DE112010002784T5 - Steckbare energiezelle für einen inverter und bereitstellen einermodularen leistungswandlung - Google Patents

Steckbare energiezelle für einen inverter und bereitstellen einermodularen leistungswandlung Download PDF

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Abstract

In einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Energiezellenkammer für ein Umrichtersystem einen beweglichen und einen festen Teil (bzw. Teile). Der bewegliche Teil umfasst eine Gleichrichter-Stufe, um das von einer sekundären Wicklung eines Transformators empfangene Eingangssignal gleichzurichten, um ein gleichgerichtetes Signal zu liefern, und eine Inverter-Stufe mit mehreren Schaltelementen, um ein Gleichstromsignal zu empfangen und ein Wechselstromsignal auszugeben. Dieser bewegliche Teil kann gleitend in einem Element des Umrichtersystems angeordnet werden. Der feste Teil wiederum umfasst einen Zwischenkreis mit wenigstens einem Kondensator, um ein gleichgerichtetes Signal zu empfangen und ein Gleichstromsignal an die Inverter-Stufe auszugeben.

Description

  • Hintergrund
  • Im Allgemeinen werden nachfolgend Geräte, die als Leistungswandler (engl. „converter”), Wechselrichter (auch Inverter) oder Umrichter bzw. Antriebsversorgung (engl. „drive”) bezeichnet werden, verwendet, um Energie an ein anderes Gerät, wie beispielsweise einen Motor zu liefern. Insbesondere wird solch ein Konverter (Konverter wird hier im Allgemeinen verwendet, um Wandler bzw. Konverter, Wechselrichter bzw. Inverter und Umrichter bzw. Antriebsversorgung zu bezeichnen) mit einem Versorgungsanschluss gekoppelt, um eine eingehende Eingangsleistung wie beispielsweise dreiphasigen Wechselstrom zu empfangen. Der Konverter konditioniert die Leistung, um eine konditionierte Leistung an das Gerät oder die Last zu liefern. Auf diese Weise kann die bei der Last eingehende Leistung von verbesserter Effizienz sein, was zu reduzierten Kosten beim Betrieb des Geräts führt.
  • Mehrstufige Leistungswandler haben hauptsächlich aufgrund der verbesserten Eingangs- und Ausgangsgehaltes an Oberschwingungen, besserer elektromagnetischer Kompatibilität und höherer Spannungsfähigkeiten an Beliebtheit gewonnen. Diese Verbesserungen bei der Leistungswandlung werden erreicht durch Verwendung einer Mehrspannungsstufenstrategie. Eine verbreitete Mehrstufen-Inverter-Topologie basiert auf H-Brücken-Invertern, bei denen mehrere H-Brücken-Inverter in Reihe geschaltet sind. Da diese Topologie aus seriellen Leistungskonversionszellen besteht, kann der Spannungs- und Leistungspegel leicht skaliert werden.
  • Mehrstufen-Leistungskonverter werden verwendet, um Energie an eine Last, wie beispielsweise einen Motor, zu liefern. Oft werden solche Mehrstufen-Konverter als ein großes Geräteteil implementiert, das in einem Element (engl. „cabinet”, d. h. Element, Kasten, Gehäuse bzw. Schrank) untergebracht ist, welches eingehende Energie (bzw. Leistung) empfängt, z. B. von einem Versorgungsanschluss, die Leistung konditioniert und diese an eine angekoppelte Last liefert. Im Allgemeinen umfasst ein Umrichtersystem einen oder mehrere Transformatoren, welche sekundäre Wicklungen aufweisen, die mit jeweiligen Energiezellen gekoppelt sind, welche Gleichrichtung, Inversion und andere Konditionierungsaufgaben erfüllen. Um diese Funktionen auszuführen, enthält jede Energiezelle typischerweise einen Gleichrichter, einen Zwischenkreiskondensator (engl. „DC-link”-Kondensator), und einen Inverter und andere vergleichbare Bauelemente, und jede solche Energiezelle ist in ein Modul gepackt.
  • Wenn allerdings in einem System die Spannungs- und Leistungserfordernisse zunehmen, werden diese Module relativ sperrig, voluminös und teuer. Beispielsweise können solche Energiezellen in Mittelspannungs-(MV = „Medium Voltage”)-Anwendungen aufgrund der Größe der Zwischenkreiskondensatoren und anderer vorhandener Komponenten leicht 50 Pfund überschreiten. Ein weiterer Nachteil dieses konventionellen Designs von Energiezellen eines Umrichtersystems besteht in einem kostenintensiven und komplex angepassten Isolierungssystem, wenn die Spannungspegel von einigen Kilovolt auf mehrere 10 Kilovolt zunehmen. Im Allgemeinen werden Energiezellen als fest verschlossene Module bereitgestellt, die für einen gegebenen Leistungs- und Spannungspegel ausgelegt sind. Beispielsweise nehmen bei Energiezellen von 4160 V bei 1000 HP-Anwendungen Ausmaße und Gewicht radikal zu gegenüber einer Energiezelle, welche für 3300 V bei derselben Ausgangsleistung ausgelegt ist. Zudem muss das gesamte MV-Konverterpaket individuell ausgelegt werden, um eine spezielle Leistungsausgabe, wie beispielsweise 5000 HP, 10000 HP, 20000 HP-Anwendungen, Steuerung und Schutzspezifikationen zu erfüllen.
  • Bei derzeitigen Mittelspannungsumrichtern wird eine kaskadierte Topologie implementiert, welche auf einem teilweise modularen Design beruht. insbesondere ist die einzige Subkomponente des Systems, die den Umrichterprodukten einer Familie gemein ist, die Energiezelle, welche, wie oben beschriebenen, die Leistungselektronik enthällt, umfassend Inverter, Gleichrichter und Zwischenkreis. Bei derzeitigen Mittelspannungsumrichtern sind alle anderen Systemkomponenten, wie Transformatoren, Steuerung, Kühlsystem, Kommunikationsleitungen, Packung und elektrische Isolierung von einem modularen Ansatz ausgenommen. Stattdessen sind diese Hauptkomponenten für eine Nennspannung und Nennleistung eines spezifischen Designs optimiert und sind deswegen nicht leicht auf andere Umrichter-Auslegungen übertragbar.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ausführungsbeispiele stellen ein Zellenintegrationsverfahren vor, um Ausmaß und Gewicht der Zellen zu verringern, sowie ein Verfahren zur Vergrößerung der Energiedichte einer Zelle. Zudem liefern Ausführungsbeispiele ein Verfahren zur Zellspannungsisolierung, um den Anforderungen bis hoch zu mehreren 10 Kilovolt zu genügen, sowie um eine modulare Hochleistungsbaustein-Konfiguration oder Element-Konfiguration zu ermöglichen. Dieser Hochleistungsbaustein liefert einen effizienten Weg für serielle und/oder parallele Energiezellen. Die Anzahl der seriellen oder parallelen Energiezellen ist nur durch die Umrichteranwendung beschränkt. Die Elementkonfiguration basiert auf einem modularen Leistungstransformator, einem steckbaren Energiezellensystem geringer Größe, einem rekonfigurierbaren elektrischen Isolierungsverfahren und einem Master-Slave-Steuerungsschema. Ausführungsbeispiele bieten eine Skalierbarkeit der Gesamtsystemleistung und -Spannung, standardisiertes Design und leichte Rekonfigurierbarkeit, um einen weiten Leistungsbereich an MW-Pegeln abzudecken.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen ermöglicht ein komplett modulares Design es, die meisten Hauptbausteine eines Umrichters als Subkomponenten auszulegen, umfassend Energiezelle, Transformator, Steuerung, Kühlsystem, Kommunikationsleitungen, Packung und elektrische Isolation. Jede Komponente kann verschiedene Versionen haben, um an verschiedene Nennspannungen und Nennleistungen angepasst zu werden.
  • Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst eine Energiezellenkammer für ein Umrichtersystem einen beweglichen und einen festen Teil (bzw. Teile). Der bewegliche Teil umfasst eine Gleichrichterstufe, um ein von einer sekundären Wicklung eines Transformators empfangenes Eingangssignal gleichzurichten, um ein gleichgerichtetes Signal zu liefern, sowie eine Inverterstufe mit mehreren Schaltelementen, die ein Gleichspannungssignal empfangen und ein Wechselspannungssignal ausgeben. Dieser bewegliche Teil kann gleitend innerhalb eines Elements des Umrichtersystems ausgelegt werden. Der feste Teil umfasst wiederum einen Zwischenkreis mit wenigstens einem Kondensator, um das gleichgerichtete Signal entgegenzunehmen und das Gleichstromsignal an die Inverterstufe zu liefern. Der feste Teil ist in dem Element befestigt und der bewegliche Teil ist von dem festen Teil separiert.
  • In einigen Implementierungen umfasst der feste Teil einen Eingangszellenschutzmechanismus, der zwischen eine entsprechende sekundäre Wicklung und einen Power-Service-Bus gekoppelt ist, sowie einen Bypass-Block, um eine Umgehung der Energiezellenkammer zu ermöglichen. Der bewegliche Teil kann aus einem Gehäuse gebildet sein, welches Schaltelemente der Inverterstufe auf einer ersten Seite aufweist und mehrere Gleichrichterelemente der Gleichrichterstufe auf einer gegenüberliegenden Seite. Zudem kann ein Pfad geringer Induktivität zwischen die Schaltelemente und die Gleichrichterelemente gekoppelt werden, und kann wenigstens einen lokalen Kondensator aufweisen, um Transienten zu dämpfen (engl. „transient snubbing”).
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf lokale Niederinduktivitäts-Bus-Kondensatoren, welche an einen Gleichrichter und Inverter gekoppelt sind. Solche Kondensatoren können die eines entfernbaren Teils einer Energiezellenkammer sein. Ein Leistungskondensator der Energiezellenkammer, der dem festen Teil der Energiezellenkammer zugehörig ist, kann wiederum eine Bus-Gleichspannung an den entfernbaren Teil liefern. Die lokalen Kondensatoren können in einem diagnostischen Modus nützlich sein, bei dem der Leistungskondensator nicht verfügbar ist, und können ferner Dämpfungsschutz (engl. „snubbing protection”) in einem normalen Betriebsmodus eines die Energiezellenkammer umfassenden Systems bieten.
  • Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf ein Mittelspannungs-Umrichtersystem mit modularen Elementen, von denen jedes eine Transformator-Aufnahme enthält, die wenigstens einen Transformator beherbergt, und eine Energiezellen-Aufnahme, umfassend Zellenkammern, die jeweils ein Schutzgehäuse aufweisen, in dem eine Energiezelle untergebracht ist. Jedes modulare Element kann ferner eine Element-Controller-Aufnahme aufweisen, die einen Element-Controller beherbergt, um Referenz-Steuersignale von einem Master-Controller zu empfangen. Der Master-Controller wiederum ist mit den Element-Controllern gekoppelt, um Eingangsstrom-Informationen, Ausgangsstrom-Informationen und Steuerparameter bezüglich eines ausgewählten Betriebspunktes des Mittelspannungs-Umrichtersystems zu empfangen, sowie Statusinformationen von den modularen Elementen, und um die Referenz-Steuersignale an die Element-Controller zu liefern.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst ein Mittelspannungs-Umrichtersystem wenigstens einen Transformator und mehrere Energiezellenkammern, die jeweils mit einem Transformator gekoppelt sind. Der Transformator (bzw. die Transformatoren) hat/haben wenigstens eine primäre Wicklung, um Energie von einer Versorgungsleitungen zu empfangen, sowie mehrere sekundäre Wicklungen, die jeweils mit einer der Energiezellenkammern gekoppelt sind. Die Energiezellenkammern können jeweils einen Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einen Inverter umfassen. In einigen Implementierungen kann jede Energiezellenkammer in einen festen und einen beweglichen Teil (bzw. Teile) separiert sein, wobei der bewegliche Teil den Gleichrichter und Inverter umfasst und der feste Teil den Zwischenkreiskondensator. Ein Power-Service-Bus kann mit dem festen und dem beweglichen Teil (bzw. Teilen) jeder Energiezellenkammer gekoppelt sein und Gruppen der mehreren Energiezellenkammern in Reihe schalten.
  • In einigen Implementierungen kann der feste Teil einen Zwischenkreis umfassen, der einen entfernten Kondensator umfasst, der über eine Gleichstromsammelschiene (engl. „DC bus” bzw. Gleichstrom-Bus) Gleichspannung an den entsprechenden Inverter liefert. In dem festen Teil können auch andere Komponenten wie beispielsweise ein Eingangszellenschutzmechanismus und ein Bypass-Block vorhanden sein. Der bewegliche Teil kann wiederum ein Energiezellenmodul sein, das Schaltelemente aufweist, sowie Gleichrichterelemente gegenüber den Schaltelementen. Zudem kann ein Pfad geringer Induktivität zwischen die Schaltelemente und die Gleichrichterelemente geschaltet sein. Dieser Pfad kann wenigstens einen lokalen Kondensator umfassen, um Transienten zu dämpfen.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Umrichtersystem-Element, das eine Transformator-Aufnahme umfasst, um einen Transformator unterzubringen, und mehrere Energiezellenkammern, die jeweils eine Energiezelle beherbergen. In einigen Implementierungen kann der Transformator eine horizontale Konfiguration aufweisen, um eine effizientere Raumnutzung innerhalb des Elements zu ermöglichen und um höhere Energiedichten und eine verbesserte Kühlung zu realisieren. Die Energiezellen-Aufnahme wiederum umfasst Zellenkammern, von denen jede ein Schutzgehäuse aufweist, um eine der mehreren Energiezellen unterzubringen. In einer Implementierung umfasst jedes der Schutzgehäuse isolierende Teile, welche in einer zusammengreifenden Konfiguration (engl. „interlocking configuration”) ausgelegt sind, um die entsprechende Energiezelle zu isolieren. Zudem können die Zellkammern jeweils einen Power-Service-Bus aufweisen, der die Energiezelle, welche an eine erste Seite des Power-Service-Bus steckbar ist, an einen fasten Teil der Energiezellenkammer koppelt. Dieser feste Teil kann einen Zwischenkreis-Kondensator aufweisen, um eine Gleichspannung an die Energiezelle zu liefern. Dieser Zwischenkreis kann einen Leistungskondensator umfassen, der an eine zweite Seite des Power-Service-Bus gekoppelt ist, wobei die Energiezelle von dem festen Teil separiert ist.
  • Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Schutzgehäuse für eine Energiezelle gerichtet, die dazu ausgelegt ist, in einer Energiezellenkammer untergebracht zu werden. Dieses Gehäuse kann mehrere isolierende Teile aufweisen, die innerhalb einer Energiezellenkammer konzentrisch angeordnet sind. In einer Implementierung umfasst die Energiezellenkammer Schienenteile, die innerhalb der isolierenden Teile angeordnet sind, und die Energiezelle umfasst entsprechende Schienenteile, und die Energiezelle kann in der Energiezellenkammer mittels der entsprechenden Schienenteile gleiten. Basierend auf einer Nennspannung eines gegebenen Systems kann die Anzahl der isolierenden Teile variieren. Auf diese Weise isoliert das Schutzgehäuse die entsprechende Energiezellenkammer bezüglich anderer Energiezellenkammern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Blockdiagrammansicht eines in einem Element angeordneten Umrichtersystems gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 2A ist ein schematisches Diagramm von Komponenten innerhalb einer Energiezellenkammer gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 2B ist ein Blockdiagramm, welches Verbindungen darstellt, die in einem Power-Service-Bus verfügbar sind, gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 2C ist eine weitere Ansicht eines Power-Service-Bus gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 2D ist ein schematisches Diagramm eines beweglichen Abschnitts einer Energiezelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine Blockdiagrammansicht eines Energiezellenmoduls gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist ein Explosionsdiagramm einer Kammer eines Energiezellenelements gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist eine Darstellung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels einer Wicklungs-Geometrie eines modularen Transformators gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist ein Blockdiagramm eines Systems gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 7A ist eine Darstellung eines Elements gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 7B ist eine Seitenansicht des Elements, welche Luftfluss zur Kühlung illustriert, gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 8A ist ein Blockdiagramm einer modularen Systemkonfiguration gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 8B ist ein Blockdiagramm einer parallelen modularen Systemkonfiguration gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 8C ist ein Blockdiagramm einer seriellen modularen Systemkonfiguration gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 9A ist ein Flussdiagramm für eine elementare Steuerschleife für einen Master-Controller gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 9B ist ein Flussdiagramm für eine elementare Steuerschleife für ein Element gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 9C ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Ausführung der Steuerung einer Energiezelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann eine Energiezellenkammer in mehrere Teile separiert werden, nämlich einen stationären oder festen Teil und einen beweglichen Teil. Diese verschiedenen Teile können durch einen Power-Service-Bus verbunden werden. Auf diese Weise kann ein Modul oder ein anderes Gehäuse oder Umfassung, welche den beweglichen Teil bildet, relativ klein und leichtgewichtig ausgelegt werden, verglichen zu einer konventionellen Energiezelle. Dies ermöglicht einen leichteren Zugang durch den Nutzer, sowie ein leichteres Entfernen, eine leichtere Reparatur und leichtere Ersetzungsvorgänge bezüglich dieser beweglichen Teile der Energiezelle. Der bewegliche Teil kann wiederum in einen Power-Service-Bus gesteckt werden, welcher den beweglichen Teil mit dem festen Teil innerhalb der Energiezellenkammer koppelt. Der feste Teil der Kammer kann verschiedene Komponenten umfassen, die auf konventionelle Weise in einem einzelnen Energiezellengehäuse vorhanden wären, umfassend zum Beispiel einen Zwischenkreis mittels eines oder mehrerer Kondensatoren. Da solche Komponenten über mehrere Jahre relativ zuverlässig sein können, können diese in dem festen Teil vorhanden Komponenten auf einer bezüglich des beweglichen Teils gegenüberliegenden Seite des Power-Service-Bus angeordnet werden. Die hier verwendenten Begriffe ”fest” oder ”stationär” bedeuten, dass eine Komponente physikalisch direkt in einem Element angebracht ist, nicht leicht durch einen Nutzer zugreifbar, und nicht mittels einfacher Steck/Gleit-Mittel eingesetzt und entfernt werden kann. Stattdessen sind ein spezieller Zugriff und Werkzeug erforderlich, um die Komponenten einzusetzen oder zu entfernen. Im Gegensatz dazu meint ”beweglich” oder ”steckbar” eine Komponente oder eine Gruppe von Komponenten, die ohne dass Werkzeug erforderlich ist in ein Element eingesetzt werden können oder aus ihm entfernt werden können, z. B. mittels Gleiten, Stecken usw., womit schneller Zugriff durch den Nutzer ermöglicht wird.
  • Ausführungsbeispiele können ein modulares Element-basiertes Umrichtersystem bieten, das dazu verwendet werden kann, eine geregelte Leistung über einen weiten Spannungsbereich bereitzustellen. Beispielsweise können einige Anwendungen für Niederspannungs-Anwendungen verwendet werden. Der Begriff Niederspannung wird hier verwendet, um Spannungen von 600 Volt und darunter zu bezeichnen. Andere können für Mittelspannungsanwendungen verwendet werden. Mittelspannung wird hier verwendet, um Spannungen zwischen ungefähr 600 Volt und 35000 Volt zu bezeichnen. Ferner können dank der Separierung zwischen Komponenten einer konventionellen Energiezelle und der in einem Element erforderlichen Isolierung (wie unten beschrieben) Ausführungsbeispiele auch gut für Hochspannungs-(HV)-Anwendungen verwendet werden. Hochspannung meint hier Spannungen von über 35000 Volt, z. B. 69000 Volt.
  • In 1 ist eine Blockdiagrammansicht eines Energiezellenelements gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 1 gezeigt ist, kann das Element 10 wenigstens einen Teil eines Umrichtersystems wie beispielsweise eines Mittelspannungs-Umrichtersystems beherbergen, das ein mehrstufiger Inverter sein kann. Die Ansicht der 1 bezieht sich auf ein Vorderteil des Elements. Im Allgemeinen ist das Element so angeordnet, dass mehrere Transformatoren 22a bis 22c in einer Transformator-Aufnahme 20 vorliegen, die in einem unteren Teil des Elements 10 angeordnet werden kann. In einer Energiezellen-Aufnahme 30 des Elements 10 können wiederum mehrere Energiezellen 32a bis 32i angeordnet werden. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind neun solcher Energiezellen vorhanden, obgleich der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht beschränkt ist. Obgleich in der Ansicht der 1 auch einzelne Module gezeigt sind, sei angemerkt, dass diese Teile der Energiezellen, die in 1 gezeigt sind, beweglichen Teilen entsprechen können, die innerhalb von Gehäusen vorgesehen sind. In der 1 sind die festen Teile der Energiezellenmodule nicht zu sehen, welche an einem hinteren Teil eines Power-Service-Bus angebracht sein können, welcher in 1 ebenfalls nicht zu sehen ist.
  • In einigen Implementierungen kann ein einzelnes modulares Energiezellenelement ausreichen, um den gewünschten Leistungspegel für ein gegebenes System zu erreichen. Bei solchen Implementierungen kann ein Element-Controller 45 in einer Controller-Aufnahme 40 verwendet werden, um die Steuerung des Umrichtersystem zu bewirken. Allerdings können viele Ausführungsbeispiele mehrere Energiezellenelemente mit jeweiligen Element-Controllern 45 aggregieren, zusammen mit einem einzelnen Master-Controller-Element 40, um die Steuerung der Elementanordnung zu bewirken und die Leistungsfähigkeiten zu erhöhen. Bei diesen Implementierungen kann wiederum die Controller-Aufnahme 40 umfassend den Zellen-Controller 45 beispielsweise über eine faseroptische Schnittstelle mit einem Master-Controller-Element (nicht in 1 gezeigt) gekoppelt sein. Ferner kann bei Implementierungen, in denen ein einzelnes Energiezellenelement vorliegt, ein separates Element vorgesehen werden, um eine Nutzerschnittstelle bereitzustellen. D. h., um Nutzerzugriff auf Informationen bezüglich eines Umrichtersystems zu ermöglichen, kann eine Benutzerschnittstelle vorhanden sein. Solch eine Benutzerschnittstelle kann ein Display aufweisen und einen Eingabemechanismus, wie beispielsweise ein Tastenfeld oder eine Tastatur, um eine Nutzereingabe von Informationen und eine Steuerung verschiedener Operationen zu ermöglichen, umfassend Diagnostik, usw. Bei anderen Implementierungen kann ein Master-Controller-Element solch eine Benutzerschnittstelle umfassen.
  • Bezugnehmend auf die Transformatoren aus 1 kann jeder Transformator auf eine horizontale Weise konfiguriert sein, mit einem Kern 24 und mehreren darum angelegten Wicklungen, umfassend eine primäre Wicklung und eine Anzahl sekundärer Wicklungen. Zudem können einige Ausführungsbeispiele ferner eine oder mehrere Hilfswicklungen vorsehen, um Hilfsgeräte wie beispielsweise Lüfter oder dergleichen mit Energie zu versorgen. Jeder Transformator 22 kann ein Dreiphasen-Transformator sein, welcher drei Phasen von einem Versorgungsanschluss empfängt und Energie an eine oder mehrere Energiezellen liefert (obgleich in 1 nur eine einzelne Phase gezeigt ist). Insbesondere kann jeder Transformator drei Gruppen von sekundären Wicklungen umfassen, um Strom an eine jeweilige Energiezelle zu liefern. In einer Implementierung kann der Transformator 22a Energie an die Energiezellen liefern mit denen er im Allgemeinen vertikal ausgerichtet ist, nämlich Energiezellen 32a, 32d und 32g. Ähnliche Verbindungen können für die Transformatoren 22b und 22c konfiguriert werden. Allerdings sind auch andere Implementierungen möglich. Es sei angemerkt, dass die primären Wicklungen, die sekundären Wicklungen oder beide in einigen Implementierungen auch phasenverschoben sein können.
  • Dadurch, dass Transformatoren in einer im Allgemeinen horizontalen Anordnung vorgesehen werden, wird ein verbesserter Luftfluss realisiert. Zum Zweck der Kühlung der Transformatoren und des Elements kann im Allgemeinen ein im Wesentlichen linearer und laminarer Luftfluss bereitgestellt werden, z. B. von der Vorderseite zur Rückseite des Elements, so dass die Luft durch die Wicklungen der Transformatoren strömt. Obgleich Kühlung durch Umgebungsluft in vielen Implementierungen genutzt werden kann, können einige Ausführungsbeispiele auch eine Art der Flüssigkühlung für die Transformatoren vorsehen. Weitere Details hinsichtlich der horizontalen Art der Transformatoren werden unten beschrieben.
  • Wie ferner in 1 zu sehen ist, kann jede Energiezellenkammer 33 (d. h. sowohl die beweglichen als auch die festen Teile) als ein Gehäuse konfiguriert werden (nur eine solche entsprechende Kammer ist in 1 gezeigt). Solch eine Zellenkammer kann unter Verwendung eines isolierenden Materials wie beispielsweise Polypropylen oder einem anderen Kunststoff oder einem anderen solchen Material gebildet werden. Um eine elektrische Isolierung zwischen den Energiezellen und anderen Geräten im Element 10 zu ermöglichen, kann ferner in jeder Kammer eine Isolierungsbarriere 34 vorgesehen werden (es sei angemerkt, dass nur eine solche Isolierungsbarriere 34 gezeigt ist). Wie zu sehen ist, ist die Isolierungsbarriere 34 aus mehreren einzelnen Teilen in einer zusammengreifenden Art gebildet, oder mittels eines einzelnen involvierten Teils, wie es in 7A gezeigt ist, um eine effiziente Isolierung zur bieten. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Isolierungsbarriere 34 aus Schichten eines isolierenden Materials wie beispielsweise FORMEXTM oder einem anderen solchen Material gebildet sein. Obgleich in dem Ausführungsbeispiel der 1 zur Vereinfachung der Darstellung nur ein solches Teil gezeigt ist, soll angemerkt sein, dass viele solche Teile, z. B. zwei oder viel mehr vorgesehen werden können, da diese einzelnen Teile von relativ geringer Dicke sein können, z. B. 9.8 bis 125.2 mils. Auf diese Weise wird eine Isolationsblase um jede der Energiezellen gebildet, um die Spannungsisolierung zu erleichtern. Solch eine Isolierung kann es ermöglichen, dass eine einzige generische Elementarchitektur mit einer breiten Variation von Spannungen verwendet werden kann, von Niedervolt-Anwendungen bis hin zu Hochspannungs-Anwendungen. Wenn die Spannungs-Anwendung zunimmt, kann im Allgemeinen die Anzahl der Schichten und damit die relative Dicke auch zunehmen. Obgleich dies zum Zwecke der vereinfachten Darstellung in 1 nicht gezeigt ist, soll angemerkt sein, dass ferner Abstandshalter vorhanden sein können, um eine Separierung der einzelnen Energiezellenkammern von einer Basis zu bieten, über der diese platziert sind.
  • Es sei angemerkt, dass obgleich in dieser speziellen Implementierung des Ausführungsbeispiels der 1 die Energiezellen über Transformatoren angeordnet sind, der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Weise eingeschränkt ist. Ferner sei angemerkt, dass zusätzliche Komponenten in einem gegebenen Umrichtersystem vorhanden sein können und dass die Darstellung der 1 auf einer hohen Ebene angesiedelt ist, um die Hauptkomponenten und deren allgemeinen Lokalisierung innerhalb eines Systems anzugeben.
  • In 2A ist ein schematisches Diagramm der Komponenten innerhalb einer Energiezellenkammer gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 2A gezeigt ist, ist die Kammer 100 so ausgelegt, dass sie sowohl den festen als auch den beweglichen Teil (bzw. Teile) umfasst. Ein gegebenes Umrichtersystem kann mehrere solche Kammern umfassen, um das Umrichtersystem zu bilden. In verschiedenen Implementierungen kann ein Energiezellenmodul 110 dem beweglichen Teil der Energiezellenkammer entsprechen und kann über ein Frontpanel eines Elements zugänglich sein, wogegen ein fester Teil 115 der Kammer über ein Rückpanel des Elements zugänglich sein kann, oder über ein Frontpanel wenn das Zellenmodul 110 nicht vorhanden ist oder sonst wie entfernt worden ist. So entspricht, wie dies in 2A gezeigt ist, von rechts nach links im Allgemeinen einer Richtung von einer Vorderseite zu einer Rückseite eines Elements. Details der beweglichen Energiezelle werden unten beschrieben. Im Allgemeinen kann der bewegliche Teil die Gleichachter- und Inverterstufen einer Zelle umfassen (aber nicht den Zwischenkreis-Leistungskondensator).
  • Das Energiezellenmodul 110 kann an einen Power-Service-Bus 120 über mehrere steckbare Anschlüsse koppeln, welche an dessen hinterem Teil lokalisiert sind. Der Power-Service-Bus 120 kann verschiedene Anschlüsse aufweisen, die zu den Anschlüssen des Energiezellenmoduls 110 passen. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Energiezellenmodul 110 über Blindsteckverbindungen an entsprechende Anschlüsse eines Power-Service-Bus 120 installiert werden. Wie im Folgenden beschrieben wird, kann ein Energiezellenmodul 110 einen Gleichrichter-Abschnitt und einen Inverter-Abschnitt umfassen. Der Gleichrichter-Abschnitt kann mehrere Dioden umfassen, die mit den Eingängen der Transformator-Sekundärwicklungen (engl. „transformer secundary”) gekoppelt sind, zusammen mit wenigstens einem parallelgeschalteten lokalen Kondensator, welcher wiederum mit einem Lokal-Kondensator-Niederinduktivitäts-Bus gekoppelt ist. Gleichermaßen kann der Inverter-Abschnitt beispielsweise ein H-Brücken-Inverter sein, der mehrere Schaltelemente wie beispielsweise IGBTs umfasst und ferner einen parallelgeschalteten lokalen Kondensator umfassen kann. Der lokale Kondensator kann Diagnostik und Dämpfungsschutzfähigkeiten (engl. „snubber protection”) für die Energiezelle bieten. In verschiedenen Implementierungen kann dieser Kondensator von der Größe einiger weniger 10 bis einiger 100 Nanofarad ausgebildet sein. Der Inverter-Abschnitt wiederum ist ebenso mit dem Lokal-Kondensator-Niederinduktivitäts-Bus gekoppelt. Dieser Bus kann so konstruiert werden, dass ein Pfad geringer Induktivität bereitgestellt wird. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Induktivität zwischen einigen wenigen Nanohenry bis weniger als 20 Nanohenry liegen und der Bus kann aus einem geschichteten Material gebildet sein und Verbindungen zwischen diesen beiden Abschnitten auf eine Weise mit geringer Induktivität bieten.
  • Bei einer gegebenen Implementierung kann das Energiezellenmodul 110 so ausgebildet sein, dass es Kühlkörper mit dualen Platten aufweist, z. B. oben(auf) und unten. In verschiedenen Implementierungen können verschiedene Controller-Boards in dem Modul 110 vorhanden sein. Eines der Boards liefert Gate-Signale, um den H-Brücken-Inverter zu steuern, während ein zweites Board einen Eingangsstrom liefert, sowie eine Detektionsmöglichkeit für DC-Bus-Spannung für die Energiezelle. Ein drittes Board kann mit diesen Controller-Boards kommunizieren und kann auch innerhalb des Einsteck-Abschnitts der Zellenkammer 110 implementiert werden, welche wiederum über eine faseroptische Schnittstelle mit den entsprechenden Element-Controllern gekoppelt werden kann. In dem Modul 110 kann auch eine Energieversorgung vorhanden sein, die verwendet werden kann, um eine Niederspannungsversorgungen z. B. an die internen Zellen-Controller-Boards zu liefern.
  • In dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel können Eingangs-, Ausgangs-, DC-Bus- und Steuersignal-Anschlüsse einer Energiezelle mittels einer Anzahl von Blindsteckverbindungen realisiert werden, um an den Bus 120 zu koppeln. In dem Ausführungsbeispiel der 2A können die Anschlüsse zylindrisch geformte männliche bzw. weibliche Steckverbinder sein, welche eine hohe Stromdichte und minimale Beabstandungen bieten, obgleich auch andere Implementierungen möglich sind, wie im Folgenden beschrieben wird. Es sei angemerkt, dass der Bus 120 auch einen Gleichstrom-Niederinduktivitäts-Bus umfassen kann. Im Allgemeinen kann dieser Bus wenigstens eines der Folgenden nutzen, um eine Niederinduktivitäts-Verbindung zu ermöglichen: der Bus kann aus einem Schichtmaterial gebildet sein, z. B. mehrere Kupferschichten und einer Isolierungsschicht, um elektrische Isolierung für die Anordnung zu leisten. Wie in 2A zu sehen ist, ist der Wechselstrom-Ausgang der Energiezelle mittels Steckverbindungen 1251 und 1252 angeschlossen. Ein Eingangsanschluss an in die Zelle von sekundären Wicklungen eines Transformators kann wiederum über Anschlüsse 1261–1263 (bei einer 3 Phasen-Implementierung) mit der Energiezelle 110 gekoppelt sein. Ein DC-Bus-Anschluss 128 kann eine DC-Bus-Verbindung zwischen die Energiezelle 110 und den Kondensator 130 koppeln. In einem Ausführungsbeispiel kann der Anschluss 128 aus einer einzelnen Verbindung gebildet sein, welche mehrere konzentrische feste Anschlüsse aufweist, die zu konzentrischen festen Anschlüssen passen, um an einen Niederinduktivitäts-DC-Bus anzuschließen. Der konzentrische Stecker 128 kann einen Zellen-Zwischenkreis-Leistungskondensator 130 ankoppeln, der in einem festen Teil 115 der Energiezellenkammer implementiert ist, die auf der gegenüberliegenden Seite des Power-Service-Bus 120 angeordnet ist. Der Kondensator kann so ein bezüglich der beweglichen Energiezelle entfernter Kondensator sein. In einer solchen Implementierung kann dieser konzentrische Anschluss vom Typ eines koaxialen zylindrischen Kabels sein, welches die Induktivität des DC-Buses reduziert. In anderen Ausführungsbeispielen kann eine geringe Induktivität dadurch realisiert werden, dass eine Anzahl von Anschlüssen für die positiven und negativen Teile des DC-Buses bereit gestellt werden, z. B. vier parallele Anschlüsse, die horizontal oder in einer anderen Anordnung angeordnet sind, jeweils zwei für den positiven und negativen Teil. Es sei auch angemerkt, dass ein Steueranschluss 129 verschiedene Status- und Steuersignale über den Power-Service-Bus 120 liefern kann.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann der Kondensator 130 ein einzelner Film-Leistungskondensator sein, oder mehrere einzelne Film-Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind oder parallel geschaltet sind, oder eine Kombination, die an ein spezifisches Zellendesign angepasst ist. Die Kondensator-Konfiguration kann von tausenden von Mikrofarad bis zu mehreren zehntausend Mikrofarad reichen und von einigen wenigen zehn bis wenige hundert Ampere rms (effektiv). Die Kondensator-Konfiguration 130 kann von einem DC-Bus aus betrieben werden, der eine Nennspannung von einigen wenigen hundert Volt bis zu mehreren tausend Volt aufweisen kann. Andere Implementierungen können Elektrolyt-Kondensatoren oder andere Arten von Kondensatoren verwenden. Jeder einzelne Kondensator kann ferner mit einem Entladewiderstand verknüpft sein. Wie in 2A gezeigt ist, kann ein Entladungs/Erdungs-System realisiert werden als ein Widerstandsteiler, der aus Reihenwiderständen R1 und R2 gebildet ist, die einen geerdeten Zwischenknoten aufweisen, der eine massefreie Verbindung zum Rahmen sein kann, so dass bei einem Fehler lediglich die Hälfte der Spannung zur Erde entladen wird. Es kann mehr als ein solcher Kondensator vorhanden sein, so dass der hier verwendete Begriff ”Kondensator” sich auf eine Kombination aus einem oder mehreren Kondensatoren bezieht. Die Kondensator-Konfiguration 130 kann auch über oder unter dem beweglichen Abschnitt der Energiezellenkammer lokalisiert sein, allerdings innerhalb der Zellenkammer.
  • Zudem kann der feste Teil 115 ferner einen Eingangszellenschutzmechanismus 140 aufweisen, wie beispielsweise Stromkreisunterbrecher oder andere Schutzmechanismen, z. B. Sicherungen, die zwischen die sekundären Wicklungen eines Transformators und den Power-Service-Bus 120 geschaltet sind. Der Eingangszellenschutzmechanismus 140 kann einen zuverlässigen Schutz gegen Kurzschlüsse und einen Überlastschutz innerhalb einiger weniger 60 Hz-Stromzyklen bieten. Der Auslösesteuermechanismus, um den Mechanismus 140 (nicht gezeigt) zu betreiben kann in dem beweglichen Teil 110 implementiert sein. Nicht gezeigt in dem Ausführungsbeispiel der 2A sind verschiedene Steuer- und Schaltsignale, die zwischen eine Zelle und einen Master- oder Element-Controller geschaltet werden können (was außerhalb einer gegebenen Energiezellenkammern sein kann, aber beispielsweise in einem anderen Teil eines Elements vorhanden sein kann). Wie ferner in 2A gezeigt ist, kann ein Steuer-Transformator, der ein sicherungsloser Transformator sein kann, an mehrere Phasen der von der Leistungstransformator-Sekundärwicklung eingehenden Signale gekoppelt werden. Dieser Transformator bietet Schutz und kann Kurzschluss-Fehlerströmen auf eine sichere Weise widerstehen. Es sei angemerkt, dass T1 und T2 sekundäre Anschlüsse des sicherungslosen Transformators sind, die verwendet werden können, um den Stromkreisunterbrecher zu aktivieren und die Shunt-Auslöse-Spulen zu umgehen und dem mobilen Abschnitt der Zelle Steuerstrom zuzuführen.
  • Zudem kann ein Zellen-Bypass-Block 150 in dem festen Teil 115 vorgesehen werden, welcher in einem Zellen-Fehlermodus Redundanzstrom/Bypass für eine gegebene Energiezelle liefern kann. Dieser Mechanismus kann unter Verwendung eines Shunt-Auslöse-Kontaktgebers implementiert werden, der von einem Element-Controller über den Einsteck-Abschnitt und den Service-Bus gesteuert wird. Wenn beispielsweise während des Betriebs ein Stromschaltfehler durch Signale, die von einem Master-Controller gesendet wurden, detektiert wird, so kann der Master-Controller bewirken, dass Block 150 angesteuert wird, um so einen Kurzschluss zwischen den Ausgängen einer Energiezelle, die einen Fehler aufweist, zu erzeugen. Durch Ansteuern einer Spule innerhalb des Bypass-Blocks 150, wie dies in 2A gezeigt ist, kann ein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen P1 und P2 hergestellt werden, um so die Energiezelle im Fall einer Fehlfunktion zu umgehen. Falls beispielsweise die Energiezelle 32g (aus 1) aufgrund eines Fehlers in Phase A deaktiviert ist, können auch die Energiezellen 32d und 32a in den Phasen B und C über den Master-Controller deaktiviert werden, um es dem Umrichtersystem zu ermöglichen, bei reduzierter Leistung und abgestimmter Ausgangsspannung weiter zu funktionierter.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann der Block 150 ein elektronischer Schalter sein, der über einen Stromstoßschalter (engl. „latching Relay”) mit einem Element-Controller (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Das Latching-Relay bewirkt, dass es die Signale von dem Element-Controller nimmt und automatisch das Schalten des Bypass-Blocks 150 zum Öffnen und Schließen steuert, um so eine Umgehung zu ermöglichen, indem auf einen Fehler-Befehl oder einen anderen negativen Zustand reagiert wird. Ähnliche Verbindungen können zwischen einem entsprechenden Latching-Relay und dem Eingangszellenschutzmechanismus 140 vorhanden sein, um zu bewirken, dass der Unterbrecher oder ein anderer Schutzmechanismus aktiviert wird, um zu verhindern, dass Eingangsstrom an eine gegebene Energiezelle gelangt. Falls beispielsweise ein Fehler in dem Gleichrichter-Abschnitt auftritt und von einem in dem Zelleneingang lokalisierten Stromsensor detektiert wird (nicht in 2A gezeigt), so kann der Eingangsschutzmechanismus 140 die Stromzufuhr zur Zelle über 140 ausschalten, gefolgt von einer Aktivierung des Bypass-Blocks 150, um die betroffene Zelle zu isolieren. In diesem Szenario kann der Master-Controller bewirken, dass das gesamte Umrichtersystem deaktiviert wird, oder dass diese Zelle umgangen wird, um den Betrieb bei reduzierter Leistung fortzusetzen. In einigen Implementierungen kann die Verbindung zwischen dem Element-Controller und dem Latching-Relay oder dem Shunt-Auslöse-Schaltkreis mittels Faseroptik realisiert werden, obgleich der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht eingeschränkt ist.
  • Die Struktur des Power-Service-Bus 120 trägt den konzentrischen DC-Bus und andere Anschluss-passende Zugriffe (der einsteckbaren Art). Der Power-Service-Bus 120 kann Bus- bzw. Verteilungsschienen (engl. „bus bars”) für serielle Zellenausgabe integrieren, Bus-Schienen für Zellenausgabe, einen geschichteten DC-Bus geringer Induktivität für den Anschluss an den Zwischenkreis-Leistungskondensator (bzw. die Zwischenkreis-Kondensatoren), und ein G-10TM-Material, um strukturelle Stützung und Isolierung zwischen den elektrischen Bussen zu liefern. Auf diese Weise kann eine Reihenschaltung einer Gruppe von Energiezellen realisiert werden, um eine Phasenausgangsleitung für eine an das Umrichtersystem gekoppelte Last bereitzustellen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Service-Bus unter Verwendung einer Teilungswand (z. B. G-10TM-Material) gebildet werden, oder einer offenen Struktur, um Luftzirkulation zu ermöglichen.
  • In 2B ist ein mechanisches 3D-Modell gezeigt, welches die in einem Power-Service-Bus vorhandenen Verbindungen gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 2B gezeigt ist kann ein Power-Service-Bus 120 unter Verwendung isolierenden Materials gebildet werden, z. B. G-10 und kann Kontakte für Zelleneingang, -Ausgang, Zwischenkreis und Steuersignale (nicht gezeigt) umfassen. Wie insbesondere in 2B zu sehen ist können an einem oberen Bereich des Power-Service-Bus 120 die Zellenausgänge P1 und P2 angeordnet werden. Ferner können die drei Anschlüsse L1 bis L3 im unteren Bereich des Power-Service-Bus die Eingänge von den sekundären Wicklungen eines Transformators liefern, während die Zwischenkreis-Anschlüsse 128 mittels vier einzelner Anschlüsse realisiert werden können, zwei positive und zwei negative. In anderen Ausführungsbeispielen wird eine einzelne positive und eine einzelne negative Verbindung bereitgestellt.
  • In 2C ist eine andere Ansicht des Power-Service-Bus gezeigt, welche einen Teil eines beweglichen Teils einer Energiezellenkammern zeigt, welche Anschlüsse an die Zelleneingänge, -Ausgänge, sowie an die Zwischenkreis-Schicht-Busse in dem beweglichen Teil liefert. Es sei angemerkt, dass auf dem oberen Teil des beweglichen Moduls 110 mehrere Schaltelemente 114, welche IGBTs sein können, vorliegen, während in dem unteren Teil der Zelle Gleichrichterelemente 117 vorliegen. Schaltelemente 114 können zwischen einem geschichteten DC-Bus 119 und Bus-Schienen 118 gekoppelt werden. Wie auch in 2C zu sehen ist, wird die Ausgabe aus einer Energiezelle über Anschlüsse P1 und P2 von den Bus-Schienen 118 geleitet. Die Anschlüsse P1 und P2 können Verbindungen mit anderen Energiezellen herstellen, mit denen die Energiezelle 110 in Reihe geschaltet ist, nämlich eine andere Energiezelle derselben Phasenausgabeleitung. Es sei angemerkt, dass in einigen Ausführungsbeispielen statt der gezeigten flachen Anschlüsse auch zylindrische Anschlüsse verwendet werden können, wie es in 2A gezeigt ist.
  • Obgleich diese spezielle Implementierung in den Ausführungsbeispielen der 2A–C gezeigt ist, ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht eingeschränkt. Obgleich in diesem Ausführungsbeispiel angenommen wird, dass der bewegliche Teil 110 der Energiezelle die oben beschriebenen Komponenten des festen Teils 115 nicht enthält, so kann beispielsweise in einigen Implementierungen eine beschränkte Menge von lokaler Kapazität, die in der Energiezelle verfügbar ist, mit der festen Kapazität kombiniert werden, die in dem festen Teil innerhalb der Energiezellenkammer gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung vorhanden ist.
  • In 2D ist ein schematisches Diagramm einer Energiezellenkammer gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere sind in 2D die Komponenten des beweglichen Teils der Energiezellenkammer gezeigt. Insbesondere enthält der bewegliche Teil 110 eine Gleichrichter-Brücke 111 und einen Inverter 117, welcher als ein H-Brücken-Inverter ausgebildet sein kann. Zudem kann eine Anzahl an lokalen Kondensatoren 113 vorhanden seien und zwischen die Gleichrichter-Brücke 111 und den Inverter 117 geschaltet sein, Es sei jedoch angemerkt, dass diese lokalen Kondensatoren (die in einem Ausführungsbeispiel Film-Kondensatoren sein können) nicht genügend Kapazität an den DC-Bus der Energiezelle liefern. Stattdessen können die lokalen Kondensatoren, welche von der Größenordnung zwischen 100 und 200 Mikrofarad sein können, zum Zwecke der Bench-Diagnostik (einzelne Zelle) verwendet werden und zum Dämpfen von Transienten für die IGBTs des Inverters 117 im Mittelspannungsbetrieb,
  • Allerdings liefern diese Kondensatoren nicht genügend Kapazität um den Inverter-Umrichter bei einem gewünschten Mittelspannungs-Pegel ordentlich zu betreiben. Stattdessen können, wie zu sehen ist, Anschlüsse P und N, welche einen DC-Bus 128 bilden, die Gleichspannung von dem Zellen-Leistungskondensator empfangen (z. B. Kondensator 130 der 2A) welcher in dem stationären Abschnitt der Zelle vorhanden ist. Es sei angemerkt, dass die Anschlüsse L1 bis L3, die mit der Gleichrichter-Brücke 111 gekoppelt sind, auch mittels eines Power-Service-Bus aufgenommen werden können, z. B. von einer Leistungstransformator-Sekundärwicklung, wie dies in 2A gezeigt ist. Die regulierte Ausgabe von dem beweglichen Teil 110 kann an den stationären Abschnitt mittels der Anschlüsse P1 und P2 ausgegeben werden, die, wie in 2A gezeigt ist, durch den Power-Service-Bus 120 laufen kann, wo die Spannungen an eine nächste Energiezelle geliefert werden können (beispielsweise). So können, im Gegensatz zu einer konventionellen Energiezelle, die in 2D gezeigten Komponenten durch Empfangen einer DC-Bus-Bulk-Kapazität von den stationären Abschnitt eine geeignete Ausgangsspannung liefern.
  • In 3 ist eine Blockdiagrammanzieht eines Energiezellen-Moduls gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie 3 gezeigt ist, kann das Modul 160 ein elementare Repräsentation eines entfernbaren Teils einer Energiezelle sein. Nicht gezeigt ist, dass ein Gehäuse vorhanden sein kann, das mehrere Komponenten aufweisen kann, umfassend beispielsweise einen lokalen Controller, Eingangsstrom- und Kühlkörper-Sensoren, Stromschalter-Gate-Treiber und eine modulare HV-Energiezufuhr. Zudem umfasst das Modul 160 einen geteilten Kühlkörper, der aus Kühlplatten-Teilen 162a und 162b gebildet ist, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Gehäuses 165 vorhanden sind, um eine verbesserte thermische Steuerung und eine erhöhte Leistungsdichte des Moduls 160 zu ermöglichen. Obgleich dies in 3 aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt ist, sei angemerkt, dass die Kühlkörper-Teile eine Kamm-, Rippen-, oder Lüfter-ähnliche Struktur aufweisen können, um die Wärme effizient abzuführen. Die Kühlkörper-Struktur kann eine Kühlplatte mit einer Kühlflüssigkeit umfassen, die in Rohren durch die Platte zirkuliert, mit dem Eingang/Ausgang auf derselben Seite oder gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses. Verschiedene Komponenten können mit den zwei Kühlkörpern gekoppelt sein. In der in 3 gezeigten Implementierung können auf einem oberen Teil Schaltelemente einer Inverter-Stufe vorhanden sein. Beispielsweise können die Schaltelemente 164a und 164b IGBTs sein. Obgleich in dieser Frontansicht der 3 dies so dargestellt ist, als wären nur zwei IGBT-Dualmodule umfasst, sei angemerkt, dass in verschiedenen Implementierung eine H-Brücke einer Energiezelle 6-Pack IGBT-Module umfassen kann und dass all diese auf einem oberen Bereich eines Energiezellengehäuses 165 angeordnet werden können. Auf dem unteren Teil können Gleichrichterelemente 166a bis 166c einer Gleichrichter-Stufe vorhanden sein. Obgleich in 3 drei solche Elemente gezeigt sind, sei wiederum angemerkt, dass in anderen Ausführungsbeispielen zusätzliche Gleichrichterelemente vorhanden sein können. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Gleichrichter-Abschnitt durch ein aktives Front-End mit sechs IGBT-Modulen ersetzt werden, um eine Regenerationfähigkeit zusätzlich zur Gleichrichtung zu bieten. Auch kann durch Anordnen der Hauptkomponenten des beweglichen Teils der Energiezelle um ein Äußeres eines Gehäuses 165 der Zugriff auf die Komponenten für Wärmeabfuhr sowie zur Erhöhung einer Leistungsdichte bei Erhalt der Ausmaße für einen breiten Bereich von Leistungen und unter Nutzung keiner oder beschränkter Zwischenkreis-Kapazität ermöglicht werden. Dies hat auch eine dramatische Auswirkung auf die Größen- und Gewichtsreduktion, sowie darauf, wie Diagnostik- und Entfern-, Reparatur- und Ersatzvorgänge realisiert werden.
  • Um einen Pfad niedriger Induktivität zwischen dem Gleichrichter- und dem Inverter-Abschnitt bereitzustellen, können zwei lokale Film-Kondensatoren 168, welche lokale Wellen (engl. „ripple”) und volle Zwischenkreis-Stromzirkulation ermöglichen, auf dem Äußeren eines Gehäuses angeordnet werden und mittels einer entsprechenden Anzahl von Anschlüssen mit den Schaltelementen und Gleichrichterelementen gekoppelt werden (es sei angemerkt, dass die Anschlüsse in 3 nicht gezeigten sind). Dieser Pfad niedriger Induktivität hat reduzierte Störeffekte und liefert einen adäquaten Pfad für Gleichstrom-Zirkulation, sowie eine Dämpfung von Transienten, welche während des normalen Betriebs auftreten können, um die Inverter-Zellen-Performanz zu verbessern. Auf diese Weise können lokale Kondensatoren 168 genutzt werden, um einen Pfad geringerer Induktivität direkt zwischen Gleichrichter und Inverter zu realisieren, um ein Glätten eines verrauschten Signals während des normalen Betriebs zu ermöglichen, sowie um Diagnostik/Test-Fähigkeiten für eine einzelne Zelle zu bieten. D. h., im Gegensatz zu dem einen oder den mehreren Kondensatoren, die in einem festen Teil einer Energiezelle, vorhanden sind, welche genutzt werden, um die Bulk-Kapazität zu liefern, welche für den Betrieb des Inverters erforderlich ist, kann der lokale Kondensator (bzw. die lokalen Kondensatoren) als Dämpfungsschaltkreis wirken, um an den Inverter-Anschlüssen vorhandene, unerwünschte Spannungstransienten herauszufiltern. Dies tritt insbesondere während Schaltereignissen auf, die in Schaltelementen des Inverters passieren. Obgleich dies mit diesem Ausführungsbeispiel der 3 in dieser vereinfachten Darstellung gezeigt ist, sei angemerkt, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht beschränkt ist.
  • In 4 ist eine Explosionsdarstellung einer Energiezellenkammer eines Elements gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 4 zu sehen ist, umfasst die Kammer 33 einen Energiezellen-Isolierungsteil 32 umfassend Schienenteile 35 an seinem Boden, um es einer beweglichen Energiezelle zu ermöglichen, gleitend in die Kammer eingepasst zu werden und aus ihr entfernt zu werden. Insbesondere können die Schienen 31 es entsprechenden Schienen 35 der beweglichen Energiezelle ermöglichen, zu gleiten. Wie zu sehen ist, können mehrere Schichten einer Isolierungs-Barriere 34 vorhanden sein, um eine Isolierung für eine Energiezellenkammern zu liefern. Auf diese Weise wirkt die Isolierungs-Barriere 34 als eine Blase oder Kokon-Schale, in der die Energiezellenkammer von anderen Gerät eines Umrichtersystems isoliert ist. Die Anzahl der Schichten kann von der Nennspannung des Umrichtersystems abhängig sein. Beispielsweise kann abhängig von der Dicke der einzelnen Schichten (die im Bereich von weniger als 1 mm bis über 20 mm liegen kann) die Betriebsisolierung 150 kV überschreiten. In einigen Implementierungen können fünf oder mehr Schichten vorgesehen werden, um die Isolierung zu verbessern. Obgleich sie als zusammengreifende Teile gezeigt sind, können die Teile in anderen Implementierungen ferner auch umgebend oder umkreisend sein, so dass jedes Teil die Kammer 33 vollständig umgibt.
  • In verschiedenen Implementierungen können die Schichten der Isolations-Barriere 34 zwischen einem Umfang einer Kammer und Schienen 35 der Kammer vorhanden sein. Wie ferner in 4 gezeigt ist, können zusätzliche Isolierungsteile 37 um den Energiezellen-Isolierungsteil 32 angeordnet werden, um eine verbesserte Isolierung der Energiezelle zu ermöglichen. Die oben angesprochene Staffelung kann teilweise unter Verwendung dieser zusätzlichen Isolierungsteile 37 von variierenden Größen implementiert werden. Es sei angemerkt, dass die Länge der Schichten der Isolierungs-Barriere 34 über die Länge des Energiezellenmoduls hinausgehen kann, welches innerhalb der Kammer 33 angeordnet ist, um die Isolierung zu verbessern. Ferner ermöglicht diese vergrößerte Länge ein einzelnes modulares Design, das mit Energiezellen von variierenden Nennspannungs-Anwendungen verwendet werden kann, um ein einzelnes modulares Design mit Umrichtersystemen mit stark unterschiedlichen Nennspannungs-Fähigkeiten zu ermöglichen. Ferner können die Kammern, wenn sie in einem modularen Umrichtersystemen in einem Stapel angeordnet werden, in im Wesentlichen vertikaler Ausrichtung entlang einer Achse vorliegen, aber nicht entlang einer anderen. D. h., die Kammern können vertikal gestaffelt werden (bezüglich der Vorder/Rückseiten-Achse des Elements) um einen größeren Isolierungsschutz mit minimaler vertikaler Beabstandung zwischen den Kammern zu ermöglichen. Diese Konfiguration kann ein Corona-Auftreten reduzieren oder verhindern und schafft dies mit einer minimalen Wirkung auf die Beabstandungsgröße der Kammern. Beispielsweise kann die Staffelung in einem Ausführungsbeispiel zwischen ein und zwei Zoll liegen.
  • Wie oben beschrieben kann ein Element eine Transformator-Aufnahme enthalten, in der ein oder mehrere Transformatoren angeordnet sind. Solche Transformatoren können eine Haupt-Primär-Wicklungen aufweisen, welche eine dreiphasige Mittelspannungs-Wicklung sein kann, die eine Mittelspannungs-Stromzufuhr z. B. von einem Versorgungsanschluss aufnimmt. Eine Anzahl von sekundären Wicklungen, von denen jede eine dreiphasigen sekundäre Wicklung sein kann, kann normale Betriebsenergie an die Energiezellen liefern. Diese sekundären Wicklungen können phasenverschoben sein, z. B. um 20 Grad bezüglich deren benachbarter sekundären Wicklung, allerdings ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Zusätzlich zu den Hauptwicklungen zur Speisung der Energiezellen während des normalen Betriebs kann ein Transformator ferner Hilfswicklungen aufweisen, um eine Vorladung zu ermöglichen, sowie um Hilfsfunktionen zu bewerkstelligen, wie beispielsweise Diagnostik, Spannungsdetektion, Lüfter-Leistung, usw.
  • Durch Separierung eines Transformators in modulare Einheiten existiert eine größere Oberfläche für den Kern und deswegen kann Wärme effizienter abgeführt werden. Ferner kann jedes modulare Kernvolumen in seiner Größe reduziert werden, da das Windungs-Fenster lediglich eine oder eine kleine Anzahl von sekundären Wicklungen pro Ausgangsphase unterbringen muss. Der modulare Ansatz ermöglicht es, einen einzelnen Einheits-Transformator über einen breiten Spannungs- und Leistungsbereich zu nutzen. Durch Erhöhen der Anzahl modularer Einheiten kann ein Umrichtersystem gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in der Lage sein, höhere Spannungen und Leistungen mit geringer harmonischen Störung zu liefern.
  • In einem Ausführungsbeispiel eines Umrichtersystems mit mehreren modularen Transformatoren kann die Menge an Phasenverschiebung der sekundären und primären Wicklungen entsprechend der folgenden Gleichungen berechnet werden:
    Figure 00210001
    wobei NT die Anzahl der Transformator-Module ist, Ndc die Anzahl an isolierten Gleichstrom-Quellen ist; NS eine ganze Zahl der Anzahl von sekundären Wicklungen in jedem Transformator ist; Nph die Anzahl an Phasen einer Stromzufuhr ist; αSBC die Phasenverschiebung der sekundären Wicklungen in den jeweiligen Modulen ist; und αprim die Phasenverschiebung der primären Wicklung in den jeweiligen Modulen ist.
  • Modulare Transformatoren können unter Verwendung von Transformator-Herstellung-Techniken hergestellt werden und durch Implementierungen verschiedener Arten von Wicklungs-Designs sowohl für primäre als auch für sekundären Wicklungen. Primäre Wicklungen können sowohl erweiterte Delta-Konfigurationen umfassen, als auch eine Standard-Delta-Konfiguration. Zudem kann die Verbindung zwischen primären und sekundären Wicklungen frei gewählt werden. In verschiedenen Implementierungen kann eine gewünschte Phasenverschiebung realisiert werden durch ändern der Geometrie der Wicklung, z. B. durch anpassen der Windungszahlen einer oder mehrerer Spulen des Transformators, oder der Abgriffe bezüglich anderer Spulen. Durch Steuerung der Windungszahlen von Spulen und deren Verbindungsverfahren kann eine gewünschte Phasenverschiebung realisiert werden. Sekundäre Wicklungen können Standard-Delta-Konfigurationen umfassen, aber auch Polygon-Konfigurationen, wobei wiederum durch Änderung der Größe und/oder Windungszahlen einer oder mehrere Spulen verschiedene Phasenverschiebungen realisiert werden können. Natürlich können in anderen Implementierungen auch andere Konfigurationen oder Verbindungen verwendet werden, um eine gewünschte Phasenverschiebung zu realisieren.
  • Wie oben beschrieben, können modulare Transformatoren horizontal angeordnet werden, um bei der Kühlung des Transfers zu helfen. 5 ist eine Darstellung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels einer Wicklungsgeometrie eines modularen Transformators. In 5 ist eine geometrische Darstellung eines modularen Transformators 200 gezeigt. Wie zu sehen ist, kann der Transformator 200 ein einzelner modularer Transformator sein, mit einer im wesentlichen horizontalen Konfigurationen (d. h. die Wicklungen sind um eine horizontale Achse X gewickelt) mit einem Kern 205, der ein Eisenkern sein kann, um den die verschiedenen Wicklungen, sowohl Haupt- als auch Hilfswicklungen, um horizontale Spulenkörper (engl. „columns”) des Kerns gewickelt sind. Im Allgemeinen können die Wicklungen eine primäre Spule 210 und mehrere sekundäre Wicklungen 220 umfassen. Zudem können einige Implementierungen ferner Hilfsenergie mittels einer LV-Primär-Hilfswicklung 230 und einer LV-Sekundär-Hilfswicklung 240 bieten. Allerdings kann in einigen Implementierungen die Hilfswicklung auch nicht vorhanden sein. Ferner ist der Schutzbereich der Erfindung nicht auf eine horizontale Konfiguration beschränkt, da dieses Verfahren auch mit einer konventionellen vertikalen Konfiguration eingesetzt werden kann.
  • Während 5 eine dreiphasige Konfiguration zeigt und demnach drei Spulenkörper zum Tragen von Wicklungen aufweist, welche jeweils auf einer horizontalen Achse angeordnet sind, wird hier auf eine einzelne Phase Bezug genommen. Wie gezeigt ist, existiert eine räumliche Trennung zwischen den Hauptspulen und der primären LV-Hilfsspule. Diese Konfiguration bewirkt eine lose Kopplung mit anderen Wicklungen und eine hohe Leck-Induktivität für die LV-Primär-Hilfswicklungen. Allerdings ist der Schutzbereich der Erfindung in diesem Aspekt nicht beschränkt und andere Verfahren können angewandt werden, um hohe Leck-Induktivitäten für die primäre LV-Hilfswicklung zu erzeugen. Während der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht beschränkt ist kann in einer Mittelspannungs-Implementierung, bei der der Kern 205 ungefähr 2 bis 10 Fuß hoch ist, diese Trennung von der Größenordnung zwischen ungefähr 0.5 und 6 Zoll liegen, um die gewünschte hohe Leck-Induktivitat zwischen der primären Hilfswicklung 230 und der Haupt-Sekundär-Wicklung 220 und der Haupt-Primär-Wicklung 210 zu liefern.
  • Wie zu sehen ist, kann die Konfiguration der Haupt-Sekundär-Wicklungen 220 so sein, dass diese Wicklungen konzentrisch umeinander gewickelt sind, und so, dass diese Wicklungen auch konzentrisch um die Hilfs-Sekundär-Wicklung 240 gewickelt sind. Es sei angemerkt, dass in der Implementierung der 5 die Hilfs-Sekundär-Wicklung 240 sich im Wesentlichen entlang der Gesamtheit der Körperlänge des Kerns 205 erstrecken kann und die Haupt-Sekundär-Wicklungen 220 um sich gewickelt haben kann.
  • So können in der speziellen Implementierung die sekundären Wicklungen 220 als nächstes konzentrisch angeordnet sein, z. B. In der Reihenfolge einer ersten phasenverschobenen sekundären Wicklung 220a, einer zweiten phasenverschobenen sekundären Wicklungen 220c und schließlich einer nicht phasenverschobenen sekundären Wicklungen 220b. Schließlich ist die Haupt-Primär-Wicklung, MV-Wicklung 210, konzentrisch um diese Wicklungen gewickelt. Die Beabstandung zwischen Spulen entspricht dem Kühlverfahren und der Isolierung und dem Spannungspegel der Spulen. Obgleich dies oben als eine erzwungene Luftkühlungstechnik beschrieben ist, kann dieses Verfahren auch auf natürlich gekühlte und wassergekühlte Transformatoren angewendet werden. Verschiedenste Transformator-Herstellungstechniken können verwendet werden, um die Spulen und Isolierung zu realisieren. Beispielsweise können verschiedene Kabeltypen (z. B. rund, quadratisch, usw.) und verschiedene Isolierungsmaterialien (z. B. NOMEXTM-Filz oder Papierisolierung, Fasern, Holz, Epoxyd, usw.) verwendet werden.
  • Die in 5 gezeigte Konfiguration liefert so eine lose Kopplung zwischen der primären Hilfswicklung 230 und den Hauptwicklungen 210 und 220 (insbesondere Haupt-Sekundär-Wicklungen 220). Allerdings können verschiedene Wicklungsgeometrien oder Verfahren implementiert werden, um eine hohe Leck-Induktivität für die LV-Hilfs-Primär-Wicklung zu ermöglichen.
  • Es sei angemerkt, dass in 5 die Richtung von links nach rechts der von einer Vorderseite zu einer Rückseite eines Elements korrespondieren kann, in welcher der Transformator angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine horizontale Anordnung realisiert, so dass der Luftfluss, der von einem Eingangsmechanismus wie beispielsweise einem Lüftergitter am Frontpanel der Transformator-Aufnahme kommt, Luft aufnehmen kann, welche durch das Lüftergitter und über die Wicklungen (und den Kern) von einem Vorderteil bis zu einem Rückteil des Elements geleitet wird. Dann kann die Luft nach oben durch ein Rückteil eines Elements gedrückt werden und mittels Lüftern oder anderer Kühlelemente, die bewirken, dass die Luft über die Transformator und hoch und nach außen über die Auslass-Lüfter geleitet wird. Auf diese Weise kann eine verbesserte Kühlung realisiert werden, da ein großes Volumen an Luft, welches im Wesentlichen linear und im Allgemeinen laminar fließt, auftreten kann, ohne dass Erfordernis von Blenden oder anderen Luft-Förderungs- oder Steuer-Einrichtungen. Es sei angemerkt, dass 5 lediglich einen einzelnen modularen Transformator zeigt und in anderen Ausführungsbeispielen drei oder mehr solcher Transformatoren in einer Transformator-Aufnahme eines Elements der vorliegenden Erfindung gemäß eines Ausführungsbeispiels vorhanden sein können. Wenn mehrere solcher Transformatoren vorhanden sind, kann die Beabstandung zwischen den Transformatoren so aufrechterhalten werden, dass wenigstens eine gewisse Menge von offenem Raum zwischen den Wicklungen der zwei Transformatoren vorhanden ist, so dass Luftfluss auftreten kann und die magnetische und elektrische Isolierung zwischen den Transformatoren erhalten wird.
  • Wenn gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beim Hochfahren eines Umrichters Hilfswicklungen verwendet werden, wird Leistung über die Hoch-Leck-Induktivitäts-LV-Hilfs-Primär-Wicklung(en) geliefert. Diese hohe Induktivität dieser Anzahl an Wicklungen kann die Geschwindigkeit der Kondensatorladung verringern und den In-rush-Strom an den Umrichter beschränken. Ferner kann eine andere Hilfs-Sekundär-Wicklung in ein Transformator-Modul eingebettet werden, um Leistung an die Kühlungslüfter oder eine beliebige andere Hilfsleistungsnutzung zu ermöglichen. Natürlich kann ein gegebenes System auf die Nutzung von Hilfswicklungen auch verzichten.
  • In 6 ist ein Blockdiagramm eines Systems gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 6 gezeigt ist, kann das System 600 ein Mittelspannungs-Umrichter sein. Insbesondere ist in dem Ausführungsbeispiel der 6 ein dreiphasiger Mittelspannungs-Umrichter gezeigt, welcher mehrere Energiezellenkammern 620a1 bis 620c3 umfasst (in 6 bezeichnet als Diode-Front-End-(DFE)-Zellen). Wie zu sehen ist, wird ein lokaler Zellen-Controller 626a1 bis 626c3 mit jeder der Energiezellenkammern verknüpft. Es sei angemerkt, dass obgleich dies als ein einzelnes Gehäuse gezeigt ist, jede der Energiezellenkammern auch in einem festen Teil und einen beweglichen Teil separiert werden kann und dass der lokale Zellen-Controller in einigen Ausführungsbeispielen innerhalb eines Gehäuses der beweglichen Energiezelle angeordnet werden kann. Es sei noch angemerkt, dass obgleich dies in 6 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt ist, mehrere Power-Service-Busse zwischen diesen verschiedenen Teilen der Energiezellen angeordnet werden können und dass ferner Verbindungen zwischen den jeweiligen Energiezellen und einem Master-Controller 640 vorgesehen werden können.
  • Wie zu sehen ist kann jeder dieser lokalen Controller mit einer faseroptischen Schnittstelle 660 kommunizieren. In einigen Implementierungen kann ein paar von unidirektionalen faseroptischen Kanälen zwischen jeden lokalen Controller und die faseroptische Schnittstelle 660 geschaltet werden. Die faseroptische Schnittstelle 660 kommuniziert wiederum mit einem Master-Controller 640, welcher ferner einen ADC 645 umfasst.
  • Der Master-Controller 640 kann Steuersignale für die Übertragung an die verschiedenen lokalen Controller an die faseroptische Schnittstelle 660 liefern. In einem Ausführungsbeispiel können diese Steuersignale Spannungs-Referenzsignale sein, welche bewirken, dass die lokalen Controller bestimmte Prozesse durchführen, um die erforderlichen Schaltsignale zu erzeugen. In anderen Implementierungen können die Schaltsignale selbst von dem Master-Controller 46 zur Übertragung an die lokalen Zellen-Controller gesandt werden,
  • Wie ferner in 6 sehen ist, kann ein Signalkonditionierungs-Board 650 vorhanden sein, um zu detektieren oder Signalverarbeitung bezüglich verschiedener Informationen durchzuführen, nämlich Spannungs- und/oder Strominformationen, welche von der Eingangsstromversorgung oder der Ausgabe der verschiedenen Phasenausgangsleitungen erhalten werden, die mit einer Last 630 gekoppelt sind, welche in einem Ausführungsbeispiel ein Motor sein kann, oder auch von einer Hilfs-Sekundär-Wicklung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • Zusätzlich zu den oben beschriebenen Steuerinformationen können zusätzliche Informationen von dem Master-Controller 640 an die einzelnen lokalen Controller geliefert werden. Zudem können die lokalen Controller Informationen wie beispielsweise Statusinformationen zurück zum Master-Controller 640 liefern, sowohl im normalen Betrieb als auch bei Fehlern, Überhitzungssituationen usw. Der Master-Controller 640 kann ferner mit einem Nutzer-Eingabegerät 655 verknüpft sein, wie beispielsweise einer Tastatur und/oder einem Touchscreen-Display, welches in einer Nutzerschnittstellen-Aufnahme angeordnet sein kann, um eine Nutzereingabe für die Steuerung verschiedenster Merkmale zu ermöglichen, wie beispielsweise Geschwindigkeit, Drehmoment, Auswahl von verschiedenen Energiezellen, die aktiviert werden sollen, usw., sowie um Statusinformationen über ein gegebenes Display oder andere Ausgabemittel an den Nutzer bereitzustellen.
  • Wie in 6 zu sehen ist, kann Eingangsenergie für die Transformator-Module 610 sowohl eine Mittelspannungsquelle, zum Beispiel von einer Eingangsenergiequelle wie beispielsweise einem Versorgungsanschluss, umfassen, als auch Niederspannung-Energiequellen, z. B. von einer Hilfs-Niederspannungs-Energiequelle, wie oben beschrieben wurde. Solche Quellen können an ein Verbraucher-Element 605 geliefert werden, welches sich an einem von einem Element oder einem Umrichterssystem 600 separaten Ort befinden kann. Das Element 605 kann einen Steuerschaltkreis umfassen, um zwischen der Speisung des Umrichters durch entweder die Hauptenergiequelle oder die Hilfsenergiequelle umschalten zu können. Beispielsweise kann bei der Inbetriebnahme ein Schalter 606, welcher ein Stromkreisunterbrecher sein kann, der Niederspannungs-Hilfsstromleitung geschlossen werden, so die Energie an das Transformator-Modul 610 über einen normalerweise geschlossenen Kontakt 607 geliefert wird, um ein Vorladen der Kondensatoren der verschiedenen Energiezellen 620 über die Niederspannungsquelle zu ermöglichen. Demgemäß werden die Kondensatoren der Energiezellen 620 über LV-Hilfs-Primär-Wicklung(en) des Transformator-Moduls 610 auf einen bestimmten Spannungspegel geladen. Dann, nachdem eine bestimmte Zeit vergangen ist, welche in der Größenordnung von ungefähr 50–10000 Millisekunden (ms) liegen kann, wird ein Hauptenergiezufuhr-Schalter 608 (z. B. ein Mittelspannungs-Stromkreisunterbrecher) geschlossen. Normalerweise kann der geschlossene Kontakt 607 verwendet werden, um die LV-Hilfsenergie abzutrennen. Durch Schließen der Hauptenergiezufuhr werden die Kondensatoren so auf ihre Nennspannung geladen. Ein Zeitgeber oder ein programmierbarer logischer Controller (PLC) oder eine andere Art von Steuerschaltung kann verwendet werden, um die Schaltprozesse und Schaltsequenzen zu steuern. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Master-Controller die Ladezeit durch Überwachung der DC-Bus-Spannung einer oder mehrerer Energiezellen ermitteln. Nachdem die Kondensatoren von Energiezellen auf einen bestimmten Pegel geladen sind, kann der Master-Controller ein Aktivierungssignal an den MV-Stromkreisunterbrecher 608 senden. Allerdings besteht in jeder Implementierungsweise die Schaltsequenz zum Hochfahren des Umrichters erst im Schließen des LV-Hilfs-Schalter 606 (d. h. des Stromkreisunterbrechers). Nach einer vorbestimmten Zeit oder dem Empfang eines Befehls von einem Controller wird der LV-Schalter 607 geöffnet und der Hauptenergie-Schalter 608 (d. h. der MV-Stromkreisunterbrecher) wird geschlossen. Es sei angemerkt, dass in anderen Implementierungen eine direkte Verbindung von der Versorgungsquelle mit dem Umrichtersystem 600 auftreten kann (d. h. ohne Verbraucher-Element 605).
  • In 7A ist eine Darstellung eines Elements gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 7A zu sehen ist, umfaßt ein Element, das ein Umrichterssystem, z. B. ein Mittelspannungs-Umrichterssystem beherbergt, eine Transformator-Aufnahme 20, eine Energiezellen-Aufnahme 30, eine Lüfter-Aufnahme 40, und eine Element-Controller-Aufnahme 50.
  • Die Darstellung der 7A zeigt ferner die horizontale Konfiguration der drei Transformatoren 200a bis 200c, die jeweils einen Kern mit drei Spulenkörpern umfasst, jeweils einen für die drei Phasen, wobei jeder eine horizontal ausgerichtete Achse aufweist, um welche primäre und sekundäre Spulen konzentrisch gewickelt werden können. Auch zu sehen sind die Darstellung von einzelnen Energiezellenkammern 32a, welche die beweglichen Teile zeigen, die aus einem Gehäuse gebildet werden, mit Kühlkörpern, die in oberen und unteren Bereichen angeordnet sind. Wie oben beschrieben wurde, können in einigen Ausführungsbeispielen die jeweiligen Kammern 32 auf Abstandshaltern platziert werden, um eine einfache und kostengünstige mechanische Basis und einen höheren Luftfluss zu ermöglichen.
  • In 7B ist eine Seitenansicht des Elements gezeigt, welche einen Luftfluss zur Kühlung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 7B zu sehen ist, kann ein Gitter oder ein anderer Eintrittsmechanismus 25 auf einem Vorderpanel der Transformator-Aufnahme 20 vorgesehen werden, um einen eingehenden Luftfluss zu ermöglichen. Wie zu sehen ist, läuft die eintretende Luft horizontal durch die Transformatoren 200 und läuft vertikal hoch zu der Energiezellen-Aufnahme. Der laminare Luftfluss durch die Transformatoren 200 kann dann vertikal entfernt werden durch einen Luftschacht am hinteren Ende des Elements mittels Lüfter innerhalb einer Lüfter-Aufnahme 40.
  • 7B zeigt ferner die Konfiguration der Energiezellenkammern, welche aus dem beweglichen Gehäuse 110, dem Power-Service-Bus 120 und den Kondensatoren des festen Teils 115 gebildet wird (es sei angemerkt, dass andere Komponenten in dem festen Teil vorhanden sein können, wie dies oben beschrieben wurde, z. B. unter Bezugnahme auf 2A). Wie in 7B zu sehen ist, kann der Luftfluss durch die Energiezellen-Aufnahme auch vertikal nach oben mittels Lüftern innerhalb der Lüfter-Aufnahme 40 geliefert werden. Obgleich dies in der speziellen Implementierung der Ausführungsbeispiel der 7A und 7B gezeigt ist, ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt.
  • Wie oben beschrieben wurde, umfasst ein modulares Leistungsteuerungssystem Bausteine, welche zur Konfiguration von Systemen mit einem oder mehreren Elementen verwendet werden können. Ein modulares System kann ein oder mehrere Element umfassen, wobei jedes so ausgelegt werden kann, wie dies unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Ferner kann pro System ein Master-Controller-Element bereitgestellt werden, um eine zentrale Steuerung des Gesamtsystems zu ermöglichen. So kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Leistungssteuersystem ein Master-Controller-Element und ein oder mehrere Zellen-Elemente umfassen, die identisch konfiguriert sein können. Die Anzahl und die Verbindungs-Konfiguration der Zellen-Elemente bestimmt die Strom- und die Spannungsfähigkeiten des Gesamtsystems. In anderen Implementierungen können die Elemente für Anwendungen mit höherem Strom parallel ausgelegt werden, oder in Reihe für Anwendungen mit höherer Spannung.
  • Die Steuerung und Diagnostik für das modulare System kann auch über die Hauptkomponenten verteilt werden. Der Master-Controller liefert Steuerinformationen für jedes Zellen-Element. Jedes Zellen-Element ermöglicht mittels eines Element-Controllers eine lokale Steuerung der Energiezellen. Statusinformationen werden von den Energiezellen an die jeweiligen Element-Controller geliefert. Der Element-Controller liefert dann einen Element-Status zurück zum Master-Controller. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird die Diagnostik lokal für jede Hauptkomponente ausgeführt. Jeder Energiezellen-Controller, Zellen-Controller und Master-Controller initiiert lokale Vorgänge, um die Betriebsfähigkeit zu beurteilen. Die Betriebsfähigkeit des Zellen-Elements wird dann zurück zum Master-Controller kommuniziert und der Master-Controller bestimmt dann die gesamte Betriebsfähigkeit des Systems.
  • In 8A ist ein Blockdiagramm einer modularen Systemkonfiguration gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 8A gezeigt ist, kann das System 400 ein minimal modulares System sein, z. B. für eine relativ niedrige Mittelspannungs-Anwendung, bei der nur ein einzelnes Energiezellen-Element 420 vorhanden ist, das wiederum mit einer Last 430 gekoppelt ist. Wie zu sehen ist, ist das Element 420 gekoppelt, um Eingangsenergie von z. B. einer Anzahl von Wechselstrom-Hauptversorgungen zu empfangen. Feedback-Informationen, nämlich Eingangsstrom und -Spannung kann über einen Feedback-Pfad 405 an ein Master-Controller-Element 410 geliefert werden, welches ferner Feedback bezüglich Ausgangsspannung und -Strom von dem Energiezellen-Element 420 empfangen kann.
  • In anderen Implementierungen kann eine andere Konfiguration realisiert werden. In 8B ist ein Blockdiagramm einer parallelen modularen Systemkonfiguration gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 8B zu sehen ist, umfasst das System 400' mehrere Energiezellen-Elemente 420a bis 420n, die parallel geschaltet sind, um die Ausgangsstrom-Fähigkeit des Umrichters zu erhöhen. Jedes Energiezellen-Element ist parallel geschaltet zu der Wechselstrom-Hauptversorgung und liefert Ausgangsstrom an die Last 430. Der Master-Controller 410 bewirkt eine Lastteilung unter den Elementen 420a bis 420n durch Verarbeiten des Strom-Feedbacks über 405 und 425.
  • In wieder anderen Implementierungen ist eine Reihen-Schaltung möglich. In 8C ist ein Blockdiagramm einer Reihen-Konfiguration gezeigt. Wie in 8C zu sehen ist, umfasst das System 400'' mehrere Energiezellen-Elemente 420a bis 420n, die in Reihe geschaltet sind, so dass die Ausgänge kaskadiert sind, um einen breiten Bereich an Ausgangsspannungsfähigkeiten für die Last 430 zu ermöglichen. Ähnliche Feedback-Verbindungen zum Master-Controller-Element 410 werden bereitgestellt, um eine Lastspannungsteilung unter den Energiezellen-Elementen zu ermöglichen. Andere Implementierungen können Kombinationen von parallelen und seriellen Konfigurationen nutzen, um die Lastspannungs- und Stromfähigkeit zu vergrößern.
  • In 9A ist ein Flussdiagramm einer elementaren Steuerschleife für einen Master-Controller gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 9A gezeigt ist, kann das Verfahren 500 auf kontinuierlicher Basis durch den Master-Controller ausgeführt werden. Insbesondere kann auf Grundlage des Eingangsstroms und der Ausgangsspannung und Strominformationen, die vom Master-Controller empfangen werden, sowie verschiedenen Befehls-Parametern, umfassend Strom- und Spannungsvorgaben, Geschwindigkeit, Frequenz, Drehmoment, usw., eine Spannungsreferenz berechnet werden (Block 510). In einem Ausführungsbeispiel kann die Spannungs- oder Stromreferenz unter Verwendung eines Standard-Motor-Vektorsteueralgorithmus berechnet werden, z. B. durch Berechnung von Drehmoment und Fluss-Befehlen, sowie Rotor-Position. Als nächstes kann aufgrund verschiedener von den verschiedenen Elementen kommenden Informationen bestimmt werden, ob das System innerhalb seiner Betriebsparametern operiert (Raute 520). Falls nicht, kann ein Alarm ausgelöst werden (Block 525), gefolgt von einer Master-Controller-Aktion, falls erforderlich. Andernfalls kann der normale Betrieb fortgesetzt werden und ein Referenz-Vektor kann an alle Elemente übermittelt werden (Block 530). In einem Ausführungsbeispiel kann dieser Referenzvektor seriell codiert sein und beispielsweise über eine faseroptische Schnittstelle zu den Elementen gesandt werden.
  • In 9B ist ein Flussdiagramm für eine elementare Steuerschleife für ein Element gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 9B zu sehen ist, kann das Verfahren 550 beginnen durch Empfangen des Referenzvektors von dem Master-Controller in einem Element-Controller. Von diesem Referenzvektor kann ein Schaltmuster unter Verwendung einer „carried-base” Pulsbreitenmodulations-Schema (kurz PWM = engl. „Pulse Width Modulation”) oder einer anderen Modulationtechnik für die Zellen innerhalb des Elements berechnet werden (Block 560). In einem Ausführungsbeispiel kann diese PWM-Berechnung gemäß von Befehlen ausgeführt werden, die vom Master-Controller empfangen werden, sowie dem allgemeinen Umrichter-Betriebsstatus. Dann kann basierend auf verschiedenen Statusinformationen, umfassend Informationen von Umgebungssensoren und den verschiedenen Energiezellen, bestimmt werden, ob das Element innerhalb seiner Betriebsparameter operiert (Raute 570). Falls nicht, kann ein Alarm ausgelöst werden (Block 575). Andernfalls kann der normale Betrieb fortgesetzt werden und die PWM-Signale können zu den Energiezellen des Elements gesandt werden (Block 580). In einem Ausführungsbeispiel können die PWM-Signale seriell codiert werden und beispielsweise über eine faseroptische Schnittstelle an die Zellen gesandt werden.
  • In 9C ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen der Steuerung einer Energiezelle mittels eines lokalen Controllers der Energiezelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 9C zu sehen ist, kann das Verfahren 600 dadurch beginnen, dass jeder lokale Controller codierte PWM-Signale von dem Element-Controller des Elements empfängt. Von diesen Informationen können Gate-Treiber-Signale berechnet werden (Block 610). In einem Ausführungsbeispiel können diese Signale mittels eines lokalen FPGA innerhalb des beweglichen Zellen-Abschnitts berechnet werden, und diese Berechnungen können auf einem Zellenstatus und PWM-Befehlssignalen basieren, welche von dem Element-Controller empfangen werden. Dann können basierend auf verschiedenen Informationen, umfassend Umgebungssensoren und dem Status der Schaltelemente selbst, ermittelt werden, ob die Zelle innerhalb ihrer Betriebsparameter operiert (Raute 620). Falls nicht, kann ein Alarm ausgelöst werden (Block 625). Andernfalls kann der normale Betrieb fortgesetzt werden und Gate-Treiber-Signale können an die Schaltelemente gesandt werden (Block 630). Obgleich in dem Ausführungsbeispiel der 9A bis 9C diese spezielle Steuerungs-Implementierung gezeigt ist, ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Ferner sei angemerkt, dass die verschiedenen beschriebenen Steuerungs-Operationen in unterschiedlichen Reihenfolgen ausgeführt werden können und in verschiedenen Controllern ausgeführt werden können, so dass die unterschiedliche Steuerung auf einer mehr lokalen oder mehr globalen Basis ausgeführt werden kann, abhängig von einer gewünschten Implementierung.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine beschränkte Anzahl von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, versteht der Fachmann, dass verschiedenste Modifikationen und Variationen ausgeführt werden können. Es ist vorgesehen, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Variationen abdecken, die innerhalb des wahren Geistes und der Reichweite der vorliegenden Erfindung liegen.

Claims (23)

  1. Energiezellenkammer für ein Umrichtersystem, wobei die Energiezellenkammer umfasst: einen beweglichen Teil umfassend eine Gleichrichter-Stufe, um ein von einer sekundären Wicklung eines Transformators empfangenes Eingangssignal gleichzurichten, um ein gleichgerichtetes Signal zu liefern, sowie eine Inverter-Stufe mit mehreren Schaltelementen, um ein Gleichstromsignal zu empfangen und ein Wechselstromsignal auszugeben, wobei der bewegliche Teil gleitend innerhalb eines Elements des Umrichtersystems ausgelegt ist; und ein fester Teil umfassend einen Zwischenkreis mit wenigstens einem Kondensator, um das gleichgerichtete Signal zu empfangen und das Gleichstromsignal an die Inverter-Stufe zu liefern, wobei der feste Teil in dem Element befestigt ist, und wobei der bewegliche Teil von dem festen Teil separiert ist.
  2. Energiezellenkammer nach Anspruch 1, wobei der bewegliche Teil aus einem Gehäuse gebildet ist, welches mehrere Schaltelemente der Inverter-Stufe auf einer ersten Seite aufweist, sowie mehrere Gleichrichterelemente der Gleichrichter-Stufe auf einer der ersten Seite Seite gegenüberliegenden Seite, und einen Pfad niedriger Induktivität, welcher zwischen die Schaltelemente und die Gleichrichterelemente geschaltet ist, wobei der Pfad geringer Induktivität wenigstens einen lokalen Kondensator umfasst, um Transienten zu dämpfen.
  3. Energiezellenkammer nach Anspruch 2, wobei der bewegliche Teil einen geteilten Kühlkörper aufweist mit einem ersten Teil, auf dem die mehreren Schaltelemente angeordnet sind, und einem zweiten Teil, auf dem die mehreren Gleichrichterelemente angeordnet sind.
  4. Vorrichtung umfassend: einen ersten lokalen Niederinduktivitäts-Bus-Kondensator, der mit einem Gleichrichter mittels einer ersten Anzahl von Anschlüssen einer Energiezelle gekoppelt ist, sowie mit einem Inverter mittels einer zweiten Anzahl von Anschlüssen der Energiezelle; einen zweiten lokalen Niederinduktivitäts-Bus-Kondensator, der mit dem Gleichrichter mittels einer dritten Anzahl von Anschlüssen der Energiezelle gekoppelt ist, sowie mit dem Inverter mittels einer vierten Anzahl von Anschlüssen der Energiezelle, um eine Verbindung niedriger Induktivität zu liefern, wobei der Gleichrichter und der Inverter einem entfernbaren Teil einer Energiezellenkammer zugehörig sind, der an eine erste Seite eines Power-Service-Bus gekoppelt wird; und einen Leistungskondensator der Energiezellenkammer, wobei der Leistungskondensator einem festen Teil der Energiezellenkammer zugehörig ist, der an eine zweite Seite des Power-Service-Bus gekoppelt wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Gleichrichter und der Inverter mit einem Lokalkondensator-Niederinduktivitäts-Bus gekoppelt sind und der Leistungskondensator mit einem Leistungskondensator-Niederinduktivitäts-Bus gekoppelt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Energiezellenkammer in einen festen Teil und einen beweglichen Teil separiert ist, wobei der bewegliche Teil den Inverter mit mehreren Schaltelementen auf einer ersten Seite umfasst, den Gleichrichter mit mehreren Gleichrichterelementen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite, sowie einen geteilten Kühlkörper mit einem ersten Teil, auf dem die mehreren Schaltelemente angeordnet sind, und einem zweiten Teil, auf dem die mehreren Gleichrichterelemente angeordnet sind, und der erste und der zweite lokale Niederinduktivitäts-Kondensator Teil des beweglichen Teils sind.
  7. Mittelspannungs-Umrichtersystem umfassend: mehrere modulare Elemente, wobei jedes modulare Element eine Transformator-Aufnahme zur Unterbringung von wenigstens einem Transformator umfasst, der zwischen einen Versorgungsanschluss und mehrere Energiezellen geschaltet ist, wobei der wenigstens eine Transformator einen Kern mit mehreren Spulenkörpern aufweist, die jeweils entlang einer horizontalen Achse angeordnet sind, wobei jeder Spulenkörper einer Phase entspricht, und wobei jede Phase eine primäre Wicklung und mehrere sekundäre Wicklungen umfasst, die konzentrisch um die horizontale Achse des Spulenkörpers angeordnet sind, so dass der wenigstens eine Transformator eine horizontale Konfiguration aufweist, sowie eine Energiezellen-Aufnahme umfassend mehrere Zellenkammern, die jeweils ein Schutzgehäuse aufweisen, in welchem eine entsprechende der mehreren Energiezellen untergebracht ist, wobei die Schutzgehäuse mehrere isolierende Teile aufweisen, die in einer zusammengreifenden Konfiguration ausgelegt sind, um die jeweilige Energiezelle zu isolieren, wobei die mehreren Zellenkammern jeweils einen Power-Service-Bus aufweisen, um die entsprechenden Energiezellen, die an eine erste Seite des Power-Service-Bus steckbar sind, mit einem zweiten Teil der Energiezellenkammer zu koppeln, wobei die Energiezelle mehrere Schaltelemente auf einer ersten Seite aufweist, sowie mehrere Gleichrichterelemente auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite, sowie einen Pfad niedriger Induktivität, der zwischen die Schaltelemente und die Gleichrichterelemente gekoppelt ist, wobei der zweite Teil einen Zwischenkreis aufweist umfassend einen Leistungskondensator, der mit einer zweiten Seite des Power-Service-Bus gekoppelt ist, wobei die Energiezelle von dem zweiten Teil separiert ist, sowie eine Element-Controller-Aufnahme mit einem Element-Controller um Referenz-Steuersignale von einem Master-Controller zu empfangen.
  8. Mittelspannungs-Umrichtersystem nach Anspruch 7, das ferner den Master-Controller umfasst, der mit den mehreren Element-Controllern gekoppelt ist, um Eingangsstrom-Informationen, Ausgangsstrom-Informationen, Befehlsparameter bezüglich eines ausgewählten Betriebspunkt des Mittelspannungs-Umrichtersystems, sowie Statusinformationen von den mehreren modularen Elementen zu empfangen, und um die Referenz-Steuersignale an die mehreren Element-Controller zu liefern.
  9. Mittelspannungs-Umrichtersystem nach Anspruch 8, bei dem jeder der Element-Controller Statusinformationen von den mehreren Energiezellen empfängt, sowie Statusinformationen von mehreren Sensoren des modularen Elements, und basierend auf den Referenz-Steuersignalen eine Anzahl von Schaltsignalen erzeugt, um diese an die jeweiligen Energiezellen zu übertragen.
  10. Mittelspannungs-Umrichtersystem umfassend: wenigstens einen Transformator mit wenigstens einer primären Wicklung, um Energie von einem Versorgungsanschluss zu empfangen, und mit mehreren sekundären Wicklungen; mehrere Energiezellenkammern, die jeweils mit einer der mehreren sekundären Wicklungen gekoppelt sind, und die einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen Inverter umfassen, wobei jede Energiezellenkammer in einen festen Teil und einen beweglichen Teil separiert ist, wobei der bewegliche Teil den Gleichrichter und den Inverter umfasst und der feste Teil den Zwischenkreis umfasst; und einen Power-Service-Bus, der den festen Teil und den beweglichen Teil einer jeweiligen Energiezellenkammer koppelt und Gruppen der mehreren Energiezellenkammern in Reihe schaltet.
  11. Mittelspannungs-Umrichtersystem nach Anspruch 10, wobei der Zwischenkreis einen entfernten Kondensator umfasst, um eine Gleichspannung über einen DC-Bus an den entsprechenden Inverter zu liefern, und wobei jeweils die festen Teile der mehreren Energiezellenkammern einen Eingangszellenschutzmechanismus aufweisen, der zwischen eine entsprechende sekundäre Wicklung und den Power-Service-Bus gekoppelt ist, sowie einen Bypass-Block, um eine Umgehung der entsprechenden Energiezelle zu ermöglichen.
  12. Umrichtersystem nach Anspruch 11, bei dem jeweils die beweglichen Teile der mehreren Energiezellenkammern ein Energiezellenmodul umfassen, das mehrere Schaltelemente auf einer ersten Seite umfasst, und mehrere Gleichrichterelemente auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite, sowie einen Pfad niedriger Induktivität, der zwischen die Schaltelemente und die Gleichrichterelemente gekoppelt ist, wobei der Pfad niedriger Induktivität wenigstens einen lokalen Kondensator umfasst, um Transienten zu dämpfen, und wobei das Energiezellenmodul den entfernten Kondensator nicht umfasst.
  13. Umrichtersystem nach Anspruch 12, bei dem die jeweiligen Energiezellenmodule einen geteilten Kühlkörper umfassen mit einem ersten Teil, auf dem die mehreren Schaltelemente angeordnet sind, und einem zweiten Teil, auf dem die mehreren Gleichrichterelemente angeordnet sind.
  14. Umrichtersystem nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine primäre Wicklung peripher um eine erste Achse eines Kerns angelegt ist, der sich von einer Vorderseite eines Elements des Umrichtersystems auf eine Rückseite des Elements erstreckt, und wobei die mehreren sekundären Wicklungen peripher um die wenigstens eine primäre Wicklung herum angelegt sind.
  15. Umrichtersystem nach Anspruch 10, bei dem der Power-Service-Bus ein Anschlussteil umfasst, das mit einer der mehreren Energiezellenkammern verknüpft ist, wobei das Anschlussteil einen festen Gleichstrom-Anschluss umfasst, der zu einem entsprechenden Gleichstrom-Anschluss des beweglichen Teiles passt, um den Zwischenkreis mit dem beweglichen Teil zu koppeln, mehrere feste Wechselstrom-Anschlüsse, die zu entsprechenden Wechselstrom-Anschlüssen passen, um Wechselstrom von einer entsprechenden sekundären Wicklung an den beweglichen Teil zu koppeln, sowie mehrere feste Anschlüsse, die zu entsprechenden festen Anschlüssen des beweglichen Teils passen, um die Reihenschaltung zu ermöglichen.
  16. Umrichtersystem nach Anspruch 15, wobei der bewegliche Teil in einem Modul angeordnet ist, um über ein Frontpanel eines Elements des Mittelspannungs-Umrichtersystems in eine erste Seite des Anschlussteils des Power-Service-Bus gesteckt zu werden, und wobei der feste Teil an einer zweiten Seite des Power-Service-Bus befestigt ist, die der ersten Seite gegenüberliegt und über ein Rückpanel des Elements zugreifbar ist, oder von dem Frontpanel wenn der bewegliche Teile nicht vorhanden ist.
  17. Umrichtersystem nach Anspruch 15, bei dem der Power-Service-Bus im Wesentlichen in einem Mittelteil des Elements des Mittelspannungs-Umrichtersystems lokalisiert ist, und der bewegliche Teil zwischen dem Power-Service-Bus und dem Frontpanel des Elements angeordnet ist, und der feste Teil zwischen dem Power-Service-Bus und dem Rückpanel des Elements angeordnet ist.
  18. Umrichtersystem nach Anspruch 15, ferner umfassend mehrere Schutzgehäuse, in denen jeweils eine entsprechende der Energiezellenkammern lokalisiert ist, wobei die jeweiligen Schutzgehäuse mehrere isolierenden Teile umfassen, die in einer zusammengreifenden Konfiguration ausgelegt sind, um die entsprechende Energiezellenkammer zu isolieren.
  19. Umrichtersystem-Element umfassend: eine Transformator-Aufnahme, die wenigstens einen Transformator beherbergt, der zwischen einen Versorgungsanschluss und mehrere Energiezellen geschaltet ist, wobei der wenigstens eine Transformator einen Kern mit mehreren Spulenkörpern aufweist, die jeweils einer Phase entsprechen, wobei jede Phase eine primäre Wicklung und mehrere sekundäre Wicklungen aufweist, die konzentrisch entlang einer horizontalen Achse um den Spulenkörper angelegt sind, so dass der wenigstens eine Transformator eine horizontale Konfiguration aufweist, und eine Energiezellen-Aufnahme umfassend mehrere Zellenkammern, die jeweils ein Schutzgehäuse aufweisen, welches jeweils eine entsprechende der mehreren Energiezellen beherbergt.
  20. Umrichtersystem-Element nach Anspruch 19, wobei die jeweiligen Schutzgehäuse mehrere isolierenden Teile umfassen, die in einer zusammengreifenden Konfiguration ausgelegt sind, um die entsprechende Energiezelle zu isolieren, und wobei die mehreren Zellenkammern jeweils einen Power-Service-Bus aufweisen, um die Energiezelle, die steckbar ist in eine erste Seite des Power-Service-Bus, mit einem festen Teil der Energiezellenkammer zu koppeln, wobei die Energiezelle mehrere Schaltelemente auf einer ersten Seite aufweist, und mehrere Gleichrichterelemente auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite, sowie einen Pfad niedriger Induktivität, der zwischen die Schaltelemente und die Gleichrichterelemente gekoppelt ist, wobei der feste Teil einen Zwischenkreis umfassend einen Leistungskondensator aufweist, der mit einer zweiten Seite des Leistungs-Service-Bus gekoppelt ist, wobei die Energiezelle von dem festen Teil separiert ist.
  21. Mittelspannungs-Umrichtersystem umfassend: ein Schutzgehäuse für eine Energiezelle, die in einer Energiezellenkammer angeordnet werden soll, wobei das Schutzgehäuse mehrere isolierende Teile aufweist, die konzentrisch in der Energiezellenkammer angeordnet sind, wobei die Energiezellenkammer Schienenteile umfasst, die in den isolierenden Teilen angeordnet sind, und die Energiezelle entsprechende Schienenteile umfasst, wobei die Energiezelle innerhalb der Energiezellenkammer mittels der entsprechenden Schienenteile der Energiezelle und der Energiezellenkammer gleiten kann.
  22. Umrichtersystem nach Anspruch 21, wobei die jeweiligen Energiezellenkammern die Energiezelle umfassen, umfassend ein bewegliches Modul umfassend eine Gleichrichter-Stufe, um ein Eingangssignal gleichzurichten, das von einer sekundären Wicklung eines Transformators empfangen wird, um ein gleichgerichtetes Signal zu liefern, sowie eine Inverter-Stufe mit mehreren Schaltelementen, um ein Gleichstromsignal zu empfangen und ein Wechselstromsignal auszugeben, wobei das beweglichen Modul mittels zweiter Schienenteile gleitend innerhalb der Energiezellenkammer angeordnet ist.
  23. Umrichtersystem nach Anspruch 22, wobei die jeweiligen Energiezellenkammern ferner einen festen Teil umfassen, umfassend einen Zwischenkreis mit wenigstens einem Kondensator, der das gleichgerichtete Signal empfängt und das Gleichstromsignal an die Inverter-Stufe liefert, wobei der feste Teil in der Energiezellenkammer befestigt ist.
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