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Die
Erfindung betrifft ein Leistungsteil für einen elektrischen Umrichter
mit mindestens einem Zweigpaarmodul und einer Kondensatorbatterie.
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Ein
derartiges Leistungsteil ist aus der
DE 102 36 525 A1 bekannt. Dort sind das Zweigpaarmodul
und die Kondensatorbatterie derart angeordnet, dass sie über ein
gemeinsames Schienenpaket miteinander verbunden werden können. Damit
ist es möglich,
unerwünschte
Schwingströme,
die zu eine zusätzlichen
Beanspruchung von Komponenten führen
würden,
weitgehend zu vermeiden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Leistungsteil für einen elektrischen Umrichter
zu schaffen, das im Hinblick auf die Verminderung von Schwingströmen weiter
verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Leistungsteil der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
Zweigpaarmodul des erfindungsgemäßen Leistungsteils
weist ein erstes Schienenpaket und die Kondensatorbatterie weist
ein zweites Schienenpaket auf. Eines dieser beiden Schienenpakete weist
an einem Ende eine etwa V-förmige
Gestalt auf, über
die dieses Schienenpaket mit dem anderen Schienenpaket elektrisch
leitend miteinander verbunden ist. Insbesondere durch diese etwa
V-förmige Verbindung
wird eine sehr niederinduktive elektrische Verbindung zwischen den
beiden Schienenpaketen erreicht. Dies bringt den Vorteil mit sich,
dass mögliche
Schwingströme
in den Schienenpaketen weiter vermindert werden und praktisch keine
Auswirkungen mehr haben.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Leistungsteils besteht
darin, dass dessen einzelne Bauteile separat hergestellt und erst
am Einsatzort zusammengebaut werden können. Die einzelnen Bauteile
weisen dabei kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht auf,
so dass sie ohne besondere Hebewerkzeuge gehandhabt werden können. Insbesondere
ist es dadurch möglich,
dass die einzelnen Bauteile von einem Arbeiter auch in einer räumlich beengten
Umgebung ohne größeren Aufwand eingebaut
werden können.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungsteils
für einen
elektrischen Umrichter, 2 zeigt eine schematische Vorderansicht
des Leistungsteils der 1, 3 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Zweigpaarmoduls des Leistungsteils
der 1 mit gestrichelt dargestellten Leistungshalbleiter-Bauelementen, 4 zeigt
eine schematische Draufsicht auf die Kondensatorbatterie des Leistungsteils
der 1 mit gestrichelt dargestellten Kondensatoren,
und 5 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung
des Details X des Leistungsteils der 2.
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In
den 1 bis 5 ist ein Leistungsteil 10 für einen
elektrischen Umrichter dargestellt. Das Leistungsteil 10 kann beispielsweise
in einem Schaltschrank eingebaut sein. Das Leistungsteil 10 weist drei
baugleiche Zweigpaarmodule 11 und eine Kondensatorbatterie 12 auf.
Die drei Zweigpaarmodule 11 sind insbesondere in der 2 erkennbar.
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Jedes
der Zweigpaarmodule 11 weist eine elektrisch nichtleitende
Grundplatte 14 auf, auf der die Bauteile des Zweigpaarmoduls 11 gehalten
sind. Die Grundplatte 14 ist im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet
und mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche versehen. Die Grundplatte 14 ist
derart ausgestaltet, dass sie, wie dies insbesondere der 2 zu
entnehmen ist, in einer etwa vertikalen Position in den Schaltschrank
insbesondere als Einschub eingebaut werden kann.
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Auf
der Grundplatte 14 ist ein Kühlkörper 15 befestigt,
der eine Vielzahl von Rippen 16 aufweist, an denen Luft
vorbeiströmen
kann. Der Kühlkörper 15 ist
im wesentlichen quaderförmig
ausgebildet. Die Rippen 16 sind etwa quer zur Grundplatte 14 ausgerichtet.
Auf der der Grundplatte 14 abgewandten Seite ist der Kühlkörper 15 mit
einer Oberfläche 17 versehen.
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Auf
dem Kühlkörper 15 sind
zwei Leistungshalbleiter-Bauelemente
in Modulbauweise, beispielsweise zwei sogenannte IGBT-Module 19 (IGBT
= insulated gate bipolar transistor) angeordnet. Die IGBT-Module 19 sind
quaderförmig
ausgebildet und besitzen eine etwa rechteckige Montagefläche. Die
beiden baugleichen IGBT-Module 19 sind übereinander angeordnet und
weisen einen Abstand zueinander auf. Dies ist insbesondere aus der 3 erkennbar. Die
IGBT-Module 19 liegen mit ihrer Montagefläche an der
Oberfläche 17 des
Kühlkörpers 15 derart
an, dass die von den IGBT-Modulen 19 im Betrieb erzeugte
Wärme auf
den Kühlkörper 15 und
dort insbesondere auf dessen Rippen 16 übergehen kann.
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Die
IGBT-Module 19 weisen elektrische Anschlüsse 20 auf,
die mit Hilfe eines ersten Schienenpakets 22 miteinander
und mit anderen Bauteilen des Zweigpaarmoduls 11 elektrisch
leitend verbunden sind. Weiterhin sind die IGBT-Module 19 über das erste
Schienenpaket 22 mit der Kondensatorbatterie 12 elektrisch
leitend verbunden.
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Bei
dem ersten Schienenpaket 22 handelt es sich um zwei oder
mehrere ebene, dünne,
elektrisch leitfähige
Platten, die unter Zwischenlegung von ebenen, dünnen, isolierenden Platten
aufeinandergelegt sind. Die von dem ersten Schienenpaket 22 gebildete Ebene
ist im wesentlichen parallel zu der Oberfläche 17 des Kühlkörpers 15 und
damit etwa vertikal ausgerichtet. Die flächige Form der Platten ist
derart ausgebildet, dass einerseits die erforderlichen elektrischen
Verbindungen durch das erste Schienenpaket 22 realisiert
werden, und dass andererseits ein in dem ersten Schienenpaket 22 fließender Strom
einen möglichst
geringen magnetischen Fluss zur Folge hat.
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Zwischen
der Oberfläche 17 des
Kühlkörpers 15 und
dem ersten Schienenpaket 22 kann eine elektrische Steuerplatine
vorhanden sein, die mit denjenigen elektrischen Bauteilen bestückt ist,
die zur Steuerung und/oder Regelung der in den IGBT-Modulen 19 enthaltenen
Schaltelemente erforderlich sind. Diese Steuerplatine kann über eine Steckverbindung
beispielsweise mit einem Leitrechner verbunden sein.
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Weiterhin
können
auf der Oberfläche 17 des Kühlkörpers 15 oder
an anderer Stelle ein oder mehrere Heizwiderstände vorgesehen sein, mit deren
Hilfe der Kühlkörper 15 und
damit die IGBT-Module 19 insbesondere
vor einer Inbetriebsetzung auf eine erwünschte Temperatur vorgewärmt werden
können.
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Die
Zweigpaarmodule 11 weisen keine Kondensatoren auf, die
einen großen
Einbauraum erfordern würden.
Jedes der Zweigpaarmodule 11 weist unter anderem deshalb
kleine Abmessungen und eine geringe Masse auf. Jedes der Zweigpaarmodule 11 kann
damit von einer einzelnen Person ohne besondere Hebewerkzeuge beispielsweise
in den Schaltschrank eingebaut werden.
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In
der 1 ist links neben den Zweigpaarmodulen 11 und
unterhalb der Kondensatorbatterie 12 ein freier Raum vorhanden,
der von einem Luftkasten eingenommen wird. Über diesen Luftkasten wird
die zur Kühlung
der Kühlkörper 15 vorgesehene Luft
innerhalb des Schaltschranks geführt.
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Gemäß der 1 ist
die Kondensatorbatterie 12 oberhalb der Zweigpaarmodule 11 angeordnet. Innerhalb
des Schaltschranks können
hierzu Winkel oder dergleichen vorgesehen sein, von denen die Kondensatorbatterie 12 getragen
wird.
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Wie
insbesondere aus der 4 hervorgeht, weist die Kondensatorbatterie 12 insgesamt
achtzehn Kondensatoren 24 auf. Bei diesen Kondensatoren 24 handelt
es sich um Becherkondensatoren, und zwar vorzugsweise um sogenannte
Kunststoff-Folien-Kondensatoren. Alle achtzehn Kondensatoren 24 sind
zueinander parallel geschaltet und die gesamte Parallelschaltung
ist allen drei Zweigpaarmodulen 11 derart zugeordnet, dass
die von der Kondensatorbatterie 12 gebildete Kapazität zwischen
die positive und die negative Spannung aller drei Zweigpaarmodule 11 geschaltet
ist.
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Weiterhin
weist die Kondensatorbatterie 12 ein zweites Schienenpaket 25 auf,
das insbesondere in den 1 und 2 erkennbar
ist. Das zweite Schienenpaket 25 ist im wesentlichen in
gleicher Weise aufgebaut wie das erste Schienenpaket 22. Die
von dem zweiten Schienenpaket 25 gebildete Ebene ist im
wesentlichen senkrecht zu den Grundplatten 14 der Zweigpaarmodule 11 und
damit etwa horizontal ausgerichtet. Die flächige Form der Platten ist
derart ausgebildet, dass einerseits die von dem zweiten Schienenpaket 25 zu
realisierenden elektrischen Verbindungen vorhanden sind, und dass
andererseits ein in dem zweiten Schienenpaket 25 fließender Strom
einen möglichst
geringen magnetischen Fluss zur Folge hat.
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Die
Achsen der Kondensatoren 24 sind etwa vertikal ausgerichtet.
Jeder der Kondensatoren 24 ist auf seiner dem zweiten Schienenpaket 25 zugewandten
Stirnseite mit zwei außermittig
angeordneten Anschlüssen 26 versehen. Über diese
Anschlüsse 26 sind
alle Kondensatoren 24 der Kondensatorbatterie 12 mit
dem zweiten Schienenpaket 25 elektrisch leitend verbunden.
Weiterhin weisen die Kondensatoren 24 auf ihrer dem Schienenpaket 25 abgewandten
Stirnseite jeweils einen etwa mittig angeordneten Befestigungsbolzen 27 auf.
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Die
Kondensatoren 24 der Kondensatorbatterie 12 sind
von einer Umhausung 28 aus Kunststoff umgeben. Die Umhausung 28 ist
im wesentlichen quaderförmig
ausgebildet und weist eine Oberseite 29, zwei Seitenwände 30 und
eine teilweise durchbrochene Vorderwand 31 auf. Dies ist
insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich.
In der Oberseite 29 der Umhausung 28 sind Öffnungen 32 enthalten, durch
die die Befestigungsbolzen 27 der Kondensatoren 24 hindurchgreifen.
Damit werden die Kondensatoren 24 in ihrer örtlichen
Lage gesichert.
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An
der Vorderseite 31 der Umhausung 28 ist eine Platine 34 gehalten,
die mit Widerständen 35 versehen
ist. Die Platine 34 ist damit etwa vertikal angeordnet.
Weiterhin stehen von dem zweiten Schienenpaket 25 drei
Laschen 36 etwa quer ab. Die Laschen 36 sind damit
ebenfalls etwa vertikal ausgerichtet. Die mittlere der drei Laschen 36 befindet
sich in einer geringfügig
etwa parallel versetzten Ebene im Vergleich zu den anderen beiden äußeren Laschen 36.
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Über zwei
elektrische Leitungen 37 ist die Platine 34 mit
der mittleren und einer der beiden äußeren Laschen 36 elektrisch
verbunden. Auf diese Weise wird die Platine 34 mit der
positiven und der negativen Spannung der drei Zweigpaarmodule 11 verbunden.
Damit wird eine sichere Entladung der Kondensatoren 24 der
Kondensatorbatterie 12 über die
Widerstände 35 gewährleistet.
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Weiterhin
ist es mit Hilfe der Laschen 36 möglich, eine zweite zusätzliche
Kondensatorbatterie, die vorzugsweise baugleich ausgeführt ist
wie die beschriebene Kondensatorbatterie 12, zu der erläuterten
Kondensatorbatterie 12 parallel zu schalten. Diese zweite
Kondensatorbatterie kann dabei vorzugsweise oberhalb von der beschriebenen
Kondensatorbatterie 12 angeordnet werden.
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Die
Kondensatorbatterie 12 weist eher geringe Abmessungen und
ein geringes Gewicht auf. Die Kondensatorbatterie 12 kann
damit von einer einzelnen Person ohne besondere Hebewerkzeuge beispielsweise
in den Schaltschrank eingebaut werden.
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Gemäß der 2 sind
drei der beschriebenen Zweigpaarmodule 11 nebeneinander
angeordnet. Jedes dieser Zweigpaarmodule 11 weist dabei das
beschriebene erste Schienenpaket 22 auf. Insbesondere gemäß der 2 sind
alle drei Schienenpakete 22 der drei Zweigpaarmodule 11 mit
der Kondensatorbatterie 12 elektrisch verbunden, und zwar dort
mit dem beschriebenen zweiten Schienenpaket 25.
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In
der 5 ist die Verbindung des ersten Schienenpakets 22 eines
der Zweigpaarmodule 11 und des zweiten Schienenpakets 25 der
Kondensatorbatterie 12 als vergrößerter Ausschnitt dargestellt.
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Das
erste Schienenpaket 22 weist zumindest eine erste und eine
zweite elektrisch leitfähige
Platte 41, 42 auf, zwischen denen eine isolierende
Platte 43 angeordnet ist. Diese beiden Platten 41, 42 sind
in ihrer Ausgangsebene etwa vertikal ausgerichtet. An ihrer dem
zweiten Schienenpaket 25 zugewandten Kante weist die erste
und die zweite elektrisch leitfähige
Platte 41, 42 jeweils eine Abwinkelung 44, 45 auf,
die in einander entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Durch
die Abwinkelungen 44, 45 bilden die beiden Platten 41, 42 einen
Winkel von etwa 90 Grad zueinander. Durch die Abwinkelungen 44, 45 weisen
die Platten 41, 42 damit in diesem Bereich in
ihrer Draufsicht eine V-förmige
Gestalt auf, die insbesondere aus den 2 und 5 ersichtlich
ist. Beide elektrisch leitfähigen
Platten 41, 42 weisen jeweils eine weitere Abwinkelung 46, 47 um
jeweils weitere etwa 45 Grad auf, so dass die beiden Platten 41, 42 danach
wieder in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die etwa senkrecht
zu der Ausgangsebene der beiden Platten 41, 42 und
damit etwa horizontal ausgerichtet ist.
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Es
versteht sich, dass die Abwinkelungen 44, 45, 46, 47 auch
andere Winkel aufweisen können. Wesentlich
ist, dass die Abwinkelungen in ihrer Draufsicht eine etwa V-förmige Gestalt
aufweisen. Nach den Abwinkelungen 44, 45, 46, 47 sind
die beiden Platten 41, 42 um einen Winkel von
jeweils etwa 90 Grad abgewinkelt und damit wieder in einer gemeinsamen
Ebene angeordnet.
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Das
zweite Schienenpaket 25 weist zumindest eine erste und
eine zweite elektrisch leitfähige Platte 51, 52 auf,
zwischen denen eine isolierende Platte 53 angeordnet ist.
Auf ihrer dem ersten Schienenpaket 22 zugewandten Seite
weist das zweite Schienenpaket 25 eine weitere isolierende
Platte 54 auf. Die Kante der isolierenden Platte 43 des
ersten Schienenpakets 22 erstreckt sich etwa bis zu dieser weiteren
isolierenden Platte 54 des zweiten Schienenpakets 25.
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Die
elektrisch leitfähige
Platte 51 des zweiten Schienenpakets 25 ist über Schrauben 61 elektrisch leitfähig mit
der elektrisch leitfähigen
Platte 42 des ersten Schienenpakets 22 verbunden,
und zwar im Bereich der Platte 42 nach deren Abwinkelung 47. Die
elektrisch leitfähige
Platte 52 des zweiten Schienenpakets 25 ist über Schrauben 62 elektrisch
leitfähig
mit der elektrisch leitfähigen
Platte 41 des ersten Schienenpakets 22 verbunden,
und zwar im Bereich der Platte 41 nach deren Abwinkelung 46.
Zur Isolation der Schrauben 62 von der Platte 51 sind
in dieser Platte 51 Öffnungen 63 enthalten.
Entsprechendes gilt für
die Schrauben 61 und die Platte 52.
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Der
Aufbau des ersten und des zweiten Schienenpakets 22, 25 ist
sehr einfach. So werden komplizierte Abwinkelungen der elektrisch
leitfähigen Platten 41, 42, 51, 52 vermieden.
Ebenfalls werden jegliche Abwinkelungen der isolierenden Platten 43, 53, 54 vermieden.
Damit sind die beiden Schienenpakete 22, 25 einfach
und kostengünstig
herzustellen. Weiterhin wird die Montage der Schienenpakete 22, 25 durch
die Verwendung der Schrauben 61, 62 wesentlich
erleichtert.
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Wie
erläutert
wurde, werden die Zweigpaarmodule 11 vorzugsweise als Einschub
hergestellt und vor Ort in den Schaltschrank montiert. In entsprechender
Weise wird auch die Kondensatorbatterie 12 als Fertigbauteil
zusammengestellt und vor Ort in den Schaltschrank eingebaut. Der
Zusammenbau dieser Bauteile insbesondere im Bereich der Verbindung der
beiden Schienenpakete 22, 25 ist dabei, wie erläutert wurde,
einfach und unkompliziert.
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Durch
den realisierten, V-förmigen Übergang von
dem ersten Schienepaket 22 zu dem zweiten Schienenpaket 25 wird
eine sehr niederinduktive elektrische Verbindung erreicht. Schwingströme werden
weitestgehend vermieden und haben damit praktisch keine Auswirkungen
mehr.
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Die
in der Kondensatorbatterie 12 verwendeten Kunststoff-Folien-Kondensatoren
sind in der Lage, kurzzeitige Überspannungen
ohne Schaden zu überstehen.
Ebenfalls besitzen diese Kondensatoren selbstheilende Eigenschaften
und weisen nur eine geringe Verlustleistung und damit eine geringe
Wärmeentwicklung
auf. Die Lebensdauer der Kunststoff-Folien-Kondensatoren ist deshalb sehr hoch.
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Ein
weiterer Vorteil des beschriebenen Leistungsteils 10 besteht
darin, dass ein- und dieselbe Kondensatorbatterie 12 für Zweigpaarmodule 11 unterschiedlicher
Leistung verwendet werden kann. Hierzu ist es nur erforderlich,
dass die ersten Schienenpakete 22 der unterschiedlichen
Zweigpaarmodule 11 entsprechend den vorstehenden Erläuterungen
zu der 5 ausgebildet und damit zu dem zweiten Schienenpaket 25 der
Kondensatorbatterie 12 kompatibel sind.
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Weiterhin
besteht ein Vorteil des beschriebenen Leistungsteils 10 darin,
dass eine Kapazitätserhöhung der
Kondensatorbatterie in einfacher Weise dadurch erreicht werden kann,
dass längere
Einzelkondensatoren gleicher Bauart mit einer größeren Kapazität verwendet
werden. Dies ist ohne jegliche sonstigen Umbaumaßnahmen möglich.
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Das
beschriebene Leistungsteil 10 kann in einem motor- und
netzseitigen Umrichter für
eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine verwendet werden, und zwar
vorzugsweise für
den Einsatz in einer Windkraftanlage. In diesem Fall bringt die
kompakte Bauform der Zweigpaarmodule 11 und der Kondensatorbatterie 12 den
weiteren Vorteil mit sich, dass das Leistungsteil 10 ohne
besondere Werkzeuge in dem eher engen Turm der Windkraftanlage eingebaut
werden kann.