发电装置的断路器的电路
技术领域
本发明涉及一种电路,其具有至少一个断路器、至少一个电容器和板状的直流叠层片,其中,该直流叠层片具有至少两个彼此绝缘的用于电流引导的金属板和多个设置在第一间隔中的连接元件,用于将金属板与至少一个电容器进行电连接,该将至少一个电容器经设置在第一间隔中的连接元件与直流叠层片形成电连接,而至少一个电容器设置在直流叠层片的一侧。
背景技术
具有断路器和电容器的电路布置(断路器诸如为二极管、晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流型晶闸管(IGCT)或具有这些部件的模块)经常插置在装置中,用于例如在风力发电设备和光伏设备的整流器或逆整流器中或在其它的具有换流器技术的发电机中生成电流。通常是多个电容器中的至少一个电容器用于提供直流中间电路。通过打开和关闭电开关,交流电转化为直流电或者相反。在打开和关闭断路器时,有必要实现较高的切换速度,从而使能量损失总地保持很小。由此生成的大的电流变化,其诱导出应当维持得很小的电压。为此有必要,将开关和直流中间电路之间的连接电感维持得尽可能地小。出于这个原因,使断路器与电容器经直流叠层片形成连接,该直流叠层片保持尽可能地薄、平和宽,从而生成大的重叠区,在该重叠区中以相反方向流动的电流紧密相邻,进而造成的磁场相互叠加。由此实现了,生成的电磁场相互抵消,从而使引导电流的部件的电感保持得很小。
由文献DE 197 32 402 B4已知这样的电路布置,该电路布置具有由两个彼此绝缘而邻接设置的金属板构成的直流叠层片,该直流叠层片用于将断路器与电容器组连接。电容器经多个设置在第一间隔中的连接元件与直流叠层片形成电连接,并设置在直流叠层片的一侧。在由现有技术已知的电路布置中,断路器设置为弯曲的,从而使断路器设置在直流叠层片的旁边。断路器进一步与直流叠层片的连接突起部形成电连接。该设置的缺陷在于,一方面,直流叠层片必须单独地匹配于断路器的实施方式,从而在使用不同制造商和构造类型的断路器时必须构建和制造不同的直流叠层片。另一方面,该电路布置的空间使用不理想。然而,构建相应的电路布置的目的是,实现尽可能紧密的构造,从而使空间需要最小化。最后,已知的电路布置不能顺利地扩展至更高功率。
发明内容
由此,本发明的目的在于,提供一种电路,其空间需求明显降低,同时具有改善的可扩展性。此外,还提供了相应的空间需要较小的发电装置。
根据本发明,上面为电路引出的目的由此实现,即,直流叠层片额外具有多个设置在第二间隔中的连接元件,用于使直流叠层片与电路的至少一个断路器形成连接,该至少一个断路器经设置在第二间隔中的连接元件与直流叠层片形成电连接,并且设置在直流叠层片的相对一侧。
根据本发明,直流叠层片位于断路器和电容器之间,从而使板状直流叠层片的两侧空间有效地得到利用。此外,直流叠层片的设置在第二间隔中的连接元件实现了一个也可以是多个断路器在直流叠层片上的可变连接,从而为电路提供了简单的可扩展性。所有连接元件优选通过接触孔在直流叠层片的电连接极的各个金属板中形成,从而使单个电容器和断路器能够与直流叠层片形成导电连接。第一间隔和第二间隔可以形成为相同或不同的结构。
根据本发明的电路的另一实施方式,设置有多个并联的电容器,优选电容器组,其中,各个电容器经设置在第一间隔中的连接元件与直流叠层片形成导电连接。直流叠层片的第一间隔实现了对电容器特别紧凑的设置,这是因为,该间隔例如与电容器的大小和空间需求相协调。
根据本发明的电路的另一优选实施方式由此而实现,即,直流叠层片的设置在第二间隔中的连接元件如此形成,即,使多个断路器能够在轴对称设置中与直流叠层片形成导电连接。对于在第二间隔中设置的连接元件这意味着,电连接极例如实现了旋转了180°的断路器的接触。断路器的轴对称设置实现了电路的对称构造并且就此而言进一步降低了空间需要。
断路器的交流电端子可以在电路的另一实施方式中经导电轨,例如经铜轨或电缆实现。导电轨在此可以在断路器的一侧或两侧,而且沿着断路器设置的对称轴延伸。这取决于断路器的交流电端子的各个端子几何结构,并取决于电路在组装状态下的位置关系。
根据本发明的电路的另一扩展实施方式,直流叠层片的第二间隔实现了对断路器水平或垂直的设置或连接。通过单一直流叠层片,能够实现断路器的两种设置变体,即水平的或垂直的。由此实现了最大的灵活性,这是因为,取决于位置提供,可以使断路器在水平或垂直方向上设置在直流叠层片上,而无需对直流叠层片重新构建。
根据本发明的电路的另一实施方式,无需对电路的部分,特别是直流叠层片进行重新构建,对不同制造商的和具有不同连接尺寸的构造类型的断路器的简单使用由此来实现,即,设置用于连接断路器的适配叠层片,其中,适配叠层片在一个连接侧具有匹配于断路器的连接元件,并在另一连接侧具有匹配于第二间隔的连接元件。通过使用适配叠层片,不同生产商或构造类型的断路器可以特别简单地通过同样的直流叠层片得到使用。对适配叠层片这样进行构建,即,使两个导流层尽可能地薄、平和宽,以得到大的重叠区。通常使断路器例如经适配叠层片与直流叠层片通过螺纹连接形成导电连接。
根据本发明的电路的另一实施方式由此降低了装配耗费,即,设置在第二间隔中的直流叠层片的连接元件具有带内螺纹的套管。为了装配,必须仅从断路器的一侧将螺丝与直流叠层片的套管拧紧。该套管可以材料配合、形状配合或力配合地与直流叠层片形成连接。材料配合连接可以通过钎焊、粘接和焊接来提供。力和形状配合连接的结合可以以简单的方式通过将套管压制在直流叠层片中来提供。
直流叠层片或适配叠层片的两个金属板自然地位于两个不同层面。因此,对于接触通常使用接触套管,其使位于不同深度的金属板以相同的势能相互接触。根据本发明的电路的另一实施方式,直流叠层片的设置在第二间隔中的连接元件的接触面和/或适配叠层片的与第二间隔相匹配的连接元件设置在一个层面内,从而可以取消接触套管的使用,该接触套管用于使适配叠层片和直流叠层片的金属板的接触面相接触。
特别简单的适配叠层片由此实现了将断路器设置在直流叠层片一侧,即,适配叠层片的横截面形状具有至少一个直角。在此情况下,断路器可以如此设置,即,使冷却面垂直于直流叠层片的层面设置,而且实现了热传递,该热传递不依赖于直流叠层片和在直流叠层片的相对侧设置的电容器。
根据本发明的电路的另一实施方式,由此实现了进一步的费用降低以及此外对电路的结构的显著简化,即,在直流叠层片一侧设置的断路器具有一个共同的冷却体。因此节约了额外的冷却体的费用。
当对冷却体通过液态冷却介质进行冷却并且可选模块化地进行构建时,使用一个共同的冷却体是有利的。对于通过液体冷却介质进行冷却的一个共同的冷却体的利用,首先避免使用多余的端子,并且由此对本发明的电路的潜在的泄漏位置加以避免,并且就此而言不仅实现了空间需要的显著降低,而且很大程度上提高了运行安全性。可选地,冷却体模块化地构建而成。在本发明的意义上,模块化意味着,该冷却体例如适合于单个断路器,也适合于断路器组,并且在不同的断路器组结合的情况下同样以简单的方式与其它冷却体形成连接,从而为电路提供足够的冷却。因此,在冷却体和构造的开发中进一步节约了费用。
根据该电路的优选的实施方式,冷却体具有各自分离的冷却剂连接端,其例如经适配器来提供。因此,构造单元可以由冷却体、断路器和适配叠层片构成,由于较小的重量简化了电路的单个断路器的装配和替换。
如所实施的,由断路器、冷却体和适配器叠层片构成的单个构造单元不仅可以构建为轴对称或镜面对称的。单个构造单元实现了特别是简单而平行的设置,例如以多列形式设置在适配器叠层片上。因此,尽管通常需要更大的直流叠层片,其例如由一个大的或多个小的直流叠层片构成。然而,该电路的实施方式所构成的构造单元的设置简化了特别是构造单元的替换,并实现了改善的电路的可扩展性。构造单元可以垂直或水平地设置在直流叠层片上。
应用特异地有利的是,采用空气冷却来取代液体冷却。在此,共同冷却体有空气流经吹过。冷却体可选的模块化在此情况下是有利的,并导致改善的可扩展性。
根据本发明的电路的另一实施方式,设置有多个直流叠层片,这些直流叠层片经设置在直流叠层片中的连接元件彼此形成导电连接。因此实现了,直流叠层片对应于预期数量的断路器可以任意拓宽。连接元件可以以垂直或水平方向对直流叠层片进行拓宽,并且在此设置在直流叠层片的相应位置。
根据本发明的电路的另一实施方式,直流叠层片的连接元件的第一和/或第二间隔由此顾及到不同的电容器和/或断路器端子几何形状,例如可以如此选择连接元件,即,在各个第一或第二间隔中提供不同的端子间距,可以在使用适配叠层片时无需考虑不同制造商的端子尺寸,且无需结构耗费就能够得到使用。
作为断路器,优选设置有至少一个晶体管,优选至少一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块、集成门极换流型晶闸管(IGCT)、二极管和/或至少一个斩波模块(22)。断路器通常在发电装置中,例如用于具有电容中间电路的变流。斩波模块是指由至少一个断路器例如晶体管和至少一个电阻构成的组合体。斩波模块用于使中间电路尽量快而短地连接,并防止其它断路器例如IGBT模块以及电容器发生超压。
根据另一实施方式,斩波模块直接与直流叠层片形成电连接或经特殊的适配叠层片连接于直流叠层片上。如果斩波模块直接与直流叠层片形成连接,一方面,可以为适配叠层片节约费用。然而,适配叠层片可以用于使斩波模块根据各种应用情况而设置在电路的适宜位置,而无需改变直流叠层片。
优选设置用于三相的断路器,特别是三相IGBT模块。例如,可以在入口和出口侧分别用三个断路器构建成一个逆整流器。在建筑工程领域,或需要提供单相交流电,可以考虑具有两个位于出口侧的断路器的电路。
此外,上面导出的目的通过具有逆整流器和整流器的发电装置得以实现,该发电装置包括根据本发明的电路。如所实施的,相应的逆整流器或整流器的空间需要特别小,而且以很少的费用就可以与不同的功率要求相匹配。
这特别适用于具有发电机的风电设备的发电装置,该发电装置具有整流器或逆整流器,在整流器或逆整流器中设置有电路。作为发电机,在风电设备中例如使用双重供给异步电机,也可以是同步电机。风电设备在不同的功率单元中形成,从而规律地使变流器与风电设备的相应功率相匹配。用根据本发明的电路可以特别廉价地实现。进一步地,风电设备中的空间需要多数受到限制,从而使电路的紧凑构造有利。特别是在采用具有全变流技术的同步电机时,经本发明的电路引入较高功率,从而使紧凑且可扩展的电路构造特别有利。
附图说明
此外,凭借联系附图的实施例进一步阐明了本发明。附图中:
图1以立体图示出了本发明的电路的第一实施例,其具有电容器组和多个断路器;
图2以立体图示出了来自于第一实施例的直流叠层片;
图3以立体图示出了来自于第一实施例的适配叠层片与直流叠层片的组装结构;
图4以俯视图示出了来自于第一实施例的直流叠层片;
图5示出了适配叠层片区域中的直流叠层片的截面图;
图6以立体图示出了本发明的电路的第二实施例,其具有IGBT模块和斩波模块;
图7示出了根据第三实施例的由断路器、冷却体和适配叠层片构成的构造单元;
图8示出了具有根据图7的多个构造单元的电路的第四实施例;
图9示出了具有经额外的适配叠层片连接的斩波模块的另一实施例;以及
图10示出了风电设备的示意图,其具有本发明的电路。
具体实施方式
图1以立体图示出了根据本发明的电路1的实施例,其具有多个电容器2,总共六个IGBT模块3、3′、4、4′、5、5′形式的断路器。IGBT模块3、3′、4、4′、5、5′经直流叠层片6与电容器组8的电容器2通过使用适配叠层片7形成导电连接。
如在图1中可以看出,在呈轴对称设置的IGBT模块3、4、5和3′、4′、5′之间设有冷却体9,其具有用于冷却介质的输入口10和输出口11。用于冷却介质的输出口可以设置在冷却体与输入口10相对的一侧(未示出),然而也可以在同侧设置。如图1所见,通过断路器的轴对称设置以及位于其间的冷却体得到一个特别紧凑的电路1的结构。此外可以看出,为使电路匹配于不同的功能或功率,例如可以将电容器和断路器卸下,或者通过其它断路器进行替换。由此可以例如顺利地实现,用二极管替换IGBT模块3′、4′、5′,从而实现用二象限变流器来替代四象限变流器。因此不需要对电路的结构进行变更。可以考虑采用断路器的两相结构,例如在建筑工程领域生成单相交流电。
IGBT模块3、4、5和3′、4′、5′的交流电端子在示出的实施例中经铜轨27、28实现,其实现了单侧交流电引入。然而还可以考虑采用其它几何形状的铜轨设置,例如在IGBT模块3、4、5、3′、4′、5′的两侧或中央地沿着IGBT模块3、4、5、3′、4′、5′的对称轴,还可以通过电缆(未示出)实现交流电端子。
图2以立体图示出了直流叠层片6以及所属的电容器2。直流叠层片6具有设置在第一间隔(Rastermaβ)中的连接元件12,其用于连接电容器组8的单个电容器2。因此,第一间隔匹配于电容器的大小和连接间距。
此外,该直流叠层片具有多个连接元件13,其设置在第二间隔中,并且用于将断路器,首先是IGBT模块3、4、5、3′、4′、5′与直流叠层片6形成电连接。在图2中分别通过直流叠层片6的不同深度示出的连接元件12a、12b、13a、13b示出了不同电极,即连接元件12、13的正极和负极。连接元件13根据它的极性这样设置,使多个功率模块的轴对称设置能够与直流叠层片6形成电学连接,如在第一实施例中所示。由此,实现了电路1的特别紧凑的构造。
在首选的实施例中,这一点由此来实现,即,使在第二间隔中相对设置的连接元件13、14具有不同的电极性。通过使用适配叠层片,这实现了将IGBT模块3、4、5和3′、4′、5′以这样的形式设置在直流叠层片6的一侧,即,IGBT模块的冷却面垂直于直流叠层片并且相对设置。
此外,在图2中示出的直流叠层片6例如示出了其它的连接元件15、16、17和18,用于在水平方向或垂直方向连接其它的直流叠层片6。由此,使电路1还能够灵活地进行扩展。
在图3中,以立体图示出了具有总共六个适配叠层片7的直流叠层片6。根据本发明,适配叠层片7具有两个连接区,即,靠近直流叠层片6的一侧7a以及靠近断路器的连接侧7b。适配叠层片7的连接侧7a匹配于直流叠层片6的连接元件的第二间隔,并且在该连接侧朝向断路器7b的另一端具有额外的连接元件,其特异地匹配于断路器。具有其它连接配置的不同制造商的断路器可以这样得到使用,即,仅使适配叠层片7匹配于连接几何形状。直流叠层片6保持不变。可以理解,设置在第二间隔中的直流叠层片6的连接位置13、14这样设置,即,使断路器直接能够与直流叠层片形成连接。
适配叠层片7确定了,用不同制造商的断路器也可以利用连接元件13、14。如在图3中可以看出,适配叠层片具有直角,从而以简单的方式实现了,断路器3、4、5和3′、4′、5′设置有相对的冷却面,从而使单个冷却体9就足以冷却多个断路器。此外,由图3可见,适配叠层片7以它的示出的形式具有特别小的电感并由此理想地适于引导高的电流峰值。
图4再一次示出了直流叠层片的结构,其大体上由两个引导电流的金属板19、20构成,在它们之间设置有绝缘层21。此外,直流叠层片可选地从两侧设置有绝缘层,其在图4中未示出。额外地,相对于连接元件13和14,还可以看出连接元件12的不同间隔。直流叠层片的不同连接极用大小不同的连接元件示出。
进一步可以看出,设置在同样层面的连接元件13a和14a、分别设置在第二间隔中的连接元件13、14的13b和14b分别具有不同的极性,并由此实现了轴对称设置的断路器的连接。断路器为此设置在180°旋转的位置上,如图1所示。然而还可以考虑,连接元件的极性设置为一样的,并与适配叠层片7这样相匹配,即,使适配叠层片实现断路器的轴对称设置。然而,这会要求两个不同的适配叠层片7。
图5用截面图示出了直流叠层片6以及适配叠层片7。直流叠层片由引导电流的金属板6b和6d(连同设置在其间的绝缘层6c)以及可选地两个外绝缘层6a和6e构成。适配叠层片7具有相似的结构,该适配叠层片的引导电流的金属板用7b和7d表示,设置在金属板之间的绝缘层用7c表示,以及可选的两个外绝缘层用7a和7e表示。直流叠层片6或适配叠层片7的相应连接极的接触经接触面6f、6g和7f、7g进行。对于使用外绝缘层6a、6e、7a和7e的情况,在接触位上于绝缘层中预设留空部。
如从图5可以进一步看出,金属板这样形成,即,使直流叠层片6的接触面6f、6g和适配叠层片7的接触面7f、7g位于一个层面。由此可以实现,使直流叠层片直接与适配叠层片形成连接,而无需采用额外的元件,如金属套,以均衡不同高度。
对于两种叠层片的电学以及力配合和形状配合的连接例如可以使用带有螺母的螺钉。特别有利的是,使用具有内螺纹6h的压制套,其可选代替螺母得到使用。例如将套管6h压制到直流叠层片6中。这在装配时提供了优势,这是因为,适配叠层片与直流叠层片可以单手用螺丝拧在一起,并为服务目的实现快速而简单的装配和替换。如已经实施的,套管6h材料、力或形状配合地与直流叠层片6形成连接。对套管6h的压制结合了力和形状配合连接。
图6用立体图示出了根据本发明的来自于图1的电路,其以另一模块(斩波模块22)进行拓宽。斩波模块22用于保护电容器2以及IGBT模块3、4、5和3′、4′、5′免受超压。将IGBT模块3、4、5和3′、4′、5′与额外设置在直流叠层片6上的斩波模块22相结合允许了将斩波模块直接连接于电容器组上。由此避免了直流叠层片6和斩波模块22之间的电缆连接。由于中间电路电压通常超过1000V,因此该方案出于安全技术原因以及鉴于电路的电磁相容性是有利的。另外,还降低了空间需要。
图7以立体图示出了这样的构造单元29,其由断路器3、4、5(分别具有所属的分离冷却体9′)和适配叠层片7构成。冷却剂连接端10′、11′在侧面实施,从而不依赖于冷却体的深度而提供足够大的连接几何形状。冷却体9′尽管表示的是一个分离的冷却体。然而在本发明的意义上,其模块化地构成,因为,它可以与其它镜面对称设置的冷却体相结合,并由此对应于一个或多个其它断路器3、4、5。
由断路器3、4、5、冷却体9和适配叠层片7构成的构造单元29可以在一个“较大”的直流叠层片32上与其它构造单元30、31一起在水平或垂直方向上并列设置。图8在另一实施例中示出了这一点。直流叠层片32可以由唯一的连续的直流叠层片或者由彼此形成电连接的直流叠层片(未示出)构成。直流叠层片的连接在必要时通过适配叠层片来提供。在直流叠层片32的背侧设置有电容器33。对于图8所示出的电路,单个构造单元29、30、31例如在损坏时能够以简单的方式替换。此外,通过添加或去除构造单元29、30、31可以很简单地实现扩展性。
图9用立体图示出了具有斩波模块34的另一实施例,其经额外的适配叠层片35连接于直流叠层片6上。由此存在这样的可能,将斩波模块34更灵活地设置在电路中。
图10示意性地示出了具有发电机24和本发明的电路1的风电设备23。该电路1装配在配电箱25中,该配电箱设置在风电设备的底部。然而,电路1通常也设置在发电机24附近,即例如在风电设备23的吊仓26中。由于风电设备中的位置供应很小,特别是在风电设备的驾仓中,以及有必要使风电设备23匹配于不同的功率范围,因此将本发明的电路1用于风电设备23特别有利。