Verfahren zum Vorladen eines Netzabschnitts

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen eines Netz abschnitts eines DC-Netzes, sowie ein Computerprogrammpro dukt, mit dem das Verfahren durchführbar ist. Gleichermaßen betrifft die Erfindung eine entsprechende Schaltvorrichtung und ein DC-Netz mit einer solchen Schaltvorrichtung.

Eine Energieverteilung innerhalb einer Industrieanlage oder eines Gebäudes mittels Gleichstroms ist nicht nur aufgrund eines einfachen Energieaustausches zwischen Geräten und/oder eines einfachen Anschlusses an z.B. regenerative Energiequel len vorteilhaft. Auch die einfache und hohe Modularität eines DC-Netzes hat sich gerade in der heutigen, sich ständig ver ändernden Industrie als vorteilhaft erwiesen (DC = Direct Current) .

Typischerweise weisen DC-Netze mehrere Netzabschnitte auf, welche beispielsweise als Energiequellen, Energiespeicher o- der Lasten, d. h. als elektrische Verbraucher, ausgebildet sein können. Die Netzabschnitte sind dabei über Schaltvor richtungen miteinander elektrisch trennbar verbunden. Zur Trennung der Netzabschnitte weist die Schaltvorrichtung übli cherweise elektronische und/oder mechanische Schalter auf. Üblicherweise weist ein DC-Netz auch eine Verbindung zu einem Drehstromnetz auf, welches eine externe Energiequelle des DC- Netzes bildet. Der Drehstrom wird hierbei mit Hilfe eines Gleichrichters gleichgerichtet und über eine Einspeiseeinheit dem DC-Netz zugeführt.

Die größten Verbraucher in einem industriellen DC-Netz sind üblicherweise AC-gespeiste Elektroantriebe (AC = Alternating Current) . Diese Elektroantriebe bilden aufgrund der Speicher kondensatoren, welche zur Stabilisierung und Pufferung der Gleichspannung in den den AC-Elektroantrieben obligatorisch vorgeschalteten Wechselrichtern angeordnet sind, hauptsächlich kapazitive Lasten. Beim Zuschalten dieser kapa zitiven Lasten an das DC-Netz fließt durch die Schaltvorrich tung ein Ausgleichsstrom zwischen einem als ein zentrales Versorgungsnetz fungierenden ersten Netzabschnitt des DC- Netzes und den in einem zweiten Netzabschnitt des DC-Netzes angeordneten kapazitiven Lasten, welcher sehr große Amplitu den annehmen kann - daher auch Einschalt-Stromstoß (engl.: switch-on surge) genannt - und damit zur thermischen Zerstö rung von elektronischen Komponenten und zu untragbaren Rück wirkungen auf das speisende Netz führen kann. Elektrotech nisch lässt sich dieser Ausgleichsstrom durch unterschiedli che Maßnahmen beherrschen - allen liegt jedoch das Prinzip zugrunde, den Maximalwert des Ausgleichsstromes zu begrenzen.

Die einfachste Möglichkeit zur Begrenzung des Ausgleichs stroms, im Folgenden auch als Vorladestrom bezeichnet, wäh rend einer Vorladung besteht darin, den Ausgleichsstrom zwi schen den beiden Netzabschnitten durch einen Vorladewider stand zu leiten. Der Vorladewiderstand wird nur beim Anschal ten der kapazitiven Last an das Versorgungsnetz benötigt; er dient dazu, den Vorladestrom, mit dem die kapazitive Last aus dem Versorgungsnetz aufgeladen wird, zu begrenzen. Sobald die kapazitive Last geladen ist, kann die Strombegrenzung beendet werden; zu diesem Zweck kann der Vorladewiderstand beispiels weise mittels eines Überbrückungskontakts überbrückt werden. Das Einschalten eines Vorladewiderstandes ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass immer eine Spannungsdifferenz zwi schen den beiden Netzabschnitten erhalten bleibt, falls die Last bereits in der Vorladephase Leistung zieht, beispiels weise durch die Leckströme der Kondensatoren, durch den Strom durch Symmetrierwiderstände, aber auch durch Hilfsstromver sorgungen, welche sofort nach Erreichen eines ggf. relativ geringen Spannungswertes anlaufen.

Eine zweite Möglichkeit zur Begrenzung des Ausgleichsstroms während einer Vorladung ist die Verwendung eines Tiefsetz stellers im Laststrompfad . Dabei wird eine Tiefsetzsteller drossel benötigt. Anstatt die Tiefsetzstellerdrossel als ein separates Bauelement vorzusehen, was wegen der zusätzlichen Kosten, des Platzbedarfs und der Energieverluste unerwünscht ist, kann alternativ die Induktivität der Stromleitungen ver wendet werden. Allerdings erfordert dies eine hohe Taktfre quenz, was zu größeren Schaltverlusten am Transistor führt, oder/und es resultiert in einem großen Stromripple; dabei kann der Maximalstrom des Stromripple deutlich größer werden als der Nennstrom des Tiefsetzstellers . Das bedeutet, dass der Tiefsetzsteller für den Maximalstrom des Stromripples ausgelegt werden muss, wodurch er durchaus eine um ein Viel faches höhere Stromtragfähigkeit aufweisen muss, als für den Tiefsetzsteller eigentlich benötigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbes sertes Verfahren zum Vorladen anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Es handelt sich um ein Verfahren zum Vorladen eines zweiten Netzabschnitts mit elektrischer Energie aus einem ersten Netzabschnitt eines DC-Netzes. Dabei ist in einem Anfangszu stand eine in dem zweiten Netzabschnitt herrschende Anfangs spannung geringer als eine in dem ersten Netzabschnitt herr schende DC-Spannung. Zu einem ersten Zeitpunkt werden die beiden Netzabschnitte über einen einen Vorladewiderstand auf weisenden Widerstands-Strompfad miteinander elektrisch lei tend verbunden. Zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt, so bald die Spannung in dem zweiten Netzabschnitt zwischen der Anfangsspannung und der DC-Spannung liegt, werden die zwei Netzabschnitte über einen parallel zum Widerstands-Strompfad angeordneten Halbleiterschalter miteinander elektrisch lei tend verbunden. Dabei wird der Halbleiterschalter in einem getakteten Betrieb betrieben oder in einem linearen Bereich als ein regelbarer Widerstand betrieben. Der Betrieb im line aren Bereich erfordert weniger Aufwand in Bezug auf eine Schutzbeschaltung. Allerdings wird beim Betrieb im linearen Bereich die Verlustleistung im Leistungshalbleiter, der ja als ein variabler Widerstand arbeitet, umgesetzt. Außerdem ist der Schaltungsaufwand für einen Betrieb des Halbleiterschalters in einem linearen Bereich größer als für einen Betrieb des Halbleiterschalters im getakteten Betrieb.

Wenn die zwei Netzabschnitte über den parallel zum Wider stands-Strompfad angeordneten Halbleiterschalter elektrisch verbunden werden, können die beiden Netzabschnitte außerdem über den Widerstands-Strompfad elektrisch leitend verbunden bleiben .

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Schaltvorrichtung gemäß Anspruch 5. Es handelt sich dabei um eine Schaltvor richtung zum Vorladen eines zweiten Netzabschnitts mit elektrischer Energie aus einem ersten Netzabschnitt eines DC- Netzes. Die Schaltvorrichtung umfasst einen Vorladewiderstand aufweisenden Widerstands-Strompfad. Die Schaltvorrichtung um fasst einen parallel zum Widerstands-Strompfad angeordneten Halbleiterschalter, welcher dazu ausgelegt ist, die zwei Netzabschnitte elektrisch zu verbinden und welcher zumindest einen Leistungshalbleiter umfasst. Dabei ist der Leistungs halbleiter in einem getakteten Betrieb oder in einem Betrieb im linearen Bereich als ein regelbarer Widerstand betreibbar. Die Schaltvorrichtung umfasst außerdem eine Steuereinheit zum Steuern des Leistungshalbleiters.

Der parallel zum Widerstands-Strompfad angeordnete Halb leiterschalter umfasst zumindest einen Leistungshalbleiter, welcher in einem getakteten Betrieb oder in einem Betrieb im linearen Bereich als ein regelbarer Widerstand betreibbar ist. Dabei kommen alle abschaltbaren Leistungshalbleiter in Frage, wie z. B. IGBT (= Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFET (= Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) , GTO (= Gate Turn Off Thyristors), etc.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass über die zeitliche Dauer der Spannungsangleichung zwischen den beiden Netzab schnitten zwischen unterschiedlichen Strombegrenzungsverfah ren gewechselt wird, wobei in Abhängigkeit von der aktuell vorliegenden Spannungsdifferenz das am besten geeignete Strombegrenzungsverfahren gewählt wird. Auf diese Weise wer den die Nachteile, die den jeweiligen Vorlademöglichkeiten anhaften, weitgehend umgangen.

In einem ersten Zeitabschnitt der erfindungsgemäßen Verfah rens erfolgt die Vorladung über den Vorladewiderstand: auf grund der Tatsache, dass zu Beginn dieses ersten Zeitab schnitts die den Ausgleichsstrom treibende Spannung noch re lativ hoch ist, ist auch der zwischen den beiden Netzab schnitten fließende Ausgleichsstrom relativ hoch; somit kann zunächst eine effektive Vorladung erfolgen. Durch den fort während über den Vorladewiderstand fließenden Ausgleichsstrom strebt das Spannungsniveau in dem zweiten Netzabschnitt fort während zu dem Spannungsniveau in dem ersten Netzabschnitt und die den Ausgleichsstrom treibende Spannung verringert sich im Laufe der Zeit deutlich; es wird eine Phase erreicht, in der der Vorladewiderstand relativ groß im Verhältnis zu der verringerten treibenden Spannung ist, so dass der Aus gleichsstrom wesentlich kleiner als zu Beginn des ersten Zeitabschnitts ist. Wollte man in dieser Konstellation die vollständige Vorladung des zweiten Netzabschnitts abwarten, so könnte dies inakzeptabel lange dauern oder sogar nie er folgen, weil ja, wie bereits in der Einleitung erwähnt, immer eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Netzabschnitten erhalten bleibt, falls die Last bereits in der Vorladephase Leistung zieht, beispielsweise durch die Leckströme der Kon densatoren, durch den Strom durch Symmetrierwiderstände, aber auch durch Hilfsstromversorgungen, welche sofort nach Errei chen eines ggf. relativ geringen Spannungswertes anlaufen.

An diesem Punkt wird ein dem ersten Zeitabschnitt nachfolgen der zweiter Zeitabschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens begonnen, in dem die Vorladung über einen parallel zum Wider stands-Strompfad angeordneten Halbleiterschalter erfolgt, welcher getaktet oder in einem linearen Bereich betrieben wird . Der Halbleiterschalter im getakteten Betrieb wirkt als ein schaltender Gleichspannungswandler, bei dem die Ausgangsspan nung kleiner als der Betrag der Eingangsspannung ist. Der Halbleiterschalter wird von einer Steuerung regelmäßig ein- und ausgeschaltet; üblicherweise werden einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde durchgeführt.

Dadurch wird elektrische Energie vom ersten Netzabschnitt zum zweiten Netzabschnitt transferiert. Aufgrund der im Vergleich zu der zu Beginn des ersten Zeitabschnitts anliegenden Span nung wesentlich verringerten treibenden Spannung zwischen den beiden verbundenen Netzabschnitten zu Beginn des zweiten Zeitabschnitts ist der Stromanstieg geringer als er unter der zu Beginn des ersten Zeitabschnitts anliegenden Spannung wäre; dadurch bleiben Taktfrequenz und/oder Stromripple rela tiv klein. Folglich bleibt der Maximalstrom des Stromripple auf einem Niveau, welcher im sicheren Arbeitsbereich des Halbleiterschalters liegt.

Der im linearen Bereich, auch als aktiver Bereich bezeichnet, betriebene Halbleiterschalter wirkt als ein regelbarer Wider stand, der den Ausgleichsstrom begrenzt. Aufgrund der im Ver gleich zu der zu Beginn des ersten Zeitabschnitts anliegenden Spannung wesentlich verringerten treibenden Spannung zwischen den beiden verbundenen Netzabschnitten zu Beginn des zweiten Zeitabschnitts sind der Ausgleichsstrom und die entsprechende thermische Verlustleistung deutlich kleiner als sie unter der zu Beginn des ersten Zeitabschnitts anliegenden Spannung wä ren. Folglich wird der Halbleiterschalter nicht thermisch überlastet; eine in dieser Hinsicht Sicherheit gewährende Überdimensionierung des Halbleiterschalters kann somit unter bleiben .

Die vorliegende Erfindung erlaubt es also, ohne zusätzliche Bauelemente eine vollständige Vorladung zu erreichen. In der Vorladungsphase über den Vorladewiderstand nutzt man die zu nächst vorliegende hohe Spannungsdifferenz zwischen den bei den verbundenen Netzabschnitten aus. In der Vorladungsphase über den Halbleiterschalter dagegen ist eine hohe Spannungsdifferenz, die in der Vorladungsphase über den Vor ladewiderstand herrscht, unerwünscht: stattdessen wird die nun herrschende niedrigere Spannungsdifferenz zwischen den beiden verbundenen Netzabschnitten genutzt. Nach dem Durch laufen der beiden oben beschriebenen Zeitabschnitte des er findungsgemäßen Verfahrens existiert zwischen den beiden ver bundenen Netzabschnitten keine oder keine signifikante Span nungsdifferenz mehr. In diesem Fall kann das Vorladen als ab geschlossen betrachtet werden, um in den Normalbetrieb über zugehen. Im Normalbetrieb sind die beiden Netzabschnitte vor zugsweise über den Halbleiterschalter miteinander verbunden.

Dabei ist der Übergang zwischen dem Betrieb des Halbleiter schalters im getakteten Betrieb oder im linearen Bereich und dem anschließenden Normalbetrieb, in dem die beiden Netzab schnitte praktisch auf demselben Spannungsniveau liegen, fließend: es ist möglich, die Taktung im getakteten Betrieb über einen Stromspitzenwert des Ausgleichsstroms zu regeln, der irgendwann nicht mehr erreicht wird und somit der Halb leiterschalter einfach eingeschaltet bleibt; es ist alterna tiv möglich, den aktiven Bereich über einen zu fließenden Strom zu regeln, so dass der eingestellte Widerstandswert im mer kleiner wird, bis er schließlich den Minimalwert er reicht, der Schalter also eingeschaltet bleibt.

Die vorliegende Erfindung implementiert ein Schutzkonzept für den Anlagenbetrieb, um einen schädigenden Ausgleichsstrom zu vermeiden, wobei das Schutzkonzept an die Anlagenkonfigura tion variabel angepasst werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die zwei Netzabschnitte über den Halbleiterschalter verbun den, sobald die Spannung in dem zweiten Netzabschnitt zwi schen 60 und 90 Prozent der DC-Spannung beträgt. Dieser Span nungsbereich ist der optimale Bereich zum Öffnen des Halb leiterschalters, da man dort den besten Kompromiss zwischen einer zunehmenden Verzögerung bei einer weiteren Vorladung über den Vorladewiderstand und einer größeren Verlustleistung bzw. Schädigungsgefahr durch hohe Ströme bei einer früher einsetzenden Vorladung über den Halbleiterschalter erzielt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die zwei Netzabschnitte über den Halbleiterschalter verbun den, sobald ein über den Widerstands-Strompfad fließender Ausgleichsstrom kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist. Dabei kann der Schwellwert so gewählt werden, dass man für die vorgegebene Netzabschnitt-Konstellation den besten Kom promiss zwischen einer zunehmenden Verzögerung bei einer wei teren Vorladung über den Vorladewiderstand und einer größeren Verlustleistung bzw. Schädigungsgefahr durch hohe Ströme bei einer früher einsetzenden Vorladung über den Halbleiterschal ter erzielt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Widerstands-Strompfad in Reihe zum Vorladewiderstand einen Schalter auf, wobei die Steuereinheit zum Steuern des Schal ters ausgebildet ist. Mit dem Schalter kann der Widerstands- Strompfad durch den Vorladewiderstand geöffnet und geschlos sen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der im Widerstands-Strompfad angeordnete Schalter zumindest einen Leistungshalbleiter. Dieser Schalter kann als ein schaltbarer Halbleiter, z. B. ein Transistor, ein IGBT, ein MOSFET, o. ä., ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Schalter in Form von zwei antiseriell verschalteten schaltbarer Halbleitern, ggf. jeweils mit einer antiparallel zum schaltbaren Halbleiter geschalteten Diode, ausgebildet ist. Wenn ein mechanischer Schalter den Vorladewiderstand zu- und abschalten soll, muss der mechanische Schalter ein DC- Schaltvermögen aufweisen; das ist bei mechanischen Schaltern aber oft schwierig zu realisieren. Ein schaltbarer Leistungs halbleiter weist ein DC-Schaltvermögen auf, und außerdem kann ein Leistungshalbleiter signifikant schneller schalten als ein mechanischer Schalter. Die skizzierte Aufgabenstellung wird auch durch ein erfin dungsgemäßes Computerprogrammprodukt gelöst. Das Computerpro grammprodukt ist in zumindest einer Steuereinheit ausführbar ausgebildet. Das Computerprogrammprodukt kann als Software, z. B. als eine aus dem Internet herunterladbare App, oder als Firmware in einem Speicher speicherbar und durch einen Pro zessor oder ein Rechenwerk ausführbar ausgebildet sein. Al ternativ oder ergänzend kann das Computerprogrammprodukt auch zumindest teilweise als festverdrahtete Schaltung ausgebildet sein, beispielsweise als ein ASIC (ASIC = Application Spe cific Integrated Circuit) . Das erfindungsgemäße Computerpro grammprodukt ist dazu ausgebildet, das oben beschriebene Ver fahren nach einem der oben erwähnten Ansprüche durchzuführen. Das Computerprogrammprodukt ist also dazu ausgebildet, das Verfahren zum Vorladen eines Netzabschnitts durchzuführen. Insbesondere ist es dazu ausgebildet, den Schritt durchzufüh ren, zu einem ersten Zeitpunkt die beiden Netzabschnitte über einen Vorladewiderstand aufweisenden Widerstands-Strompfad zu verbinden. Außerdem ist es dazu ausgebildet, den Schritt aus zuführen, zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt, sobald die Spannung in dem zweiten Netzabschnitt zwischen der An fangsspannung und der DC-Spannung liegt, die zwei Netzab schnitte über einen parallel zum Widerstands-Strompfad ange ordneten Halbleiterschalter zu verbinden, welcher in einem getakteten Betrieb oder in einem Betrieb im linearen Bereich als ein regelbarer Widerstand betrieben wird. Erfindungsgemäß ist das Computerprogrammprodukt dazu ausgebildet, mindestens eine Ausführungsform des skizzierten Verfahrens zum Vorladen eines Netzabschnitts umzusetzen und durchzuführen. Dabei kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt dazu ausgebildet sein, das Verfahren zum Vorladen eines Netzabschnitts durch zuführen, welches in einer Steuereinheit der Schaltvorrich tung ausführbar ausgebildet ist. Dabei kann das Computerpro grammprodukt sämtliche Teilfunktionen des Verfahrens in sich vereinigen, also monolithisch ausgebildet sein. Alternativ kann das Computerprogrammprodukt auch segmentiert ausgebildet sein und jeweils Teilfunktionen auf Segmente verteilen, die auf separater Hardware ausgeführt werden. So kann das Computerprogrammprodukt teilweise in einer Steuereinheit des ersten Netzabschnitts und teilweise in einer Steuereinheit des zweiten Netzabschnitts ausführbar ausgebildet sein. Au ßerdem kann ein Teil des Verfahrens in einer Steuereinheit durchgeführt werden und ein anderer Teil des Verfahrens in einer der Steuereinheit übergeordneten Instanz, wie bei spielsweise einer SPS, einem Handparametriergerät oder einer Computer-Cloud .

Die skizzierte Aufgabenstellung wird auch durch ein erfin dungsgemäßes DC-Netz mit einem ersten Netzabschnitt und einem zweiten Netzabschnitt gelöst, wobei in einem Anfangszustand eine in dem zweiten Netzabschnitt herrschende Anfangsspannung geringer als eine in dem ersten Netzabschnitt herrschende DC- Spannung ist. Dabei weist das DC-Netz eine zwischen dem ers ten Netzabschnitt und dem zweiten Netzabschnitt angeordnete erfindungsgemäße Schaltvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen DC-Netzes umfassen die beiden Netzabschnitte jeweils eine erste Leitung und eine zweite Leitung, zwischen denen die Spannung des jeweiligen Netzabschnitts anliegt, wobei die beiden Netzabschnitte über die zweiten Leitungen permanent miteinander verbunden sind und über die ersten Leitungen mit tels einer Schaltvorrichtung miteinander verbindbar und von einander trennbar sind.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein DC-Netz mit mehreren Netzabschnitten, Fig. 2 ein zentraler Netzabschnitt und ein Netzabschnitt mit einem Verbraucher sowie eine zwischen die Netz abschnitte geschaltete Schaltvorrichtung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrich tung;

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltvorrich tung;

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm des beanspruchten Verfahrens;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltvor richtung;

Fig. 7 ein Diagramm von an der Schaltvorrichtung gemesse nen Strom- und Spannungswerten über den zeitlichen Ablauf des beanspruchten Verfahrens;

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung des getakteten Be

triebs eines Halbleiterschalters; und

Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung zum Betrieb im linea ren Bereich eines Leitungshalbleiters.

Die vorliegende Erfindung betrifft - allgemein gesprochen - einen elektrotechnischen Sachverhalt. Begriffe wie „verbun den" und „getrennt" oder „isoliert" und dergleichen sind da her stets im elektrischen Sinne gemeint, nicht im mechani schen Sinne.

Fig. 1 zeigt ein Gleichspannungsnetz 100 mit einer Vielzahl von Netzabschnitten 31. Die Netzabschnitte 31 sind in der Darstellung von Fig. 1 zusätzlich mit einem einzelnen kleinen Buchstaben ergänzt. Wenn nachfolgend auf einen ganz bestimm ten der in Fig. 1 dargestellten Netzabschnitte 31 Bezug ge nommen wird, wird das durch den entsprechenden kleinen Buch staben ergänzte Bezugszeichen verwendet, also beispielsweise das Bezugszeichen 31c oder das Bezugszeichen 31f. Wenn hinge gen lediglich allgemein auf die Netzabschnitte 31 Bezug ge nommen wird, wird nur das Bezugszeichen 31 ohne Ergänzung durch einen kleinen Buchstaben verwendet.

In der Regel weist das Gleichspannungsnetz einen zentralen Netzabschnitt, kurz als Zentralabschnitt bezeichnet, auf. In der Darstellung von Fig. 1 ist dies der Netzabschnitt 31a.

Der Zentralabschnitt 31a stellt die „Nabe" für die anderen Netzabschnitte 31 dar. Der Zentralabschnitt 31a ist also für die anderen Netzabschnitte 31 gemeinsam.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, können die Netzabschnitte 31 ähnlich einer Baumstruktur Verzweigungen bilden. Beispiels weise ist der Netzabschnitt 31d in sich in weitere Netzab schnitte 31e bis 31h unterteilt. Auch können mehrere Netzab schnitte 31 hintereinandergeschaltet sein. In der Darstellung von Fig. 1 sind dies die Netzabschnitte 31k und 311. Der „Netzabschnitt" 31m stellt die Anbindung des Zentralab schnitts 31a an ein Wechselstromnetz - hier ein Drehstromnetz - dar .

Die Art der Netzabschnitte 31 als solche kann nach Bedarf be stimmt sein, z.B. als eine Lastzone, eine Roboterzelle oder ein Verbraucherabzweig. Sie weisen jedoch in der Regel je weils einen elektrischen Energiespeicher 32 auf. Der Energie speicher 32 kann beispielsweise eine Batterie oder ein Kon densator sein. Die Netzabschnitte 31 weisen meistens weiter hin mindestens eine Energiequelle 33 und/oder mindestens ei nen Verbraucher 34 auf. Ein Beispiel einer Energiequelle 33 ist eine Photovoltaikanlage oder eine (geladene) Batterie. Beispiele von Verbrauchern 34 sind ein elektrischer Motor, eine Heizeinrichtung und eine (ungeladene) Batterie. Es kön nen aber auch andere Energiequellen 33 und andere Verbraucher 34 vorhanden sein. Auch Kombinationen sind möglich. Aus Grün den der Übersichtlichkeit sind in Fig. 1 nur für einen der Netzabschnitte 31 der Energiespeicher 32, die Energiequelle 33 und der Verbraucher 34 eingezeichnet. Die entsprechenden Einheiten 32, 33 und 34 können aber auch bei den anderen Netzabschnitten 31 vorhanden sein.

Das Gleichspannungsnetz weist für die Netzabschnitte 31 je weils eine Schaltvorrichtung 35 auf. Über die jeweilige

Schaltvorrichtung 35 kann - je nach Ansteuerung der Schalt vorrichtung 35 - der jeweilige Netzabschnitt 31 mit mindes tens einem anderen Netzabschnitt 31 verbunden oder von dem mindestens einen anderen Netzabschnitt 31 getrennt werden. Im Ergebnis ergibt sich dadurch, dass die Netzabschnitte 31b bis 311 direkt oder indirekt über andere Netzabschnitte 31 mit dem Zentralabschnitt la verbunden werden können bzw. von ihm getrennt werden können. Beispielsweise bewirkt ein Schaltvor gang, d.h. ein Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen

Schaltzuständen, der Schaltvorrichtung 35 des Netzabschnitts 31f das Verbinden bzw. das Trennen des Netzabschnitts 31f mit dem bzw. von dem Netzabschnitt 31d. Je nach dem Schaltzustand der Schaltvorrichtung 35 für den Netzabschnitt 31d wird damit der Netzabschnitt 31f über den Netzabschnitt 31d mit dem Zentralabschnitt 31a verbunden bzw. von ihm getrennt oder ohne weitergehende Verbindung zum Zentralabschnitt 31a nur mit dem Netzabschnitt 31d verbunden bzw. von ihm getrennt.

Aufgrund der Ausgestaltung als Gleichspannungsnetz weisen die Netzabschnitte 31 in einer ersten elektrischen Leitung L+ ein erstes, positives Potenzial F1 und in einer zweiten elektri schen Leitung L- ein zweites, negatives Potenzial F2 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 1 die Bezugszei chen L+, L- der Leitungen nur für die Netzabschnitte la und lf eingezeichnet. Zwei Leitungen der Netzabschnitte 31, die auf einem gleichen oder einem annähernd gleichen Potenzial F liegen, können über die Schaltvorrichtungen 5 miteinander verbunden werden, also beispielsweise eine auf einem positi ven Potential F1 liegende erste elektrische Leitung L+ eines der Netzabschnitte 31 mit auf einem positiven Potential F1 liegenden ersten elektrischen Leitungen L+ der anderen Netz abschnitte 31, und analog eine auf einem negativen Potential F2 liegende zweite elektrische Leitung L- eines der Netzabschnitte 31 mit auf einem negativen Potential F2 lie genden zweiten elektrischen Leitungen L- der anderen Netzab schnitte 31. Eine Verbindung „über Kreuz", also beispiels weise der ersten Leitung L+ des Zentralabschnitts 31a mit der zweiten Leitung L- eines der anderen Netzabschnitte 31, ist hingegen nicht zulässig.

Im einfachsten Fall ist eine Schaltvorrichtung 35 derart aus gebildet, dass es - je nach Schaltzustand - nur eine auf ei nem ersten, positiven Potential F1 liegende erste Leitung L+ eines ersten Netzabschnitts 31 von einer auf dem ersten, po sitiven Potential F1 liegenden ersten Leitung L+ der anderen Netzabschnitte 31 trennt bzw. mit ihnen verbindet. Die auf negativem Potenzial F2 liegenden zweiten Leitungen L- der Netzabschnitte 31 hingegen sind permanent miteinander verbun den. In diesem Fall erfolgt also gegebenenfalls nur eine ein polige Trennung des jeweiligen Netzabschnitts 31 von den an deren Netzabschnitten 31. Es ist somit nur ein (1) Schaltpfad vorhanden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann hierbei stets angenommen werden, dass das positive Potenzial F1 das geschaltete Potenzial ist, während das negative Potenzial F2 nicht geschaltet wird. Prinzipiell ist jedoch auch die umge kehrte Vorgehensweise möglich.

Es ist allerdings auch möglich, dass eine zweipolige Trennung des jeweiligen Netzabschnitts 31 von den anderen Netzab schnitten 31 mithilfe von zwei Schaltern, d.h. je Leitung ein Schalter, erfolgt. Vorzugsweise trennt bzw. verbindet ein erster Schalter eine auf einem ersten Potential F1 liegende erste Leitung L+ eines ersten Netzabschnitts 31 von bzw. mit einer auf dem ersten Potential F1 liegenden ersten Leitung L+ der anderen Netzabschnitte 31 und trennt bzw. verbindet ein zweiter Schalter eine auf einem zweiten Potential F2 liegende zweite Leitung L- eines ersten Netzabschnitts 31 von bzw. mit einer auf dem zweiten Potential F2 liegenden zweiten Leitung L- der anderen Netzabschnitte 31. Solange die Netzabschnitte 31 miteinander verbunden sind, sind die positiven Potentiale F1 untereinander gleich und auch die negativen Potentiale F2 untereinander gleich. Auch der Potentialunterschied U zwischen den positiven Potentialen F1 und negativen Potentialen F2, d.h. die zwischen den Lei tern L+, L- anliegende elektrische Spannung, ist damit für die Netzabschnitte 31 derselbe. Die Spannung U sollte nach Möglichkeit gleich einem Nennwert sein. Der Nennwert kann nach Bedarf gewählt sein; er kann beispielsweise bei 24 V, bei 380 V, bei 760 V oder einem anderen geeigneten Wert lie gen. Wenn die Netzabschnitte 31 voneinander getrennt sind, ist im Falle der einpoligen Trennung das negative Potential F2 immer noch für die Netzabschnitte 31 dasselbe. Das posi tive Potential F1 kann in diesem Fall hingegen für die Netz abschnitte 31 bzw. gegebenenfalls Gruppen von Netzabschnitten 31 individuelle Werte aufweisen. Im Falle der zweipoligen Trennung gilt dies zusätzlich auch für das negative Potential F2. In beiden Fällen - also sowohl bei der einpoligen Tren nung als auch bei der zweipoligen Trennung - kann die Span nung U jedoch individuell für den jeweiligen Netzabschnitt 31 bzw. die jeweilige Gruppe von Netzabschnitten 31 jeweils ei nen eigenen Wert aufweisen.

Falls die Spannung Ul eines ersten Netzabschnitts 31 von der Spannung U2 eines anderen Netzabschnitts 31 abweicht, d.h. falls gilt: Ul + U2, dürfen die entsprechenden Netzabschnitte 31 nicht ohne weiteres elektrisch verbunden werden, da der durch die Spannungsdifferenz AU zwischen den auf unterschied lichen Potentialen F liegenden Leitungen L ausgelöste Strom eine so hohe Stärke annehmen kann, dass elektrische Komponen ten, insbesondere Leistungshalbleiter, Schaden nehmen könn ten. Ein solcher Strom fließt zwar nur bei Anschluss kapazi tiver Lasten; das ist aber der Standard bei Industrienetzen, da dort Umrichterzwischenkreise miteinander gekoppelt werden. Zum Ausgleich derartiger Spannungsunterschiede AU = Ul - U2 zwischen den zu verbindenden Leitern L vor dem Verbinden wei sen die Schaltvorrichtungen 5 jeweils eine Vorladevorrichtung 100 auf. Fig. 2 zeigt in einer vergrößerter Darstellung die in Fig. 1 dargestellte Verbindung zwischen dem zentralen Netzabschnitt 31a mit dem Netzabschnitt 31i, in dem ein elektrischer Ver braucher 34 angeschlossen ist, kurz als Verbraucher-Netzab schnitt 31i bezeichnet, mittels einer zwischen die beiden Netzabschnitte 31a, 31i geschalteten Schaltvorrichtung 35. Dabei verbindet die Schaltvorrichtung 35 die auf einem posi tiven Potential liegende Leitung L+ des zentralen Netzab schnitts 31a mit der entsprechenden Leitung L+ des Verbrau cher-Netzabschnitts 31i und die auf einem negativen Potential liegende Leitung L- des zentralen Netzabschnitts 31a mit der entsprechenden Leitung L- des Verbraucher-Netzabschnitts 31i.

Fig. 3 zeigt in noch weiter vergrößerter Darstellung die in Fig. 2 dargestellte Schaltvorrichtung 35, durch die der Ver- braucher-Netzabschnitt 31i mit dem elektrischen Verbraucher 34 mit dem zentralen Netzabschnitt 31a elektrisch verbunden bzw. von ihm getrennt werden kann. Zu diesem Zweck erlaubt die Schaltvorrichtung 35 eine einpolige Trennung des Netzab schnitts 31i von dem zentralen Netzabschnitt 31a, wobei die Schaltvorrichtung 35 eine Trennung der auf einem positiven Potential liegenden Leitungen L+ der Netzabschnitte 31a, 31i vornimmt und die auf einem negativen Potential liegenden Lei tungen L- der Netzabschnitte 31a, 31i stets verbunden lässt.

Die Schaltvorrichtung 35 weist einen Halbleiterschalter 1 auf, mit dem die Plusleitungen L+ getrennt und verbunden wer den können. Zu diesem Zweck weist der Halbleiterschalter 1 mindestens einen Leistungshalbleiter auf, der in einem getak teten Betrieb betrieben oder in einem Betrieb im linearen Be reich als ein regelbarer Widerstand betrieben werden kann. In Parallelschaltung zum Halbleiterschalter 1 weist die Schalt vorrichtung 35 einen Widerstands-Strompfad 2 auf, in dem der Ausgleichsstrom durch einen Vorladewiderstand geleitet wird.

Der Halbleiterschalter 1 und der Widerstands-Strompfad 2 sind durch eine Steuereinheit 16 steuerbar, welche mit einem Datenspeicher 17 verbunden ist. In dem Datenspeicher ist ein Computerprogrammprodukt gespeichert, das bei einer Ausführung durch die Steuereinheit 16 die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.

Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltvor richtung. Der Widerstands-Strompfad 2 umfasst zwei antiseri ell geschaltete IGBTs 7 und 9, im Folgenden zur Vereinfachung einfach als Transistor bezeichnet, jeweils mit einer antipa rallel zum Transistor 7 und 9 geschalteten Diode 8, 10, und einen in Reihe zu den Transistoren geschalteten Vorladewider stand 6. Die Transistoren 7, 9 werden von einer ersten Steu ereinheit 12 angesteuert, d.h. leitend oder sperrend geschal tet: dies erfolgt durch ein Verändern der Gate-Emitter-Span- nung am jeweiligen Transistor 7, 9. In einer ersten Strom richtung verläuft der Strompfad somit durch einen ersten, leitend geschalteten Transistor 9, die antiparallel zum zwei ten, sperrend geschalteten Transistor 7 geschaltete Diode 8 und den Vorladewiderstand 6. In einer entgegen der ersten Stromrichtung gerichteten zweiten Stromrichtung verläuft der Strompfad somit durch den Vorladewiderstand 6, den zweiten, leitend geschalteten Transistor 7 und die antiparallel zum ersten, sperrend geschalteten Transistor 9 geschaltete Diode 10.

Der Strompfad durch den Halbleiterschalter 1 verläuft durch zwei in Reihe geschaltete, schaltbare Leistungshalbleiter 3, welche als antiseriell geschaltete, normal sperrende n-Kanal- MOSFETs ausgebildet sind. Die MOSFETs 3 werden von einer zweiten Steuereinheit 13 angesteuert, d.h. leitend oder sper rend geschaltet: die Ansteuerung der MOSFETs 3 erfolgt über eine Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) bzw. ein Steuerpo tential (Gate-Potential) , mit ihr kann der Stromfluss von Drain nach Source beeinflusst werden. MOSFETs haben eine intrinsische Inversdiode, deshalb kann auf eine antiparallel zu den MOSFETs 3 geschaltete Dioden, wie beim IGBT im Wider stands-Strompfad 2 benötigt, verzichtet werden. Parallel zu den beiden MOSFETs 3 ist ein Snubber-Glied 4, 5, gebildet durch eine Reihenschaltung eines Kondensators 4 mit einem Wi derstand 5, hier: einem variablen Widerstand, der auch als Varistor bezeichnet wird, geschaltet. Der Kondensator 4 und der Widerstand 5 sind dabei passend zur Spannung und zum Strom dimensioniert. Das Snubber-Glied 4, 5 begrenzt eine Überspannung beim Ausschalten der MOSFETs 3.

Fig. 4 zeigt außerdem eine Spannungserfassungseinrichtung 11 zur Messung der über der Schaltvorrichtung 35 abfallenden elektrischen Spannung, eine Stromerfassungseinrichtung 14 zur Messung des durch die Schaltvorrichtung 35 fließenden

elektrischen Stroms, sowie eine Signalverarbeitungseinrich tung 15, welche Messsignale der Spannungs- und Stromerfas sungseinrichtungen 11, 14 empfängt, auswertet und Signale an die beiden Steuereinheiten 12, 13 ausgibt. Dabei kann die Signalverarbeitungseinrichtung 15 von außen, z.B. von einem Betreiber der Schaltvorrichtung, Signale 19 zum Ein- und Aus schalten empfangen sowie nach außen, z.B. an einen Betreiber der Schaltvorrichtung, Statussignale 20 senden. Durch die Stromerfassungseinrichtung 14 kann sowohl der durch den Wi derstands-Strompfad 2 als auch der durch den Halbleiterschal ter 1 fließende Strom gemessen werden.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Ver fahrens zum Begrenzen eines Ausgleichsstroms zwischen den zwei Netzabschnitten 31a, 31i, wobei in einem Anfangszustand 51 eine in dem zweiten Netzabschnitt herrschende Anfangsspan nung U2_t0 geringer als eine in dem ersten Netzabschnitt herrschende DC-Spannung U _D c ist. In einem ersten Schritt 52 werden die zwei Netzabschnitte 31a, 31i über den einen Vorla dewiderstand aufweisenden Widerstands-Strompfad 2 elektrisch verbunden. Der über diese elektrische Verbindung fließende Ausgleichsstrom, dessen Höhe durch den Vorladewiderstand be grenzt wird, fließt in einer Richtung, so dass der Potential unterschied zwischen den zwei Netzabschnitten 31a, 31i ausge glichener wird, mit anderen Worten: der Ausgleichsstrom baut die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Netzabschnitten 31a, 31i fortwährend ab. Regelmäßig wird in einem Abfrageschritt 53 abgefragt, ob die Spannung U2 in dem zweiten Netzabschnitt 31i zwischen der Anfangsspannung U2_t0 und der DC-Spannung U _D c liegt und ob der Spannungswert U2 in dem zweiten Netzab schnitt 31i einen bestimmten Prozentsatz der DC-Spannung U _D c überschreitet: solange der Spannungswert U2 in dem zweiten Netzabschnitt 31i einen bestimmten Prozentsatz der DC- Spannung U _D c nicht überschreitet (Pfeil „N") , bleibt der Halbleiterschalter 1 geschlossen. Erst wenn der Spannungswert U2 in dem zweiten Netzabschnitt 31i einen bestimmten Prozent satz der DC-Spannung U _D c überschreitet (Pfeil „Y") , wird der Halbleiterschalter 1 geöffnet, wobei die Leistungshalbleiter 3 in dem Halbleiterschalter 1 in einem getakteten Betrieb des Halbleiterschalters 1 und/oder in einem Betrieb im linearen Bereich als regelbare Widerstände betrieben werden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Span nungserfassungseinrichtung 11 für die erfindungsgemäße

Schaltvorrichtung 35. Die Spannungserfassungseinrichtung 11 greift in diesem Beispiel den Spannungsunterschied in der ersten elektrischen Leitung L+ an Messpunkten vor und nach der Schaltvorrichtung 35 sowie das Potential F2 der zweiten elektrischen Leitung L- ab.

Fig. 7 zeigt eine Auftragung des Strom- bzw. Spannungsver laufs eines Leistungshalbleiters mit Zustandsänderungen gegen die Zeit t. Im Diagramm sind vier Messkurven 21-24 darge stellt. Die Messkurve 21 charakterisiert das Gatesignal im Leistungshalbleiter 3 im Hauptzweig. Durch Messkurve 22 ist der Ausgleichsstrom I _A dargestellt. Die Messkurve 23 zeigt die Spannung über der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung. In Messkurve 24 ist die DC-Netzspannung U _D c dargestellt. Die Darstellung in Fig. 7 ist außerdem in Bereiche A, B, C und D unterteilt. Im Bereich A, beginnend mit to und endend mit ti, ist der Leistungshalbleiter 3 ausgeschaltet. Die gesamte Spannung fällt hier über dem Leistungshalbleiter ab. Im Be reich B, zwischen ti und t2, ist eine Vorladung über den Vor ladewiderstand bis zum Erreichen eines Schwellwertes darge stellt. Der Bereich C, zwischen t2 und t3, zeigt das Takten des Leistungshalbleiters im Hauptpfad bis zu einer Spannungs differenz Null bzw. bis der Ausgleichsstrom kleiner als ein vorgegebener Referenzwert ist. Durch die Strichelung der Messkurven soll angedeutet werden, dass die Messkurven im Be reich C sehr große Ausschläge zeigen, hervorgerufen durch den getakteten Betrieb; die gestrichelte Linie gibt eine Art Mit telwert an. Abschließend ist in Bereich D, beginnend bei t3, der einschaltete Leistungshalbleiter dargestellt, wobei nun zwischen Ein- und Ausgang keine Spannungsdifferenz mehr vor liegt .

Fig. 8 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des getakteten Be triebs eines Halbleiterschalters. Der Halbleiter, z. B. ein Transistor, arbeitet als ein Schalter, der mit einer hohen Frequenz ein- und ausgeschaltet wird, z. B. mittels einer pulsweiten-modulierten Steuerspannung oder mittels einer Zweipunktregelung .

Im oberen Teil von Fig. 8 ist in einer Auftragung einer Span nung U über der Zeit t gezeigt, dass der Halbleiterschalter, an dem die Spannung V anliegt, während eines zeitlichen Teil bereichs 0 bis ti einer Periodendauer T geöffnet ist (Ein schaltzeit) und in dem verbleibenden Teilbereich ti bis T ge schlossen wird. Der Quotient zwischen Einschaltzeit zu Perio dendauer (ti/T) wird Tastverhältnis oder Tastgrad (englisch: duty cycle) genannt.

Im unteren Teil von Fig. 8 ist in einer Auftragung eines Aus gleichsstroms I _A über der Zeit t gezeigt, dass durch dieses im Tastverhältnis wechselnde Öffnen und Schließen des Halb leiterschalters ein dreieckförmiger Verlauf des durch die treibende Spannung V hervorgerufenen Ausgleichsstroms I _A ent steht, wobei der Ausgleichsstrom I _A mit einer Amplitude DI _A zwischen einem Minimalwert I _A , _min und einem Maximalwert I _A , _max pendelt. Als zeitlicher Mittelwert des dreieckförmig schwan kenden Stroms ergibt sich ein mittlerer Ausgleichsstrom

IA, ean der im unteren Teil von Fig. 8 gestrichelt eingetra gen ist. Fig. 9 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs eines Leitungshalbleiters, hier: eines Feldeffekttransistors (=

FET) mit Drain-, Source- und Gate-Anschlüssen, im linearen Bereich. Im Diagramm ist der Drain-Strom I _D über der Drain- Source-Spannung V _DS aufgetragen, wobei in dem Diagramm ver schiedene Drain-Strom-Kurven für unterschiedliche hohe Gate- Source-Spannungen V _G s eingetragen sind; im Fall, dass die Gate-Source-Spannungen V _G s gleich der Schwellenspannung V _T ist, V _G s = V _T , verläuft die Drain-Strom-Kurve entlang der x- Achse. Dabei ist im Diagramm ein links liegender, linearer (ohmscher) Betriebsbereich lin des Halbleiters durch eine ge strichelte parabelförmige Linie V _D s _sat von einem rechts lie genden, gesättigten (aktiven) Betriebsbereich sat des Halb- leiters getrennt. Diese Darstellung der Zusammenhänge zwi schen dem Drain-Strom I _D und der Drain-Source-Spannung V _DS in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung V _G s wird als Aus gangskennlinienfeld eines MOSFETs bezeichnet.