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Gebiet der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine strukturelle Anordnung eines Leistungselektronikbauelements, insbesondere eines Frequenzumformers. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung eine strukturelle Anordnung eines flüssigkeitsgekühlten Frequenzumformers, wobei mehrere Wechselrichtereinheiten und Kondensatorfiltereinheiten mit dem gleichen Gleichstrom-Zwischenkreis verbunden sind.
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Stand der Technik und Beschreibung des Problems
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Der allgemeine Entwicklungstrend der Leistungselektronikbauelemente, wie zum Beispiel von Frequenzumformern, ist eine Zunahme der Leistungsdichte. In der Technik ist bekannt, dass das Bewältigen von hoher Leistung in einem kleinen Bauelement eine effektive Kühlung der die Leistung bewältigenden Bauteile erfordert, was am besten mit Flüssigkeitskühlung gelingt, das heißt, durch Ableiten der in den Bauteilen erzeugten Dissipationsleistung über in dem Bauelement zirkulierende Flüssigkeit aus dem Bauelement.
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Aus Kostengründen wird Flüssigkeitskühlung meistens nur in Hochleistungsbauelementen verwendet, zum Beispiel in Frequenzumformern mit über 100 kW. Aufgrund der begrenzten Leistung eines individuellen Leistungshalbleiterbauteils müssen sie bei hohen Leistungen parallelgeschaltet werden, entweder so, dass in dem gleichen Bauelement mehrere Bauteile parallel vorgesehen sind, oder durch Parallelschalten ganzer Bauelemente zur Bereitstellung der gleichen Last. Die Parallelschaltung von Bauteilen im gleichen Bauelement ist besonders deshalb problematisch, weil jedes unterschiedlich angetriebene Bauelement möglicherweise seinen eigenen mechanischen Aufbau erfordert. Aus diesem Grunde werden im Allgemeinen Parallelschaltungen von ganzen Bauelementen verwendet, was unter anderem hinsichtlich Herstellung und Wartbarkeit vorteilhafter ist.
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Ein Leistungselektronikbauelement kann mehrere miteinander verbundene mechanische Einheiten umfassen, die eine unterschiedliche Funktionalität aufweisen können und/oder die parallelgeschaltet sein können. Ein bei der vorliegenden Erfindung beschriebener Frequenzumformer besteht zum Beispiel aus mindestens einer Kapazitätsfiltereinheit und mindestens einer Wechselrichtereinheit, die mit dem gleichen Gleichstromkreis, der in dieser Schrift als DC-Bus bezeichnet wird, verbunden sind. Die erforderliche Kapazität zum Glätten der DC-Busspannungswellenform ist in der (den) Filtereinheit(en) konzentriert, aber es ist auch innerhalb der Wechselrichtereinheit(en) immer noch eine kleine lokale Kapazität in Verbindung mit dem gleichen DC-Bus erforderlich, um Spannungsspitzen in Schaltungssituationen zu begrenzen und auch um abgegebene Hochfrequenzstörungspegel zu reduzieren.
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Eine normale Praxis bei der DC-Busanordnung besteht darin, minimalen spezifischen Widerstand anzustreben, um Leistungsverluste auf ein Minimum zu reduzieren, und minimale Induktivität anzustreben, um eine gute Filterfunktionalität zu erreichen. Es ist wohlbekannt, dass mehrere miteinander verbundene Kapazitäten, die voneinander beabstandet positioniert sind, aufgrund der Selbstinduktivität, die immer in elektrischen Leitern vorhanden ist, einen LC-Resonanzkreis bilden. Unter diesen Umständen kann ein Problem ein hoher Resonanzstrom sein, der zusätzliche Leistungsverluste verursacht und Bauteile in der Schaltung erwärmt. Dieses Problem ist besonders schwerwiegend, wenn die Resonanzfrequenz gleich der Schaltfrequenz der Wechselrichtereinheit oder ein Vielfaches davon ist.
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Kurzfassung der Erfindung
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in dem Erreichen einer neuen Art von Anordnung für den Aufbau eines kompakten flüssigkeitsgekühlten Leistungselektronikbauelements, insbesondere eines Frequenzumformers, wenn mehrere Leistungseinheiten, die zu der gleichen Einrichtung gehören, über einen gemeinsamen DC-Bus miteinander verbunden worden sind. Die oben genannten Nachteile können mit der Anordnung vermieden werden, und sie ist sowohl dann geeignet, wenn die Leistungseinheiten parallelgeschaltet sind, als auch dann, wenn sie für verschiedene Funktionen verwendet werden. Das Ziel der Erfindung wird mit einer Anordnung erreicht, die durch das im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 1 Angeführte gekennzeichnet ist. Andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand die abhängigen Ansprüche.
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Der wesentliche Grundzug der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Stromleitungselemente, wie zum Beispiel Sammelschienen, die den DC-Bus bilden, voneinander beabstandet angeordnet sind und nur durch eine dünne Isolierschicht von einer Metallfläche, vorzugsweise vom Rahmen des Gehäuses, getrennt sind.
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Bei der Lösung der Erfindung ist der DC-Bus so angeordnet, dass die hochfrequenten Ströme im DC-Bus Wirbelströme im Metallrahmen induzieren. Die Richtung der Wirbelströme ist der Richtung der DC-Bus-Ströme entgegengesetzt, wobei dieses Phänomen extern als eine niedrige serielle Induktivität des DC-Busses in Erscheinung tritt.
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Eine andere Auswirkung der Wirbelströme besteht darin, dass sie Leistungsverluste im Rahmenmetall verursachen, wobei dieses Phänomen extern als zusätzlicher serieller Widerstand des DC-Busses in Erscheinung tritt. Wie wohlbekannt ist, ist die Eindringtiefe des induzierten Stroms kürzer, je größer die Frequenz des Stroms ist. Aufgrund dieses Phänomens ist der Widerstand, auf den der Strom trifft, höher, je höher die Frequenz der Stromkomponente ist. Eine nützliche Auswirkung des durch Wirbelströme induzierten spezifischen Widerstands ist die Dämpfung möglicher Resonanzschwingungen im DC-Busstrom. Die Resonanz kann durch schnelle Schaltphänomene von Wechselrichterleistungshalbleiterschaltern leicht bewirkt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Schwingungen im DC-Bus durch Verwendung baulicher Anordnungen, Ausnutzung des induzierten Wirbelstromphänomens, das gemäß Konstruktionsprinzipien des Stands der Technik normalerweise als schädlich betrachtet und somit zu vermeiden versucht wird, gedämpft. Die Anordnung gestattet eine sehr kompakte und kostengünstige Ausführung ohne jegliche externen Dämpfungskomponenten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe einiger Beispiele ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben; in den Zeichnungen zeigen:
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1 die Hauptschaltung einer Frequenzumformeransteuerung,
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2 die Hauptschaltung einer Frequenzumformeransteuerung,
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3 die Struktur einer DC-Sammelschienenanordnung nach dem Stand der Technik,
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4 die Struktur eines Frequenzumformers gemäß der vorliegenden Erfindung,
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5 die Querschnittsansicht einer Frequenzumformer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
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6 die Äquivalenzschaltung des DC-Kreises eines Frequenzumformers,
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7 die DC-Busanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und
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8 Ströme eines mit dem DC-Bus eines Frequenzumformers verbundenen Kondensators.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 stellt eine Ausführungsform der Hauptschaltung eines Dreiphasen-PWM-Frequenzumformers dar, wobei eine aus Dioden bestehende Dreiphasennetzwerkbrücke REC1 die Dreiphasennetzspannung L1, L2, L3 zu der DC-Spannung des Zwischenkreises gleichrichtet, wobei die DC-Spannung die Pole DC+, DC– aufweist und mit einem Filterkondensator CDC1, der als ein Energiespeicher fungiert, gefiltert wird. Eine Dreiphasen-Wechselrichterbrücke INU1, die aus Leistungshalbleiterbauteilen V1–V6, D1–D6 besteht, bildet die DC-Spannung des Zwischenkreises einer Dreiphasenausgangsspannung U, V, W zum Steuern des Motors M1. Die Ausgangsspannungswellenform besteht aus rechteckigen Impulsen, die durch die so genannten Phasenschalter (zum Beispiel V1, D1 und V4, D4 in U-Phase) gebildet werden, welche die Ausgangsphasenanschlüsse entweder mit dem positiven Pol oder mit dem negativen Pol des DC-Busses verbinden können. Die Impulsfrequenz der Ausgangsspannung wird als Schaltfrequenz bezeichnet. Bei modernen Frequenzumformern sind die schnellen Leistungshalbleiterbauteile V1...V6 meistens IGBT-Transistoren. Zum Abschwächen der durch den Betrieb des Wechselrichters erzeugten Schaltphänomene umfasst die Wechselrichtereinheit normalerweise auch einen Kondensator C1, der räumlich nahe den Leistungsbauteilen angeordnet ist, wobei der Kondensator hinsichtlich seines Kapazitätswerts normalerweise wesentlich kleiner als der Energiespeicher CDC1 ist. Die Steuereinheit CU1 steuert den Betrieb des Bauelements. Ein induktives Bauteil ist normalerweise mit beiden Seiten der Netzwerkbrücke REC1 verbunden, um die Harmonischen des von dem Frequenzumformer (in der Zeichnung nicht dargestellt) aufgenommenen Netzstroms zu filtern.
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2 stellt eine Einlinienzeichnung einer Hochleistungsfrequenzumformerimplementierung dar, bei der der Leistungspegel eine Parallelschaltung mehrerer Bauelemente erfordert. Bei hoher Leistung sind die verschiedenen funktionalen Teile eines Umformers im Allgemeinen in ihren eigenen mechanischen Einheiten ausgeführt, wie zum Beispiel in der Figur, in der die Kapazitätsfiltereinheit CDC2, die als ein Energiespeicher fungiert, mehreren Wechselrichtereinheiten NU21, INU22 gemein ist, deren Ausgangsphasen zur Versorgung eines Motors M2 mit gemeinsamer Last zusammengeschaltet sind. Bei dieser Art von System, in dem die Leistungsmodule in einem Abstand voneinander positioniert sein können, erfordert die ordnungsgemäße Filterfunktionalität des DC-Kreises einen DC-Bus mit einer sehr geringen Streuinduktivität zwischen den Einheiten.
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3 stellt ein Beispiel für eine mechanische Struktur eines DC-Busses nach dem Stand der Technik dar, der normalerweise bei Hochleistungsfrequenzumformern verwendet wird (mechanische Stützstrukturen in der Zeichnung nicht dargestellt). Bei der Anordnung nach dem Stand der Technik sind die Stromleiter DC+, DC– flache Sammelschienen, die übereinander montiert sind und durch eine dünne Isolatorschicht S voneinander getrennt sind. Die Selbstinduktivität dieser Art von Ausführung ist sehr gering und aufgrund des gut leitenden Materials, zum Beispiel Kupfer, sind ihr Widerstand und somit auch Leistungsverluste sehr gering. Normalerweise ist die Sammelschienenanordnung durch einen Luftspalt δ von mehreren Millimetern, der gemäß ordnungsgemäßen Sicherheitsstandards dimensioniert ist, von geerdeten Teilen, zum Beispiel von der Metallwand W des Gehäuses, getrennt.
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4 stellt eine perspektivische Zeichnung eines Beispiels dafür dar, wie die Leistungsmodule innerhalb eines flüssigkeitsgekühlten Rahmens 31 montiert sein können, der ein längliches, rechteckiges beispielsweise aus Aluminium bestehendes Profil mit einem unteren Teil 33, von dem im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Seitenwandteile 32 ausgehen, und Flüssigkeitskühlungskanäle 34 umfasst. Der Rahmen enthält mehrere Installationsstellen für Leistungsmodule, die über die Öffnungen 35 in den Flüssigkeitskanälen durch Flüssigkeit gekühlt werden können (in der Figur eine leere Stelle PM und Leistungsmodule INU1, INU2 und CDC1). Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die DC-Sammelschienen DC+, DC–, die entlang dem Chassis 31 von Ende zu Ende verlaufen und Verbindungsteile 36 an jeder Leistungsmodulstelle umfassen, oben auf dem unteren Teil 33 angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Formen der DC-Sammelschienen flach, was bedeutet, dass ihre Dickenabmessung, aus Richtung des unteren Teils 33 gesehen, wesentlich kürzer als ihre Breitenabmessung ist. 5 stellt eine Querschnittsseitenansicht der Ausführungsform der in 4 dargestellten Anordnung dar, wobei besonders hervorgehoben wird, wie die DC-Sammelschienen DC+, DC– des Zwischenkreises nur durch eine dünne Isolatorschicht S1 von dem unteren Teil 33 des Rahmens getrennt sind. Die Form der Isolatorschicht S1 umfasst vorteilhafterweise eine gemeinsame Folie für beide DC-Sammelschienen im gesamten Rahmen 31 oder getrennte Folien für jede Sammelschiene DC+, DC–. Die Dicke der Isolatorschicht beträgt vorteilhafterweise ein Mindestmaß, das dem Isoliermaterial gestattet, die Anforderungen einer ausreichenden mechanischen Festigkeit und adäquaten Isolierung zu erfüllen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Isolierungsschicht kleiner als 1 mm.
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6 stellt eine elektrische Einlinienäquivalenzschaltung der DC-Busanordnung gemäß dem vorherigen Beispiel dar. In der Figur zeigt UL die Versorgungsnetzspannung, LL die Netafilterinduktivität und DREC die Diode in der Gleichrichterbrücke. DC1...DC3 symbolisieren die seriellen Induktivitäten der DC-Stromleiter, wie zum Beispiel Sammelschienen, zwischen den Leistungsmodulen und C11, C21 die inneren Kondensatoren der Wechselrichtereinheiten INU1 bzw. INU2. CDC symbolisiert die Kapazität der tatsächlichen kapazitiven Filtereinheit CDC1 im DC-Bus. Bei der Anordnung sind die Abstände zwischen den Leistungsmodulen gleich, was bedeutet, dass auch die Induktivitäten LDC1...LDC3 gleich sind.
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7 stellt eine detailliertere Querschnittsansicht der DC-Busanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Bei der Ausführungsform von
7 sind die DC-Busstromleiter DC+, DC-Sammelschienen, die nebeneinander auf dem unteren Teil
33 des Rahmens liegen und nur durch eine dünne Isolatorschicht S1 davon getrennt sind. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann unter beiden Stromleitern DC+, DC– wie bei der Ausführungsform von
7 eine Isolierschicht oder Isolierfolie angeordnet sein. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können zum Isolieren der Stromleiter DC+, DC– von dem Metallrahmen getrennte Isolierschicht- oder -folienelemente verwendet werden. In diesem Fall ist es möglich, eine Isolierungsschicht oder -folie unter dem DC+-Stromleiter anzuordnen und eine andere Isolierungsschicht oder -folie unter dem DC-Stromleiter anzuordnen. Gemäß den Grundregeln der Elektrotechnik gilt, je höher die Frequenz des Stroms, desto kürzer ist seine Eindringtiefe in den Leiter. I
HFB zeigt ein beispielhaftes Eindringen eines Hochfrequenzstroms in den DC-Leiter und I
HFW das entsprechende Eindringen des durch den Hochfrequenzstrom in den DC-Stromleitern induzierten Wirbelstroms in den Rahmenunterteil
33. Wie wohlbekannt ist, verursachen die Wirbelströme Leistungsverluste, wobei dieses Phänomen der Wirkung eines seriellen Widerstands in dem tatsächlichen Stromleiter entspricht. Aufgrund der oben erwähnten Regel der Eindringtiefe ist der serielle Widerstand umso größer, je höher die Frequenz ist. Dieses Phänomen wird in der folgenden Tabelle dargelegt, die den spezifischen Widerstand eines beispielhaften flachen Stromleiters in der Anordnung nach
7 (Spalte neu) und des gleichen Leiters in einer in
3 gezeigten Anordnung nach dem Stand der Technik (Spalte alt) als Funktion der Frequenz f angibt. Der spezifische Widerstand in der Spalte neu wird dann erreicht, wenn es sich bei dem Stromleitungsmaterial und Kupfer und dem Rahmenmaterial um Aluminium handelt. Bei der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den spezifischen Widerstand durch die Wahl des Rahmenmaterials zu beeinflussen, was im Gegensatz zu der Anordnung nach dem Stand der Technik steht, bei der nur das Stromleitermaterial entscheidend ist.
| Frequenz | Spezifischer Widerstand [mΩ/m] |
| [kHz) | neu | alt |
| 0,01 | 0,05 | 0,04 |
| 0,1 | 0,09 | 0,06 |
| 1 | 0,33 | 0,20 |
| 10 | 1,22 | 0,67 |
| 100 | 4,07 | 2,15 |
| 1000 | 13,20 | 6,98 |
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8 stellt die Auswirkung der Änderung des spezifischen Widerstands des DC-Busses als Funktion der Frequenz am Stromverstärkungsverhältnis Y in einer beispielhaften DC-Busanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung (Kurve YN) und durch Verwendung einer DC-Busanordnung, wie in 3 dargestellt, (Kurve YO) dar. Das Stromverstärkungsverhältnis wird durch die Formel 1 berechnet: Y = IDC/IINU [1], wobei IDC den Strom des inneren DC-Bus-Kondensators einer Wechselrichtereinheit bedeutet und IINU den Strom, den eine Wechselrichtereinheit INU dem DC-Bus zuführt, bedeutet. Die Skala der Stromverstärkung Y ist logarithmisch, so dass Werte über 0 eine Stromverstärkung bedeuten, was schädlich ist, das heißt hinsichtlich der Lebensdauer des Kondensators. Die erste Verstärkungsspitze bei ca. 0,8 kHz ist die Auswirkung des Versorgungsnetzkreises, und die zweite Spitze bei ca. 30 kHz ist die Auswirkung einer Resonanz innerhalb des DC-Buskreises aufgrund von Streuinduktivitäten der Stromleiter, inneren INU-Modulkapazitäten und der Hauptfilterkapazität. Wie aus 8 hervorgeht, verringert sich besonders diese Verstärkungsspitze, die für die Kondensatoren äußerst schädlich ist, aufgrund des durch Wirbelströme in der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verursachten Widerstands. Wenn die Resonanzfrequenz bekannt ist, ist es von Vorteil, die Schaltfrequenz der Wechselrichtereinheit auf einen Wert einzustellen, der bzw. dessen Vielfaches der Resonanzfrequenzspitze der DC-Busanordnung nicht entspricht.
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Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf die vorherige Ausführungsform beschrieben wurde, sollte auf der Hand liegen, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass für den Fachmann ohne Abweichen von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert wird, viele Modifikationen und Variationen ersichtlich sind.
