直流电压开关
阅读说明：本技术 直流电压开关 (DC voltage switch ) 是由 T.贝克特 J.韦多尔 于 2020-03-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于将直流电压支路耦合到直流电压总线的直流电压开关。在正向方向上,电流从直流电压总线的正导体经由直流电压开关流向直流电压支路的正导体。在反向方向上,电流从直流电压支路的正导体经由直流电压开关流向直流电压总线的正导体,并且从直流电压总线的负导体经由直流电压开关流向直流电压支路的负导体。直流电压开关具有：基于半导体的电子可控的开关装置,设置在开关装置之前的直流电压总线侧的电压传感器,用于确定直流电压总线侧的电压水平,设置在开关装置之后的直流电压支路侧的电压传感器,用于确定直流电压支路侧的电压水平,电流传感器,用于确定电流水平和电流方向,控制装置,其与开关装置、电压传感器和电流传感器连接,其中,控制装置被设计为,确定电流的方向和电流水平,在超过电流水平的第一阈值时,通过开关装置中断电流流动,在超过电流水平的第一阈值时存在反向方向的情况下：在中断电流流动之后,将直流电压总线侧的电压水平与直流电压支路侧的电压水平进行比较,并且在电压差小于一定的电压差值的情况下,将开关装置切换为导通。(The invention relates to a direct voltage switch for coupling a direct voltage branch to a direct voltage bus. In the forward direction, current flows from the positive conductor of the dc voltage bus via the dc voltage switch to the positive conductor of the dc voltage branch. In the reverse direction, current flows from the positive conductor of the direct voltage branch via the direct voltage switch to the positive conductor of the direct voltage bus and from the negative conductor of the direct voltage bus via the direct voltage switch to the negative conductor of the direct voltage branch. The DC voltage switch includes: electronically controllable semiconductor-based switching device, a voltage sensor arranged upstream of the switching device on the dc voltage bus side for determining a voltage level on the dc voltage bus side, a voltage sensor arranged downstream of the switching device on the dc voltage branch side for determining a voltage level on the dc voltage branch side, a current sensor for determining a current level and a current direction, a control device which is connected to the switching device, the voltage sensor and the current sensor, wherein the control device is designed to determine the direction and the current level of the current, to interrupt the current flow by means of the switching device when a first threshold value of the current level is exceeded, and to interrupt the current flow by means of the switching device when a reverse direction is present when the first threshold value of the current level is exceeded: after interrupting the current flow, the voltage level on the direct voltage bus side is compared with the voltage level on the direct voltage branch side, and the switching device is switched on if the voltage difference is smaller than a certain voltage difference value.)
技术领域
本发明涉及一种直流电压开关以及相关的方法，用于将直流电压设备或者具有正和负导体的直流电压支路耦合到直流电压总线。
背景技术
直流电压是指最大1500伏的电压。直至该水平的直流电压也称为低压。更具体地，直流电压特别是是指大于具有120伏直流电压的水平的低电压的电压。直流电压特别是是指400-800伏的电压。
直流电压电路或者直流电路是指用于从2到1000安培的电流、特别是标称电流或者最大电流；更具体地用于从2安培到400安培或者200安培的电流的电路。
直流电压总线是指由至少一个能量源提供直流电压的、具有正导体和负导体的至少两线制系统。(直流电压)设备，例如直流电压用电设备、负载、逆变器、组合的能量汇或者能量源、单纯的(另外的)能量源等，相应地通过直流电压支路，连接到直流电压总线。也可以多个直流电压设备连接到一个直流电压支路。
直流电压设备特别是是指具有1千瓦到500千瓦的功率的设备。
同时，越来越多地开发和构建也称为直流电压网络或者低压直流网络的直流电压电路，其通常具有带有直流电压支路的直流电压总线。
通常通过直流电压开关(DC开关)来保护也称为用电设备支路的直流电压支路。这些直流电压开关具有开关装置。
图1示出了直流电压电路、直流电压网络、低压直流网络或者DC网络的原理图，其具有直流电压总线DCB和多个直流电压支路DCA1、DCA2、DCA3，直流电压支路DCA1、DCA2、DCA3具有直流电压开关S1、S2、S3。
图1原则上示出了通过馈电开关S4与直流电压总线DCB连接的直流电压源EQ。具有至少一个第一直流电压设备G1的第一直流电压支路DCA1通过第一直流电压开关S1连接到直流电压总线DCB；以类似的方式，具有至少一个第二直流电压设备G2的第二直流电压支路DCA2通过第二直流电压开关S2连接到直流电压总线DCB，具有至少一个第三直流电压设备G3的第三直流电压支路DCA3通过第三直流电压开关S3连接到直流电压总线DCB。
可以设置另外的直流电压开关、直流电压支路、直流电压设备。直流电压开关可以是出线开关(Abgangsschalter)。直流电压设备通常具有可以存储并非微不足道的能量的量的电容。
如果在根据图1的直流电压电路中发生故障，例如在第一直流电压支路DCA1中在位于第一直流电压开关S1和第一(直流电压)设备G1之间的故障位置F1处发生短路，那么从能量源EQ，以及还从周围的直流电压支路、在本示例中为第二和第三直流电压支路DCA2、DCA3或者位于其中的(设备的)能量源或者电容，向那里的短路馈电。这导致在相关的开关装置中、在本示例中为在利用断开(Abschaltung)触发/可触发的第二或者第三直流电压开关S2、S3中产生大的电流。
第二和第三设备G2、G3或者其电容可能提供大的(故障)电流。如果例如第二设备G2具有小的标称电流，那么第二直流电压开关S2的尺寸相应地小，并且即使当故障发生在另一个支路中时，第二直流电压开关S2也可能中断电流流动。
原则上，周围的直流电压开关(S2、S3)应当尽可能少地阻止电流从相应的直流电压支路或者用电设备支路流向短路F1，以便可靠地触发直流电压开关、在本示例中为第一直流电压开关S1。
此外，在此重要的是，不触发周围的直流电压开关(S2、S3)，从而进行故障(通过S1)的所谓的选择性的断开。
如上面所示出的，这并不总是得到确保。特别当周围的直流电压开关具有开关装置，开关装置具有半导体开关元件时。半导体开关元件通常具有小于故障情况下的短路电流的饱和电流，因此起限流的作用。此外，半导体开关元件只能在短时间内、通常在个位数的微秒范围内承载这种饱和电流。因此，直流电压开关必须断开(自我保护)，即中断电流流动，而不考虑所需要的选择性，以保护半导体开关元件。
迄今为止，该问题以如下方式来解决，即，直流电压开关要么具有机电开关装置，要么尺寸过大地设计，这是昂贵的或者是不经济的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，改善直流电压开关的开关特性，以实现选择性，特别是针对具有基于半导体的开关装置的直流电压开关，给出一种用于所提到的问题的解决方案。
上述技术问题通过具有权利要求1的特征的直流电压开关或者具有权利要求16的特征的方法来解决。
根据本发明，提出了一种直流电压开关，用于利用正导体和负导体，将针对至少一个直流电压设备设置的直流电压支路耦合到直流电压总线，其中，通过如下的电流流动来定义电流的正向方向，电流流动从直流电压总线DCB的正导体经由直流电压开关到直流电压支路的正导体，以及从直流电压支路的负导体经由直流电压开关到直流电压总线的负导体。
因此，电流的反向方向被定义为，从直流电压支路的正导体经由直流电压开关到直流电压总线的正导体，以及从直流电压总线的负导体经由直流电压开关到直流电压支路的负导体。
直流电压开关具有：
-基于半导体的电子可控的开关装置，
-设置在开关装置之前的直流电压总线侧的电压传感器，用于确定直流电压总线侧的电压水平，
-设置在开关装置之后的直流电压支路侧的电压传感器，用于确定直流电压支路侧的电压水平，
-电流传感器，用于确定电流水平和电流方向，
-控制装置，其与开关装置、电压传感器和电流传感器连接。
控制装置被设计为，
-确定电流的方向和电流水平，特别是周期性地确定方向和电流水平，
-在超过电流水平的第一阈值(电流阈值)时，通过开关装置中断电流流动，
-在超过电流水平的第一阈值时存在反向方向的情况下：
-在中断电流流动之后，将直流电压总线侧的电压水平与直流电压支路侧的电压水平进行比较，在电压差小于一定电压差值的情况下，将开关装置切换为导通。
这具有以下优点，即，在直流电压开关在电流流动过大时意外断开时，当导致断开的电流(电流水平)不是流向直流电压设备，而是从直流电压设备流向直流电压总线时，进行重新接通。也就是说，在直流电压开关的直流电压支路中不存在故障，而是在直流电压总线或者另一个直流电压支路一侧存在故障。此外，当直流电压总线上的电压水平再次对应于近似对应于直流电压支路中的电压水平的值时。在这种情况下可以假设，有故障的支路已经断开，并且直流电压总线上的电压已经正常化，因此继续向一定是无意地断开的没有故障的直流电压支路正常供电。
在从属权利要求中给出了本发明的有利的设计方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，开关装置具有至少一个、特别是两个引导正或者负导体侧的电流流动的半导体开关元件。
这具有以下特别的优点，即，针对开关装置给出了一种特别简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，半导体开关元件是具有绝缘栅电极的双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或者氮化镓晶体管。
这具有以下特别的优点，即，针对开关模块的半导体开关元件给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，半导体开关元件与二极管并联连接，二极管的导通方向特别是与半导体开关元件的导通方向相反。
这具有以下特别的优点，即，针对单向半导体开关元件，特别是在两个单向半导体开关元件串联连接时，给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，二极管具有低的导通电压，二极管特别地是网络二极管或者肖特基二极管。
这具有以下特别的优点，即，在反向方向上呈现特别低的电压降，由此一方面呈现低的功率损耗，另一方面，在反向方向上给出最大电流，以提高选择性。
在本发明的一个有利的设计方案中，直流电压开关布置在壳体中。
这具有以下特别的优点，即，在一个壳体中提供紧凑的直流电压开关。
在本发明的一个有利的设计方案中，壳体具有正导体输入接头、负导体输入接头、正导体输出接头和负导体输出接头。输入接头可以与直流电压总线连接。输出接头可以与直流电压支路连接。
开关装置连接正导体输入接头与正导体输出接头，或者开关装置连接负导体输入接头与负导体输出接头。
在一个变形方案中，可以在正和负导体中设置开关装置。
这具有以下特别的优点，即，针对紧凑的直流电压开关，提供一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，没有开关装置的接头通过电导线相互连接。
这具有以下特别的优点，即，针对直流电压开关，给出了一种简单的解决方案，特别是进行单极开关的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，电压差值为10伏。
这具有以下特别的优点，即，使直流电压支路与直流电压总线之间的过大的补偿电流最小化，或者电压差超过大的程度。
在本发明的一个有利的设计方案中，电流传感器是基于霍尔效应的传感器。
这具有以下特别的优点，即，针对电流的水平和方向的确定，给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，控制装置还被设计为，在电流的上升超过电流上升阈值时，通过开关装置中断电流流动。
这具有以下特别的优点，即，针对有针对性的触发或者自我保护，给出了直流电压开关的另一个保护标准。
在本发明的一个有利的设计方案中，为控制装置设置电源、能量存储器或者用于进行外部能量供应的接头。
这具有以下特别的优点，即，特别是给出了触发直流电压开关之后的能量供应。
在本发明的一个有利的设计方案中，控制装置具有微处理器。
这具有以下特别的优点，即，使得能够以特别舒适或者可变的方式对直流电压开关进行控制。
不仅以引用权利要求1或者16的从属的形式、而且仅引用权利要求的各个特征或者特征组合的所有设计方案，使得直流电压开关得到改进，从而改善了直流电压网络中的选择性。由此，特别是可以在共同的直流电压总线上运行不同功率等级的设备。
附图说明
所描述的本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式，结合下面对结合附图详细说明的实施例的描述，将变得更清楚并且更容易理解。
在相关的附图中：
图1示出了直流电压电路的原理图，直流电压电路具有直流电压总线和多个直流电压支路，直流电压支路具有直流电压开关，
图2示出了根据本发明的与直流电压总线、直流电压支路和直流电压设备一起的直流电压开关的图示，
图3示出了具有半导体开关元件的开关装置的示例。
具体实施方式
图1示出了开头已经描述的根据现有技术的直流电压电路的原理图，直流电压电路具有直流电压总线和多个直流电压支路，直流电压支路具有直流电压开关。
图2示出了具有壳体GEH的直流电压开关Sx，其例如可以用作根据图1的第一、第二或者第三开关S1、S2、S3。壳体GEH具有正导体输入接头PE、负导体输入接头ME、正导体输出接头PA和负导体输出接头MA。
输入接头PE、ME与直流电压总线DCB连接，直流电压总线DCB具有正导体DCP(+)和负导体DCN(-)。
输出接头PA、MA与直流电压支路DCA连接，直流电压支路DCA又与至少一个直流电压设备Gx、例如根据图1的第一、第二或者第三设备G1、G2、G3连接。
直流电压开关Sx具有开关装置SCH。
在壳体内部，开关装置SCH要么将正导体输入接头PE与正导体输出接头PA连接，如所示出的，要么将负导体输入接头ME与负导体输出接头MA连接。
替换地，也可以设置两个开关装置、即第一和第二开关装置。其中，第一开关装置被设置为用于正导体接头，并且第二开关装置被设置为用于负导体接头。
根据图2，没有开关装置SCH的接头通过电导线相互连接，在本示例中，是负导体输入接头ME通过电导线与负导体输出接头MA连接。
在开关装置SCH之前，即在直流电压总线DCB侧，在正和负导体之间设置有直流电压总线侧的电压传感器U1，用于确定直流电压总线侧的电压水平。
在开关装置SCH之后，即在直流电压支路DCA侧，在正和负导体之间设置有直流电压支路侧的电压传感器U2，用于确定直流电压支路侧的电压水平。
在正导体或者负导体中，在开关装置SCH之前或者之后，设置有电流传感器I，用于确定电流水平和电流方向。电流传感器可以是基于霍尔效应的传感器。
开关装置SCH是基于半导体的电子可控的开关装置SCH。其可以具有至少一个引导(根据位置，正导体或者负导体侧的)电流流动的半导体开关元件。特别是，可以设置两个引导(根据位置，正导体或者负导体侧的)电流流动的半导体开关元件。半导体开关元件可以是具有绝缘栅电极的双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或者氮化镓晶体管。
半导体开关元件可以与二极管并联连接，二极管的导通方向特别是与半导体开关元件的导通方向相反。二极管可以具有低的导通电压，特别是可以是网络二极管(Netzdiode)或者肖特基二极管。
设置有控制装置SE，其与开关装置SCH、电压传感器U1、U2和电流传感器I连接。控制装置SE可以具有微处理器。
可以通过(未示出的)电源向控制装置供应能量。电源可以连接到直流电压总线侧的输入接口和/或直流电压支路侧的输出接口。
替换地或者附加地，可以设置能量存储器、例如超级电容器、蓄电池或者电池，用于针对直流电压支路DCA1、DCA2、DCA3或者直流电压总线DCB上的短路/故障或者触发的情况，向控制装置SE供应能量。替换地，可以设置用于对控制装置、必要时对直流电压开关Sx的其它装置进行外部能量供应的接头。
控制装置被设计为，
-(特别是周期性地)确定电流的方向和电流水平，
-在超过电流水平的第一阈值、即电流阈值时，通过开关装置SCH中断电流流动，
-在超过电流水平的第一阈值不久前或者期间存在反向方向的电流的情况下：
-在中断电流流动之后，(周期性地)将直流电压总线侧的电压电平与直流电压支路侧的电压电平进行比较，并且在电压差小于电压差值的情况下，将开关装置切换为导通。例如，该电压差值可以是10伏。也就是说，如果直流电压总线DCB与直流电压支路DCA之间的电压差小于10伏，则控制装置SE重新接通开关装置SCH，对于电流流动，开关装置SCH变为导通。
附加地，控制装置SE还可以被设计为，在电流的上升超过电流上升阈值时，通过开关装置中断电流流动。在这种类型的中断之后，也可以使用本发明，并且在触发/电流中断的时间点存在反向方向上的电流流动的情况下，可以进行电压的比较，并且必要时可以进行接通。
此外，在正导体或者负导体中，在开关装置SCH之前或者之后，可以在一个或者两个导体(正导体、负导体)中设置分离触点或者分离开关，用于直流电压设备或者直流电压开关的电流(galvanischen)分离。可以通过控制装置SE来切换分离触点。
图3示出了具有半导体开关元件的开关装置SCH的示例。开关装置SCH具有第一和第二半导体开关元件Q1、Q2的串联电路。例如，可控的第一半导体开关元件Q1针对第一电流方向导通，而可控的第二半导体开关元件Q2针对相反的电流方向导通。
第一半导体开关元件Q1与第一二极管D1并联连接，第一二极管D1在与第一半导体开关元件Q1相反的电流方向上导通，并且第二半导体开关元件Q2与第二二极管D2并联连接，第二二极管D2在第一半导体开关元件Q1的第一电流方向上导通。
开关装置SCH被实施为具有双极的接头(用于正导体和负导体)，在本示例中，第一和第二半导体开关元件Q1、Q2位于一个导体中，在本示例中为位于正导体中；负导体是贯通的，没有半导体开关元件。
替换地，半导体开关元件也可以布置在负导体中，或者两个导体都可以具有半导体开关元件。
在两个半导体开关元件Q1、Q2的串联连接之后是设备侧或者直流电压支路侧的分离触点，其中，对于正导体，设置有第一分离触点TK1，并且对于负导体，设置有第二分离触点TK2，将其一般地称为用于直流电压支路或者设备的电流分离的分离触点。
也可以以其它方式，例如通过两个半导体开关元件Q1、Q2的并联电路，来构建开关装置SCH。其中，半导体开关元件Q1、Q2中的每一个可以与二极管串联连接，并且该串联电路并联连接。也可以想到其它变形方案。
下面，换一种说法来再次示出本发明。
在负载出线和馈电路径中具有分布式电容的直流电压网络中，将来可以通过功率电子直流电压开关(开关)来实现机器和运行设备的保护。在此，期望开关的选择性。现在，选择性要求仅(持续)断开有故障的支路，而所有其它支路保持活动。
基于半导体的开关元件，例如Si-IGBT或者SiC MOSFET，能够实现在故障情况下小于短路电流的饱和电流。因为这些开关元件只能在(μs范围内的)很短的时间内承载这样的饱和电流，因此这些开关都必须断开，以进行自我保护，而不考虑在这种直流电压系统中所需要的选择性。
根据本发明，提出了用于实现选择性的两种可能性：
A：在断开开关之前对电压和短路电流进行评估，
B：在断开开关之后对电压进行评估，并且必要时进行快速的重新接入。
在具有分布式电容和驱动线路电感的直流电压网络中，应当使用双向功率电子开关来保护出线。为了进行自我保护，这些开关(不仅在发射极-集电极上，而且在极(Polen)之间)可以具有电流和电压测量。因此，可以检测以下参量、即电流、电流上升速率、电压和电压变化速度。
根据电流方向，直流电压开关，例如出线开关S1，可以确定在其直流电压支路或者出线中是否发生了故障，并且如果根据电流上升和电压骤降可靠地识别出故障本身，其是否必须持续断开。
如果开关必须断开，以进行自我保护，那么可以检测上面提到的参量并且缓冲这些参量，以通过开关中的微控制器或者控制器进行评估。在此，对于开关的运行，有利地存在继续可用的控制电压。
对于具有类似的或者更小的功率的相邻的支路或者出线中的第二和第三直流电压开关S2、S3，在故障情况下，电流在反向方向上流动，流向直流电压总线或者直流配电装置，并且其可以附加地通过电压骤降(出线中的电容的放电)和由于其它进行馈电的路径和线路电感而出现的反复的电压的深度，来确定重新接入的时间点，该重新接入将在毫秒范围/ms范围内。
Us(t)＝RL·Is(t)+LL(dls(t)/dt)-∫Is(t)/Cdt+UFehler
如果开关为了进行自我保护而必须断开，那么S2和S3可以基于电流方向决定尽快重新接入。在这种情况下，S4将识别出直流电压的恢复，并且如果其已经断开，那么同样可以非常快速地重新接入。S1由于短路、因此由于出线上的电压缺失而保持断开。
本发明具有以下优点，即，与利用机电式功率开关进行保护相比，当根据匹配系统的标准，无法断开或者重新接入功率电子开关，并且在电容完全放电并且必须重新启动系统之前，无法继续为没有故障的出线供电时，可以保证电容缓冲的直流电压网络中的选择性。
特别是，对于这些标准，不仅考虑流动的电流，而且考虑电压及其相应的变化。对此，功率电子开关的快速断开和重新接入是至关重要的。
有利的是在不过大地设计半导体开关的尺寸的情况下得到改善的选择性。
虽然在细节上通过实施例更详细地说明并且描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中推导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。
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