DE102019008177A1 - Hochfrequenz-mittelspannungsantrieb system für hochgeschwindigkeits maschinenanwendungen - Google Patents

Hochfrequenz-mittelspannungsantrieb system für hochgeschwindigkeits maschinenanwendungen Download PDF

Info

Publication number
DE102019008177A1
DE102019008177A1 DE102019008177.3A DE102019008177A DE102019008177A1 DE 102019008177 A1 DE102019008177 A1 DE 102019008177A1 DE 102019008177 A DE102019008177 A DE 102019008177A DE 102019008177 A1 DE102019008177 A1 DE 102019008177A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
power
transformer
cooling
cubes
medium voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019008177.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Enrique Ledezma
Paulo Guedes-Pinto
Randall Pipho
Bhaskara Palle
Ryan Edwards
Alex Skorcz
Rose Metzler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teco Westinghouse Motor Co
Original Assignee
Teco Westinghouse Motor Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/205,879 external-priority patent/US11258370B2/en
Priority claimed from US16/205,840 external-priority patent/US10537046B1/en
Application filed by Teco Westinghouse Motor Co filed Critical Teco Westinghouse Motor Co
Publication of DE102019008177A1 publication Critical patent/DE102019008177A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/085—Cooling by ambient air
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
    • H01F30/12—Two-phase, three-phase or polyphase transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B—BOARDS, SUBSTATIONS OR SWITCHING ARRANGEMENTS FOR THE SUPPLY OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B1/00—Frameworks, boards, panels, desks, casings; Details of substations or switching arrangements
    • H02B1/26—Casings; Parts thereof or accessories therefor
    • H02B1/30—Cabinet-type casings; Parts thereof or accessories therefor
    • H02B1/308—Mounting of cabinets together
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B—BOARDS, SUBSTATIONS OR SWITCHING ARRANGEMENTS FOR THE SUPPLY OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B1/00—Frameworks, boards, panels, desks, casings; Details of substations or switching arrangements
    • H02B1/56—Cooling; Ventilation
    • H02B1/565—Cooling; Ventilation for cabinets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20909—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler eine Vielzahl von Scheiben umfasst, die jeweils Folgendes aufweisen: einen Transformator mit einer Vielzahl von Primärwicklungen zum Koppeln mit einer Versorgungsquelle für Eingangsleistung und einer Vielzahl von Sekundärwicklungen; und eine Vielzahl von Leistungswürfeln, die mit der Vielzahl von Sekundärwicklungen gekoppelt sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichspannungsverbindung und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe zum Koppeln mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine umfasst.

Description

  • Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter der Förderkennzeichen DE-EE0007254 des Energieministeriums gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
  • Stand der Technik
  • Typische Mittelspannungs-(engl.: medium voltage, MV)-Leistungswandler oder sogenannte Systemantriebe bzw. Systemumrichter (engl.: drive systems) werden aus siliziumbasierten Topologien gebildet. Solche Systeme erfüllen nicht die von verschiedenen Branchen gestellten hohen Anforderungen zur Verbesserung der Gesamtsystemleistung und - kosten. Zu den besonderen Herausforderungen an die Systeme gehören der Betrieb bei höheren Grundfrequenzen, als es bei derzeitig möglich ist, z.B. bis zu 1000 Hertz (Hz) für Direktantriebsanwendungen, Hochleistungs-MV-Antriebe zur Bewältigung des Leistungsbedarfs im mittleren Leistungsbereich (z.B. bis zu 20 Megawatt (MW)), Gesamtwirkungsgrade des Wandlersystems besser als 97% und reduzierte volumetrische Leistungsdichte und Stellfläche zur Verbesserung von Systemleistungsdichte und -kosten. Aktuelle Systeme sind zu einem solchen Betrieb nicht in der Lage.
  • Vielmehr arbeiten traditionelle Multi-Megawatt- und Multi-Level-Mittelspannungs-Leistungswandler-Technologien auf Basis von Silizium-Bauelementen im Bereich von Grundfrequenzen von 0-120Hz, Schaltungen bei 600 Hz und Wirkungsgraden bis zu 95%. Der Betrieb bei höheren Grundfrequenzen verbietet sich auf Grund von hohen Schaltverlusten, die zu steilem System-Derating, dramatischen Systemeffizienzen und Verminderungen der Leistungsdichte führen.
  • Aufgabe und Lösung der Erfindung
  • Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler eine Vielzahl von Scheiben umfasst, die jeweils aufweisen: einen Transformator mit einer Vielzahl von Primärwicklungen zum Koppeln an eine Versorgungsquelle für Eingangsleistung und mit einer Vielzahl von Sekundärwicklungen; und eine Vielzahl von Leistungswürfeln, die mit der Vielzahl von Sekundärwicklungen verbunden sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichspannungs (DC)-Zwischenschaltung (DC-link) und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe zum Koppeln mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine umfasst.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Mittelspannungs-Leistungswandler ferner einen oder mehrere Sensoren, die mit einem Eingang des Mittelspannungs-Leistungswandlers gekoppelt sind, um Sensorinformationen zu erhalten. Der Mittelspannungs-Leistungswandler kann ferner ein Trennschaltersystem (engl.: circuit breaker system) umfassen, das zwischen der Versorgungsquelle der Eingangsleistung und dem Mittelspannungs-Leistungswandler geschaltet ist. Das Trennschaltersystem kann den Mittelspannungs-Leistungswandler zumindest teilweise auf den Sensorinformationen basierend aktiv mit der Versorgungsquelle der Eingangsleistung verbinden oder trennen. Der Mittelspannungs-Leistungswandler kann ferner eine Netzschnittstellensteuerung zum Speichern und Bereitstellen von Unterstützungsfunktionen für eine elektrische Hochgeschwindigkeitsmaschine, die mit einer mechanischen Hochgeschwindigkeitslast und einem Versorgungsnetz gekoppelt ist, beinhalten. Die Hochfrequenzlast kann eine Hochgeschwindigkeitsmaschine sein, die mit einer Frequenz zwischen 500-1000 Hertz arbeitet, wobei die Versorgungsquelle der Eingangsleistung mit einer Frequenz von 50/60 Hertz arbeiten soll. Die Niederfrequenz-Front-Endstufe kann eine SiC-basierte aktive Front-Endstufe sein. Jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln umfasst ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen (engl.: AC bus bar), die zu einer ersten Fläche des Leistungswürfels hin verschoben sind. Ein Gleichstrom-Bus (DC-bus) der Gleichstrom-Zwischenschaltung kann eine beschichtete Anordnung aufweisen, die zu einer zweiten Fläche des Leistungswürfels hin verschoben ist, wobei die beschichtete Anordnung einen ersten horizontalen Abschnitt mit Gate-Treiber-Öffnungen (engl.: gate drive openings) aufweist, die direkt dort hindurch ausgebildet sind. Der Gleichstrom-Bus kann ferner einen zweiten horizontalen Abschnitt beinhalten, der vertikal zum ersten horizontalen Abschnitt versetzt ist. Der zweite horizontale Abschnitt kann an eine Vielzahl von Kondensatoren gekoppelt sein, die eine Kapazität in der Größenordnung von etwa 7,6-11,4 Millifarad aufweisen können. Der erste horizontale Abschnitt kann Folgendes umfassen: eine Vielzahl von Wechselstrom-Busdurchgänge (AC bus clearances), über die eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen mit mindestens einer SiC-Vorrichtung verbunden werden sollen; und eine Vielzahl von Gate-Treiber-Schnittstellen (engl.: gate drive interfaces), über die Verbindungen zum Kommunizieren von Gate-Treiber-Signalen passend eingerichtet sind.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Scheiben, die jeweils einen Transformator aufweisen, der eine Vielzahl von Primärwicklungen zur Verbindung mit einem gemeinsamen Kopplungspunkt eines Versorgers bei einer ersten Frequenz, und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen, jeweils zum Koppeln mit einer aus einer Vielzahl von Leistungswürfeln der Scheibe aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine aktive (IGBT) Front-Endstufe mit Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (engl.: insulated gate bipolar transistor, IGBT), eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine SiC-Back-Endstufe zum Koppeln mit einer Last bei einer zweiten Frequenz umfasst, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist.
  • In einer Ausführungsform soll, sofern eine Energiequelle anstelle einer Last vorliegt, die SiC-Back-Endstufe als Gleichrichter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Inverter betrieben werden, um zu ermöglichen, erzeugten Strom über den gemeinsamen Kopplungspunkt dem Versorger zuzuführen. Der Mittelspannungs-Leistungswandler kann ferner eine Steuerung beinhalten, die dafür sorgt, dass, wenn der Versorger die Stromquelle ist, die SiC-Back-Endstufe als Inverter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Gleichrichter arbeitet.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Transformator für einen Mittelspannungs-Leistungswandler Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule passend angeordnet sind, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln Folgendes aufweist: einen Satz von Primärwicklungen, die um den entsprechenden Kernschenkel herum passend angeordnet sind; und einen Satz von Sekundärwicklungen, die um den Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform ist jeder der Vielzahl von Kernschenkeln einer Phase einer dreiphasigen Stromversorgung zugeordnet. Der Satz Primärwicklungen für einen ersten Kernschenkel kann parallelgeschaltet werden. In einer Ausführungsform ist jede aus einem ersten Satzes von Sekundärwicklungen, die um den, um einen ersten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt mit einem von einem ersten Leistungswürfel, wobei der erste Leistungswürfel eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, einem zweiten Leistungswürfel mit einer Niederfrequenz-Front-Endstufe, einer Gleichstrom-Zwischenschaltung und einer Hochfrequenz-Back-Endstufe, und einem dritten Leistungswürfel mit einer Niederfrequenz-Front-Endstufe, einer Gleichstrom-Zwischenschaltung und einer Hochfrequenz-Back-Endstufe; ist jede aus einem zweiten Satz Sekundärwicklungen, die um den, um einen zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz Primärwicklungen herum passend angeordneten sind, gekoppelt an einen von dem ersten Leistungswürfel, dem zweite Leistungswürfel und dem dritte Leistungswürfel; und ist jede aus einem dritten Satz Sekundärwicklungen, die um den, um einen dritten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt mit einem von dem ersten Leistungswürfel, dem zweiten Leistungswürfel und dem dritten Leistungswürfel.
  • In einer Ausführungsform stellt die Vielzahl von Sekundärwicklungen eine symmetrische Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln bereit. Jede aus dem Satz von Primärwicklungen kann von einer anderen aus dem Satz von Primärwicklungen um einen ersten Trennabstand von mindestens zwei Zoll beabstandet sein, um eine Entkopplung voneinander zu gewährleisten. Die Vielzahl von Sekundärwicklungen stellt einen Teil der symmetrischen Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Gewährleistung von Steuerstabilität bereit. Jede aus dem Satz von Primärwicklungen kann von dem Satz der Sekundärwicklungen um einen zweiten Trennungsabstand von mindestens einem halben Zoll beabstandet sein.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler einen Schrank mit Folgendem umfasst: einer Leistungswürfelaufnahme, um eine Vielzahl von Leistungswürfeln aufzunehmen, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, wobei die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung mit einer Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; und eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten; und eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zum Koppeln zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei die Transformatoraufnahme eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Kühlen des mindestens einen Transformators umfasst.
  • In einer Ausführungsform beinhaltet der Schrank mindestens eine erste Öffnung, um den ersten Kühlluftstrom von der Transformatoraufnahme in die Leistungswürfelaufnahme umzuleiten, und mindestens eine zweite Öffnung, um einen aus der Vielzahl von Leistungswürfeln austretenden Luftstrom aus der Leistungswürfelaufnahme in die Transformatoraufnahme zu leiten. Die Vielzahl von Kühlgebläsen kann den austretenden Luftstrom absaugen. Der Schrank kann ein permeables Element beinhalten, um zu ermöglichen, dass ein zweiter Kühlluftstrom aus einer äußeren Umgebung über die Vielzahl von Kühlgebläsen durch den mindestens einen Transformator geleitet wird. Der Schrank kann als abgedichtetes Gehäuse ausgebildet sein. In einem Beispiel soll die Transformatoraufnahme luftgekühlt und die Leistungswürfelaufnahme flüssiggekühlt sein. Die Leistungswürfelaufnahme kann von der Transformatoraufnahme isoliert sein.
  • In einer Ausführungsform beinhaltet die Leistungswürfelaufnahme Folgendes: einen Wärmetauscher zum Entziehen von Wärme aus dem ersten Kühlluftstrom; eine erste Öffnung, um zu ermöglichen, dass der erste Kühlluftstrom durch die Vielzahl von Leistungswürfeln geleitet wird; und eine zweite Öffnung zum Leiten eines Stroms erwärmter Luft aus der Vielzahl von Leistungswürfeln zum Wärmetauscher.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein System einen oder mehrere Mittelspannungs-Leistungswandler umfasst, von denen jeder einen ersten Schrank umfassen kann, der Folgendes aufweist: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst und die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung mit einer Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zur Kopplung zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln. Die Transformatoraufnahme kann eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Kühlen des mindestens einen Transformators beinhalten. Der mindestens eine Transformator kann Folgendes beinhalten: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule passend angeordnet sind, wobei: ein erster Kernschenkel eine erste Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen, um die erste Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordneten, ersten Satz von Primärwicklungen, und einen, um den ersten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordneten, ersten Satz von Sekundärwicklungen, aufweist; ein zweiter Kernschenkel eine zweite Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen, um die zweite Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordneten, zweiten Satz von Primärwicklungen, und einen, um den zweiten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordneten, zweiten Satz von Sekundärwicklungen, aufweist; ein dritter Kernschenkel eine dritte Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen, um die dritte Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordneten, dritten Satz von Primärwicklungen, und einen, um den dritten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordneten, dritten Satz von Sekundärwicklungen, aufweist.
  • In einer Ausführungsform beinhaltet das System ferner: eine erste Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der ersten Säule passend angeordnet ist; und eine zweite Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der zweiten Säule passend angeordnet ist. Der erste Schrank kann in Bezug auf eine äußere Umgebung abgedichtet sein, wobei mindestens eine erste Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen ersten Kühlluftstrom von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme zu gewährleisten, und mindestens eine zweite Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen Abluftstrom von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme zu gewährleisten.
  • In einem Beispiel umfasst das System ferner eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten. Das System kann ferner ein erstes zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten und ein zweites zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen von mindestens der Niederfrequenz-Front-Endstufe und der Hochfrequenz-Back-Endstufe der Vielzahl von Leistungswürfeln beinhalten.
  • In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung einen Schrank mit einem Mittelspannungs-Leistungswandler. Der Schrank kann Folgendes beinhalten: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln in einem entsprechenden Gehäuse eingepasst ist und eine Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Back-Endstufe umfasst; eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, um einen isolierten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten; und eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zur Kopplung zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln. Die Transformatoraufnahme kann Folgendes beinhalten: eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Leiten des Kühlluftstroms, wobei der Schrank mindestens eine erste Öffnung zum Leiten des Kühlluftstroms von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme, und mindestens eine zweite Öffnung zum Leiten eines aus der Vielzahl von Leistungswürfeln austretenden Luftstroms von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme umfasst.
  • In einer Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung ferner: eine erste Vielzahl von Kühlplatten, die um einen ersten Kernschenkel des mindestens einen Transformators herum passend angeordnet sind und zwischen dem ersten Kernschenkel und einem ersten, um den ersten Kernschenkel herum passend angeordneten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind; eine zweite Vielzahl von Kühlplatten, die um einen zweiten Kernschenkel des mindestens einen Transformators herum passend angeordnet sind und zwischen dem zweiten Kernschenkel und einem, um den zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, zweiten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind; und eine dritte Vielzahl von Kühlplatten, die um einen dritten Kernschenkel des mindestens einen Transformators herum passend angeordnet sind, und zwischen dem dritten Kernschenkel und einem, um den dritten Kernschenkel herum passend angeordneten, dritten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung ferner beinhalten: eine erste Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt einer ersten Säule des mindestens einen Transformators passend angeordnet ist; und eine zweite Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt einer zweiten Säule des mindestens einen Transformators passend angeordnet ist. Die Vorrichtung kann ferner ein erstes Zweiphasen-Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten und ein zweites Zweiphasen-Kühlsystem zum Kühlen von mindestens der Vielzahl von Leistungswürfeln umfassen. Der Schrank kann ein abgedichtetes Gehäuse sein. Die Vorrichtung kann ferner eine Vielzahl von Drosselspulen beinhalten, die innerhalb der Transformatoraufnahme eingepasst sind, wobei jede der Vielzahl von Drosselspulen zwischen dem mindestens einen Transformator und einem Entsprechenden aus der Vielzahl von Leistungswürfeln geschaltet ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Hochgeschwindigkeits-LeistungswandlerUmgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2A ist ein schematisches Schaltbild eines repräsentativen SiC-basierten modularen Leistungsbausteins gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2B ist ein schematisches Schaltbild eines Leistungswürfels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2C ist ein schematisches Schaltbild eines Leistungswürfels gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist ein schematisches Schaltbild eines modularen Multi-Megawatt-Leistungswandler-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist ein Blockdiagramm einer Schnittstellenschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandler-Schranks gemäß einer Ausführungsform.
    • 6 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandler-Schranks gemäß einer weiteren Ausführungsform.
    • 7 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandler-Schranks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 8A ist ein Blockdiagramm von Details einer Kühlanordnung für einen Transformator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 8B ist eine Rückansicht eines Transformators, die eine Kühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiter veranschaulicht.
    • 8C ist eine Querschnittsansicht einer Transformatorensäule, die eine Kühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiter veranschaulicht.
    • 8D ist eine Darstellung eines Transformators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 8E ist ein schematisches Schaubild der Transformatoranschlüsse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9 ist eine grafische Darstellung des Diagramms einer Wirkungsgradkurve eines Scheibentransformators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ist eine grafische Darstellung einer Scheibenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 11 ist eine grafische Darstellung eines ganzen SiC-basierten Leistungswürfels gemäß einer Ausführungsform.
    • 12 ist eine grafische Darstellung einer Gleichstrom-Bus-Anordnung gemäß einer Ausführungsform.
    • 13 ist eine Anordnung mit entkoppelten Wechselstrom- und Gleichstrom-Bussen gemäß einer Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein modularer Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Mittelspannungs-Systemumrichter mittels eines Breitbandspalt-(WBG)-basierten Mittelspannungs (MV)-Leistungswandlers realisiert werden. Ein solcher Leistungswandler ermöglicht Hochgeschwindigkeitsmaschinen-Systemumrichter. In einigen Systemen können ein WBG-basierter MV-Leistungswandler und eine Hochgeschwindigkeits-Induktionsmaschine miteinander gekoppelt werden, um eine bidirektionale Leistungsübertragung zu ermöglichen. Die Leistungsübertragung erfolgt zwischen einem Versorgungsnetz und einer mechanischen Last. In weiteren Ausführungsformen kann das Leistungswandlersystem an eine elektrische oder andere Hochgeschwindigkeitslast, die als Quelle dienen kann, angeschlossen werden, so dass das System die gesammelte Energie mit geeigneter Spannung und geeignetem Strom an ein Versorgungsnetz übertragen kann.
  • Der Systemaufbau kann für hocheffiziente Systeme auf vollständigen WBG-Vorrichtungen wie Siliziumkarbid (SiC)-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder für kostengünstige Anwendungen auf aktiven (IGBT-) Front-Endstufen mit Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (engl.: insulated gate bipolar transistor, IGBT), bei denen ein System-Derating zulässig ist und eine minimale Systemleistungsdichte und - Stellfläche nicht einschränkend sind, basieren. In einer weiteren Ausführungsform kann eine hybride Leistungstopologie (z.B. IGBT- und SiC-Leistungs-MOSFET-Kombinationen) verwendet werden- für erleichterte Anforderungen an das elektrische Schalten oder aus Überlegungen zur Kostensenkung bei gleichbleibender akzeptablen Gesamtsystemleistung.
  • In 1 ist nun ein schematisches Schaltbild einer Leistungswandlerumgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Genauer gesagt wird, wie in 1 dargestellt, die Leistungsumwandler-Umgebung 100 mit einem modularen Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Mittelspannungs-Systemumrichter mit einer hybriden Wandleranordnung auf zuvor beschriebene Art und Weise umgesetzt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist ein System-Umrichter 115 über einen Punkt gemeinsamer Kopplung (engl.: point of common coupling, PCC) mit einem Versorgungsnetz (das je nach Land mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz betrieben werden kann) durch ein Trennschaltersystem 105 verbunden. Zum Beispiel koppelt der System-Umrichter 115 wiederum an eine Hochgeschwindigkeitsmaschine 140, die wiederum an eine mechanische Hochgeschwindigkeitslast gekoppelt werden kann.
  • Der System-Umrichter 115 kann in einem oder mehreren Schränken implementiert werden. In einer Ausführungsform kann der System-Umrichter 115 als 1,8 - 2,3 MVA Hochfrequenz-Umrichter mit einer Nennspannung von 4160 Volt (V) und betreibbar zwischen 500-1000 Hertz (Hz) implementiert werden. Wie dargestellt, kann der System-Umrichter 115 eine Mehrscheibenanordnung mit einzelner Netzsteuerung, wo eine Wandlersystemsteuerung angeordnet ist, und 3 Scheiben, die als Subsystem 120 ausgeführt sind, beinhalten. In der Übersichts-Ansicht in 1 ist zu beachten, dass das Subsystem 120 aus Scheiben mit Hybridtechnologie besteht, nämlich aus Front-Ends, die aus IGBTs und Back-Ends, die aus SiCs bestehen - was eine Hybrid-Topologie ergibt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Scheibe“ (engl.: „slice“) auf einen Teil eines Leistungswandlersystems, das mindestens einen Transformator und mehrere sogenannte Leistungswürfel, die Halbleiterschaltvorrichtungen umfassen, beinhaltet. Ein Slice-basiertes System koppelt also zwischen einem Netzanschluss, der bei einer ersten, niedrigen Frequenz arbeiten kann, und einem Lastanschluss, der bei einer zweiten, hohen Frequenz arbeiten kann. Und wie hier beschrieben, kann die Richtung des Leistungsflusses durch eine Scheibe je nach gegebener Systemimplementierung und Steuerungskonfiguration bidirektional sein. Zu beachten ist, dass der Begriff „niedrige Frequenz“ so wie hier verwendet sich auf eine Frequenz eines Versorgers bezieht - im Allgemeinen weniger als 100 Hz und insbesondere 50 oder 60 Hz. Und der Begriff „hohe Frequenz“ soll sich so wie hier verwendet auf den Betrieb mit einer Frequenz beziehen, die wesentlich größer ist als die Versorgungsfrequenz. Repräsentative Anwendungsfälle eines Leistungswandlers können beispielsweise an Hochfrequenz-Lasten zwischen ca. 500 Hz - 1000 Hz gekoppelt werden.
  • Obwohl in 1 als Hybrid-Topologie dargestellt, ist es so zu verstehen, dass in anderen Implementierungen eine vollständige WBG-basierte Topologie vorhanden sein kann. Mit zugehöriger Elektronik wird diese Anordnung des System-Umrichters 115 hier auch als modularer Leistungsbaustein (engl.: modular power building block, MPBB) bezeichnet. Details eines bestimmten MPBBs und einer Scheibe werden im Weiteren näher beschrieben. Wie dargestellt, koppelt das Subsystem 120 zwischen einem Eingang aus dem Versorgungsnetz über ein Vakuumschütz VC1 und einem Schutz mittels transienter Spannungsunterdrückung (TVS) Dl. Im Gegenzug koppelt ein Ausgang des Subsystems 120 über ein 3-phasiges, einfach abgeschirmtes Stromkabel 129 an ein weiteres Gehäuse 140, in dem sich eine elektrische Maschine 145 befindet.
  • Mit Bezug auf die weiteren Details, die in der Abbildung in 1 dargestellt sind, beinhaltet der System-Umrichter 115 weiterhin eine externe Kühleinheit 123, die über eine Glasfaserverbindung mit dem Subsystem 120 verbunden ist. Darüber hinaus ist eine Hochspannungs-Feedback-Platine (engl.: high voltage feedback board, HVF) 122 zwischen dem Eingang des Subsystems 120 und seinem Ausgang geschaltet. HVF 122 koppelt weiter an eine Hauptsystemsteuerplatine (engl.: main system control board, MSCB) 124, die wiederum an eine speicherprogrammierbare Systemsteuerung (engl.: programmable logic controller, PLC) des Systems 126 gekoppelt ist. Wie dargestellt, koppelt die System-PLC 126 weiter an einen Glasfaser-zu-RS232-Konverter 128, um eine Glasfaser-Schnittstelle bereitzustellen. Darüber hinaus koppelt HVF 122 an einen Empfänger 125. Die Kommunikationsblöcke 128 und 125 bieten eine Umsetzung mittels Glasfaser zur Minimierung von Latenz- und Rauscheinflüssen auf lokale Befehlskommunikationssignale zwischen dem Geschwindigkeits-Systemumrichter 115 mit variabler Frequenz und der Hochgeschwindigkeitsmaschine 140. Die Systemsteuerung MSCB 124 verarbeitet das Steuersignal von HVF 122, System-PLC 126 und Empfänger 125. Die Systemsteuerung MSCB 124 überträgt die erzeugten Aktionen (engl.: actions) über die System-PLC 126 an den Rest des Systems und Spannungsbefehlsreferenzen (engl.: voltage command references) an das Subsystem 120 für die Raumvektor-Pulsweitenmodulation (engl.: space vector pulse width modulation, SVPWM) und die Implementierungen der Spreizträger-PWM-Schaltermodulation (engl.: spread carrier PWM switch modulation).
  • Weiterhin mit Bezug auf 1 sind auch Details der Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 dargestellt. Wie veranschaulicht, kann die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 in einer Ausführungsform für eine Nennleistung von 4160 V und 15.000 U/min oder für andere Nennleistungen höherer Spannung und Geschwindigkeit ausgelegt sein. Die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 beinhaltet eine elektrische Maschine 145, die über ein abgeschirmtes Netzkabel 129 3-phasig Strom erhält. Messungen in Bezug auf die Parameter der elektrischen Maschine 145 können von verschiedenen Komponenten durchgeführt werden, einschließlich der RTDs 143, deren Ausgänge über eine Glasfaserverbindung über einen RTD-Faser-Konverter 142, Beschleunigungssensoren 152, Näherungsschalter 154 und einen Phasenlagenaufnehmers (engl.: key-phasor) 156 gesendet werden können. Wie dargestellt, können diese Komponenten mit einer Steuerung, nämlich einer Netzschnittstellensteuerung 160, in Verbindung stehen, die über Glasfaserschnittstellen weiter mit der System-PLC 126 des Systemumrichters 115 gekoppelt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Netzschnittstellensteuerung 160 innerhalb der MPBB 115 und bietet erweiterte Unterstützungsfunktionen für die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140, ein Regler für mechanische Hochgeschwindigkeitslasten 165 (engl.: high speed mechanical load controller) und einen Netzsystemmanager 170. Darüber hinaus bietet die Netzschnittstellensteuerung 160 lokale smart-Fähigkeit (engl.: smart capability), indem sie Verbindungsinformationen speichert und verarbeitet, z.B. erweiterte Unterstützungsfunktionsalgorithmen.
  • Wie weiter zu sehen ist, beinhaltet die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 auch eine Stromversorgung 141, die als 120 VAC/24 VDC-Stromversorgung konfiguriert werden kann, die wiederum einen Sender 144 (engl.: transmitter) und einen Geber 146 (engl.: encoder) versorgt, die an eine mechanische Last gekoppelt werden können. In 1 ist die Ausführungsform in Übersichts-Ansicht dargestellt und dabei sollte verstanden werden, dass viele Varianten und Alternativen dazu möglich sind.
  • In 2A ist ein schematisches Schaltbild eines repräsentativen SiC-basierten modularen Leistungsbausteins (MPBB) 200 dargestellt. In typischen Ausführungen kann die Modularität durch einen System-Umrichter mit mehreren MPBBs gewährleistet werden. Zur besseren Veranschaulichung ist jedoch in 2A nur ein einziges MPBB dargestellt. In den Ausführungsformen kann die MPBB 200 in einem oder mehreren modularen Gehäusen ausgeführt werden, z.B. in einer Reihe von Schrankgehäusen. In Bezug auf MPBB 200 sind eine Vielzahl von Scheiben 2251-2253 vorhanden. In einem Beispiel einer modularen Implementierung kann jede Scheibe 225 in einem eigenen Scheiben-Schrank umgesetzt werden. Obwohl es zur Vereinfachung der Darstellung in 2 nicht so gezeigt ist, ist es so zu verstehen, dass eine MPBB zudem einen weiteren Schrank zur Aufnahme einer Netzsteuerung und der zugehörigen Elektronikschaltungen beinhalten kann, so wie in der Übersichts-Ansicht der 1 dargestellt.
  • Wie man sieht, beinhaltet jede Scheibe 225 einen Transformator 2301-2303 . Jeder Transformator ist ein 3-phasiger Transformator, der eine Primärseite in einer WYE-Konfiguration und eine Sekundärseite in einer DELTA-Konfiguration konfiguriert haben kann. Genauer gesagt, beinhaltet jeder Transformator 230 eine Vielzahl von Transformatorschenkeln (drei Schenkel pro Transformator), die zwischen einem Säulenpaar des Transformators eingepasst werden können. Jeder Transformatorschenkel weist eine 3 WYE Eingangswicklungskonfiguration auf, die am Eingang parallelgeschaltet ist (WYE-Äquivalent) und eine 3 isolierte DELTA-Wicklungskonfiguration am Ausgang. Für die drei Transformatoren 2301-2303 sind alle 9 WYE-Primärkonfigurationen am Eingang (GRID) parallelgeschaltet. Wie dargestellt, koppeln die Sekundärwicklungen der Transformatoren 230 wiederum an entsprechende Leistungswürfel 240A1-240C3 . So wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Leistungswürfel“ auf ein Elektronikmodul, das Halbleitervorrichtungen beinhaltet, die Schaltsignale empfangen, um Gleichrichtungs- und Wechselrichtungsoperationen zur Aufbereitung eines Stromflusses durchzuführen, einschließlich der Umwandlung einer eingehender Leistung mit einer ersten Frequenz in eine ausgehende, aufbereitete Leistung mit einer zweiten Frequenz. Je nach Richtung des Leistungsflusses kann die erste Frequenz höher sein als die zweite Frequenz oder umgekehrt.
  • In der Übersichts-Ansicht in 2A und wie insbesondere im Schaltplan in 2B dargestellt, ist bei einer Implementierung jeder aus einer Vielzahl von Leistungswürfeln 2401,a-c - 2403,a-c umgesetzt als voller SiC-Leistungswürfel mit einem aktiven Front-End (AFE)-Wandler 242, der gebildet ist aus einer Vielzahl von SiC-Schaltgeräten, einem Gleichstrom-Bus, der mit einer Kapazität C1 implementiert ist, und einer H-Brücken-Wandlerstufe 244, die mit einer weiteren Vielzahl von SiC-Schaltgeräten umgesetzt ist. Dabei sollte beachtet werden, dass die Komponente 242 ein Gleichrichter und die Komponente 244 ein Inverter ist, wenn die Leistung im Blockschaltbild in 2B von links nach rechts fließt. Wenn die Leistung von rechts nach links fließt, arbeitet die Komponente 242 als Inverter und die Komponente 244 als Gleichrichter. AFE bedeutet, dass die Stufe aktiv gesteuert wird. In dieser Ausführungsform ist die Schaltfrequenz der SiC-Geräte zwischen 4 und 12 kHz eingestellt, jedoch können je nach den verschiedenen Betriebsanforderungen (z.B. 2-Phasen-Kühlplatten-Temperaturbeständigkeitsgrenze) und den gewünschten Leistungszielen (z.B. Steuerstabilität der DC-Bus-Regelung) andere Schaltfrequenzen verwendet werden. So wird beispielsweise im Erzeugungsbetrieb (von rechts nach links auf dem Leistungswürfel 240) die vorgegebene Wirkleistung auf der einphasigen Wechselstrom-Seite bei 740VAC aufgenommen und von der Leistungswandlerstufe 244 nach einem PWM-Regelschema verarbeitet. Diese Leistung wird über die Kondensatorbank C1 der Gleichstrom-Zwischenschaltung, die von der Leistungsstufe 242 unter Verwendung eines SVPWM-Steuerungsschemas auf 1000VDC geregelt wird, übertragen und auf der 3-phasigen Wechselstrom-Seite bei 600V abgegeben. Die gesammelte Systemleistungsenergie wird über das Trennschaltersystem 105 in das Stromnetz übertragen, das durch auf der Netzschnittstellensteuerung 160 implementierte Steueraktionen gesteuert wird. Während des Motorbetriebs fließt die Wirkleistung nach dem oben beschriebenen entgegengesetzten Steuerungsprozess von links nach rechts. Während dieser Betriebsart kann das Hochgeschwindigkeitsmaschinensystem 140 unter Verwendung eines auf dem MSCB 124 implementierten Drehzahlregelalgorithmus gesteuert werden.
  • In der Ausführung in 2C ist eine alternative Ausführungsform eines Leistungswürfels schematisch dargestellt. Hier wird der Leistungswürfel 240' mit einer Hybrid-Topologie implementiert, die ein Front-End 246 aus IGBTs, einen durch eine Kapazität C1 repräsentierten Gleichstrom-Bus und eine Back-End-Stufe 248 mit SiCs aufweist. Wie bei der obigen Diskussion kann je nach Richtung des Leistungsflusses entweder die Front-Endstufe 246 oder die Back-Endstufe 248 als Inverter oder Gleichrichter wirken. In dieser Ausführungsform wird die Front-End-Schaltfrequenz zwischen 2 kHz und 6 kHz und die Back-End-Schaltfrequenz zwischen 6 kHz und 12 kHz eingestellt, wobei jedoch je nach Betriebsanforderungen und gewünschten Leistungszielen andere Schaltfrequenzen verwendet werden können. Der Hauptvorteil der Leistungstopologie des Leistungswürfels 240' kann eine kostengünstige Systemimplementierung sein. Die Back-Endstufe 248 kann SiC-basierte Vorrichtungen (z.B. 1700V SiC-Leistungs-MOSFETS) und die Front-Endstufe 246 kann mit kostengünstigen Si-basierten Vorrichtungen (z.B. 1700V IGBTs) implementiert werden.
  • In 3 ist nun eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in 3 dargestellt, ist das System 300 als Multi-Megawatt-Skalen-Leistungswandler-System 310 ausgeführt. Genauer gesagt, ist der repräsentative Leistungswandler 310 als skalierbarer, vollständig SiC-basierter Multi-Megawatt-Leistungswandler mit einer Vielzahl von modularen Antriebsgehäusen 3151-315n oder SiC-MPBBs umgesetzt, die jeweils einen Mehrscheiben-Systemumrichter 3201-320n beinhalten. Jedes MPBB 315 beinhaltet einen Mehrscheiben-Systemumrichter 320 und einen Netzschrank (Systemsteuerung, Ausgangs-/Eingangssensoren, Eingangs-/Ausgangs-Wechselstromanschlüsse). Die Anzahl der MPBBs, die einen bestimmten Leistungswandler bilden, ist designabhängig und richtet sich nach dem Leistungsbedarf.
  • Wie dargestellt, ist der Leistungswandler 310 mit einem Netz 302 verbunden, das 3-phasig Strom mit 13,8 Kilovolt (kV) liefern kann. Wie gesehen, koppelt der Leistungswandler 310 über einen PCC an das Netz 302. Der Leistungswandler 310 wiederum kann an verschiedene Lasten koppeln, einschließlich einer elektrischen Hochgeschwindigkeitsmaschine 340, die an eine mechanische Hochgeschwindigkeitslast oder ein anderes elektrisches Maschinensystem gekoppelt werden kann (nicht dargestellt). Wie in der dargestellten Ausführungsform veranschaulicht, kann jeder Leistungswandler 310 3-phasigen Strom mit 4,16 kV bei einer bestimmten Frequenz (z.B. zwischen 500-1000 Hz) oder einer höheren Nennspannung für andere Hochgeschwindigkeitsmaschinensysteme ausgeben.
  • In Bezug auf das repräsentative Leistungsumwandlungssystem 310 wird die eingehende Leistung über ein Trennschaltersystem 305 an einen Eingang eines bestimmten Antriebsgehäuses 315 bereitgestellt. In einer exemplarischen Ausführungsform kann diese Eingangsleistung bei 74 Ampere (A) bereitgestellt werden. Und in einer Ausführungsform kann jede MPBB 315, die einen Satz von Scheiben beinhaltet, eine Ausgangsleistung bei 350A liefern. In der in 3 dargestellten Übersichts-Ansicht kann jede MPBB 315, an einem Eingang der Scheiben wie vorstehend in 1 beschriebene Komponenten, einschließlich Vakuumschütz, TSV-Diode, umfassen.
  • Wie weiter veranschaulicht, können die Sensoren 3121A und 3121B jeweils am Eingang und Ausgang der Scheiben vorgesehen werden. In einer Ausführungsform können solche Sensoren 100A- und 500 LEM-Sensoren für 13,8kV/4,16 kV MPBB-Systeme umfassen, um Informationen über den Betrieb der Scheiben bereitzustellen und den Systemschutz und die Netzverbindung umzusetzen. Insbesondere kann das netzseitig gekoppelte Trennschaltersystem 305, basierend auf Sensordaten, systemgesteuert auf Wandlerbefehle reagieren, um den Leistungswandler 310 während des normalen Systembetriebs oder bei Systemfehlerereignissen mit dem Netz 302 verbunden oder nicht verbunden sein zu lassen. Zu beachten ist, dass in Ausführungsformen Sensoren wie die Sensoren 312 wie abgebildet lokal oder entfernt angeordnet sein können, um Informationen wie Spannung, Strom und Frequenz seitens des Stromnetzes zu liefern.
  • Auf diese Weise kann ein aus einem oder mehreren MPBBs bestehender System-Umrichter zwischen einem Netzanschluss und einer hochfrequenten Last koppeln. So kann beispielsweise der Eingang der MPBBs mit einem Netzanschluss verbunden werden, der mit 3-phasig bei 60 Hz, 13,8 kV arbeitet, und der Ausgang der MPBBs liefert (liefern) Ausgangsleistung für eine hochfrequente Last, die z.B. bei 500 Hz, 4,16 kV und 3-phasig betrieben werden kann. Umgekehrt kann das MPBB einen Hochfrequenz-Generator, der z.B. bei 500 Hz, 4,16 kV 3-phasig arbeitet, mit einem 3-phasigen Netzanschluss bei 60 Hz, 13,8 kV verbinden.
  • In einer Ausführungsform kann eine Glasfaser-basierte SiC-Gate- Treiber-Schnittstelle implementiert werden, um die Immunität gegen Systemrauschen zu verbessern und eine lokale Steuersignalverwaltung zu ermöglichen. Sie kann an jede handelsübliche oder maßgeschneiderte duale SiC-basierte Gerätelösung angepasst werden. In einer Ausführungsform kann die Schnittstelle passend auf einer Schaltkreisplatine angeordnet werden, die direkt über einem Gate-Treiber der Vorrichtung angeordnet werden kann, um die induktive Kopplung während der Signalanbindung zu minimieren. Ein FPGA-Chip kann onboard verwendet werden, um lokal smart-Funktionen (engl.: smart features) zur Verbesserung der Leistung von SiC-Bauelementen zu implementieren und die Unterbringung innerhalb dieser Einheit zu vereinfachen. Die Störung von Steuerungs- und Statussignalen kann zwischen Steuerung und Halbbrücken-Gate-Treibern aufgrund von Umgebungen hohen elektrischen Rauschens in SiC-Systemen verringert werden. Eine Simplex-Glasfaserleitung kann verwendet werden, um die Schaltzustände der Halbbrücke und die Steuerung der Gate-Treiberplatine von der Steuerung zum Gate-Treiber zu übertragen. Eine Simplex-Glasfaserleitung kann verwendet werden, um Fehlerzustände und SiC-MOSFET-Temperatur vom Halbbrücken-Gate-Treiber an die Steuerung zu übertragen. Für jeden Halbbrücken-Treiber kann eine isolierte Stromversorgung verwendet werden, um Erdschleifen zwischen den einzelnen Halbbrücken-Steuerungen zu minimieren.
  • In 4 ist nun ein Blockdiagramm einer Schnittstellenschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Genauer gesagt, wie in 4 dargestellt, kann die Schnittstellenschaltung 400 mit einer Glasfaser-basierten SiC-Gate-Treiber-Schnittstelle implementiert werden, um die verschiedenen Schaltkomponenten einer Scheibe wie hier beschrieben zu steuern.
  • Wie dargestellt, beinhaltet die Schnittstellenschaltung 400 eine Würfelsteuerung 410, die verschiedene Steuer- und Schaltsignale erzeugen kann, z.B. basierend auf Rückmeldestatusinformationen sowie Steuerinformationen, die von einer übergeordneten Steuerung (z.B. einer Scheiben-Steuerung, die in 4 zur besseren Darstellung nicht gezeigt ist) empfangen werden. Die Würfelsteuerung 410 ist so dargestellt, dass sie mit einer Vielzahl von Schnittstellen 4201-420n verbunden ist. Wie man bei der repräsentativen Schnittstelle 4201 sehen kann, ist ein DC/DC-Netzteil 425 enthalten, das eine Gate-Drive-Fiber-Interface (GDFI)-Glasfaser-Schnittstellensteuerung 430 mit Strom versorgt, die wiederum mit einem allgemeinen SiC-Gate-Treiber 435 gekoppelt ist. Ein solcher Gate-Treiber kann wiederum mit einem Halbbrücken-SiC- oder IGBT-Modul 440 verbunden werden. Zu beachten ist, dass SiCs/IGBTs selbst an einer Schnittstelle 420 nicht vorhanden sind und dass sie, wie im Folgenden näher beschrieben, unter der Schnittstellenkarte und direkt auf einer Kühlplatte verbunden sind. Wie dargestellt, kann die Würfelsteuerung 410 optisch über Glasfaser unterschiedliche Informationen, einschließlich des Gatezustands und der Steuersignale, mit der Steuerung 430 kommunizieren. Ebenfalls über Glasfaserkommunikation können IGBT und Antriebsstatus an die Würfelsteuerung 410 zurückgemeldet werden (diese bidirektionalen Signale sind gemeinsam als Signale 450 dargestellt). Um die Kommunikation zwischen der Steuerung 430 und dem Gate-Treiber 435 zu gewährleisten können Kupferverbindungen verwendet werden.
  • Obwohl die Ausführungsformen in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt sind, kann durch die Verwendung von Kommunikation über Glasfaser ein Abstand von ca. 0,1-50 Metern zwischen Würfelsteuerung 410 und Interface-Steuerung 430 realisiert werden. Mit der Kupferverbindung zwischen den Interface-Steuerungen 430 und den Gate-Treibern 435 kann ein relativ kleiner Abstand eingehalten werden (z.B. 1,5 Zoll).
  • Ausführungsformen können eine Kühlung von Transformatoren und Invertern auf unterschiedliche Weise ermöglichen. In einigen Fällen können beide Abschnitte, so wie sie in einem bestimmten Scheibenschrank implementiert sind, luftgekühlt sein. Und einer oder mehrere der Transformator- und Inverterabschnitte können über ein zweiphasiges Kühlsystem flüssiggekühlt sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können Kühlaufbauten für Leistungstransformatoren für eine verbesserte Wärmeabfuhr sorgen. Transformatoren und Leistungswürfel können mittels Durchluft gekühlt werden, um die Wärmeabfuhr zu verbessern (unter Ausnutzung mechanischer Barrieren). Unabhängig davon, ob es sich bei der Gesamtkühlung um Luft- oder Flüssigkeitskühlung handelt, sollte es so zu verstehen sein, dass die Leistungswürfel-Kühlung von Haupthalbleiterkomponenten (z.B. allen SiCs und IGBTs) intern mit Hilfe einer 2-Phasen-Kühlung erfolgen kann.
  • In 5 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandlerschranks gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Zu beachten ist, dass der Schrank 500 ein Scheiben-Schrank ist (mit einem einzelnen Transformator und 3 Leistungswürfeln). Dabei ist es so zu verstehen, dass, wie in 2 definiert, in einer Ausführungsform ein MPBB 3 Schrankscheiben umfassend hergestellt ist. Wie in der Querschnittsansicht in 5 dargestellt, beinhaltet der Schrank 500 einen Transformatorabschnitt 510 und einen Inverterabschnitt 550. Wie dargestellt, beinhaltet der Transformatorabschnitt 510 einen Transformator 515 mit mehreren Transformatorschenkeln 5151-5153 . Bei diesem Design kann die einströmende Luft z.B. über ein Gitter oder ein anderes durchlässiges Element an einem vorderen Teil des Schrankes 500 aufgenommen werden. Wie man sieht, wird der einströmende Luftstrom mittels einer Vielzahl von Kühlgebläsen 5201-5203 durch die Transformatorschenkel 515 geleitet, die die Abluft durch die Rückseite des Schranks 500 leiten. Eine mechanische Barriere zur Trennung von Würfel- und Transformatorabschnitten kann als horizontale Barriere aus GPO-3-Polyestermaterial ausgeführt werden. Diese Barriere hat, wie dargestellt, Öffnungen bei 568 und 570.
  • Im Gegenzug wird zusätzliche Luft vom Transformatorabschnitt 510 zum Inverterabschnitt 550 über eine oder mehrere Öffnungen 568 geleitet, wo sie durch eine Vielzahl von Leistungswürfeln 5601-5603 strömt. Zu beachten ist, dass in Ausführungsformen mechanische Barrieren 5650-5653 , z.B. aus GPO-3-Polyestermaterial, den Luftstrom zur korrekten Kühlung des Systems von der Öffnung 568 durch die Leistungswürfels 5601-5603 zwingen. Auf diese Weise erhält jeder Leistungswürfel zur Kühlung eine Zuleitung von Frischluft, die dann rückseitig von den Würfeln 560 und nach unten durch eine oder mehrere Öffnungen 570 zurück in den Transformatorabschnitt 510 entlüftet wird. Diese Mechanismen gewährleisten eine Luftzirkulation, wobei die Luft über Gebläse 520 nach außen geleitet wird. So erhalten die Transformatorschenkel 515 und die Leistungswürfel 560 Frischluft von außen und die Luft wird an der Rückseite des Schrankes ausgestoßen.
  • In 6 ist nun ein Seitenansichtsdiagramm eines Leistungswandlersschranks gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Wie in der Querschnittsansicht in 6 dargestellt, beinhaltet der Schrank 600 einen Transformatorabschnitt 610 und einen Inverterabschnitt 650. Wie dargestellt, weist der Transformator 615 mehrere Transformatorschenkel 6151-6153 auf. Bei dieser Ausführung kann die Zuluft z.B. über ein Gitter an einem vorderen Teil des Schrankes 600 aufgenommen werden. Wie zu sehen ist, wird der einströmende Luftstrom mittels einer Vielzahl von Kühlgebläsen 6201-6203 durch die Transformatorschenkel 615 geleitet, die die Abluft über die Rückseite des Schranks 600 leiten. Wie in 6 dargestellt, kann der Transformatorabschnitt 610 auf die gleiche Weise luftgekühlt werden, wie vorstehend in Bezug auf 5 diskutiert. Im Gegensatz zur Ausführungsform in 5 bietet 6 jedoch eine Anordnung, in der der Inverterabschnitt 650 flüssiggekühlt ist. Somit kann der Inverterabschnitt 650 gegen den Transformatorabschnitt 610 abgedichtet bleiben, so dass kein Luftaustausch mit dem Transformatorabschnitt 610 stattfindet.
  • Wie weiter gezeigt, kann die Kühlung für den Inverterabschnitt 650 über einen Kühlabschnitt 680 erfolgen, der einen Strom von flüssigem Kühlmittel für den Inverterabschnitt 650 bereitstellt, indem er 2-Phasen-Kühlung in abgedichteter Weise verwendet. Um die Wärmeabfuhr des Leistungswürfels zu verbessern, kann die 2-Phasen-Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher zirkulieren, der extern mit dem Schrank 600 verbunden ist. Mit den im Inverterabschnitt 650 bereitgestellten Kühlgebläsen 670 kann die Luft durch den gesamten Inverterabschnitt 650 zurückzirkulieren. In einigen Ausführungsformen kann zur Umsetzung der Fähigkeit zur Flüssigkühlung innerhalb des Inverterabschnitts 650 ein erweiterter Schrank mit einem Ausstoßabschnitt (bumpout section) vorgesehen werden. Die Barrieren 6650 - 6653 leiten den Kühlluftstrom der Kühlgebläse 670 weiter durch die Leistungswürfel 6601 - 6603 .
  • In noch einer weiteren Ausführungsform sind sowohl Transformator- als auch Leistungswürfel, wie in 7 dargestellt, 2-phasig flüssiggekühlt, um die Wärmeabfuhr der Scheiben zu maximieren. In 7 ist nun eine Seitenansicht eines Leistungswandlerschranks gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Wie in der Querschnittsansicht in 7 dargestellt, beinhaltet der Schrank 700 einen Transformatorabschnitt 710 und einen Inverterabschnitt 750. Wie dargestellt, beinhaltet ein Transformator 715 mehrere Transformatorschenkel 7151-7153 . Zu beachten ist, dass der Schrank 700 gegen die Außenluft abgedichtet ist, aber ein Luftaustausch zwischen dem Transformatorabschnitt 710 und dem Inverterabschnitt 750 über die Öffnungen 768 und 770 stattfindet. In einer Ausführungsform ist ein Wärmetauscher 790 zwischen dem Transformatorabschnitt 710 und den internen Ventilatoren 720 installiert, um die Luftzirkulation durch die Transformatorspulen und Leistungswürfel zu erhalten. Neben dem Wärmetauscher 790 können auch eine oder mehrere Kühlplatten direkt auf den Transformatorkernen angeordnet werden. So können, wie in 7 dargestellt, die Kühlplatten 796, 798 an den vorderen und hinteren Teilen des Transformators 715 angeordnet sein. Wie in der Übersichts-Ansicht in 7 dargestellt, kann der Wärmetauscher 790 Kühlmittelanschlüsse 792, 794 beinhalten, um einen Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher 790 zu leiten. Eine ähnliche Kühlung des Inverterabschnitts 750 mittels Leiten der gekühlten Luft, die über die Öffnung 770 bereitgestellt wird, ermöglicht die Kühlung entsprechender Leistungswürfel 760, wobei die erwärmte Luft über die Öffnung 768 zum Transformatorabschnitt 710 zurückströmt. Die Barrieren 7650 - 7653 leiten den Kühlluftstrom der Kühlgebläsen 720 weiter durch die Leistungswürfels 760.
  • In noch weiteren Ausführungsformen kann die zusätzliche Kühlung eines Transformators durch das Bereitstellen von Kälteplatten auf den Flächen der Kerne des Transformators realisiert werden. In einer Ausführungsform können jedem Kernschenkel zwischen 2 und 4 Kälteplatten mit einer Breite von z.B. 6 Zoll zugeordnet werden. Um die Wärmeübertragung der Transformatorkerne zu verbessern, können sich auf der Vorder- und Rückseite des Transformators zusätzliche Kälteplatten, die an den Säulen des Transformators angeordnet sind, befinden. So sind in der Abbildung in 8A Details einer Kühlanordnung für Transformatoren dargestellt. In einer Seitenansicht 810 in 8A sind die Transformatorschenkel 8151-8153 gezeigt. Die Kälteplatten 820 sind an der Vorder- und Rückseite der Transformatorsäulen 811, 812 passend angeordnet, die die Anschlüsse 822, 824 zum Leiten eines Stroms von flüssigem Kühlmittel umfassen. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Kälteplatten 8401-8406 vorhanden. Wie zu sehen ist, kann jede Kälteplatte 840 oberhalb und unterhalb der Kernschenkel installiert werden und jede kann einen entsprechenden Kühlmittelanschluss 842 umfassen, um einen Strom von flüssigem Kühlmittel zu gewährleisten. Wie in 8A weiter veranschaulicht, können Isolations- und Luftkanäle zwischen verschiedenen Transformatorwicklungen und Kälteplatten vorhanden sein.
  • Noch unter Bezugnahme auf 8A ist eine Anordnung der Wicklungen des Transformators 815 dargestellt. Genauer gesagt, beinhaltet der Transformator 815 eine getrennte Wicklungsstruktur, in der mehrere getrennte Wicklungen, sowohl primäre als auch sekundäre, für jeden Transformatorschenkel 815 vorgesehen sind. In der in 8A dargestellten Ansicht sind drei getrennte Primärwicklungen 8161-8163 für den Transformatorschenkel 8151 dargestellt. Und direkt um jede der Primärwicklungen 816 ist entsprechend eine von mehreren Sekundärwicklungen 8181-8183 gewickelt. Weitere Details zu dieser nebeneinander oder getrennt angeordneten Wicklungsanordnung werden im Folgenden beschrieben.
  • 8B und 8C zeigen ferner Layouts für Flüssigkeitskühlung. Insbesondere zeigt 8B eine Rückansicht eines Transformators 815, in der an dieser Rückseite des Transformators eine Kälteplatte 820 angeordnet ist. Zu beachten ist, dass eine entsprechende Kälteplatte auch auf der Vorderseite des Transformators installiert werden kann. Weiter gezeigt sind die Kühlmittelanschlüsse 822, 824. Und 8C zeigt eine Querschnittsansicht einer Transformatorensäule, die Kälteplatten, die an entsprechenden Seiten der Kernschenkel 815 passend angeordnet werden können, weiter veranschaulicht. Zu beachten ist, dass eine Kälteplatte bei einem im Allgemeinen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt der Kernschenkel 815 im Wesentlichen flach oder bündig zu einer bestimmten Fläche eines Kernschenkels angeordnet sein kann. So kann, wie in 8C dargestellt, jeder Kernschenkel 815 zusätzliche entsprechende Kälteplatten 845 aufweisen, die an deren Seiten angepasst sind.
  • In 8D ist nun eine Darstellung eines Transformators gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Genauer gesagt, ist in 8D eine elektrische Anordnung des Transformators 815 ohne Kühlstrukturen dargestellt, um keine Details der segmentierten Wicklungsanordnung zu verdecken. Wie dargestellt, ist der Transformator 815 mit einer Vielzahl von Kernschenkeln 815a-815c ausgebildet, die jeweils zwischen einer ersten Säule 811 und einer zweiten Säule 813 gekoppelt sind. In einer Ausführungsform können die Kernschenkel 815 und die Säulen 811, 812 aus Eisen gefertigt sein. In der Detailanordnung des ersten Kernschenkels 815a, der einer ersten Phase (Phase A) entsprechen kann, sind eine Vielzahl von Primärwicklungen 816a,1 - 816a,3 mit einer segmentierten Wicklungsstruktur vorhanden, die um den Kernschenkel 815a gewickelt sind. Zu beachten ist, dass bei einer Kühlanordnung wie hier Kühlplatten natürlich zwischen dem Kernschenkel und diesen Primärwicklungen angeordnet sein können.
  • Und wie weiter veranschaulicht, sind die entsprechenden Sekundärwicklungen 818a,1 - 818a,3 direkt um die entsprechenden Primärwicklungen gewickelt. Die Trennung zwischen Primärwicklungen und Sekundärwicklungen bestimmt die äquivalente Induktivität pro Phase auf der Sekundärseite des Transformators 815. Der empfohlene Wert der Streuinduktivität zur Unterstützung der Steuerstabilität jeder AFE-Leistungsstufe wird durch einen Mindestabstand zwischen den Wicklungen erreicht. Mit anderen Worten, es kann einen entsprechenden Mindestabstand zwischen den gewickelten Primär- und Sekundärwicklungen geben. So kann beispielsweise ein Abstand von mindestens einem halben Zoll zwischen einer Primärwicklung 816 und einer entsprechenden Sekundärwicklung 818 bestehen.
  • In einer Ausführungsform kann ein entsprechender Trennungsabstand 813, 817 zwischen den segmentierten Wicklungssätzen vorgesehen sein. Durch die Bereitstellung dieser segmentierten Wicklungssätze und der entsprechenden Trennungsabstände können symmetrische Sekundärimpedanzen realisiert werden. Der Impedanz-balancierte Effekt pro Phase wird durch die Erzeugung einer entkoppelnden magnetischen Wirkung zwischen den Wicklungssätzen 816 und 818 erreicht. Diese magnetische Wirkung wird durch die Einstellung eines horizontalen Mindestabstandes von zwei Zoll zwischen benachbarten Wicklungssätzen 816 und 818 realisiert. Es ist zu beachten, dass für die Transformatorschenkel 815b,c der zweiten und dritten Phase (die in 8D in eingeschränkter Form dargestellt sind) entsprechende Sätze von Primär- und Sekundärwicklungen 816b,1-3 , 818b,1-3 und 816c,1-3 , 818c,1-3 vorgesehen sind.
  • In 8E ist nun ein schematisches Diagramm dargestellt, das die segmentierten Wicklungen in 8D mit den entsprechenden Anschlüssen jedes aus einer Vielzahl von Leistungswürfeln einer gegebenen Scheibe korreliert. Wie dargestellt, koppeln die entsprechenden Primärwicklungen eines bestimmten Transformatorschenkels (nämlich derselben Phase) mit einer gleichen Phase der Eingangsleistung. Und ebenso koppeln die entsprechenden Sekundärwicklungen eines bestimmten Phasenschenkels in einer DELTA-Konfiguration zu einem der entsprechenden Leistungswürfel (zur besseren Darstellung nicht in 8E gezeigt) einer bestimmten Scheibe. Zu beachten ist, dass in den FIGen. 8D und 8E die zusätzlichen Referenzmarken für die Primär- und Sekundärwicklungen, so wie sie um einen Transformatorschenkel herum passend angeordnet sind undim Schaltplan in 8E [FvS1], die Entsprechungen zwischen Primär- und Sekundärwicklungen für eine erste Phase (AP1-AP3 und AS1-AS3) zeigen. Somit wird bei einer Anordnung wie in 8E ein Transformator für drei parallele WYE-Konfigurationen bei den Primärwicklungen und drei isolierte DELTA-Konfigurationen auf der Sekundärseite des Transformators angepasst.
  • Somit bieten Ausführungsformen bei dieser Anordnung ein hocheffizientes Leistungstransformator-Design mit symmetrischen Sekundärimpedanzen. Für jede Sekundärwicklung gibt es drei parallele Primärwicklungen. Die Anordnung der Wicklungen nebeneinander reduziert die Kopplung zwischen den Sekundärwicklungen und erhöht auch die für den Wandler wirksame äquivalente Impedanz. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Serieninduktivität pro Phase, die an der Primär- oder Sekundärseite des Transformators eingesetzt wird, um die Stabilität der Wandlersteuerung zu gewährleisten. Außerdem entfallen zusätzliche Filter am Wandlereingang. Bei Si-basierten Gerätesystemen kann die Notwendigkeit einer zusätzlichen Induktivität zulässig sein, da die AFE des Wandlers bei niedriger Frequenz geschaltet wird, um den Gesamtverlust niedrig zu halten. Der Transformator ist so konzipiert, dass er an den Punkten A und B betrieben werden kann, wie die Wirkungsgradkurve in 9 zeigt. In einer Ausführungsform liegt die Transformatorleistung im Bereich von 750kVA und 1000 kVA für eine Scheibensystem-Konfiguration. Bei symmetrischen Impedanzen werden die Wicklungen nebeneinander angeordnet gewickelt.
  • In 10 ist nun ein Blockdiagramm einer Scheibenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere wird in der Ausführungsform in 10 eine Scheibe weiterhin mit einer zusätzlichen Induktivität für aktive Front-End-Vorrichtungen mittels Drosselspulen versehen. Wie in 10 dargestellt, beinhaltet ein Scheiben-Schrank 1000 einen Transformatorabschnitt 1010 und einen Inverterabschnitt 1050. In der dargestellten Abbildung ist eine Anordnung mit luftgekühlten Transformator- und Inverterabschnitten vorgesehen. Zusätzlich (und zum Vergleich zu der in 5 dargestellten Anordnung) sind innerhalb des Transformatorabschnitts 1010 eine Vielzahl von AFE-Drosselspulen 10401-10403 vorgesehen. Mit diesen AFE-Drosselspulen wird ein Aufbau umgesetzt, der eine zusätzliche Induktivität für Si-basierte Designs ermöglicht. Die erforderliche Induktivität kann im Bereich von 5% liegen und die Schaltfrequenz wird im Bereich von 2-3 kHz gehalten. Die AFE-Drosselspulen sind in Reihe (pro Phase) zwischen jedem sekundären DELTA und der entsprechenden Würfel-AFE-Wandler-Eingangsleitung geschaltet.
  • Ausführungsformen können ferner Effizienzsteigerungen bei der Konfiguration eines Leistungswürfels zur Umsetzung SiC-basierter Schaltgeräte ermöglichen. Insbesondere kann in einer Ausführungsform ein Design beschichteter Gleichstrom-Bus-Schienen verwendet werden, um die Leistung von WBG-Geräten zu verbessern. Dieses Design kann die parasitäre Induktivität zur Verbesserung der Schaltleistung von SiC-Bauelementen auf weniger als 13nH minimieren. Das Design verbessert das Schalten von Würfeln und den Kurzschlussschutz, indem es die gesamte äquivalente Schleifeninduktivität beim Schalten von SiC-Vorrichtungen minimiert. In einer bevorzugten Implementierung kann eine vollständige SiC-Gerätetopologie mit einem spezifischen SiC-Leistungsmodul-Anschlussstück-Layout (engl.: SiC power module terminal layout) verwendet werden.
  • In einer weiteren Implementierung kann eine Würfel-Topologie für Hybridgeräte (z.B. Si IGBT-basierter Gleichrichter und SiC MOSFET-basierter Inverter) vorhanden sein, die das gleiche Konzept zur Minimierung der Induktivität des Gleichstrom-Zwischenkreises verwendet. Dies ist so zu verstehen, dass auch andere SiC-Gerätepakete mit unterschiedlichen Strom-Anschlusstück-Layouts (engl.: power terminal layouts) verwendet werden können.
  • In 11 ist eine grafische Darstellung eines vollständigen SiC-basierten Leistungswürfels gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Wie man sieht, ist der Leistungswürfel 1100 in einem Gehäuse 1110 implementiert. Die von einer Transformator-Sekundärseite empfangene einkommende 3-phasige Leistung wird über eine Vielzahl von Eingangs-Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 bereitgestellt. In einer Ausführungsform sind drei solcher Eingangs-Bus-Schienen vorgesehen, um eingehende 3-phasige Leistung mit entsprechenden Front-End-SiCs zu koppeln. Wie in 11 dargestellt, werden die Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 in Richtung eines hinteren Abschnitts des Leistungswürfel 1100 verschoben, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Dies ist der Fall, da mit dieser Platzierung der Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 das Bus-Schienen-Design vereinfacht wird, indem sie mit einer kürzeren Länge gefertigt werden können und der Hauptteil ihrer Wärmeableitung sich nicht oberhalb der SiC-Geräte oder unterhalb einer Gleichstrom-Busschiene konzentriert. So können in der dargestellten Ausführungsform die Bus-Schienen 1180 mit SiCs einer Front-Endstufe gekoppelt werden (Details dazu sind in 11 nicht dargestellt). Zu beachten ist, dass das Schalten der SiC-Vorrichtungen über die Glasfaser-SiC-Gate-Treiber-Schnittstellen 11200-1120n gesteuert werden kann. Während 5 solcher Treiberschnittstellen in der Ausführungsform in 11 dargestellt sind, können in weiteren Ausführungsformen andere Anzahlen vorhanden sein. Für nicht regenerative Anwendungen kann ein passiver Front-End-Gleichrichter Zwei-Dioden-Leistungsmodule (engl.: dual diode power modules) beinhalten, so dass daher nur zwei Schalter gesteuert werden (Inverterseite), und daher nur zwei Treiberschnittstellen verwendet werden. Hybrid- und Voll-SiC-Topologien verwenden jeweils 5 kontrollierte Schalter (SiC-MOSFET und/oder IGBTs), weshalb 5 Treiber-Schnittstellen benötigt werden. Bei parallelen SiC-Geräten kann ein Maximum von 10 Treiber-Schnittstellen erforderlich sein. Steuersignale werden den Treiber-Schnittstellen 1120 über eine SiC-basierte Steuerplatine 1130 zur Verfügung gestellt, die über entsprechende Glasfaserverbindungen 1135 mit den Schnittstellen 1120 verbunden wird. Wie in 11 weiter veranschaulicht, werden die Treiberschnittstellen 1120 oberhalb der SiC-Module selbst angeordnet, die wiederum auf einer Kühlplattenbaugruppe 1150 angeordnet sind. Zu beachten ist, dass die Stromversorgung verschiedener Steuer- und Überwachungsschaltungen über ein Netzteil 1195 erfolgen kann.
  • Wie weiter dargestellt, wird an einem vorderen Abschnitt des Gehäuses 1110 eine Gleichstrom-Zwischenschaltung mit einem Gleichstrom-Bus 1160 gebildet, wovon Einzelheiten im Folgenden beschrieben werden. Die Gleichstrom-Zwischenschaltung beinhaltet ferner neben dem Gleichstrom-Bus 1160 selbst eine Vielzahl von damit verbundenen Kondensatoren 1165, von denen einer in 11 repräsentativ markiert ist. In einer Ausführungsform kann der Leistungswürfel 1100 mit einem Gleichstrom-Bus 1160 implementiert werden, der mit den Kondensatoren 1165, die optimiert dimensioniert sind, gekoppelt ist. In einer speziellen Ausführungsform kann ein bestimmter Leistungswürfel für eine bessere Transienten- und Leistungsübertragungsleistung mit einer Kapazität von ca. 7,6-11,4 Millifarad (mF) implementiert werden.
  • Noch unter Bezugnahme auf 11 kann die Ausgangsleistung aus dem Leistungswürfel 1100 über eine Vielzahl von Ausgangs-Bus-Schienen 1170 ausgegeben werden, die, wie dargestellt, mit entsprechenden Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 koppeln.
  • Um die Kühlung von SiCs und anderen Komponenten innerhalb des Leistungswürfel 1100 zu gewährleisten, können die Leitungen 1190, 1192 vorgesehen werden, um einen Strom von Kühlflüssigkeit oder anderen Kühlmitteln zu leiten. 11 zeigt die Ausführungsform in Übersichts-Ansicht und dabei sollte verstanden werden, dass viele Varianten und Alternativen dazu möglich sind.
  • Ausführungsformen bieten eine Gleichstrom-Bus-Konstruktion, die SiC-Geräteabstände verbessert. Insbesondere kann ein Gleichstrom-Bus zur mechanischen Entkopplung des Gleichstrom-Bus von den Wechselstrom-Bus-Schienen designt sein; dadurch kann der Aufbau von Wechselstrom-Bus-Schienen wie oben beschrieben weiter vereinfacht werden. Auf diese Weise können die Anschlussstückabstände der Geräte erhöht werden (z.B. von 2 mils auf 5 mils). Und mit einer Verbesserung der elektrischen Isolation kann in einer beispielhaften Ausführungsform die Gleichstrom-Zwischenschaltung bei zwischen 1000-1200VDC betrieben werden.
  • In 12 ist nun eine grafische Darstellung einer Gleichstrom-Bus-Anordnung gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Wie in 12 dargestellt, kann der Gleichstrom-Bus 1200 über einen beschichteten Aufbau der eine Vielzahl von Schichten 12100-1210n umfasst umgesetzt werden. In der speziellen, dargestellten Ausführungsform ist eine fünfschichtige Anordnung realisiert, wobei jedoch in bestimmten Ausführungsformen mehr oder weniger Schichten vorhanden sein können. Wie dargestellt, ist der Gleichstrom-Bus 1200 mit abwechselnden Schichten aus leitfähigem und isolierendem Material ausgeführt. Genauer gesagt, koppeln die negativen und positiven Gleichstrom-Bus-Schichten 12101 bzw. 12103 zwischen den entsprechenden Isolationsschichten 12100 , 12102 und 1210n . In einer Ausführungsform können die Gleichstrom-Bus-Schichten 12101 , 12103 mittels eines vorgegebenen leitenden Materials, z.B. Kupfer, umgesetzt werden und können eine ungefähre Dicke von 50-100 mils aufweisen. Die isolierenden Schichten 12100 , 12102 , 1210n wiederum können mit einem isolierenden Material, z.B. isolierende PET-Materialien, ausgeführt werden. In einer bestimmten Ausführungsform können die Isolationsschichten 12100 , 1210n mit einer Dicke zwischen etwa 5-10 mils und die Isolationsschicht 12102 mit einem isolierenden Material aus einer Schicht mit einer Dicke zwischen 5-20 mils ausgebildet sein.
  • Wie ferner am Einsatz 1250 in 12 gezeigt wird mit der erhabenen Anordnung des Gleichstrom-Busses 1200, der aus einem ersten horizontalen Abschnitt 1275 und einem zweiten erhabenen horizontalen Abschnitt 1280 besteht, eine mechanische Entkopplung von Wechselstrom-Bus-Schienen vom Zwischenkreis realisiert. Wie ebenfalls dargestellt, besitzt der ausgestaltete Gleichstrom-Bus eine Vielzahl von Ausnehmungen, einschließlich der repräsentativen Ausnehmungen 1260 und 1270 auf dem ersten horizontalen Abschnitt 1275. Genauer gesagt gewährleisten die Ausnehmungen 1260 eine Ausnehmung für Wechselstrom-Busse. Über die Ausnehmung 1260 kann eine Wechselstrom-Busschiene mit einem SiC-Gerät verschraubt werden. Der zweite horizontale Abschnitt 1280 wiederum kann eine Verbindung zu den Kondensatoren der Gleichstrom-Zwischenschaltung bieten.
  • Über die Ausnehmungen 1270 können Gate-Treiberverbindungen hergestellt werden. Über diese Position der Ausnehmungen 1270 kann die Kupferfläche des Gleichstrom-Busses maximiert und das Design der Wechselstrom-Busschiene vereinfacht werden. Das heißt, die Wechselstrom-Bus-Schienen können gerade von der Rückseite des Leistungswandlers ausgehend angeordnet werden. Dies ermöglicht eine Reduktion von Kupfer (kleinere Wechselstrom-Busse) und die Vereinfachung der Unterbringung (kleinere Abmessungen). In einer Ausführungsform wird die positive und negative SiC-Vorrichtungsverbindung zum beschichteten Gleichstrom-Bus durch drei gestanzte Kreise erreicht, die auf jeder Seite der Ausnehmungen 1260 angeordnet sind. Zur Verbesserung der Kriechstrecken von DC-Bus-Anschlussstücken können im Gegensatz zu Gruppen gestanzter Kreise andere Öffnungen für SiC-Geräte-Anschlussstückformen verwendet werden. Mit dieser beschichteten Anordnung, die den ersten horizontalen Abschnitt 1275 mit Gate-Treiber-Öffnungen direkt durch den Gleichstrom-Bus hindurch beinhaltet, wird die Entkopplung von Wechselstrom-Bus-Schienen und Gleichstrom-Bus-Schienen ermöglicht.
  • In einer weiteren Systemkonstruktion (nicht dargestellt) wird die Isolierung um die SiC-Geräte-Anschlussstücke herum maximiert, indem die Ausnehmungen 1270 und 1260 zu einer einzigen Öffnung auf einer Isolationsschicht vereint werden, um die Abstände auf über 5 mils zu erhöhen, ohne die Schleifeninduktivität des Systems signifikant zu erhöhen. Das gleiche Verfahren kann auch auf der negativen Kupferplatte 12103 durchgeführt werden.
  • In 13 ist eine Anordnung mit entkoppelten Wechselstrom- und Gleichstrom-Bussen dargestellt. Genauer gesagt ist, wie in 13 dargestellt, eine Anordnung der Kühlplatten 1300 vorgesehen, auf der eine Vielzahl von Gate-Treiber-Schnittstellen 13100-1310n vorhanden sind. Wie vorstehend erläutert, liefern solche Treiberschnittstellen Steuersignale für Gates von SiCs oder anderen Schaltvorrichtungen 1330, die unterhalb der Gate-Treiberplatinen passend angeordnet sind (und die mit der Kühlplattenanordnung 1300 gekoppelt sind). Wie weiter veranschaulicht, sind neben den Schaltgeräten 1330 eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen 13200-1320n vorhanden. Während 5 solcher Wechselstrom-Bus-Schienen dargestellt sind, können in bestimmten Ausführungsformen mehr oder weniger davon vorhanden sein. Mit dieser Anordnung können die Wechselstrom-Bus-Schienen 1320 von einem Gleichstrom-Bus entkoppelt werden (nicht in 13 dargestellt), es ist aber so zu verstehen, dass so ein Gleichstrom-Bus an einer Rückseite der Kühlplattenanordnung 1300 angeordnet ist (während sich die Wechselstrom-Bus-Schienen 1320 von einem vorderen Abschnitt der Kühlplattenanordnung 1300 aus erstrecken). Auf diese Weise bieten die Wechselstrom-Bus-Schienen 1320 eine verbesserte Unterbringung der Leistungswürfel. Zu beachten ist, dass Ausgangs-Bus-Schienen-Würfel-Verbindungen (engl.: output bus bar cube connections, nicht in 13 dargestellt) mit Wechselstrom-Bus-Schienen 13203 , 1324n , verbunden sein können.
  • Während die vorliegende Erfindung unter Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann darin zahlreiche Modifikationen und Variationen davon erkennen können. Die beigefügten Ansprüche sollen alle Änderungen und Abweichungen erfassen, die unter die grundlegende Idee und dem Umfang dieser vorliegenden Erfindung fallen.

Claims (43)

  1. Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Scheiben (slices), die jeweils aufweisen: einen Transformator, der eine Vielzahl von Primärwicklungen zum Koppeln mit einer Versorgungsquelle einer Eingangsleistung und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen umfasst; und eine Vielzahl von Leistungswürfeln (power cubes), die mit der Vielzahl von Sekundärwicklungen verbunden sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung (DC-Link) und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe zur Kopplung mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine umfasst.
  2. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen oder mehrere Sensoren, die mit einem Eingang des Mittelspannungs-Leistungswandlers gekoppelt sind, um Sensorinformationen zu erhalten.
  3. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Trennschaltersystem (circuit breaker system), das zwischen der Versorgungsquelle der Eingangsleistung und dem Mittelspannungs-Leistungswandler geschaltet ist.
  4. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 3, wobei das Trennschaltersystem zumindest teilweise auf den Sensorinformationen basierend den Mittelspannungs-Leistungswandler aktiv mit der Versorgungsquelle der Eingangsleistung verbinden oder trennen soll.
  5. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Netzschnittstellensteuerung zum Speichern und Bereitstellen von Unterstützungsfunktionen für die Hochgeschwindigkeitsmaschine, eine mechanische Hochgeschwindigkeitslast und ein Versorgungsnetzsystem.
  6. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzlast eine Hochgeschwindigkeitsmaschine umfasst, die mit einer Frequenz zwischen 500-1000 Hertz arbeitet, wobei die Versorgungsquelle der Eingangsleistung mit einer Frequenz von 50/60 Hertz arbeiten soll.
  7. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei die Niederfrequenz-Front-Endstufe eine SiC-basierte aktive Front-Endstufe umfasst.
  8. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen (AC bus bars) umfasst, die zu einer ersten Fläche des Leistungswürfels hin verschoben sind.
  9. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 8, wobei ein Gleichstrom-Bus (DC bus) der Gleichstrom-Zwischenschaltung eine beschichtete Anordnung umfasst, die zu einer zweiten Fläche des Leistungswürfels hin verschoben ist, wobei die beschichtete Anordnung einen ersten horizontalen Abschnitt mit Gate-Treiber (gate drive)-Öffnungen aufweist, die dort direkt hindurch ausgebildet sind.
  10. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 9, wobei der Gleichstrom-Bus ferner einen zweiten horizontalen Abschnitt umfasst, der zum ersten horizontalen Abschnitt vertikal versetzt ist, um mit einer Vielzahl von Kondensatoren zu koppeln, wobei die Vielzahl von Kondensatoren eine Kapazität zwischen etwa 7,6 und 11,4 Millifarad aufweisen.
  11. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 10, wobei der zweite horizontale Abschnitt zur Kopplung mit einer Vielzahl von Kondensatoren vorgesehen ist.
  12. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 11, wobei der erste horizontale Abschnitt umfasst: eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Ausnehmungen, über die eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen mit mindestens einer SiC-Vorrichtung gekoppelt werden sollen; und eine Vielzahl von Gate-Treiber-Schnittstellen (gate driver interfaces), über die Verbindungen zum Kommunizieren von Gate-Treiber-Signalen passend eingerichtet sind.
  13. Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Scheiben, von denen jede einen Transformator aufweist, der eine Vielzahl von Primärwicklungen zur Verbindung mit einem gemeinsamen Kopplungspunkt eines Versorgers bei einer ersten Frequenz und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen jeweils zum Koppeln an einen der Vielzahl von Leistungswürfeln der Scheibe aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine aktive (IGBT-) Front-Endstufe mit Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor), eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Siliziumkarbid-(SiC-)Back-Endstufe zum Koppeln mit einer Last bei einer zweiten Frequenz umfasst, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist.
  14. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 13, wobei, sofern die Last eine Energiequelle ist, die SiC-Back-Endstufe als Gleichrichter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Inverter betrieben werden soll, um zu ermöglichen, dem Versorger erzeugten Strom über den gemeinsamen Kopplungspunkt zuzuführen.
  15. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 14, der ferner eine Steuerung umfasst, die, wenn der Versorger die Stromquelle ist, ermöglicht, die SiC-Back-Endstufe als Inverter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Gleichrichter zu betreiben.
  16. Transformator für einen Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule passend angeordnet sind, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln aufweist: einen Satz von Primärwicklungen, die um den entsprechenden Kernschenkel herum passend angeordnet sind; und einen Satz von Sekundärwicklungen, die um den Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind.
  17. Transformator nach Anspruch 16, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln einer Phase einer dreiphasigen Stromversorgung zugeordnet ist.
  18. Transformator nach Anspruch 17, wobei der Satz von Primärwicklungen für einen ersten Kernschenkel parallelgeschaltet ist.
  19. Transformator nach Anspruch 16, wobei: jede aus einem ersten Satz von Sekundärwicklungen, die um den, um einen ersten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von einem ersten Leistungswürfel, wobei der erste Leistungswürfel eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, einem zweiten Leistungswürfel, der eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, und einem dritten Leistungswürfel, der eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst; jede aus einem zweiten Satz von zweiten Sekundärwicklungen, die um den Satz von, um einen zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von dem ersten Leistungswürfel, dem zweiten Leistungswürfel und dem dritten Leistungswürfel; und jede aus einem dritten Satz von Sekundärwicklungen, die um den, um einen dritten Kernschenkel passend angeordneten, Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von dem ersten Leistungswürfel, dem zweiten Leistungswürfel und dem dritten Leistungswürfel.
  20. Transformator nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl von Sekundärwicklungen eine symmetrische Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln bereitstellt.
  21. Transformator nach Anspruch 19, wobei zur Gewährleistung einer gegenseitigen Entkopplung jede aus dem Satz von Primärwicklungen von einer anderen aus dem Satz von Primärwicklungen einen ersten Trennungsabstand von mindestens zwei Zoll besitzt.
  22. Transformator nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Sekundärwicklungen zur Gewährleistung von Steuerstabilität einen Teil der symmetrischen Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln bereitstellt.
  23. Transformator nach Anspruch 22, wobei jede aus dem Satz von Primärwicklungen von dem Satz von Sekundärwicklungen einen zweiten Trennungsabstand von mindestens einem halben Zoll besitzt.
  24. Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: einen Schrank, umfassend: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, wobei die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung an eine Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; und eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten; und eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zum Koppeln zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei die Transformatoraufnahme eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Kühlen des mindestens einen Transformators aufweist.
  25. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei der Schrank mindestens eine erste Öffnung zum Umleiten des ersten Kühlluftstroms von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme und mindestens eine zweite Öffnung zum Leiten eines aus der Vielzahl von Leistungswürfeln austretenden Luftstroms von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme aufweist.
  26. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 25, wobei die Vielzahl von Kühlgebläsen zur Absaugung des austretenden Luftstroms vorgesehen ist.
  27. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei der Schrank ein permeables Element umfasst, um zu ermöglichen, dass ein zweiter Kühlluftstrom aus einer äußeren Umgebung über die Vielzahl von Kühlgebläsen durch den mindestens einen Transformator geleitet wird.
  28. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei der Schrank ein abgedichtetes Gehäuse umfasst.
  29. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei die Transformatoraufnahme luftgekühlt und die Leistungswürfelaufnahme flüssiggekühlt sein soll.
  30. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 29, wobei die Leistungswürfelaufnahme gegenüber der Transformatoraufnahme isoliert ist.
  31. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 30, wobei die Leistungswürfelaufnahme umfasst: einen Wärmetauscher, um Wärme vom ersten Kühlluftstrom zu entziehen; eine erste Öffnung, um zu ermöglichen, dass der erste Kühlluftstrom durch die Vielzahl von Leistungswürfeln geleitet wird; und eine zweite Öffnung, um einen Strom erwärmter Luft von der Vielzahl von Leistungswürfeln zum Wärmetauscher zu leiten.
  32. System, umfassend: einen Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: einen ersten Schrank, der umfasst: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, wobei die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung an eine Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zum Koppeln zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei die Transformatoraufnahme beinhaltet: eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Kühlen des mindestens einen Transformators; und wobei der mindestens eine Transformator umfasst: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule eingepasst sind, wobei: ein erster Kernschenkel eine erste Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen ersten Satz von Primärwicklungen, die um die erste Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordnet sind, und einen ersten Satz von Sekundärwicklungen, die um den ersten Satz von Primärwicklungen passend angeordnet sind, aufweist; ein zweiter Kernschenkel eine zweite Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen zweiten Satz von Primärwicklungen, die um die zweite Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordnet sind, und einen zweiten Satz von Sekundärwicklungen, die um den zweiten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, aufweist; ein dritter Kernschenkel eine dritte Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen dritten Satz von Primärwicklungen, die um die dritte Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordnet sind, und einen dritten Satz von Sekundärwicklungen, die um den dritten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, aufweist.
  33. System nach Anspruch 32, ferner umfassend: eine erste Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der ersten Säule passend angeordnet ist; und eine zweite Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der zweiten Säule passend angeordnet ist.
  34. System nach Anspruch 32, wobei der erste Schrank in Bezug auf eine äußere Umgebung abgedichtet ist, wobei mindestens eine erste Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen ersten Kühlluftstrom von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme zu gewährleisten, und mindestens eine zweite Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen Abluftstrom von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme zu gewährleisten.
  35. System nach Anspruch 32, das ferner eine Vielzahl von ersten Barrieren umfasst, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten.
  36. System nach Anspruch 32, das ferner ein erstes zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten umfasst.
  37. System nach Anspruch 36, das ferner ein zweites zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen von mindestens der Niederfrequenz-Front-Endstufe und der Hochfrequenz-Back-Endstufe der Vielzahl von Leistungswürfeln umfasst.
  38. Vorrichtung, umfassend: einen Schrank mit einem Mittelspannungs- Leistungswandler, wobei der Schrank aufweist: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Back-Endstufe umfasst; eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, einen isolierten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten; und eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zum Koppeln zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei die Transformatoraufnahme aufweist: eine Vielzahl von Kühlgebläsen, zum Leiten des Kühlluftstroms, wobei der Schrank mindestens eine erste Öffnung zum Leiten des Kühlluftstroms von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme und mindestens eine zweite Öffnung zum Leiten eines aus der Vielzahl von Leistungswürfeln austretenden Luftstroms von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme aufweist.
  39. Vorrichtung nach Anspruch 38, ferner umfassend: eine erste Vielzahl von Kühlplatten, die an einen ersten Kernschenkel des mindestens einen Transformators passend angeordnet sind und zwischen dem ersten Kernschenkel und einem, um den ersten Kernschenkel herum passend angeordneten, ersten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind; eine zweite Vielzahl von Kühlplatten, die an einen zweiten Kernschenkel des mindestens einen Transformators passend angeordnet sind und zwischen dem zweiten Kernschenkel und einem, um den zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, zweiten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind; und eine dritte Vielzahl von Kühlplatten, die an einen dritten Kernschenkel des mindestens einen Transformators passend angeordnet sind, und die zwischen dem dritten Kernschenkel und einem, um den dritten Kernschenkel herum passend angeordneten, dritten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind.
  40. Vorrichtung nach Anspruch 39, ferner umfassend: eine erste Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt einer ersten Säule des mindestens einen Transformators passend angeordnet ist; und eine zweite Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt einer zweiten Säule des mindestens einen Transformators passend angeordnet ist.
  41. Vorrichtung nach Anspruch 38, ferner umfassend ein erstes Zweiphasen-Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten und ein zweites Zweiphasen-Kühlsystem zum Kühlen von mindestens der Vielzahl von Leistungswürfeln.
  42. Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei der Schrank ein abgedichtetes Gehäuse umfasst.
  43. Vorrichtung nach Anspruch 38, die ferner eine Vielzahl von Drosselspulen umfasst, die innerhalb der Transformatoraufnahme eingepasst sind, wobei jeder der Vielzahl von Drosselspulen zwischen dem mindestens einen Transformator und einem Entsprechenden aus der Vielzahl von Leistungswürfeln geschaltet ist.
DE102019008177.3A 2018-11-30 2019-11-25 Hochfrequenz-mittelspannungsantrieb system für hochgeschwindigkeits maschinenanwendungen Pending DE102019008177A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/205,879 US11258370B2 (en) 2018-11-30 2018-11-30 High frequency medium voltage drive system for high speed machine applications
US16/205,840 2018-11-30
US16/205,879 2018-11-30
US16/205,840 US10537046B1 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Cooling methods for medium voltage drive systems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019008177A1 true DE102019008177A1 (de) 2020-06-04

Family

ID=70680891

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019008177.3A Pending DE102019008177A1 (de) 2018-11-30 2019-11-25 Hochfrequenz-mittelspannungsantrieb system für hochgeschwindigkeits maschinenanwendungen

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN111262452A (de)
DE (1) DE102019008177A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933410B (zh) * 2020-08-03 2021-08-31 上海交通大学 具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及***

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011008514A2 (en) * 2009-06-30 2011-01-20 Teco-Westinghouse Motor Company Pluggable power cell for an inverter and providing modular power conversion
US7863766B2 (en) * 2009-06-30 2011-01-04 Teco-Westinghouse Motor Company Power converter for use with wind generator
US8976526B2 (en) * 2009-06-30 2015-03-10 Teco-Westinghouse Motor Company Providing a cooling system for a medium voltage drive system
US20120268227A1 (en) * 2009-09-24 2012-10-25 Jeremy Howes Embedded cooling of wound electrical components
CN102054570A (zh) * 2010-11-19 2011-05-11 济南济变志亨电力设备有限公司 光伏发电用双***干式升压变压器
CN102163926B (zh) * 2010-12-31 2014-08-27 中电普瑞科技有限公司 基于igbt模块并联的大功率变流器
US8947899B2 (en) * 2012-03-09 2015-02-03 Rockwell Automation Technologies, Inc. Split laminated DC bus structure
WO2014108498A1 (de) * 2013-01-11 2014-07-17 Breuer Motoren Gmbh & Co. Kg Elektromotorischer antrieb
US9722503B2 (en) * 2013-03-28 2017-08-01 Teco-Westinghouse Motor Company Modular configurable multi-megawatt power amplifier
CN103401434B (zh) * 2013-06-21 2015-09-23 国家电网公司 一种大功率变流器功率单元
CN203482103U (zh) * 2013-08-05 2014-03-12 特变电工新疆新能源股份有限公司 用于连接直流电容母排和igbt并联功率模块的叠层母排
CN203851040U (zh) * 2014-05-06 2014-09-24 特变电工新疆新能源股份有限公司 一种紧凑型功率模块结构
CN206807311U (zh) * 2017-04-28 2017-12-26 浙江日风电气股份有限公司 一种风冷功率单元
CN208112497U (zh) * 2018-05-10 2018-11-16 上海电气电力电子有限公司 一种模块化风电变流器功率单元

Also Published As

Publication number Publication date
CN111262452A (zh) 2020-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1311058B1 (de) Frequenzumrichter
EP2695502B2 (de) Leistungsschaltschrank einer vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
DE112010002784B4 (de) Steckbare energiezelle für einen inverter und bereitstellen einermodularen leistungswandlung
DE112014002276B4 (de) Modularer konfigurierbarer Multimegawatt-Leistungsverstärker
EP2996449B1 (de) Stromrichteranordnung mit einem mehrphasigen Stromrichter
EP2845288B1 (de) Ein- oder auskopplung einer leistung in einem abzweig eines gleichspannungsnetzknotens mit einer längsspannungsquelle
EP3180850B1 (de) Niederinduktive schaltungsanordnung eines umrichters
DE102018210807A1 (de) Elektrische Schaltung für Zero-Voltage-Soft-Switching in einem Gleichspannungswandler
EP0900471A1 (de) Luftgekühlter umrichter im megawattbereich
DE102019008177A1 (de) Hochfrequenz-mittelspannungsantrieb system für hochgeschwindigkeits maschinenanwendungen
DE60314270T2 (de) Vorrichtung und verfahren um den leistungsfluss in einem leitungsabschnitt einer hochspannungsleitung zu ändern
EP0743744B1 (de) Stromrichter
DE3832442A1 (de) Vorrichtung zum betreiben elektrischer verbraucher eines reisezugwagens
DE102015105889A1 (de) Schaltmodul und Umrichter mit wenigstens einem Schaltmodul
EP3180844B1 (de) Stromrichteranordnung mit kurzschlusseinheit sowie verfahren zum trennen einer wechselspannungsleitung
WO2018082786A1 (de) Anlage zum übertragen elektrischer leistung mit filtereinheit
EP2562918B1 (de) Schaltungsanordnung mit elektronischem Schalter
EP3726724B1 (de) Vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie und verfahren
EP4160900A1 (de) Submodul mit bremsstellerfunktion für einen modularen multilevel-stromrichter
EP4213363A1 (de) Bremssteller für einen modularen multilevel-stromrichter
DE102021206155A1 (de) Leistungselektronische Schaltung für einen Inverter
DE102021130733A1 (de) Elektrische Schaltungseinrichtung und Kraftfahrzeug
EP3883116A1 (de) Fahrzeug, insbesondere schienenfahrzeug
DE19636094A1 (de) Luftgekühlter Umrichter im Megawattbereich
CH719226A2 (de) Umrichter.

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication