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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlkörperanordnung für einen leistungselektronischen Umrichter, insbesondere Umrichter, die in der Mittelspannungs-Leistungsumwandlung eingesetzt werden, wie z. B. einen Mittelspannungsantrieb zum Antrieb eines Elektromotors, wobei der Kühlkörper der Kühlkörperanordnung über einen Erdungskondensator geerdet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter zum Antrieb eines Elektromotors, umfassend eine entsprechende Kühlkörperanordnung, auf dem Kühlkörper montierte Halbleiterschalter und ein Fluidkühlsystem.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Mittelspannungsantriebe und entsprechende Kühlkörper bekannt. Bei einigen Ausführungen sind die Kühlkörper ungeerdet, d. h. potentialfrei, und in den Kühlsystemen der Kühlkörper werden deionisiertes Wasser oder andere Isolierflüssigkeiten verwendet. Diese Konstruktionen stellen sicher, dass sowohl kapazitiv eingekoppelte Spannungen als auch Fehlerspannungen von der Flüssigkeit toleriert werden können. Ein Problem bei diesen Konstruktionen ist jedoch, dass die Kühlsysteme mit deionisiertem Wasser relativ teuer sind und einen höheren Wartungsaufwand erfordern.
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Nach anderen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen können die Kühlkörper fest geerdet sein und als Kühlflüssigkeit kann normales Leitungswasser, d. h. nicht-entionisiertes Wasser, verwendet werden. Die Erdung kann die leitende Flüssigkeit vor schädlichen Spannungen schützen, während die Kühlsysteme billiger und einfacher zu warten sind als im vorherigen Beispiel. Ein Nachteil ist jedoch, dass der Erdungsstrom bei Fehlern den in der Norm UL 347A festgelegten Grenzwert von 30 A überschreiten kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kühlkörperanordnung und einen Stromrichter mit einer entsprechenden Kühlkörperanordnung bereitzustellen, die die oben genannten Probleme überwinden. Dieses Ziel wird durch die Kühlkörperanordnung nach Anspruch 1 und den Stromrichter nach Anspruch 7 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist eine Kühlkörperanordnung für ein leistungselektronisches Gerät, wie z. B. einen Stromrichter, vorgesehen. Die Kühlkörperanordnung umfasst einen Kühlkörper, der eine Cold-Plate sein kann. Er kann eine komplexe Geometrie aufweisen, die Kühlflüssigkeitskanäle und/oder Kühlrippen umfasst. Der leistungselektronische Umrichter kann ein Mittelspannungsantrieb sein, der für den Antrieb eines Elektromotors ausgelegt ist. Die Erdung des Kühlkörpers erfolgt über einen Erdungskondensator.
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Da der Kondensator die Kühlflüssigkeit vor kapazitiv gekoppelten Spannungen schützt, kann normales, d. h. nicht-entionisiertes Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet werden. Daher können die Flüssigkeitskühlsysteme zu geringeren Kosten bereitgestellt werden, während gleichzeitig der Erdungsstrom bei Fehlern durch die Wahl eines geeigneten Kapazitätswerts des Erdungskondensators auf weniger als 30 A begrenzt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist parallel zum Erdungskondensator ein Widerstand vorgesehen, der die Leistung des Geräts im Normalbetrieb und bei Fehlern weiter verbessert. In den Parallelzweigen des Widerstands und des Kondensators können keine weiteren Komponenten außer dem Widerstand und dem Kondensator vorhanden sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Fehlererkennung ein Spannungswächter vorgesehen, der die Spannung am Erdungskondensator misst.
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Der Spannungswächter kann dauerhafte Fehlerzustände des Geräts erkennen, die das Flüssigkeitskühlsystem beeinträchtigen können, wenn sie nicht erkannt werden. Der Spannungswächter kann dazu verwendet werden, die Spannung über dem Erdungskondensator zu überwachen und mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Der Spannungswächter kann in Kombination mit einem Steuergerät verwendet werden und/oder dazu dienen, einen Alarm und/oder ein Signal zu erzeugen, wenn ein Fehler erkannt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Spannungswächter zur Auslösung einer Sicherheitseinrichtung, wie z. B. eines Leistungsschalters, verwendet werden, wenn ein Fehler erkannt wurde. Der Spannungswächter kann parallel zu dem Kondensator und/oder parallel zu dem Widerstand angeordnet sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Spannung über dem Erdungskondensator überwacht und bei Überschreiten eines definierten Schwellenwertes wird ein Signal an eine Steuerung gesendet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Strom durch den Kondensator bei Fehlern auf weniger als 30A begrenzt. Der Fachmann kann die Kapazität des Kondensators in Abhängigkeit von der Gesamtauslegung und den Betriebsspannungen des Antriebs so wählen, dass der Fehlerstrom durch den Kondensator auf den genannten Wert begrenzt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kapazität des Kondensators kleiner als 19µF und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 -10µF.
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Die Erfindung richtet sich auch auf einen Stromrichter, insbesondere einen Mittelspannungsantrieb zum Antreiben eines Elektromotors, umfassend eine Kühlkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, auf dem Kühlkörper montierte Halbleiterschalter und ein Fluidkühlsystem. Der Begriff Halbleiterschalter kann sich auf einen einzelnen Schalter oder auf eine beliebige Anzahl von auf dem Kühlkörper montierten Schaltern beziehen. Die Schalter können direkt oder indirekt auf dem Kühlkörper montiert sein. Der Antrieb kann für Spannungen größer als 1000 V und insbesondere in einem Spannungsbereich von 1 kV bis 35 kV betrieben werden. Der Antrieb kann für den Betrieb an drei oder mehr Phasen ausgelegt sein und/oder kann mindestens einen Mittelspannungs-Bipolartransistor mit isoliertem Gate enthalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid des Fluidkühlsystems nicht-entionisiertes Wasser. Das Kühlsystem kann Fluidleitungen, mindestens eine Pumpe und/oder andere Komponenten umfassen, die typischerweise zur Bereitstellung eines Kühlfluidstroms in einem leistungselektronischen Umrichter verwendet werden. Das nicht-entionisierte Wasser kann normales, d. h. Leitungswasser sein. Somit stellt der Antrieb keine hohen Anforderungen an seine Kühlflüssigkeit und seine Produktions- und Wartungskosten können entsprechend reduziert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Halbleiterschalter eine begrenzte elektrische Isolation zum Kühlkörper, die durch eine parasitäre Kapazität überbrückt ist.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Anspruchssatz und den nachfolgend beschriebenen Figuren. Die Figuren zeigen:
- 1: Schematische Ansicht einer potentialfreien Kühlkörperanordnung in einem Mittelspannungsantrieb nach dem Stand der Technik;
- 2: Schematische Ansicht einer fest geerdeten Kühlkörperanordnung in einem Mittelspannungsantrieb nach dem Stand der Technik;
- 3: schematische Ansicht einer Kühlkörperanordnung in einem Mittelspannungsantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 4: Schematische Ansicht einer Kühlkörperanordnung in einem Mittelspannungsantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung mit Kühlkörper-Spannungswächter und Parallelwiderstand.
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1 ist eine schematische Ansicht eines Kühlkörpers 1 in einem Mittelspannungsantrieb 10 nach dem Stand der Technik. Der Kühlkörper 1 ist ein „potentialfreier“ Kühlkörper 1, d.h. er ist ungeerdet. Daher wird als Fluid des Fluidkühlsystems 6 ein isolierendes Fluid wie z. B. deionisiertes Wasser gewählt. Die Erdung ist in den Figuren mit GND bezeichnet und entspricht einer Masse.
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Typischerweise sind die Halbleiterschalter 5 über eine Isolationsschicht mit einer parasitären Kapazität 7 auf dem Kühlkörper 1 montiert. Ein Flüssigkeitskühlsystem 6 kühlt die Schalter 5 über den Kühlkörper 1. Die Verwendung von deionisiertem Wasser als Kühlflüssigkeit erhöht die Herstellungs- und Wartungskosten des Antriebs 10 und erschwert dessen Wartung. Der Einfachheit halber beziehen sich die gleichen Referenznummern in den Figuren auf die gleichen Merkmale.
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2 ist eine schematische Ansicht einer alternativen Anordnung des Antriebs 10, die ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hier ist der Kühlkörper 1 geerdet. Als Kühlflüssigkeit kann normales Leitungswasser, d. h. nicht-entionisiertes und damit leitfähiges Wasser, anstelle des im Beispiel von 1 verwendeten entionisierten Wassers verwendet werden. Die Erdung kann das leitfähige Fluid vor schädlichen Spannungen schützen, während das Kühlsystem 6 billiger und einfacher zu warten ist als das Kühlsystem des vorherigen Beispiels. Ein Nachteil ist jedoch, dass der Erdungsstrom bei Fehlern den Grenzwert von 30 A überschreiten kann, der in der Norm UL 347A für Mittelspannungsstromwandler festgelegt ist. In beiden Ausführungsformen von 1 und 2 haben die Schalter 5 eine begrenzte elektrische Isolation zum Kühlkörper 1, wobei die Isolation durch eine parasitäre Kapazität 7 überbrückt ist.
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3 ist eine schematische Ansicht eines Kühlkörpers 1 in einem Mittelspannungsantrieb 10. Es sind beide Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Antrieb 10 kann ein Mittelspannungsantrieb 10 zum Antrieb eines in den Figuren nicht dargestellten Elektromotors sein. Hier ist der Kühlkörper 1 über einen Erdungskondensator 2 geerdet, der den Kühlkörper 1 mit Masse GND verbindet. Der Kondensator 2 schützt das Fluid des Fluidkühlsystems 6 vor kapazitiv eingekoppelten Spannungen. Die Erdung des Kühlkörpers 1 über einen Erdungskondensator 2 ermöglicht daher die Verwendung von einfachem Leitungswasser oder allgemein nicht-entionisiertem Wasser oder einem anderen leitfähigen Fluid in dem Fluidkühlsystem 6. Die Erfindung bietet ein kostengünstiges Fluidkühlsystem und vereinfacht den Betrieb und die Wartung des Antriebs 10. Gleichzeitig kann der Erdungsstrom bei Fehlern durch die richtige Wahl des Kapazitätswertes des Kondensators 2 auf weniger als 30 A begrenzt werden.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Widerstand 3 parallel zum Erdungskondensator 2 vorgesehen ist, wodurch die Leistung des Antriebs weiter verbessert wird, indem ein Pfad für Gleichströme (Leckströme) vom Kühlkörper 1 zur Masse GND bereitgestellt wird.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein Spannungswächter 4, der die Spannung über dem Erdungskondensator 2 misst, zur Erkennung von Fehlern vorgesehen sein. In der Ausführungsform von 4 sind sowohl der Spannungswächter 4 als auch der Widerstand 3 dargestellt. Die Erfindung kann jedoch mit jeder dieser beiden Komponenten ausgeführt werden. Sowohl der Spannungswächter 4 als auch der Widerstand 3 können parallel zu dem Kondensator 2 angeordnet sein. In den Parallelzweigen des Kondensators 2, des Widerstands 3 und/oder des Spannungswächters 4 können keine weiteren elektrischen Bauteile vorhanden sein.
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Der Spannungswächter 4 kann mit einem in der Figur nicht dargestellten Steuergerät oder Controller verbunden sein. Die Verbindung zum Steuergerät wird durch den Pfeil links vom Spannungswächter 4 angezeigt. Falls der Spannungswächter 4 eine Spannung feststellt, die über einem Schwellenwert liegt, kann das Steuergerät ein entsprechendes Signal ausgeben, um die festgestellte Überschreitung anzuzeigen. So kann der Spannungswächter 4 verwendet werden, um anzuzeigen, dass eine Wartung und/oder ein Austausch des Antriebs 10 oder von Teilen davon erforderlich ist. Das Signal des Spannungswächters 4 kann auch zum Auslösen eines Schutzschalters verwendet werden, der zwischen der Hauptstromversorgung und dem Antrieb geschaltet ist.
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Die Eigenschaften des Kondensators 2 können so gewählt werden, dass der Strom durch den Kondensator 2 bei Fehlern auf weniger als 30A begrenzt ist. Wenn die Versorgungsspannung z. B. 4,16kV mit 60Hz beträgt, kann die Kapazität des Kondensators 2 so abgeleitet werden, dass sie kleiner als der Ausdruck 30A / 4,16kV / (2 x π x 60Hz) = 19µF ist. Vorzugsweise kann die Kapazität des Kondensators 2 so gewählt werden, dass sie im Bereich von 0,1-10µF liegt.
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Ähnlich wie aus dem Stand der Technik bekannt, können die Halbleiterschalter 5 auf dem Kühlkörper 1 des Antriebs montiert werden. Weiterhin können die Halbleiterschalter 5 eine begrenzte elektrische Isolation zum Kühlkörper 1 hin aufweisen, wobei die Isolation durch eine parasitäre Kapazität 7 überbrückt ist. Die Kapazität der Isolation kann in der Größenordnung von 1 nF liegen, d. h. um Größenordnungen kleiner als die gewählte Kapazität des Kondensators 2.
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Das Fluidkühlsystem 6 kann Leitungen, Pumpen und weitere Komponenten umfassen, die fluidisch mit dem Kühlkörper 1 verbunden sind und leitend mit der Masse GND verbunden sind. Der Kühlkörper 1 kann Leitungen für das Kühlfluid aufweisen. Die Leitungen des Kühlkörpers 1 können mit dem Kühlsystem 6 verbunden sein oder Teil des Kühlsystems 6 sein. Da der Kühlkörper 1 über den Kondensator 2 geerdet ist, kann das Fluid des Fluidkühlsystems 6 ein leitfähiges Fluid sein, wie z. B. nicht deionisiertes Wasser.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der oben genannten Ausführungsformen beschränkt. Sie kann in vielfältiger Weise modifiziert werden. Alle in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren dargestellten Merkmale einschließlich konstruktiver Details und besonderer Ausgestaltungen können für sich allein oder in Kombination miteinander erfindungsrelevant sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkörper
- 2
- Erdungskondensator
- 3
- Widerstand
- 4
- Spannungswächter
- 5
- Halbleiterschalter
- 6
- Fluid-Kühlsystem
- 7
- parasitäre Kapazität
- 10
- Stromrichter
- GND
- Masse
