DE19636094A1 - Luftgekühlter Umrichter im Megawattbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen luftgekühlten Umrichter mit abschaltbarem Leistungshalterleiter.

Es ist bekannt, Umrichter im Megawattbereich wassergekühlt auszuführen. Derartige Ausführungen sind jedoch in bezug auf Herstellung und Wartung teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Umrichter in einem Leistungsbereich zwischen 1 und 10 MW anzugeben, der gegenüber den bekannten Umrichtern in diesem Leistungsbereich günstiger in der Herstellung ist. Dabei ist es außerdem wünschenswert, einen Umrichter für den Leistungsbereich zwischen 1 bis 20 MW anzugeben, der gegenüber den bekannten Umrichtern einfacher und kostengünstiger zu betreiben und zu warten ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Umrichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine Luftkühlung für Umrichter, die in einem Leistungsbereich von 1 bis 20 MW betrieben werden, gilt in Fachkreisen als nicht geeignet. Es hat sich jedoch heraus­ gestellt, daß Umrichter im obenbezeichneten Leistungsbereich mit Luftkühlung ausführbar sind. Dabei haben sich derartige luftgekühlte Umrichter gegenüber bekannten wassergekühlten Umrichtern im obengenannten Leistungsbereich als besonders kostengünstig und wartungsarm erwiesen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbinden Kühlkörper einzelne abschaltbare Leistungshalbleiter elektrisch. Diese elektrische Verbindung stellt ebenfalls eine gute thermische Verbindung dar, so daß die in den Leistungshalbleitern abfallende Wärme in ausreichender Weise abgeführt wird. Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, Kühlkörper mit einer derart hohen thermischen Kapazität zu verwenden, daß die Kühlkörper bei Belastungsspitzen thermisch träge reagieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Umrichter ein Gebläse auf, das den Kühlkörpern Umgebungsluft oder vorgekühlte Luft zuführt oder daß vorteilhafterweise Umgebungsluft durch die Kühlkörper saugt.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprü­ chen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen umrichtergespeisten Motor mit Diodengleichrichter auf der Netzseite,

Fig. 2 einen umrichtergespeisten Motor mit selbstgeführtem Gleich- und Wechselrichter auch auf der Netzseite,

Fig. 3 eine Umrichteranordnung mit über Lichtwellenleiter verbundenem Automatisierungsgerät,

Fig. 4 einen Dreipunktwechselrichter mit GTO-Thyristoren (Hauptstromkreis ohne Beschaltung),

Fig. 5 einen Dreipunktwechselrichter-Baustein mit RC-GTO′s und Beschaltungsnetzwerk,

Fig. 6 eine Umrichteranordnung zur Speisung eines Drehstrom­ motors mit Teilumrichter in Dreipunktschaltung auf der Netz- und Maschinenseite,

Fig. 7 eine Umrichteranordnung zur beidseitigen Speisung eines Drehstrommotors mit offener Wicklung mit Teil­ umrichter in Dreipunktschaltung,

Fig. 8 den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Umrichters.

In Fig. 1 ist ein umrichtergespeister Motor 15 mit Dioden­ gleichrichter 2 auf der Netzseite dargestellt. Die Umrichteranordnung ist vorzugsweise als Reihenschaltung zweier B6-Diodenbrücken ausgeführt. Die netzseitige Anbindung erfolgt über einen Transformator 1 mit zwei vorzugsweise um elektrisch 30° versetzten Sekundärwicklungssystemen zur Erzielung einer 12-pulsigen Netzrückwirkung. Der Dioden­ gleichrichter 2 ist auf der Gleichspannungsseite über den Spannungszwischenkreis 3 mit dem maschinenseitigen Wechsel­ richter 4 verbunden. Die Zwischenkreisverbindung erfolgt vorzugsweise über drei Pole, den positiven und negativen Zwischenkreispol sowie dem Gleichspannungsmittelpunkt. Der maschinenseitige Wechselrichter 4 ist als selbstgeführter Wechselrichter in Dreipunktschaltung ausgeführt an dessen Ausgangsseite über drei Leiter der Drehstrommotor 15 ange­ schlossen ist.

In Fig. 2 ist ein umrichtergespeister Motor 9 mit selbstge­ führtem Gleich- und Wechselrichter 6 und 8 auch auf der Netzseite dargestellt. Die Umrichteranordnung besteht aus einem netzseitigen selbstgeführten Gleichrichter 6, der auf der Gleichspannungsseite über den Spannungszwischenkreis 7 mit dem maschinenseitigen Wechselrichter 8 verbunden ist. Beide Teilumrichter 6 und 8 sind in Dreipunktschaltung ausge­ führt und die Zwischenkreisverbindung erfolgt vorzugsweise über drei Pole, dem positiven und negativen Zwischenkreis sowie dem Gleichspannungsmittelpunkt. Der netzseitige selbstgeführte Gleichrichter 6 ist über den Transformator 5 mit dem Netz verbunden. Die Schaltung ist vorzugsweise gleich der des maschinenseitigen Wechselrichters 8 ausgeführt und ermöglicht sowohl den Betrieb als Gleichrichter als auch als Wechselrichter zur Energierückspeisung z. B. im Bremsbetrieb des Motors 9. Der maschinenseitige Wechselrichter ist an seiner Ausgangsseite über drei Leiter mit dem Drehstrommotor verbunden.

Die Fig. 3 zeigt eine Umrichteranordnung mit einem Automati­ sierungsgerät 14 zur Steuerung des Umrichters 16, wobei der gesamte Informationsaustausch über eine Lichtwellenleiter­ verbindung 13 erfolgt. Der Umrichter 16 weist einen netzsei­ tigen Teilumrichter 10, einen Spannungszwischenkreis 11 und einen maschinenseitigen Teilumrichter 12 auf. Die Leistungs­ verbindungen der Teilumrichter mit dem Netz und dem Motor können z. B. nach Fig. 1 und Fig. 2 erfolgen. Der Umrichter 10 enthält alle für den Betrieb und die Überwachung benötigten Sensoren, so daß keine weitere Verbindung zum Umfeld erfor­ derlich ist. Nicht dargestellt ist, daß sowohl der Umrichter als auch das Automatisierungsgerät eine Hilfsstromversorgung oder Batterie benötigt.

Die Fig. 4 zeigt den Hauptstromkreis eines Dreipunktwechsel­ richters. Zwischen dem positiven Gleichspannungspol 56 und dem negativen Gleichspannungspol 57 sind der P-seitige Zwischenkreiskondensator 54 und der N-seitige Zwischenkreis­ kondensator 55 in Reihe geschaltet. Ihr Verbindungspunkt bildet den Gleichspannungsmittelpunkt 58. Die Phasenbausteine 50, 51, 52 mit jeweils vier in Reihe geschalteten GTO′s und gegenparallel geschalteten Freilaufdioden sind jeweils zwischen den positiven und negativen Gleichspannungspol geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen dem ersten und zweiten GTO eines Phasenbausteins und dem dritten und vierten GTO eines Phasenbausteins ist jeweils über zusätzlich zwei in Reihe geschaltete gegenparallel zu den GTO′s liegende Dioden verbunden, der Mittelpunkt dieser beiden Dioden ist jeweils mit dem Gleichspannungsmittelpunkt 58 verbunden. Der Verbin­ dungspunkt zwischen dem zweiten und dritten GTO eines Phasen­ bausteins bildet die jeweilige Ausgangsklemme, die mit dem Motor 53 verbunden ist.

Die Fig. 5 zeigt einen Dreipunktwechselrichter-Baustein mit RC-GTO′s und Beschaltungsnetzwerk. Die Reihenschaltung einer Induktivität L1, der vier RC-GTO′s (Reverse Conducting Gate-Turn-Off-Thyristoren) V1, V2, V3, V4 und der Induktivität L2 zwischen dem positiven Gleichspannungspol 24 und dem negati­ ven Gleichspannungspol 26 bilden zusammen mit den beiden Mittelpunktdioden V15 und V16 den Hauptstromkreis eines Phasenbausteins eines Dreipunktwechselrichters. Dabei ist V15 mit der Anode mit dem Gleichspannungsmittelpunkt 25 und der Kathode mit dem Verbindungspunkt des ersten RC-GTO′s V1 mit dem zweiten RC-GTO V2 verbunden. X16 ist mit der Kathode mit dem Gleichspannungsmittelpunkt 25 und der Anode mit dem Verbindungspunkt des dritten RC-GTO′s V3 mit dem vierten RC-GTO V4 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem zweiten RC-GTO V2 und dem dritten RC-GTO V3 bildet den Wechselspan­ nungsausgang des Phasenbausteins V (V oder W).

L1 und L2 dienen zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindig­ keit, die Beschaltungsnetzwerke V21 und V22 mit C7 und C1 sowie V24 und V23 mit C17 und C11 dienen zur Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Schalten der GTO′s. Zu den Widerständen R3 und R4 wird die im jeweiligen Beschal­ tungsnetzwerk je Schaltvorgang gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt und die Überladung der Kondensatoren C1 und C11 verhindert bzw. zurückgeführt.

Die beiden RCD-Beschaltungsnetzwerke R11, C9, V25 bzw. R21, C19, V26 dienen als Zusatzbeschaltung der beiden mittleren RC-GTO′s V2 und V3. Sie werden vorteilhafterweise bei Umrichtern hoher Leistung mit daraus resultierenden großen mechanischen Abmessungen eingesetzt, um Überspannungen an aufbaubedingten parasitären Induktivitäten von den GTO′s V2 und V3 zu vermei­ den.

Fig. 6 zeigt eine Umrichteranordnung zur Speisung einer Dreh­ strommaschine, wobei der netzseitige Teilumrichter 33 und der motorseitige Teilumrichter 34 mit GTO′s in Dreipunktschal­ tung, jeweils gleich, ausgeführt sind. Es ist jeweils der Hauptstromkreis eines Phasenbausteins mit seinem Beschal­ tungsnetzwerk 40 bzw. 41 dargestellt. Der P-seitige Zwischen­ kreiskondensator 37 bildet gemeinsam mit dem N-seitigen Zwischenkreiskondensator 39 den Gleichspannungszwischenkreis, über den die beiden Teilumrichter verbunden sind. Der P-seitige Beschaltungsrückladewiderstand 36 und der N-seitige Beschaltungsrückladewiderstand 38 sind mit der jeweiligen Seite der Beschaltungsnetzwerke 40 bzw. 41 verbunden.

Der netzseitige Teilumrichter 33 ist ausgangsseitig über den Transformator 31 und dem Leistungsschalter 32 mit dem Netz 30 verbunden. Der maschinenseitige Teilumrichter 34 ist ausgangsseitig mit dem Drehstrommotor 35 verbunden.

Bei der Anordnung in Fig. 7 ist ein erster Umrichter 74 und ein zweiter Umrichter 75 ausgangsseitig jeweils mit einer Seite 71 und 72 der offenen dreiphasigen Wicklung des Dreh­ strommotors 73 verbunden. Durch diese Anordnung wird neben einer Leistungsverdoppelung ein besonders vorteilhaftes Betriebsverhalten erreicht, da, entsprechend abgestimmtes Pulsverfahren vorausgesetzt, selbst bei niedriger Schalt­ frequenz der GTO-Thyristoren weitgehend sinusförmigen Strom­ verlauf im Motor mit geringer Oberschwingungsbelastung erreicht wird.

Netzseitig ist der erste Umrichter 74 über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 63 und einen ersten Transfor­ mator 61 z. B. in Stern/Dreieckschaltung mit dem Energiever­ sorgungsnetz 60 verbunden. Der zweite Umrichter 75 ist über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 64 und einem zweiten Transformator 62 vorteilhafterweise um elektrisch 30° gegenüber dem ersten Transformator 61 versetzt (z. B. in Stern/Sternschaltung) mit dem Energieversorgungsnetz 60 verbunden. Durch diese Anordnung kommt es am Netz zu besonders günstigen Netzrückwirkungen, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Beispiel, die Umrichter aus Teilumrichtern in Dreipunktschaltung bestehen. Es kommt dabei selbst bei Grundschwingungsbelastung der selbstgeführten Netzstrom­ richter sinusförmigen Stromverlauf mit sehr geringem Ober­ schwingungsgehalt.

Die beiden Umrichter 74 und 75 weisen jeweils netzseitige Teilumrichter 66 bzw. 65 und maschinenseitige Teilumrichter 69 bzw. 70 auf, die jeweils über einen Gleichspannungszwischen­ kreis 67 bzw. 68 verbunden sind. Die beiden Gleichspannungs­ zwischenkreise 67 bzw. 68 sind voneinander elektrisch ge­ trennt. Alle Teilumrichter 66, 65, 69, 70 sind in Dreipunkt­ schaltung, vorzugsweise mit RC-GTO′s, ausgeführt.

Fig. 8 zeigt den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen, luftgekühlten Gleichrichters. Die Halbleiterelemente sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem herausziehbaren Gleichrichterbaustein 81 untergebracht. Der Gleichrichter­ baustein 81 ist in einen Träger 82 einschiebbar. Der Träger 82 ist in Fig. 8 ohne Seitenwände und ohne Türen gezeigt. Die Kühlung erfolgt über einen Luftstrom, der mittels Lüfter 80 erzeugt und den Träger 82 und den eingeschobenen Gleich­ richterbaustein 81 durchströmt. Die Halbleiter des Gleich­ richterbausteins 81 sind vorteilhafterweise zwischen Kühl­ körpern 83 angeordnet, die vom Luftstrom parallel gekühlt werden.

Claims (17)

1. Luftgekühlter Umrichter mit abschaltbaren Leistungshalb­ leitern, bei dem die Kühlleistung derart bemessen wird, daß die Temperatur der abschaltbaren Leistungshalbleiter eine kritische Temperaturgrenze nicht überschreitet, wobei der Umrichter optimiert ausgestaltete Kühlkörper aufweist, die zumindest zum Teil thermisch parallel geschaltet sind und wobei der Umrichter in bezug auf Dauerlast in einem Leistungsbereich von 1 bis 20 Megawatt, vorteilhafterweise von 2 bis 10 Megawatt, arbeitend ausgebildet ist.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkörper einzelne abschaltbare Leistungshalbleiter elektrisch verbinden.

3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aufgrund der thermischen Kapazität der Kühlkörper bei Belastungsspitzen thermisch träge reagierend ausgebildet ist.

4. Umrichter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Gebläse aufweist, das den Kühlkörpern Umgebungs­ luft oder vorgekühlte Luft zuführend ausgebildet ist oder das vorteilhafterweise Umgebungsluft durch die Kühlkörper saugend ausgebildet ist.

5. Umrichter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er als Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet ist.

6. Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis in Dreipunktschaltung ausgebildet ist.

7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er als Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis in n-Punkt-Schaltung ausgebildet ist, wobei n größer gleich 5 ist.

8. Umrichter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er als Umrichter mit Stromzwischenkreis ausgebildet ist.

9. Umrichter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er als Direktumrichter ausgebildet ist.

10. Umrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter als GTO′s, d. h. als Gate Turn Off Thyristors, ausgebildet sind.

11. Umrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die als MCT′s, d. h. als MOS Controlled Thyristors, ausgebildet sind.

12. Antriebseinrichtung für Walzgerüste nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die als Leistungstransistoren, insbesondere als IGBT′s, d. h. Insulated Gate Bipolar Transistors, ausgebildet sind.

13. Antriebseinrichtung für Walzgerüste nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter rückwärts leitend ausgebildet sind.

14. Umrichter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in bezug auf Stoßlast in einem Leistungsbereich von 2 bis 30 Megawatt, vorteilhafterweise von 4 bis 20 Megawatt, arbeitend ausgebildet ist.

15. Umrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß ein elektrischer Motor mit zwei Umrichtern in Tandem­ schaltung, d. h. einer Schaltung, bei der der Motor offene Wicklungen aufweist, die beidseitig von Umrichtern gespeist werden, verschaltet ist.

16. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er als sicherungsfreier Umrichter ausgebildet ist.

17. Umrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Speisung von elektrischen Motoren für Walzwerke für Schiffsantriebe, für elektrische Fahrzeuge im allgemeinen oder zur Netzkompensation verwendet wird.