GAMBACH, Herbert (Am Vogelherd 26, Uttenreuth, 91080, DE)
LANG, Jörg (Kronacher Str. 14, Stadtsteinach, 95346, DE)
SCHREMMER, Frank (Charles-Lindbergh-Straße 11, Fürth, 90768, DE)
TU, Quoc-Buu (Sichersdorfer Str. 28, Rosstal, 90574, DE)
EULER, Ingo (Spitzwegstraße 6, Erlangen, 91056, DE)
GAMBACH, Herbert (Am Vogelherd 26, Uttenreuth, 91080, DE)
LANG, Jörg (Kronacher Str. 14, Stadtsteinach, 95346, DE)
SCHREMMER, Frank (Charles-Lindbergh-Straße 11, Fürth, 90768, DE)
TU, Quoc-Buu (Sichersdorfer Str. 28, Rosstal, 90574, DE)
| Patentansprüche 1. Umrichter (1) für Anwendungen im Hochspannungsbereich mit - in Reihe geschalteten zweipoligen Submodulen (6), die je- weils einen Energiespeicher (7) und eine Leistungshalbleiterschaltung mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleitern (Ti,T2) aufweisen, wobei die Leistungshalbleiterschaltung so mit dem Energiespeicher (7) verbunden ist, dass an Anschlussklemmen (xl,x2) eines jeden Submoduls (1) die an dem Energie- Speicher abfallende Spannung oder aber eine Nullspannung erzeugbar ist, - einer Regelungseinheit (9), die mit den Leistungshalblei¬ tern (Ti,T2) zum Ein- und Abschalten verbunden ist und - mechanischen Schaltern (10), die parallel zu jedem Submodul (6) angeordnet und zum Überbrücken des zugeordneten Submoduls (6) eingerichtet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder mechanische Schalter (16) Zustandsüberwachungsmittel zum Überwachen seines Auslösens aufweist, wobei die Zustands- Überwachungsmittel mit der Regelungseinheit (9) verbunden sind und eine Signalleitung (11) aufweisen, die so über den zugeordneten mechanischen Schalter (10) geführt ist, dass ein Auslösen des besagten mechanischen Schalters (10) die Signalleitung (11) unterbricht. 2. Umrichter (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Signalleitung ein geschlossener Leiterkreis (11) ist, der mit einer Ruhespannung beaufschlagt ist. 3. Umrichter (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Signalleitung (11) ein Lichtwellenleiter ist, der ein- gangsseitig mit einem optischen Signal beaufschlagt wird, wo¬ bei ein ausgangsseitig des Lichtwellenleiters angeordneter Sensor das optische Signal erfasst. 4. Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei Signalleitungen (11) vorgesehen sind. 5. Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der mechanische Schalter (16) einen pyrotechnischen Antrieb aufweist . 6. Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Regelungseinheit (9) Ventilzweigregelungseinheiten aufweist, die jeweils einem Ventilzweig zugeordnet sind, wobei jede Ventilzweigregelungseinheit mit den Zustandsüberwa- chungsmitteln des zugeordneten Ventilzweigs verbunden ist, der sich zwischen dem Wechselspannungsanschluss (7) und einem der Gleichspannungsanschlüsse (5+,5-) des Umrichters (1 er¬ streckt und eine Reihenschaltung von Submodulen (6) aufweist. |
Umrichter mit Schalterüberwachung Die Erfindung betrifft einen Umrichter für Anwendungen im Hochspannungsbereich mit in Reihe geschalteten zweipoligen Submodulen, die jeweils einen Energiespeicher und eine Leistungshalbleiterschaltung mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleitern aufweisen, wobei die Leistungshalbleiter- Schaltung so mit dem Energiespeicher verbunden ist, dass an Anschlussklemmen eines jeden Submoduls die an dem Energiespeicher abfallende Spannung oder aber eine Nullspannung erzeugbar ist, einer Regelungseinheit, die mit den Leistungs ¬ halbleitern zum Ein- und Abschalten verbunden ist, und mecha- nischen Schaltern, die parallel zu jedem Submodul angeordnet und zum Überbrücken des zugeordneten Submoduls eingerichtet sind .
Ein solcher Umrichter ist beispielsweise aus der DE 10 2007 018 344 AI bereits bekannt. Dort ist ein so genannter modula- rer Mehrstufenumrichter beschrieben, der Phasenbausteine aufweist, die sich zwischen zwei gegensinnig polarisierten
Gleichspannungsanschlüssen erstrecken. Jeder Phasenbaustein verfügt über einen Wechselspannungsanschluss zum Anschluss einer Phase eines Wechselspannungsnetzes. Die Phasenbausteine weisen Reihenschaltungen von zweipoligen Submodulen auf, die über einen Kondensator sowie über mehrere Leistungshalblei ¬ terschalter verfügen, so dass an zwei Ausgangsklemmen eines jeden Submoduls entweder die an dem Kondensator abfallende Kondensatorspannung oder aber eine Nullspannung erzeugbar ist. Damit im Fehlerfall eines Submoduls der Umrichter seinen Betrieb insgesamt fortsetzen kann, muss das fehlerbehaftete Submodul überbrückt werden. Aus diesem Grunde ist jedem Sub ¬ modul ein Brückenschalter parallel geschaltet. Der Brücken- Schalter ist in der besagten Offenlegungsschrift als Vakuumschaltröhre ausgestattet.
Die WO 2009/092621 AI beschreibt ebenfalls einen Brücken- oder Kurzschlussschalter für ein Submodul eines modularen Multilevelumrichters , wobei jedoch der mechanische Schalter einen pyrotechnischen Antrieb aufweist.
Bei den bisherigen Submodulen wird der Brückenschalter im Fehlerfall nach festgelegten Kriterien ausgelöst und von sei ¬ ner geöffneten in seine geschlossene Stellung überführt. In seiner geschlossenen Stellung überbrückt der Schalter das parallel angeordnete Submodul. Ein Auslösekriterium zum Überbrücken des parallelen Submoduls liegt für den Schalter bei- spielsweise dann vor, wenn ein zuvor erfasster Spannungsmesswert einen festgelegten Schwellenwert über eine gewisse Zeit ¬ dauer hinweg überschreitet oder wenn es zu einer starken Änderung der Spannung in einer kurzen Zeitdauer kommt. Im Bedarfsfall lösen zwei redundante Zündkreise unabhängig vonein- ander den Brückenschalter aus. Die Ausfallwahrscheinlichkeit des Brückenschalters ist durch diese Redundanz zwar herabge ¬ setzt. Den bisher bekannten Umrichtern haftet jedoch der Nachteil an, dass die Regelungseinheit keine dahingehende Rückmeldung erhält, ob der Brückenschalter auch tatsächlich geschlossen und das Submodul überbrückt ist. Daher kann es dazu kommen, dass ein hoher Kurzschlussstrom über das fehlerhafte Submodul getrieben wird, der unerwünschte Beschädigun ¬ gen am Umrichter bewirken kann. In dem Beitrag von Kreusel, J. et al . „Condition-Monitoring in Hoch- und Mittelspannungsschaltanlagen", der in Elektrizitätswirtschaft Jg. 94 (1995), Heft 7, Seiten 350 bis 358 er ¬ schienen ist, sind Zustandsüberwachungsmittel für Hoch- und Mittelspannungsschaltanlagen beschrieben. Zum Überwachen des Schaltzustandes mechanischer Schalter werden beispielsweise Kameras, Bewegungssensoren oder Messsensoren vorgeschlagen, die einen über die Kontakte des Schalters fließenden Schalt ¬ strom erfassen. Diese Überwachungsmittel eignen sich jedoch nicht für die eingangs beschriebenen modularen Multilevelum- richter im Hochspannungsbereich, da der Umrichter für solche Spannungsebenen mehrere hundert Submodule aufweisen kann, so dass entsprechend viele Brückenschalter notwendig sind. Die bisher bekannten Zustandsüberwachungsmittel wären einfach zu kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Umrichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen Brückenschalter kostengünstig auf ihren jeweiligen Schaltzustand überwacht werden können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass jeder mechanische Schalter Zustandsüberwachungsmittel zum Überwachen sei ¬ nes Auslösens aufweist, wobei die Zustandsüberwachungsmittel mit der Regelungseinheit verbunden sind und eine Signallei ¬ tung aufweisen, die so über den zugeordneten mechanischen Schalter geführt ist, dass ein Auslösen des besagten mechanischen Schalters die Signalleitung unterbricht. Erfindungsgemäß ist jeder mechanische Schalter des Umrichters mit Zustandsüberwachungsmitteln ausgerüstet, die das Auslösen des mechanischen Schalters überwachen. Dabei sind die Zu ¬ standsüberwachungsmittel mit der Regelungseinheit verbunden, die somit in Kenntnis des Schaltzustands des jeweiligen me- chanischen Schalters oder mit anderen Worten Brückenschalters ist. Um die Kosten eines solchen Umrichters zu beschränken, sind im Rahmen der Erfindung die Zustandsüberwachungsmittel als einfache und kostengünstige Signalleitungen ausgeführt, die so über den jeweiligen mechanischen Schalter geführt sind, dass ein Auslösen des zugeordneten Brückenschalters die Signalleitung unterbricht. Das Unterbrechen der Signalleitung wird von der jeweiligen Regelungseinheit festgestellt, so dass die Regelungseinheit, die beispielsweise eine Zentralre- gelungseinheit oder aber eine Regelungseinheit speziell für das jeweilige Submodul ist, in Kenntnis des Schaltzustandes des jeweiligen mechanischen Schalters ist. Die Regelungseinheit kann im Bedarfsfall zweckmäßige Maßnahmen einleiten. Signalleitungen sind kostengünstig erhältlich, so dass durch die erfindungsgemäße Überwachung des Schaltzustandes der me ¬ chanische Schalter keine hohen Zusatzkosten ausgelöst werden.
Zweckmäßigerweise ist die Signalleitung ein geschlossener Leiterkreis, der mit einer Ruhespannung beaufschlagt ist. Ei- ne solche Ausgestaltung der Signalleitung ist besonders kostengünstig. Die Ruhespannung treibt beispielsweise einen Ru ¬ hestrom, der durch einen zweckmäßigen Sensor erfasst wird.
Bei einer abweichenden Variante der Erfindung ist die Signal- leitung ein Lichtwellenleiter, der eingangsseitig mit einem optischen Signal beaufschlagt wird, wobei ein ausgangsseitig des Lichtwellenleiters angeordneter Sensor das austretende optische Signal erfasst. Bei einer Unterbrechung des Licht ¬ wellenleiters kommt es somit auch zu einem Ende des Nachwei- ses des optischen Signals. Die Regelungseinheit, die bei ¬ spielsweise mit dem Sensor zum Erfassen des optischen Signals über eine Kommunikationsleitung verbunden ist, kann daraufhin die entsprechenden Maßnahmen einleiten. Zweckmäßigerweise sind zwei Signalleitungen vorgesehen. Durch diese doppelte redundante Signalleitung ist eine höhere Si ¬ cherheit bei der Auslöseüberwachung geschaffen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verfügt der mechanische Schalter über einen pyrotechnischen Antrieb. Mit Hilfe des pyrotechnischen Antriebs kommt es zu einer einmali ¬ gen Schaltbewegung mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit und -kraft. Aufgrund der hohen Schaltkraft wird die jeweilige Signalleitung sicher durchtrennt.
Die Regelungseinheit kann sowohl eine zentrale Regelungsein ¬ heit als auch und eine Vielzahl von dezentralen Ventilzweig- regelungseinheiten aufweisen, wobei die zentrale Regelungs ¬ einheit und/oder die Ventilzweigregelungseinheiten mit den Zustandsüberwachungsmitteln verbunden sind. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung übermittelt die zentrale Regelungs ¬ einheit Zweigspannungssollwerte an die jeweilige Ventilzweig- regelungseinheit , die jeweils einem Ventilzweig des Umrich ¬ ters zugeordnet ist. Ein Ventilzweig erstreckt sich zwischen dem Wechselspannungsanschluss und jeweils einem der Gleich ¬ spannungsanschlüsse eines Phasenmoduls des Umrichters. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin ¬ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Umrichters in einer schematischen Darstellung und Figur 2 ein Phasenbaustein des erfindungsgemäßen Umrichters gemäß Figur 1 genauer verdeutlichen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umrichters 1, der drei Phasenbausteine 2, 3 und 4 aufweist, die sich zwischen zwei Gleichspannungsanschlüssen erstrecken, die jeweils mit einem positiv geladenen Pol 5+ und einem negativ geladenen Pol 5- eines Gleichspannungszwischenkreises 5 verbunden sind. Darüber hinaus weist jeder Phasenbaustein 2, 3 oder 4 einen Wechselspannungsanschluss zum Anschluss einer Phase 7 eines nicht dargestellten Wechselspannungsnetzes auf, das mit dem Umrichter 1 über einen nicht gezeigten Transformator oder eine sonstige Induktivität verbunden ist. Der Gleichspannungszwischenkreis 5 ist beispielsweise mit einem weiteren nicht gezeigten Umrichter verbunden, der ebenfalls an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Über die Umrichter und den Gleichspannungszwischenkreis 5 ist somit die Übertragung von elektrischer Energie ermöglicht. Solche Anla ¬ ge sind als solche bekannt und werden vom Fachmann auch als Hochspannungsgleichstromübertragungs- (HGÜ) -anläge bezeichnet.
Figur 2 zeigt den Aufbau des Umrichters und insbesondere den Aufbau eines Phasenmoduls 2 genauer, wobei darauf hingewiesen wird, dass die anderen Phasemodule 3 oder 4 identisch zu dem Phasenmodul 2 ausgestaltet sind. Es ist erkennbar, dass das
Phasenmodul 2 eine Reihenschaltung von Submodulen 6 aufweist, die zweipolig ausgebildet sind und die beiden Anschlussklem ¬ men xl und x2 aufweisen. Jedes Submodul 6 verfügt über einen Energiespeicher 7, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Kondensator ist. An dem Kondensator 7 fällt Kondensatorspannung Uc ab. Darüber hinaus verfügt jedes Submodul 6 über eine Leistungshalbleiterschaltung, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei an- und abschaltbaren Leistungshalblei ¬ tern Tl und T2 aufweist, wobei jedem dieser an- und abschalt- baren Leistungshalbleitern Tl und T2 jeweils eine Freilaufdiode Dl beziehungsweise D2 gegensinnig parallel geschaltet ist. Die erste Anschlussklemme xl ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Freilaufdioden beziehungsweise zwischen den an- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern Tl und T2 ver- bunden. Die zweite Anschlussklemme x2 liegt auf dem gleichen Potenzial wie eine der Elektroden des Kondensators 7. Ist der Leistungshalbleiterschalter T2 geschlossen und befindet sich Tl in seiner Durchgangsstellung, fällt an den Ausgangsklemmen xl, x2 des jeweiligen Submoduls die Kondensatorspannung Uc ab. Im umgekehrten Fall ist hingegen an den Anschlussklemmen eine Nullspannung erzeugt.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass anstelle der in Figur 2 gezeigten Halbbrückenschaltung eines jeden Submoduls auch eine so genannte Vollbrückenschaltung im Rahmen der Erfindung möglich ist, bei der vier an- und abschaltbare Leistungshalb ¬ leiterschalter, beispielsweise IGBTs, GTOs oder dergleichen, zum Einsatz gelangen können. Bei einer Vollbrückenschaltung kann an den Ausgangsklemmen eines jeden Submoduls neben der Kondensatorspannung und der Nullspannung auch die inverse Kondensatorspannung -Uc erzeugt werden.
Durch die Reihenschaltung der Submodule 6 kann die Spannung, die an einem Ventilzweig abfällt, der sich zwischen dem Wech- selspannungsanschluss 7 und dem jeweiligen Gleichspannungsan- schluss 5+ erstreckt, stufenweise eingestellt werden. Die Hö ¬ he der Stufen ist durch die Kondensatorspannung Uc bestimmt. Zum zweckmäßigen An- und Abschalten der Leistungshalbleiter Tl und T2 sind diese über eine Steuerungsleitung 8 mit einer Regelungseinheit 9 verbunden, welche anhand eines Regelalgo ¬ rithmus die zweckmäßigen Steuersignale für die Leistungshalb ¬ leiterschalter Tl und T2 des gesamten Phasenmoduls bereitstellen. Hierzu wird ihr von dem jeweiligen Submodul die Kon- densatorspannung Uc über eine nicht gezeigte Signalleitung übermittelt .
Damit der Umrichter 1 bei Ausfall eines Submoduls 6 seinen Betrieb insgesamt fortsetzen kann, muss das fehlerhafte Sub- modul 6 überbrückt werden. Ansonsten würde ein zu hoher Strom über das fehlerhafte Submodul getrieben, der eine irreversib ¬ le Beschädigung des Umrichters verursachen könnte. Zum Überbrücken ist parallel zu jedem Submodul 6 ein mechanischer Schalter 10 angeordnet, der hier auch als Brückenschalter bezeichnet wird. Der mechanische Schalter 10 ist in dem in Fi ¬ gur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Vakuumschaltröhre mit pyrotechnischem Antrieb. Im Normalbetrieb, also dann, wenn das parallel geschaltete Submodul 6 fehlerfrei arbeitet, befindet sich die Vakuumschaltröhre 10 in ihrer geöffneten Stellung. Ein Stromfluss über den mechanischen Schalter 10 ist daher nicht möglich. Stellt eine nicht gezeigte Überwa ¬ chungseinrichtung des jeweiligen Submoduls 6 beispielsweise einen zu schnellen Strom- oder Spannungsanstieg fest, kommt es zum Auslösen des Schalters und somit zur Überbrückung des fehlerhaften Submoduls 6, wobei der mechanische Schalter 10 in seine Kontaktstellung überführt wird. Zum Nachweis dieses Auslösens des jeweiligen Schalters 10 ist die Regelungsein ¬ heit 9 über Signalleitungen 11 mit jedem mechanischen Schal- ter 10 des Umrichters 1 verbunden. Im gezeigten Ausführungs ¬ beispiel ist die Signalleitung 11 ein geschlossener Leiter aus Kupferdraht, der bei Auslösung des Schalters 10 unterbro ¬ chen wird. Dabei ist der Leiterkreis 11 mit einem Strom oder einer Spannung beaufschlagt, welcher von der Regelungseinheit 9 fortwährend überwacht wird. Kommt es zu einer Unterbrechung des Stromflusses über den Leiterkreis, stellt die Regelungs ¬ einheit 9 das Auslösen des jeweiligen Schalters 10 fest und leitet zweckmäßige Maßnahmen ein. Beispielsweise ergeht eine Fehlermeldung und der Hinweis, dass das fehlerhafte Submodul bei der nächsten Wartung des Umrichters ausgetauscht werden muss .
Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, kann die Regelungs ¬ einheit auch redundant ausgeführt sein.