einer Ausführungsform kann das Versorgungssystem eine Mehrzahl parallel geschalteter AFE aufweisen. Hier kann das Herstellen einer Verbindung des AFE mit dem AC-Netz durch Parallelschalten der Mehrzahl der AFE erfolgen. Alle solchermaßen parallel geschalteten AFE können hierbei durch das beschriebe Verfahren über die Vorladevorrichtung und die Kurzschlusssicherungsvorrichtung aufgestartet werden.
In einer Ausführungsform werden die aktiven Gleichrichter der Mehrzahl der aktiven Gleichrichter beim Aufstarten des Versorgungssystems nacheinander parallelgeschaltet. Bevorzugt erfolgt das Parallelschalten der aktiven Gleichrichter dabei einzeln gemäß dem oben beschriebenen Verfahren.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte bei der Außerbetriebnahme des Versorgungssystems auf:
- Auftrennen der Verbindung zwischen dem AC-Netz und dem DC-Netz über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung, und
- Auftrennen der Verbindung des einen AFE oder der Mehrzahl der AFE mit dem AC-Netz.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach Herstellen einer Verbindung zwischen dem AC-Netz und dem DC-Netz über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung ein Freigabesignal erzeugt und an eine DC-Last oder an DC-Lasten des DC-Netzes übermittelt. Dies ermöglicht es, der DC-Last oder den DC-Lasten des DC-Netzes mitzuteilen, wann das Aufstarten beendet ist und ein sicherer Normalbetrieb des DC-Netzes möglich ist. Das Freigabesignal kann ebenfalls an weitere an das DC-Netz angeschlossene DC-Einheiten, wie eine Batterie o. ä., übermittelt werden. Das Freigabesignal kann auch an das AFE übermittelt werden und beispielsweise dazu genutzt werden, einen vom AFE bereitgestellten Leistungswert oder Leistungsgrenzwert oder dessen Betriebsmodus zu bestimmen.
Ein kurzschlussgesichertes Versorgungssystem für ein DC-Netz aus einem AC-Netz kann aufweisen:
- ein AFE;
- eine Vorladevorrichtung zum Vorladen des DC-Netzes aus dem AC-Netz;
- eine Kurzschlusssicherungsvorrichtung;
- eine Steuereinheit; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Vor das AFE kann AC-seitig ein Netzfilter, der Sinusfilterdrosseln aufweisen kann, vorgeschaltet sein. Der Netzfilter kann dann den Anstieg eines Stromes über das AFE im Fehlerfall stark verzögern. Bevorzugt erfolgt die Auslegung des Netzfilters so, dass er den Anstieg des Stromes so stark und so lange verzögert, dass Sicherungen des Versorgungssystems im Fehlerfall rechtzeitig auslösen, bevor ein Schaden am AFE entsteht.
In einer Ausführungsform weist das Versorgungssystem eine Mehrzahl von parallelgeschalteten AFE auf, welche beim Aufstarten bevorzugt einzeln nacheinander mittels des oben beschriebenen Verfahrens parallelgeschaltet werden.
In einer Ausführungsform weist die Kurzschlusssicherungsvorrichtung einen Gleichrichter auf, über den die Verbindung zwischen dem AC-Netz und dem DC-Netz hergestellt wird, wobei der Gleichrichter mit einer zweiten AC-Eingangsspannung versorgt wird, von der der zweite Schwellwert abhängt, wobei der zweite Schwellwert insbesondere einem Gleichrichtwert der zweiten AC-Eingangsspannung des Gleichrichters entspricht. Der Gleichrichter ist bevorzugt ein passiver Gleichrichter, über dessen Dioden Kurzschlussströme im Fehlerfall aus dem DC-Netz ins AC-Netz abgeleitet werden können. In einer Ausführungsform weisen die Kurzschlusssicherungsvorrichtung und die Vorladevorrichtung einen gemeinsamen, bevorzugt hochsetzenden Transformator und einen gemeinsamen Gleichrichter auf, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung weiterhin einen Schalter und die Vorladevorrichtung weiterhin einen zum Schalter parallel geschalteten Vorladewiderstand aufweisen. Die Vorladevorrichtung und die
Kurzschlusssicherungsvorrichtung sind somit in Teilen die gleiche, kombinierte Vorrichtung, wobei der Vorladewiderstand der Vorladevorrichtung im Betrieb als Kurzschlusssicherungsvorrichtung durch den geschlossenen Schalter überbrückt wird. Eine solche Systemauslegung ermöglicht eine preisgünstige Realisierung mit weniger Bauteilen. Durch die Verwendung eines hochsetzenden Transformators als gemeinsames Bauteil von Kurzschlusssicherungsvorrichtung und Vorladevorrichtung kann ein verbesserter Kurzschlussschutz und eine schnellere Vorladung, sowie ein stromloses Verbinden des aktiven Gleichtrichters mit dem AC-Netz ermöglicht werden.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen
Fig. 1 schematisch Schritte eines Verfahrens zum Betrieb eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems zeigt,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems zeigt und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems zeigt.
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt schematisch Schritte a), b), c) eines Verfahrens zum Betrieb eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems 10 (Fig. 2, Fig. 3). Beim Aufstarten des Versorgungssystems 10 wird in Schritt a) ein DC-Netz 14 über eine Vorladevorrichtung 39, 41 vorgeladen. Ein aktiver Gleichrichter 20 des Versorgungssystems 10 ist in Schritt a) DC- seitig mit dem DC-Netz 14 verbunden. Zu einem ersten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem eine Spannung des DC-Netzes 14 einen ersten Schwellwert überschreitet, wird in einem Schritt b) der aktive Gleichrichter 20 durch Schließen von AC-Schaltern 22 mit dem AC-Netz 12 verbunden. Zu einem zweiten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem die Spannung des DC-Netzes 14 einen zweiten Schwellwert überschreitet, wird in einem Schritt c) über eine Kurzschlusssicherungsvorrichtung 37, 41 eine Verbindung zwischen dem AC- Netz 12 und dem DC-Netz 14 hergestellt. Danach wird das DC-Netz 14 weiter über die Vorladevorrichtung 39, 41 und/oder den aktiven Gleichrichter 20 bis zu einer Nennspannung des DC-Netzes vorgeladen. Die Vorladevorrichtung 39 aus Fig. 2 kann durch Öffnen der AC- Schalter 23 vom AC-Netz getrennt werden. Dies kann beispielsweise nach Erreichen der Nennspannung des DC-Netzes 14 geschehen.
In Fig. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems 10 zur Versorgung des DC-Netzes 14 aus dem AC-Netz 12 dargestellt. Das AC-Netz 12 ist beispielsweise ein dreiphasiges AC-Netz und kann insbesondere ein AC- Versorgungsnetz sein, welches beispielsweise über einen Netztransformator bereitgestellt werden kann, der über sein Übersetzungsverhältnis für das Versorgungssystem 10 ein geeignetes Spannungs-Niveau bereitstellt. Dieser kann durch Verbindung mit Potential Erde PE geerdet sein. Das Versorgungssystem 10 weist den aktiven Gleichrichter 20 mit AC-seitig vorgelagerten Sinusfilterdrosseln 20.1, eine Kurzschlusssicherungsvorrichtung 37 und eine Vorladevorrichtung 39 auf.
Das DC-Netz 14 weist als äquivalente Ersatzschaltung eines Erdfehlers einen zweiteiligen Isolationswiderstand 50 gegen Erdpotential PE auf. Eine Batterie 42 ist über DC-Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar. Eine Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Die Last 44 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 44. P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie beispielsweise eine Maschine, eine Industrieanlage oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 kann auch mehrere Lasten 44 und mehrere Batterien 42 aufweisen. Anstelle parasitärer Widerstände gegenüber Erdpotential PE kann das DC- Netz auch parasitäre Widerstände zwischen den DC-Leitungen ohne Erdverbindung aufweisen.
Die Vorladevorrichtung 39 ist über die AC-Schalter 23 mit dem AC-Netz 12 verbindbar. Die Vorladevorrichtung 39 weist eine strombegrenzende Ladeschaltung 38 auf, mit deren Hilfe der Strom beim Vorladen des DC-Netzes 14 begrenzt wird. Der Zwischenkreis 18 des aktiven Gleichrichters 20 kann beim Hochfahren des Versorgungssystems 10 vor der Verbindung der AC-Seite mit dem AC-Netz 12 über die Vorladevorrichtung 39 vorgeladen werden. Die Vorladevorrichtung 39 ist eingerichtet, eine solche Vorladung aus dem AC-Netz 12 durchzuführen. Über die Vorladevorrichtung 39 kann der Zwischenkreis 18 des aktiven Gleichrichters 20 direkt aus dem AC-Netz 12 vorgeladen werden.
Die Kurzschlusssicherungsvorrichtung 37 ist über AC-Schalter 24 mit dem AC-Netz 12 verbindbar und weist einen passiven Gleichrichter 36 auf, über den ein durch einen Fehler im DC-Netz 14 auftretender Kurzschlussstrom unter Umgehung des aktiven Gleichrichters 20 aus dem AC-Netz 12 in das DC-Netz 14 geleitet werden kann. Ein solcher Fehler i DC- Netz tritt beispielsweise auf, wenn der zweiteilige Isolationswiderstand 50 oder der parasitäre Widerstand 44. P zu klein werden und dadurch ein Erd- oder Kurzschluss im DC-Netz, also eine zu niederohmiger Verbindung zum Potential Erde PE oder zwischen DC+ und DC-, entsteht. Der passive Gleichrichter wird aus dem AC-Netz 12 mit einer zweiten AC- Eingangsspannung versorgt. Optional kann zwischen den AC-Schaltern 24 und dem passiven Gleichrichter 36 ein Transformator 16 angeordnet sein, der den Gleichrichter 36 mit der zweiten AC-Eingangsspannung versorgt. Von der zweiten AC-Eingangsspannung hängt der zweite Schwellwert ab, über den sichergestellt werden kann, dass die Verbindung zwischen AC-Netz 12 und DC-Netz 14 über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung 37 erst dann hergestellt wird, wenn der Zwischenkreis 18 und damit das DC-Netz 14 genügend vorgeladen ist. Das Herstellen der Verbindung über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung 37 kann beispielsweise über die Schalter 24 erfolgen, die durch die Steuereinheit 30 angesteuert werden.
Der aktive Gleichrichter 20 ist ausgebildet, Wechselstrom oder Wechselspannung an seiner AC-Seite in Gleichstrom oder Gleichspannung an seine DC-Seite umzuwandeln. Der aktive Gleichrichter 20 ist ebenfalls ausgebildet, Gleichstrom oder Gleichspannung an seiner DC- Seite in Wechselstrom oder Wechselspannung an seiner AC-Seite umzuwandeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht die Umwandlung dadurch, dass eine Steuereinheit des aktiven Gleichrichters 20 die Halbleiterschalter geeignet ansteuert. Die Steuereinheit 30 des Versorgungssystems 10 ist dazu eingerichtet und ausgebildet, das Verfahren zum Betrieb des kurzschlussgesicherten Versorgungssystems 10 auszuführen und entsprechend beispielsweise die Schalter 22, 23, 24 anzusteuern. Sie verfügt dafür beispielsweise über geeignet Rechenleistung und geeigneten Speicher. Die Steuereinheit 30 kann die Steuereinheit des aktiven Gleichrichters 20 mit umfassen. Jeder aktive Gleichrichter kann aber auch eine eigene Steuereinheit aufweisen. Die Sinusfilterdrosseln 20.1 können als ein Netzfilter des aktiven Gleichrichters wirken, wobei der Netzfilter weitere Komponenten, beispielsweise eine Filterkapazität aufweisen kann. Zusätzlich haben die Sinusdrosseln die Eigenschaft, einen plötzlichen Anstieg eines Stromes über den aktiven Gleichrichter effektiv zu verzögern. Diese Verzögerung kann DC-Sicherungen 32.1, 32.2 des DC-Netzes die Zeit geben auszulösen, bevor ein zu hoher Strom Elemente des aktiven Gleichrichters 20 wie dessen Freilaufdioden, beschädigt. Ein solcher Fall kann beispielsweise vorliegen, wenn durch einen Erdschluss oder Kurzschluss im DC-Netz 14 ein Fehlerstrom vom AC-Netz 12 ins DC-Netz 14 entstehen würde, der die Freilaufdioden des aktiven Gleichrichters 20 beschädigen würde, wenn er in voller Stärke über den aktiven Gleichrichter 20 geleitet würde. In Fig. 3 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems 10 zur Versorgung des DC-Netzes 14 aus dem AC-Netz 12 dargestellt. Das AC-Netz 12 ist beispielsweise ein dreiphasiges AC-Netz und kann insbesondere ein AC- Versorgungsnetz sein. Das AC-Netz 12 kann über einen Netztransformator bereitgestellt werden. Dieser kann durch Verbindung mit Potential Erde PE geerdet sein. Das Versorgungssystem 10 weist den aktiven Gleichrichter 20 mit den AC-seitig vorgelagerten Sinusfilterdrosseln 20.1 und eine kombinierte Vorrichtung 41 auf, die sowohl die Funktion der Vorladevorrichtung als auch die Funktion der Kurzschlusssicherungsvorrichtung übernehmen kann. Die kombinierte Vorlade- und Kurzschlusssicherungsvorrichtung 41 ist über AC- Schalter 24 mit dem AC-Netz verbindbar. Sie weist einen Transformator 16 auf, der einen passiven Gleichrichter 36 mit einer zweiten AC-Eingangsspannung versorgt. Auch dieser Transformator 16 kann mit Potential Erde PE verbunden sein, insbesondere ist er mit Erdpotential verbunden, wenn auch das AC-Netz 12 geerdet ist.
Das DC-Netz 14 weist als äquivalentes Ersatzschaltbild für einen Erdfehler einen zweiteiligen Isolationswiderstand 50 gegen Erdpotential PE auf. Eine Batterie 42 ist über DC- Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar. Eine Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Auch die Last 44 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 44. P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie beispielsweise eine Maschine, eine Industrieanlage oder auch einen Elektrolyseur. Das DC-Netz 14 kann auch mehrere Lasten 44 und mehrere Batterien 42 aufweisen.
Das AC-Netz 12 kann über einen Vor-Transformator mit dem Versorgungssystem 10 verbunden werden. Durch den Vor-Transformator kann die vom AC-Netz 12 bereitgestellte Spannung auf ein vom Versorgungssystem 10 geeignetes Niveau angepasst werden. Zum Beispiel kann der aktive Gleichrichter 20 über den Vor-Transformator mit einer ersten AC- Eingangsspannung versorgt werden, von der der erste Schwellwert abhängt. Hierdurch kann erreicht werden, dass der aktive Gleichrichter 20 durch Ansteuerung der AC-Schalter 22 durch eine Steuereinheit 30 erst dann mit dem AC-Netz 12 verbunden wird, wenn das DC- Netz 14, also auch der Zwischen kreis 18, auf eine ausreichend hohe DC-Spannung vorgeladen ist, so dass das Zuschalten des aktiven Gleichrichters 20 sanft, also vollständig oder weitgehend stromlos erfolgen kann.
Der aktive Gleichrichter 20 ist ausgebildet, Wechselstrom oder Wechselspannung an seiner AC-Seite in Gleichstrom oder Gleichspannung an seine DC-Seite umzuwandeln. Der aktive Gleichrichter 20 ist ebenfalls ausgebildet, Gleichstrom oder Gleichspannung an seiner DC- Seite in Wechselstrom oder Wechselspannung an seiner AC-Seite umzuwandeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht die Umwandlung dadurch, dass die Steuereinheit 30 Halbleiterschalter des aktiven Gleichrichters 20 geeignet ansteuert. Die Steuereinheit kann ebenfalls eingerichtet und ausgebildet sein, das Verfahren zum Betrieb des kurzschlussgesicherten Versorgungssystems 10 auszuführen und entsprechend beispielsweise die Schalter 22, 24, 34 anzusteuern. Sie verfügt dafür beispielsweise über geeignete Rechenleistung und geeigneten Speicher. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter des aktiven Gleichrichters 20 und die Steuerung 30 zur Durchführung des Verfahrens kann aber auch durch separate Steuereinheiten erfolgen.
Neben einem passiven Gleichrichter 36 weist die Vorrichtung 41 einen Vorladewiderstand 28 auf, über den der Strom beim Vorladen den DC-Netzes 14 begrenzt wird. Wird die Vorrichtung 41 als Vorladevorrichtung betrieben, so ist also der Schalter 34 geöffnet. Der Zwischenkreis 18 des aktiven Gleichrichters 20 kann beim Hochfahren des Versorgungssystems 10 vor der Verbindung der AC-Seite mit dem AC-Netz 12 über die Vorladevorrichtung 41 vorgeladen werden. Hierfür wird zunächst der AC-Schalter 24 bei geöffnetem Schalter 34 geschlossen und das DC-Netz 14 vorgeladen. Die Vorladevorrichtung 41 ist eingerichtet, eine solche Vorladung aus dem AC-Netz 12 durchzuführen und weist hierfür den passiven Gleichrichter 36 auf. Über die Vorladevorrichtung 41 kann mindestens der Zwischenkreis 18 des aktiven Gleichrichters 20, bevorzugt das gesamte DC-Netz 14, direkt aus dem AC-Netz 12 vorgeladen werden.
Wird die kombinierte Vorrichtung 41 als Kurzschlusssicherungsvorrichtung betrieben, so ist der Schalter 34 geschlossen und der Vorladewiderstand somit überbrückt. Das Vorladen des Zwischenkreises 18 und des DC-Netzes 14 erfolgt dann nur noch über den aktiven Gleichrichter 20 oder ist bereits beendet. Von der zweiten AC-Eingangsspannung hängt der zweite Schwellwert ab, über den sichergestellt werden kann, dass die Verbindung zwischen AC-Netz 12 und DC-Netz 14 über den geschlossenen Schalter 34 zu dem zweiten Zeitpunkt während des Vorladens erst dann hergestellt wird, wenn der Zwischenkreis 18 und damit das DC-Netz 14 genügend vorgeladen ist. Das Schließen des Schalters 34 kann beispielsweise durch Ansteuerung durch die Steuereinheit 30 erfolgen.
Über den passiven Gleichrichter 36 kann ein durch einen Fehler im DC-Netz 14 auftretender Kurzschlussstrom unter Umgehung des aktiven Gleichrichters 20 aus dem AC-Netz 12 in das DC-Netz 14 geleitet werden. Ein solcher Fehler im DC-Netz tritt beispielsweise auf, wenn der Isolationswiderstand 50 oder der parasitäre Widerstand 44. P zu klein werden und dadurch ein Erdschluss im DC-Netz, also eine zu niederohmiger Verbindung zum Potential Erde PE, entsteht. Bezugszeichenliste
10 Versorgungssystem
12 AC-Netz
14 DC-Netz
16 Transformator
18 Zwischenkreis
20 aktiver Gleichrichter
20.1 Sinusfilterdrosseln
22, 23, 24 AC-Schalter
28 Vorladewiderstand
30 Steuereinheit
32.1, 32.2 DC-Sicherungen 34 Schalter
36 Gleichrichter
37 Kurzschlusssicherungsvorrichtung
38 strombegrenzende Ladeschaltung
39 Vorladevorrichtung
41 kombinierte Vorrichtung
42 Batterie 44 Last 44. P parasitärer Widerstand 46 DC-Schalter 48 DC-Schalter 50 Isolationswiderstand PE Potential Erde a), b), c) Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betrieb eines kurzschlussgesicherten Versorgungssystems (10) eines DC-Netzes (14) aus einem AC-Netz (12), wobei das Versorgungssystem (10) einen aktiven Gleichrichter (20) mit AC-seitig vorgelagerten Sinusfilterdrosseln (20.1), eine Vorladevorrichtung (39, 41) und eine Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41) aufweist, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41) dazu eingerichtet ist, einen durch einen Fehler im DC-Netz (14) auftretenden Kurzschlussstrom unter Umgehung des aktiven Gleichrichters (20) aus dem AC-Netz (12) in das DC-Netz (14) zu leiten, umfassend die Schritte zum Aufstarten des Versorgungssystems (10): a) Vorladen des DC-Netzes (14) über die Vorladevorrichtung (39, 41), wobei der aktive Gleichrichter (20) DC-seitig mit dem DC-Netz (14) verbunden ist, b) Herstellen einer AC-seitigen Verbindung des aktiven Gleichrichters (20) mit dem AC-Netz (12) zu einem ersten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem eine Spannung des DC-Netzes (14) einen ersten Schwellwert überschreitet, c) Herstellen einer Verbindung zwischen dem AC-Netz (12) und dem DC-Netz (14) über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41) zu einem zweiten Zeitpunkt während des Vorladens, zu dem die Spannung des DC-Netzes (14) einen zweiten Schwellwert überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorladen des DC-Netzes (14) nach dem Herstellen der AC-seitigen Verbindung des aktiven Gleichrichters (20) mit dem AC- Netz (12) zumindest teilweise über den aktiven Gleichrichter (20) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Schwellwert größer als der erste Schwellwert ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Zeitpunkt vor dem zweiten Zeitpunkt liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schwellwert von einer ersten AC-Eingangsspannung des aktiven Gleichrichters (20) abhängt und insbesondere einem Gleichrichtwert der ersten AC-Eingangsspannung entspricht oder einen vorgegebenen ersten Abstand über dem Gleichrichtwert der ersten AC- Eingangsspannung liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorladen des DC- Netzes (14) bis zu einer Nennspannung des DC-Netzes (14) erfolgt und der erste und der zweite Schwellwert unterhalb der Nennspannung des DC-Netzes (14) liegen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41) einen Gleichrichter (36) aufweist, über den die Verbindung zwischen dem AC-Netz (12) und dem DC-Netz (14) hergestellt wird, wobei der Gleichrichter (36) mit einer zweiten AC-Eingangsspannung versorgt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (41) einen Transformator (16), insbesondere einen hochsetzenden Transformator (16), aufweist, wobei der Transformator (16) den Gleichrichter (36) mit der zweiten AC- Eingangsspannung versorgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zweite Schwellwert von der zweiten AC-Eingangsspannung des Gleichrichters (36) abhängt und insbesondere einem Gleichrichtwert der zweiten AC-Eingangsspannung entspricht oder einen vorgegebenen zweiten Abstand über dem Gleichrichtwert der zweiten AC- Eingangsspannung liegt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Versorgungssystem (10) eine Mehrzahl parallel geschalteter aktiver Gleichrichter (20) umfasst und wobei das Herstellen einer Verbindung des aktiven Gleichrichters (20) mit dem AC-Netz (12) durch Parallelschalten der Mehrzahl der aktiven Gleichrichter (20) erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Mehrzahl der aktiven Gleichrichter (20) beim Aufstarten des Versorgungssystems (10) nacheinander parallelgeschaltet werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin bei der Außerbetriebnahme des Versorgungssystems (10) umfassend die Schritte:
- Auftrennen der Verbindung zwischen dem AC-Netz (12) und dem DC-Netz (14) über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41), und
- Auftrennen der Verbindung des aktiven Gleichrichters (20) oder der Mehrzahl der aktiven Gleichrichter (20) mit dem AC-Netz (12).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Herstellen einer Verbindung zwischen dem AC-Netz (12) und dem DC-Netz (14) über die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41) ein Freigabesignal erzeugt und an eine DC-Last (44) des DC-Netzes (14) übermittelt wird.
15. Kurzschlussgesichertes Versorgungssystem (10) für ein DC-Netz (14) aus einem AC- Netz (12), umfassend:
- einen aktiven Gleichrichter (20);
- eine Vorladevorrichtung (39, 41) zum Vorladen des DC-Netzes (14) aus dem AC- Netz (12);
- eine Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41);
- eine Steuereinheit (30); dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
16. Versorgungssystem nach Anspruch 14, umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten aktiven Gleichrichtern (20).
17. Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung (37, 41) einen Gleichrichter (36) aufweist, über den die Verbindung zwischen dem AC-Netz (12) und dem DC-Netz (14) hergestellt wird, wobei der Gleichrichter (36) mit einer zweiten AC-Eingangsspannung versorgt wird, von der der zweite Schwellwert abhängt, wobei der zweite Schwellwert insbesondere einer zweiten DC-Ausgangsspannung des Gleichrichters (36) entspricht.
18. Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung und die Vorladevorrichtung als kombinierte Vorrichtung (41) ausgeführt sind und einen gemeinsamen Transformator (16), insbesondere einen gemeinsamen hochsetzenden Transformator (16) und einen gemeinsamen Gleichrichter (36) aufweisen, wobei die Kurzschlusssicherungsvorrichtung weiterhin einen Schalter (34) und die Vorladevorrichtung weiterhin einen zum Schalter (34) parallel geschalteten Vorladewiderstand (28) aufweist.
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