Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom

Transkript

1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Dirk Bösche

2 Agenda Motivation Schalten Schalten mit Metallkontakten Schalten mit Leistungshalbleitern Hybridschalter Aufbau Ablauf von Ein- und Ausschaltvorgängen Ausschaltvorgang eines Lichtbogengespeisten Hybridschaltgerätes Aktuelles Forschungsprojekt UPS Grenzen der Technologie Zusammenfassung und Ausblick Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 2

3 Agenda Motivation Schalten Schalten mit Metallkontakten Schalten mit Leistungshalbleitern Hybridschalter Aufbau Ablauf von Ein- und Ausschaltvorgängen Ausschaltvorgang eines Lichtbogengespeisten Hybridschaltgerätes Aktuelles Forschungsprojekt UPS Grenzen der Technologie Zusammenfassung und Ausblick Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 3

4 Motivation Umbau der Energieversorgung Steigende Anzahl an Gleichspannungsnetzen Hybride AC/DC Netzstrukturen im Bereich der Niederspannung Steigende Anzahl an Schalthandlungen durch fluktuierende Erzeugung Forderung nach kompakten und wartungsarmen Schaltgeräten hoher Leistungsdichte Ein Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Einsatz auch in Bordnetzen verschiedener Fahrzeuge Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 4

5 Agenda Motivation Schalten Schalten mit Metallkontakten Schalten mit Leistungshalbleitern Hybridschalter Aufbau Ablauf von Ein- und Ausschaltvorgängen Ausschaltvorgang eines Lichtbogengespeisten Hybridschaltgerätes Aktuelles Forschungsprojekt UPS Grenzen der Technologie Zusammenfassung und Ausblick Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 5

6 Mechanische Schaltgeräte Gewünschte Eigenschaften: Wenig wiegen Eine kleine Baugröße haben Geringe Durchlassverluste verursachen Eine lange Lebenserwartung haben Eine galvanische Trennung ermöglichen + Galvanische Trennung + Geringe Durchlassverluste - Kontakterosion und Abbrand durch den Lichtbogen - Komplizierte Lichtbogenlöscheinrichtungen bei Gleichstrom Quelle: [Erk74] Widerspruch zu der Forderung nach kleiner Baugröße und geringem Gewicht Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 6

7 Erhöhung der Lichtbogenspannung Verlängerung (1,2) Kühlung durch Kontakt mit den Löschkammerwänden (3) Kühlung durch gasabgebende Wände (4) B B B Kühlung durch rasche Bogenbewegung (5) B B Unterteilung durch Löschbleche (6) B Quelle: [Lind87] Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 7

8 Leistungshalbleiter Gewünschte Eigenschaften: Wenig wiegen Eine kleine Baugröße haben Geringe Durchlassverluste verursachen Eine lange Lebenserwartung haben Eine galvanische Trennung ermöglichen + Lichtbogenfreies Schalten + Sehr lange Lebenserwartung - Empfindlich gegenüber Überspannungen - Große Kühleinrichtungen durch die hohen Durchlassverluste Widerspruch zu der Forderung nach kleiner Baugröße und geringem Gewicht Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 8

9 Übersicht Leistungshalbleiter Quelle: [Lutz] Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 9

10 Agenda Motivation Schalten Schalten mit Metallkontakten Schalten mit Leistungshalbleitern Hybridschalter Aufbau Ablauf von Ein- und Ausschaltvorgängen Ausschaltvorgang eines Lichtbogengespeisten Hybridschaltgerätes Aktuelles Forschungsprojekt UPS Grenzen der Technologie Zusammenfassung und Ausblick Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 10

11 Vergleich Mechanischer- und Halbleiterschalter mechanisch Halbleiter Schaltmechanismus metallische Kontakte PN-Übergang Kontaktwiderstand ~µω ~mω Durchlassverluste sehr gering relativ hoch Spannungsfall im Betrieb ~100 mv ~3 V Isolationsvermögen sehr hoch stark limitiert Überlastbarkeit sehr hoch stark limitiert (i 2 t) Schaltzeit ~20 ms ~1 µs Überspannungsschutz nicht nötig sehr wichtig Größe kompakt und klein sehr groß wegen Kühleinrichtungen Wartung nötig nicht nötig Quelle: [Atmadji] Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 11

12 Hybridschalter Kombination beider Schalter Halbleiter nur bei Schaltvorgang aktiv Kein Kühlkörper nötig Lichtbogenarmes Schalten Sehr verschleißarmes Schalten Quelle: [Bösche] Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 12

13 Hybrider Einschaltvorgang 1. Isolationsschalter S I schließt stromlos 2. IGBT Q wird eingeschaltet 3. Strom beginnt zu fließen Hybrid electronic circuit 4. Hauptschalter S H wird geschlossen 5. Strom kommutiert auf den Hauptschalter 6. IGBT Q wird ausgeschaltet Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 13

14 Hybrider Ausschaltvorgang 1. IGBT Q wird eingeschaltet 2. Hauptschalter S H wird geöffnet 3. Strom kommutiert auf den IGBT Q 4. IGBT Q wird ausgeschaltet Hybrid electronic circuit 5. Strom Kommutiert auf den Varistor, welcher die Ausschaltüberspannung begrenzt 6. Strom wird durch den Varistor zu Null gezwungen 7. Isolationsschalter S I öffnet stromlos Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 14

15 Bidirektionaler Hybridschalter Einfache Konfiguration erlaubt nur unipolares Schalten Bipolares Schalten zum Beispiel durch Gleichrichter Stromtragphase Leistungshalbleiter 500µs Momentaner AC-Stromwert wirkt für Elektronik wie Gleichstrom Höhere Durchlassspannung der Halbleiter verlängert Kommutierungsdauer Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 15

16 Lichtbogengespeiste Elektronik für hybride Ausschaltvorgänge I I IGBT U HL Quelle: [Bösche] Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 16

17 Ausschaltvorgang bei 560 V / 200 A / 3 ms Ladevorgang Überspannungsbegrenzung Stromtragphase t in ms Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 17

18 Leistungselektronik in Stromnetzen UPS Universal power Switch Fördermaßnahme: Anwendungsorientierte nichtnukleare FuE im 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung Förderbereich: Systemintegration erneuerbarer Energien Verbundprojekt aus Industrie und Forschung: FKZ: A Verbundvorhaben: Verschleißarmer und kompakter Hybrid-Leistungsschalter hoher Leistungsdichte für den Einsatz in Verteilnetzen für Gleich- und Wechselstrom zur Systemintegration erneuerbarer Energien Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 18

19 Anforderungen an den Hybridschalter Nennspannung 500 VDC 355 VAC Dauernennstrom A Grenze des hybriden Schaltens A Bemessungskurzzeitstromfestigkeit 5 ka Antriebsgeschwindigkeit 0,5-5 m/s Zeitkonstante ms Kurzschluss Betriebsverhalten Überlast I 10 ka 5 2 2,5 Leistungsfaktor Kurzschluss Betriebsverhalten Überlast I 3 ka 0,9 3 < I 4,5 ka 0,8 4,5 < I 6 ka 0,7 0,8 0,5 6 < I 10 ka 0,5 Polanzahl 1 Schaltfrequenz 6x pro Stunde Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 19

20 Agenda Motivation Schalten Schalten mit Metallkontakten Schalten mit Leistungshalbleitern Hybridschalter Aufbau Ablauf von Ein- und Ausschaltvorgängen Ausschaltvorgang eines Lichtbogengespeisten Hybridschaltgerätes Aktuelles Forschungsprojekt UPS Grenzen der Technologie Zusammenfassung und Ausblick Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 20

21 Limitierungen des Hybridschaltgerätes Stromtragfähigkeit des Leistungshalbleiters ist begrenzt Massive Überdimensionierung für Kurzschlüsse unwirtschaftlich Unterbrechung des Stromes bei Kurzschlüssen durch mechanisches Schaltgerät Überlastbarkeit des Halbleiters begrenzt durch thermische Kapazität Limitierte Einschaltdauer Forderung nach einer schnellen Wiederverfestigung der Schaltstrecke Lichtbogenspannung Schaltstrecke > Durchlassspannung Leistungshalbleiter Andernfalls keine vollständige Stromkommutierung Limitierung der Betriebsspannung durch Reihenschaltung der Halbleiter Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 21

22 Agenda Motivation Schalten Schalten mit Metallkontakten Schalten mit Leistungshalbleitern Hybridschalter Aufbau Ablauf von Ein- und Ausschaltvorgängen Ausschaltvorgang eines Lichtbogengespeisten Hybridschaltgerätes Aktuelles Forschungsprojekt UPS Grenzen der Technologie Zusammenfassung und Ausblick Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 22

23 Zusammenfassung und Ausblick Hybridschalter vereint positive Eigenschaften von Halbleitern und mechanischen Kontakten Halbleiter nur beim Aus- und Einschalten aktiv Verzicht auf Kühlkörper ermöglicht kompakte Bauweise Erzeugen eines Stromnulldurchgangs ermöglicht Wiederverfestigen der Schaltstrecke Lichtbogenarmes Schalten reduziert den Verschleiß Kann zur Energieversorgung der Schaltung genutzt werden Lichtbogenbrenndauer sollte möglichst kurz gehalten werden Ersatz für Varistor als verschleißbehaftetes Bauteil Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 24

25 Quellen Erk74 A. Erk M. Schmelzle Grundlagen der Schaltgerätetechnik Springer-Verlag Berlin 1974 Lind87 Manfred Lindmayer Schaltgeräte Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise Springer-Verlag Berlin 1987 Atmadji A.M.S Atmadji, J.G.J. Sloot Hybrid Switching: A Review of current literature IEEE Catalogue No: 98EX137 Lutz Josef Lutz Halbleiter-Leistungsbauelemente Springer Vieweg ISBN Bösche Dirk Bösche Hybrid DC Circuit Breaker Feasibility Study IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology DOI: /TCPMT Dirk Bösche Hybridschalter Universelles Schaltgerät für Gleich- und Wechselstrom Seite 25