CN110546839B - 抗短路的汇流排排布 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汇流排排布(1)，其具有至少一个第一汇流排、第二汇流排和第三汇流排(11、12、13)，其中，汇流排(11、12、13)至少在部分部段彼此平行地布置，其中，第一汇流排(11)和第二汇流排(12)彼此偏移地布置为：使得能够形成与第一汇流排(11)的长侧延展垂直的至少一个第一直线，第一直线不穿过第二汇流排(12)，其中，第一汇流排(11)与第三汇流排(13)彼此偏移地布置为：使得能够形成与第一汇流排(11)的长侧延展垂直的至少一个第二直线，第二直线不穿过第三汇流排(13)，其中，第二汇流排(12)与第三汇流排(13)彼此无偏移地布置为：使得能够形成与第二汇流排(12)的长侧延展垂直的第三直线，所有的第三直线都穿过第三汇流排(13)，其中，汇流排排布(1)至少在部分部段相对于汇流排(11、12、13)相对于通过第一汇流排(11)的内部延伸并且平行于第一汇流排的长侧延展延伸的平面镜像对称。本发明还涉及一种具有这样的汇流排排布(1)的变流器(3)。

Description

抗短路的汇流排排布

技术领域

本发明涉及一种汇流排排布，其具有至少一个第一汇流排和第二汇流排，其中，汇流排至少在部分部段彼此平行布置。此外，本发明涉及一种具有这种汇流排排布的变流器。

背景技术

汇流排用于低电感和低损耗的电流流动。特别地，例如在变流器中使用汇流排来电接触半导体。为了实现无障碍运行，利用以汇流排组形式布置的汇流排来实施中间电路排布结构。由此可以实现低电感结构。

尤其在短路的情况下，汇流排及其紧固件由于产生的力而承受高载荷。在此，在汇流排排布上不允许出现损坏。

到目前为止，汇流排组实施为相对于中间电路的层叠的低电感排布结构。在此，汇流排相互靠得非常近，以便将电感保持得尽可能低，并且实施为大面积的，以便于保持低机械力。在此，汇流排(例如三点式变流器的正极排、中间电势排、负极排)各自配备有绝缘材料膜(层压板)，因为在裸露的铜排之间的空气间隙无法遵守标准规范。三个排与由玻璃纤维增强的(GFK)合成材料板形成的大面积支承一起组合成汇流排组，汇流排组具有能够承受高短路力的坚固程度。否则，在汇流排组的连接位置，闭合的层压板将断裂。汇流排在这些位置具有弯折，以使得汇流排彼此之间产生足够的间隔。因此，能够保持必要的空气间隙和爬电距离。通过多个螺纹结构实现了相邻汇流排组的电连接和机械连接。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有改进的短路性能的汇流排排布。

该目的通过一种汇流排排布来实现，其具有至少一个第一汇流排、第二汇流排和第三汇流排，其中，汇流排至少在部分部段布置成彼此平行的，其中，第一汇流排和第二汇流排布置成彼此错位的，使得能够形成为与第一汇流排的长侧延展垂直的至少一个第一直线，其不穿过第二汇流排，其中，第一汇流排与第三汇流排布置成彼此错位的，使得能够形成与第一汇流排的长侧延展垂直的至少一个第二直线，其不穿过第三汇流排，其中，第二汇流排与第三汇流排布置成相互无错位的，使得能够形成为与第二汇流排的长侧延展垂直的第三直线，所有的第三直线都穿过第三汇流排，其中，汇流排排布至少在部分部段关于汇流排相对于穿过第一汇流排的内部延伸并且平行于第一汇流排的长侧延展延伸的平面镜像对称。此外，所述目的还通过一种具有这种汇流排排布的变流器来实现。

本发明的其他的有利的设计方案在从属权利要求中给出。

本发明所基于的知识是，通过结构能够以积极的方式影响机械特性和电特性。从机械角度来看，为了使短路力尽可能小，汇流排(例如三点式变流器中三个汇流排，即正极排、中间电势排、负极排)彼此在空间上间隔应当尽可能远。然而从电气技术角度来看，为了使排布结构的电感尽可能小，汇流排(例如在此也是正极排、中间电势排、负极排)相反应当尽可能近地在一起。通过第一汇流排相对于第二汇流排或者如有必要还有相对于第三汇流排的错位布置，能够简单且出乎意料地解决上述的机械优化和电气优化之间的矛盾。

与例如在标准DIN EN 60865-1(VDE 0103)中使用的已知的解决方案不同，各个汇流排作为子导体不是布置为前后层叠的或者上下层叠的，而是将与短路相关的排相互错位地布置并有利地通过可承载高负荷的支撑件来保持这些排。例如由于在单单一个构件中的简单错误而在具有三个汇流排的汇流排排布中的正极排与中间电势排、或在负极排与中间电势排之间发生短路。

通常能够由此出发：汇流排的横截面设计为细长的。符合这种情况的例如是矩形或者椭圆形。然后，该横截面具有长侧延展，即矩形的长边或者长侧，或者是作为两个主顶点连线的椭圆长轴，并且还具有短侧延展，即矩形的短边或短侧，或者是作为两个副顶点连线的椭圆短轴。由于至少在部分部段平行地延伸，在哪个位置观察汇流排排布的横截面是不重要的。在结构无错位的情况下，有直线垂直于长侧延展穿过无错位地布置的汇流排。如果在长侧延展的长度相同的情况下直线仅穿过汇流排之一，则汇流排彼此错位地布置。只要能够形成仅仅一条这样的直线，就可以说是错位地布置。如果第一汇流排(例如是三个汇流排中的中间的汇流排)错位地布置，那么其在汇流排长侧延展的方向上、即沿着长侧延展的纵向方向错位。为了实现显著改进的电气特性和机械特性，例如如果汇流排具有10mm x100mm的矩形横截面，那么10mm的错位被证实是特别有利的。在此，不同的汇流排能够具有相同的或者不同的长侧延展方向。因此，在由于高电流而有大的力作用到汇流排和其紧固件的短路情况下，汇流排的性能得到明显改善。通过这种结构能够实现：在相对低电感的情况下减小产生的短路力。在此，电感依然在允许的边界值内，并且连接区域的空间要求和可达到性(组装/维护)是相当良好的。

这种结构具有多种优点。例如能够省去保险结构，其能够快速切断出现的短路电流，并由此能够避免不允许的力或至少能够使该不允许的力仅作用较短时间。变流器由于这种汇流排排布而能够例如实施为无保险结构的。因此，利用汇流排排布能够实现无保险结构的变流器设计。该设计方案相对于带有保险结构的设计方案能够显著节省空间或者降低成本。另外，与符合DIN EN 60865-1(VDE 0103)的标准解决方案相比，由于汇流排之间的力明显较低，因此能够省去汇流排之间的一大部分支撑件。同样的，根据本发明的汇流排排布特别是在接线位置处显著地更节省空间。此外，明显更易于遵守关于空气间隙和爬电路径方面的要求。

其他的优点在于，作用力分布在汇流排的长侧延展的方向上和在短侧延展的方向上。因此，该作用力能够更好地被控制。同时，在此能够在长侧延展的方向上利用汇流排(例如铜排)的较高的电阻力矩，这使得短路电流减小。从力学角度来看，在汇流排横截面的两个延展方向上的分布并不一定是有利的。然而，优点来自于：在较高电阻力矩的方向上产生力分量，有利于在较小电阻力矩的方向上减小力分量。然而最好的是只有在较大电阻力矩的方向上的力。尽管这与电气技术的折衷相冲突。

此外，能够使用便宜的强度要求低的铜片材。由于更大的间隔而能省去昂贵的利用绝缘膜的层压。通过更大的间隔和错位的布置能够有条件地减少支撑。这尤其在汇流排之间支撑件的数目较少时表现出来。通过第一排(例如具有三个汇流排的汇流排排布的中间电势排)的错位布置提高了安装/维护的友好性。汇流排由于较小的力而能够通过少量螺纹连接来彼此连接。如上所述，这种构造只需要相对小的空间需求，并且该设计方案关于易故障性方面是特别坚固的。

通过新式布置，能够由简单的、稳定的柔性铜排代替在电容器(层压的板上的焊接薄膜)处的目前在变流器中常见并部分相当敏感的、易故障的、柔性连接。

此外，这种实施能够简单并且低成本地实现。能够利用这种构造以简单的方式遵循有效力的标准边界值和间隔。此外，该构造对于由于污染、不利的环境(例如害虫)而产生的放电也明显地不易发生故障。由于构造简单，所以由于例如在现有技术中已知的层叠的汇流排组的情况中的粗心组装而导致的故障是不太可能的，因为在部分难以达到的位置没有大量的、在安装时可能损坏绝缘层的螺栓。

该汇流排排布具有第三汇流排，其中，第一汇流排和第三汇流排彼此错位地布置。在该设计方案中存在至少三个汇流排。该设计方案尤其用于具有三个汇流排的汇流排排布。一个典型的实例是三电平变流器的直流排布结构。在此，第一汇流排和第二汇流排彼此错位，并且第一汇流排和第三汇流排彼此错位。因为在通常简单的故障中，短路只在正极排与中间电势排或者在负极排与中间电势排之间出现，因此被证实特别有利的是，将第一排实施为中间电势排，因为第一排相对于另外两个排是错位的。

各个汇流排的横截面的中点由于错位布置而形成三角形。被证实特别有利的是，这些横截面形成等腰三角形，因为短路表现与其发生在正极排还是发生在负极排处无关。此外，该构造关于电势以及因此产生的运行表现是对称的。

第二汇流排和第三汇流排彼此无错位地布置。该无错位的布置意味着：在长侧延展的方向上彼此没有错位。因为在第一汇流排和第二汇流排(在这种情况下是正极排和负极排)之间预期短路的可能性相对较小，则这些汇流排能够彼此无错位地布置。此外，由于汇流排之间存在间距，在短路时的力更小。因为这些汇流排不在换向电路中，所以对于低电感性能的要求较低。通过无错位的布置能够确保第二汇流排和第三汇流排在同时具有良好短路性能的情况下具有电感足够低的构造。

在本发明的有利的实施例中，汇流排具有相同的横截面。因此，使得电流能够以相同的量级传输。短路力能够由所有汇流排以相同的方式承受。此外，汇流排的电感性能彼此相同，这确保了性能与变流器的开关状态无关。

在本发明的另一个有利设计方案中，汇流排具有基本上是矩形的横截面，其中，成对相互错位的汇流排在矩形的横截面的长边(即长侧)的方向上错位。汇流排的横截面在其角处与矩形形状不同。在此，汇流排的边例如是倒圆的，以便于在该区域中避免高场强。该特性将通过“基本上为矩形”的表达来解释。

在此，中间电路排布结构将例如实施为连接组，其具有位于逆变器的后壁的正极中间电路排、位于逆变器后方90mm的负极中间电路排和布置在中央上方的中间电势排。各个排的横截面例如是10mm x 100mm＝1000mm²。通过错位地布置的中间电势排不仅增加了不同汇流排之间的有效间隔(这使得短路力的减小)，而且力还分成在长侧延展(矩形横截面场的侧边)的方向上的分量和短侧延展(矩形横截面的短的侧边)的方向上的分量，其中，由于铜排的矩形截面例如为10mm x 100mm，则利用在长侧延展的方向上的铜棒材料的高很多的电阻力矩。因此，能够提高相邻支撑点的最大现有平均距离。

在有利的设计方案中，第一汇流排布置在第一平面和第二平面之间。第一平面和第二平面垂直于横截面并且平行于第一汇流排或第三汇流排的横截面的长边延伸。长边是汇流排的矩形横截面的较长的侧边线。由此，实现了特别节省空间的构造。在短路的情况下这种布置下出现的力特别小，使得汇流排以及现有的支撑件能够特别便宜地制造。能够为汇流排使用强度更低的铜材料，这明显更便宜。

在本发明的另一个有利设计方案中，汇流排彼此定向为，各个汇流排的矩形横截面的长边彼此平行。这种布置还使得在短路情况下产生的力进一步降低，并且根据之前所述的原因使得材料成本进一步降低。同时，具有这种构造的三点式变流器被构造为电对称的，从而获得对称的运行表现。

在本发明的另一个有利的设计方案中，至少两个汇流排借助于至少一个支撑件相互机械连接，其中，支撑件实施为电绝缘的。能够在汇流排之间放弃完整的并大面积的连接，因为在短路情况下产生的力不再需要这些。仅仅使用几个支撑件来定位汇流排。这些支撑件在短路的情况下接受产生的力并且因此应该实施为稳定的。由于短路电流低，因此能够放弃在汇流排之间大面积的支撑装置布置，因为即使使用强度低的铜排，铜的现有强度结合较少的支撑件足够防止支撑件和汇流排的变形。

由此，能够实现，利用在成本限制的范围内所保留的支撑件的数目，能够承受住高的短路力，而不使铜排发生变形。

此外，支撑件具有绝缘材料，使与由此机械连接的汇流排彼此电绝缘。

在本发明的另一个有利设计方案中，支撑体具有长方体形状。利用这种设计方案能够以简单的方式实现汇流排排布平行并且镜像对称的构造。对此，尤其当支撑体实施为实体时，长方体形状提供了足够承受在短路的情况下作用在汇流排上的大的力的可能性。

在本发明的另一个有利的设计方案中，支承件包括根据DIN EN60893-3-2耐高载荷的层压材料，特别是HGW材料EP-GC202。这种材料由于其高强度和绝缘特性而理想地适于在支撑件中使用。此外，该材料能够在市场上便宜地获得。

在短路的情况下，支撑件必须承受很大的力。这可以通过选择高强度材料HGWEPGC202结合高承载的形状来实现。在此，必须保持各相支承件之间的空气间隙和在布置螺栓时螺纹连接和铜排之间的爬电路径。

在本发明的另一个有利设计方案中，支撑件被设计为：在与支撑件连接的汇流排之间无损地承受在汇流排中有流动短路电流时出现的力。短路电流是一种超过汇流排的持续载流能力的电流。因此，当短路电流在汇流排中持续流动时，短路电流汇流排进行不允许的加热。短路电流例如通过在系统中存在的电压确定。同样的，电气元件也会影响短路电流的大小。针对应用情况、例如在变流器中，通过计算来确定短路电流。支撑件必须具有关于其机械负荷能力相应高的强度。

在本发明的另一个有利设计方案中，支撑体是针对大于100kA的短路电流值来设计的。在该量级的短路电流的情况中的力的大小为，使得汇流排排布对产生的力具有特别积极的影响。在这种情况下，相对于层叠的构造，汇流排排布带来很高的经济优点。

本发明的另一个有利的设计方案中，变流器具有IGCT半导体构件。IGCT器件能够在故障的情形下熔合，并且由此在系统中形成短路。因此，对于具有IGCT半导体元件的在短路情况中保护显然要比对具有其他半导体元件的保护更重要。由于这个原因，汇流排的使用对这种类型的半导体构件特别有利，因为能够避免在短路的情况下的昂贵损失。

附图说明

下面将根据附图中示出的实施例更加详细地描述和解释本发明。示出：

图1示出了汇流排排布。

图2、图3示出了穿过汇流排排布的横截面。

图4示出了用于变流器的汇流排排布。

具体实施方式

图1示出了汇流排排布1的透视图。该汇流排排布1具有三个汇流排11、12、13。第一汇流排11相对于第二汇流排和第三汇流排12、13错位地布置，其中该汇流排11略高于其他的汇流排12、13。如上所述，第一汇流排11的该实施作为中间电势排因此是特别有利的，因为在简单的组件故障时就会在该汇流排与正极排或者负极排之间出现短路。汇流排11、12、13通过支撑件2机械连接。支撑件2将相应的两个汇流排11、12、13互相机械地连接。在此，这以有利的方式借助于螺纹连接21来实现。该支撑件2在汇流排11、12、13的长度上分布安装在汇流排11、12、13处。

图2示出了贯穿具有三个汇流排11、12、13的汇流排排布1的横截面。清晰可见的是，第一汇流排11相对于第二汇流排和第三汇流排12、13错位，其中，第一汇流排11在矩形横截面长边20的方向上(也就说纵向方向)错位地布置。在该实施例中，第一汇流排11为中间电势，标记为“0”，第二汇流排为正电势，标记为“+”，并且第三汇流排为负电势，标记为“-”。在该结构中横截面的中心点形成等腰三角形。这对于具有这样的汇流排排布的变流器的运行性能是有利的，因为该汇流排排布在正电势与中间电势以及负电势与中间电势之间对称地构造。

图3示出了在支撑件2的位置处穿过两个汇流排11、12的截面。为了避免重复，参考对图1和图2的描述以及在那里引入的附图标记。第一汇流排11和第二汇流排12彼此错位地布置。支撑件2用于将两个汇流排11、12的位置彼此固定。也为了能够在短路的情况下承受力，支撑件2应当具有高承载能力的形状。汇流排11、12将借助于螺纹结构21固定在支撑件2处。

图4示出了用于三相变流器的汇流排排布1。在此是三点变流器，因为该汇流排排布1具有三个汇流排11、12、13并进而具有三个直流电势。能够清楚地看到，变流器3彼此上下布置的相。这些相中的每一个与一个或者多个在此未示出的半导体模块相连接，其实现了相应的交流电压侧输出端与直流电势之一的连接。为了避免重复，将参照对图1至图3的描述以及在那里引入的附图标记。

总之，本发明涉及一种汇流排排布，其具有至少一个第一汇流排和一个第二汇流排，其中，汇流排至少在部分部段彼此平行地布置。为了改善短路性能提出：第一汇流排和第二汇流排相互错位地布置。此外，本发明涉及一种具有这种汇流排排布的变流器。

Claims (12)

1.一种汇流排排布，具有恰好一个第一汇流排(11)、一个第二汇流排(12)和一个第三汇流排(13)，其中，所述第一汇流排(11)、所述第二汇流排(12)和所述第三汇流排(13)至少在部分部段布置成彼此平行的，其中，所述第一汇流排(11)与所述第二汇流排(12)布置成彼此错位的，使得能够形成与所述第一汇流排(11)的横截面的长侧延展垂直的至少一个第一直线，所述第一直线不穿过所述第二汇流排(12)，其中，所述第一汇流排(11)与所述第三汇流排(13)布置成彼此错位的，使得能够形成与所述第一汇流排(11)的横截面的长侧延展垂直的至少一个第二直线，所述第二直线不穿过所述第三汇流排(13)，其中，所述第二汇流排(12)与所述第三汇流排(13)布置成彼此无错位的，使得能够形成与所述第二汇流排(12)的横截面的长侧延展垂直的第三直线，所有的所述第三直线穿过所述第三汇流排(13)，其中，所述汇流排排布(1)至少在部分部段关于汇流排相对于穿过所述第一汇流排(11)的内部延伸并且平行于所述第一汇流排的长侧延展延伸的平面镜像对称，其中，所述第一汇流排(11)和所述第二汇流排(12)以及所述第一汇流排(11)和所述第三汇流排(13)分别借助于长方体形的支撑件(2)相互机械连接，其中，所述支撑件(2)被实施为电绝缘的，其中，所述第一汇流 排实施为中间电势排，其中所述第一汇流排和所述第二汇流排的所述横截面由垂直于所述第一汇流排和所述第二汇流排的最长轴线的表面获得，并且所述支撑件连接所述第一汇流排与所述第二汇流排和所述第三汇流排中的仅仅其中一个。

2.根据权利要求1所述的汇流排排布(1)，其中，所述第一汇流排(11)、所述第二汇流排(12)和所述第三汇流排(13)具有相同的横截面。

3.根据权利要求1或2所述的汇流排排布(1)，其中，所述第一汇流排(11)、所述第二汇流排(12)和所述第三汇流排(13)具有基本为矩形的横截面，其中，彼此错位的成对汇流排在矩形横截面的长边(20)方向上错位。

4.根据权利要求3所述的汇流排排布(1)，其中，所述第一汇流排(11)和所述第二汇流排(12)以及所述第一汇流排(11)和所述第三汇流排(13)相对彼此定向为，各个汇流排的所述矩形横截面的所述长边(20)彼此平行。

5.根据权利要求1或2所述的汇流排排布(1)，其中，所述支撑件(2)包括符合DIN EN60893-3-2的能承受高负荷的层压材料。

6.根据权利要求4所述的汇流排排布(1)，其中，所述支撑件(2)包括符合DIN EN60893-3-2的能承受高负荷的层压材料。

7.根据权利要求6所述的汇流排排布(1)，其中，所述支撑件(2)包括HGW材料EP-GC202。

8.根据权利要求1或2所述的汇流排排布(1)，其中，所述支撑件(2)设计为，在与所述支撑件连接的汇流排之间无损地承受在汇流排中有短路电流流动时出现的力。

9.根据权利要求7所述的汇流排排布(1)，其中，所述支撑件(2)设计为，在与所述支撑件连接的汇流排之间无损地承受在汇流排中有短路电流流动时出现的力。

10.根据权利要求9所述的汇流排排布(1)，其中，所述支撑件(2)是针对大于100kA的短路电流值来设计的。

11.一种变流器(3)，具有根据权利要求1至10中任一项所述的汇流排排布(1)。

12.根据权利要求11所述的变流器(3)，其中，所述变流器具有IGCT半导体元件。

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