DE202013004551U1

DE202013004551U1 - IGBT-Umrichtereinheit mit Kühlsystem und Schaltschrank für eine solche IGBT-Umrichtereinheit

Info

Publication number: DE202013004551U1
Application number: DE202013004551U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2023-05-17

Abstract

Schrank für ein Leistungsmodul (1) einer IGBT-Umrichtereinheit (10) umfassend: ein Gehäusegestell (20); mindestens ein aufklappbares Türelement (18), welches an dem Gehäusegestell (20) angebracht ist und geeignet ist zum Verschliessen des Schranks, mindestens vier Einschubplatten (22), welche innerhalb des Gehäusegestells (20) derart angeordnet sind, so dass innerhalb des Gehäusegestells (20) jeweils einzelne, voneinander abgetrennte Gehäuseabteile gebildet werden, welche zur Aufnahme und Ablage von elektrischen Komponenten geeignet sind; wobei in einem ersten (31), dem untersten Gehäuseabteil des Gehäusegestells (20) mindestens zwei nebeneinander angeordneten Drosseleinheiten (17) installiert sind; in einem zweiten (32), über dem ersten liegenden Gehäuseabteil mindestens eine Geräteschutzsicherung (14) installiert ist; in einem dritten (33), über dem zweiten (32) angeordneten Gehäuseabteil mindestens zwei nebeneinander angeordnete Stromrichtereinheiten (16) installiert sind, wobei jede Stromrichtereinheit (16) über einen Kühlkörper (35) verfügt; in einem vierten (34), über dem dritten (33) angeordneten Gehäuseabteil mindestens ein Bremswiderstand (23) und mindestens ein Ventilator (24) installiert ist; und wobei zwischen dem ersten (31) und dem dritten (33) Gehäuseabteil mindestens ein Sammelschienenbalken (36) installiert ist.

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine IGBT-Umrichtereinheit. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Schaltschrank mit einen Kühlsystem/Klimasystem für eine IGBT-Umrichtereinheit, welche bevorzugt in Traktionsanwendungen im Gleichspannungsbereich einsetzbar ist.
Stand der Technik
Umrichtereinheiten, insbesondere wenn sie mit IGBT-Modulen, Stromrichtern und weiteren elektrischen Komponenten bestückt sind, erzeugen im laufenden Betrieb für gewöhnlich Abwärme, welche die Bauteile selbst in unzulässiger Weise erwärmen und deren Betriebsverhalten mit steigender Betriebstemperatur gefährden. Sind diese elektrischen Komponenten einer solchen Umrichtereinheit in einem Schaltschrank untergebracht, dann besteht aufgrund des kompakten Anordnung diverser Bauteile die Gefahr, dass die von den Bauteilen erzeugten Abwärme die Umgebungstemperatur im Schaltschrank erhöht und diese Abwärme damit auch auf andere Bauteile innerhalb des Schaltschranks übertragen wird. Zur Vermeidung von unzulässigen Temperaturen innerhalb von Schaltschränken ist es deshalb aus dem Stand der Technik bekannt, Schaltschränke mit diversen Ventilatoren zu versehen, welche die einzelnen Bauteile mit Luft kühlen und auf eine zulässiger Betriebstemperatur während ihres Betriebes halten. Oftmals müssen dann für den Betrieb mehrerer, parallel betriebener Ventilatoren zusätzliche Motoren installiert werden. Dies ist insbesondere für den Einsatz in Schaltschränken problematisch, da dort der Platzbedarf nicht beliebig verfügbar ist. Ausserdem müssen die mehreren Motoren regelmässig gewartet werden, um deren zuverlässiges Funktionieren sicherzustellen. Dies ist oftmals aufwändig und nicht erwünscht. Insbesondere dann nicht, wenn eine solche Wartung bedeutet, dass ein Energie übertragendes Netz oder ein Streckenabschnitt, welcher durch einen Umrichter gespeist wird, der in einer Unterstation installiert ist, ausser Betrieb gesetzt werden muss.
Ein Einsatzbereich von Umrichtern oder Umrichtereinheiten zur Strom- und Spannungsumwandlung sind beispielsweise sogenannte Unterstationen, welche Energie für Streckenabschnitte im Traktionsbereich in der benötigten Form bereitstellen. Die in den Unterstationen installierten Umrichtereinheiten und deren elektrischen leistungsführenden- oder verarbeitenden Komponenten wie IGBT-Bausteine, Gleichrichtereinheiten und Steuer- und Kontrollsysteme sind in der Regel in Schaltschränken untergebracht.
Ein Umrichter überträgt dabei Leistung, welche zunächst von einem Drehstromverteilernetz im Mittelspannungsbereich an die Unterstation geliefert wird, auf ein Gleichspannungsverteilnetz. Dies kann beispielsweise eine Fahrleitung sein. Von der Fahrleitung, welche mit einem Traktionsfahrzeug in Verbindung steht, wird die benötigte Leistung dann auf einen Traktionsumrichter geleitet, welcher auf einem Fahrzeug installiert ist. Der Traktionsumrichter liefert dann entsprechende Signale, um einen Traktionsmotor anzutreiben, der dann das Fahrzeug in Gang setzt.
Dabei wird also eine derartige Umrichtereinheit zwischen einer wechselspannungsseitigen Energieversorgungseinheit wie zum Beispiel einem Wechselspannungsnetz und einem gleichspannungsseitigen Verbrauchersystem geschaltet.
Zusätzliche Energie, kann bei Traktionsanwendungen dadurch entstehen, dass ein Fahrzeug, Energie, wie etwa kinetische Bremsenergie, in das Gleichspannungsverbrauchersystem zurückspeist. Der Umrichter in der Unterstation, welcher diese zurückgespeiste Energie aufnehmen und verarbeiten muss, muss dazu entsprechend ausgebildet sein. Auch müssen technische Vorkehrungen getroffen werden, um die elektrischen Komponenten der Umrichtereinheit in der Unterstation vor unzulässiger Erwärmung zu schützen, da die zurückgespeiste Energie in der Umrichtereinheit auch Verlustleistung erzeugt, die als Abwärme die Komponenten der Umrichtereinheit in der Unterstation erwärmt.
Zu diesem Zweck wird die Unterstation mit einem Kühlsystem ausgestattet. Aufgrund des begrenzten Platzangebots innerhalb eines solchen Schaltschranks, in dem eine Umrichtereinheit untergebracht ist, ist es jedoch oftmals schwierig, Kühlsysteme innerhalb des Schaltschranks zu installieren, um leistungsführende elektrische Komponenten, aber auch Steuersysteme der Umrichtereinheit effektiv zu kühlen.
Technisch objektive Aufgabe
Die technische objektive Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine IGBT-Umrichtereinheit derart weiterzubilden, dass deren elektrischen Komponenten, welche zur Energieübertragung zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsnetz beitragen, platzsparend in einem Schaltschrank untergebracht werden können. Ein weitere Aufgabe besteht darin, einen Schaltschrank für eine IGBT-Umrichtereinheit derart weiterzubilden, in welchem eine möglichst technisch einfache und effektive Kühlung der darin befindlichen elektrischen Komponenten möglich ist.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine IGBT-Umrichtereinheit für Traktionsanwendungen derart weiterzubilden, dass Energie aus einem gegenüber der-IGBT-Umrichtereinheit gleichspannungsseitig angeschlossenem Verbrauchersystem, welche beim Abbremsen des Fahrzeugs entsteht, in eine gegenüber der IGBT-Umrichtereinheit wechselspannungsseitig angeschlossenen Energieversorgungseinheit derart zurückgespeist wird, dass die Bauteile der wechselspannungsseitig angeschlossenen Energieversorgungseinheit nicht unzulässig erwärmt werden.
Lösung mit Merkmalen des Schutzanspruchs 1
Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Schrank für ein Leistungsmodul für eine IGBT-Umrichtereinheit gelöst, welche umfasst:
ein Gehäusegestell;
mindestens ein aufklappbares Türelement, welches an dem Gehäusegestell angebracht ist, und geeignet ist zum Verschliessen des Schranks,
mindestens vier Einschubplatten, welche innerhalb des Gehäusegestells derart angeordnet sind, dass innerhalb des Gehäusegestells jeweils einzelne, voneinander abgetrennte Gehäuseabteile gebildet werden, welche zur Aufnahme und Ablage von elektrischen Komponenten geeignet sind; wobei in einem ersten, dem untersten Gehäuseabteil des Gehäusegestells mindestens zwei nebeneinander angeordneten Drosseleinheiten installiert sind;
in einem zweiten, über dem ersten liegenden Gehäuseabteil mindestens eine Geräteschutzsicherung installiert ist;
in einem dritten, über dem zweiten angeordneten Gehäuseabteil mindestens zwei nebeneinander angeordnete Stromrichtereinheiten installiert sind, wobei jede Stromrichtereinheit über einen Kühlkörper verfügt;
in einem vierten, über dem dritten angeordneten Gehäuseabteil mindestens ein Bremswiderstand und mindestens ein Ventilator installiert ist; und wobei zwischen dem ersten und dem dritten Gehäuseabteil mindestens ein Sammelschienenbalken installiert ist.
Vorteile von Anspruch 1
Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass alle elektrischen Komponenten einer IGBT-Umrichtereinheit, welche zur Energieübertragung zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsnetz beitragen, platzsparend in einem Schaltschrank untergebracht werden können. Dazu werden vorteilhafterweise durch Einschubplatten in das Gehäusegestell des Schranks eine Anzahl von Ebenen von verschiedenen, voneinander physikalischen trennbaren Gehäuseabteilen innerhalb des Schranks der IGBT-Umrichtereinheit gebildet, auf welchen die jeweiligen Bauteile installierbar sind.
Die einzelnen Gehäuseabteile sind jeweils übereinander geschichtet. Sie bilden eine Anordnung von Schichten, welche sich von dem Boden des Schranks bis zur Schrankdecke erstreckt. Jede der innerhalb des Gehäusegestells eingesetzten Einschubplatten sind parallel zu einer horizontalen Bodenebene des Gehäusegestells angeordnet. Die schichtweise Anordnung und das Stapeln von Bauteilen ermöglicht das optimale Ausnutzen des vorhandenen Platzes innerhalb des Schranks. Die Einschubplatten können dabei mit Lüftungsschlitzen versehen sein oder Lüftungsspalte aufweisen, um einen Zugang für Luft als Kühlmittel zu schaffen, welche sich dann von einem Gehäuseabteil zu einem anderen Gehäuseabteil bewegen kann.
Zur Ableitung der entstehenden Wärme, welche durch die auf den einzelnen Gehäuseabteilen positionierten elektrischen Bauteilen während des Betriebs eines Leistungsmoduls der IGBT-Umrichtereinheit erzeugt wird, ist innerhalb des obersten Gehäuseabteils ein Ventilator wie auch ein Bremswiderstand installiert. Der Ventilator, als Bestandteil eines Kühlungs- und Klimasystems, das innerhalb des Schranks installiert und für eine Regulierung der Lufttemperatur im Schrankinneren zuständig ist, hat die Aufgabe, Luft zur Kühlung von ausserhalb in den Schrank einzusaugen. Vorteilhafterweise wird die von aussen zugeführte Luft zunächst über die untersten Gehäuseabteile in den Schrank eingeführt. Die einzelnen elektrischen Bauteile auf den jeweiligen Gehäuseabteilen sind dann derart positioniert, dass die eingeführte Luft von dem Ventilator von dem untersten Gehäuseabteil in das oberste Gehäuseabteil gesogen wird.
Auf dem Weg durch die einzelnen Gehäuseabteile nimmt die Luft die Abwärme der elektrischen Bauteile auf den einzelnen Gehäuseabteilen auf und erwärmt sich sukzessive. Ist die erwärmte Luft schliesslich im obersten Gehäuseabteil mit dem Ventilator und dem Bremswiderstand angelangt, so wird die Luft durch Lüftungsöffnungen wieder aus dem Schrank hinausbefördert. Der Bremswiderstand befindet sich dabei mitten im Kühlmittelpfad. Das hat den Vorteil, dass der Bremswiderstand, welcher Energie aufnehmen kann, dadurch abgekühlt wird, in dem die zirkulierende Luft an ihm vorbei nach aussen geleitet wird.
Vorteilhafterweise sind die einzelnen Bauteile auf den jeweiligen Gehäuseabteilen derart positioniert, dass diese selbst einen Kanal bilden, durch welchen die eingesaugte Luft zur Kühlung fliessen kann.
Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die beiden Stromrichter in dem dritten Gehäuseabteil jeweils mit Kühlblechen auszustatten, welche derart zueinander positionierbar sind, so dass sich die beiden Kühlbleche der jeweiligen Stromrichter gegenseitig berühren, damit die Luft ausschliesslich durch die Kühlrippen der Kühlkörper fliessen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, können die Kühlkörper der jeweiligen Stromrichtereinheiten im dritten Gehäuseabteil derart voneinander beabstandet angeordnet sein, dass diese einen Kanal bilden, durch welche die durch den Ventilator angesaugte Luft aus einem unterem, bodennahen Teil des Gehäusegestells zu einem oberen, deckennahen Teil des Gehäusegestells leitbar ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemässe IGBT-Umrichtereinheit neben einem Schrank für ein Leistungsmodul auch einen Schrank für ein Steuer- und Verbindungsmodul der IGBT-Umrichtereinheit aufweist. Beide Schaltschränke für das Leistungsmodul und dem Steuer- und Verbindungsmodul bilden einen sogenannten IGBT-Umrichter. Der erfindungsgemässe IGBT-Umrichter kann vorzugsweise eine beliebige Anzahl von Leistungsmodulen aufweisen. Diese operieren eigenständig voneinander. Ein Steuer- und Verbindungsmodul, ist dazu ausgebildet, die Anzahl von Leistungsmodulen zu steuern.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht deshalb im modularen Aufbau der Umrichtereinheit. Eine IGBT-Umrichtereinheit kann vorzugsweise aus bis zu vier Leistungsmodulen bestehen. Dieser Gruppe von Leistungsmodulen ist jeweils ein gemeinsames Steuer- und Verbindungsmodul zugeordnet.
Das erfindungsgemässe System kann also nach Bedarf entsprechend skaliert werden. Das bedeutet, dass eine beliebige Anzahl von Leistungsmodulen miteinander zu einer IGBT-Umrichtereinheit verschaltet werden können, um den gewünschten Effekt zu erzielen, dass im Falle, wenn Energie aus einem gegenüber der IGBT-Umrichtereinheit gleichspannungsseitig angeschlossenem Verbrauchersystem, welche beispielsweise beim Abbremsen eines Traktionsfahrzeugs entstehen kann, in eine gegenüber der IGBT-Umrichteinheit wechselspannungsseitig angeschlossenen Energieversorgungseinheit derart zurückgespeist wird, dass die Bauteile der wechselspannungsseitig angeschlossenen Energieversorgungseinheit nicht unzulässig erwärmt werden.
Der Schrank für das Steuer- und Verbindungsmodul einer IGBT-Umrichtereinheit umfasst dabei:

• ein Gehäusegestell;
• mindestens ein aufklappbares Türelement, welches an dem Gehäusegestell anbringbar ist, geeignet zum Verschliessen des Schranks,
• zwei Einschubplatten, welche innerhalb des Gehäusegestells derart positionierbar sind, so dass innerhalb des Gehäusegestells jeweils einzelne, voneinander abgetrennte Gehäuseabteile bildbar sind, welche zur Aufnahme und Ablage von elektrischen Komponenten geeignet sind;
• wobei in einem ersten Gehäuseabteil des Gehäusegestells ein Messwertverarbeitungs- und Sicherungsbereich installiert ist, welcher Komponenten zur signaltechnischen Messwertaufnahme des Systemverhaltens von Umrichterkomponenten sowie Komponenten zur Erdschlussüberwachung umfasst;
• und wobei in einem zweiten Gehäuseabteil des Gehäusegestells ein Verbindungsbereich installiert ist, welcher einen einfacheren Zugang zu AC- und DC-Komponenten der IGBT-Umrichtereinheit gewährt,
• und wobei in einem dritten Gehäuseabteil des Gehäusegestells ein Steuerbereich installiert ist, welcher die Hauptsteuerungseinheiten der IGBT-Umrichtereinheit umfasst.

Das Steuer- und Verbindungsmodul ist also im Wesentlichen in drei Gehäuseabteile Mess- und Sicherungsbereich, Verbindungsbereich und Steuerbereich unterteilt, die jeweils eine besondere Funktionalität des Steuer- und Verbindungmoduls bereitstellen. Eine Aufspaltung in diese drei Bereiche, insbesondere eine Trennung zwischen Komponenten für die Steuerung des Umrichters und den Komponenten für die Leistungserzeugung- und Verarbeitung hat den Vorteil, dass dadurch Vorgaben bezüglich der gegenseitigen elektromagnetischen Interferenz und der elektromagnetischen Verträglichkeit eingehalten werden können. Insbesondere wird dabei die Tatsache berücksichtigt, dass Umrichter für den Hochspannungsbereich elektromagnetische Felder erzeugen, welche die in unmittelbarer Nähe positionierten anderen elektrischen Bauteile in ihren Funktionalität wesentlich beeinflussen können.
Die Trennung von Komponenten für die Messwertaufnahme und Komponenten für den Niederspannungsbereich gegenüber den Komponenten für den Hochspannungsbereich ist insbesondere auch deshalb von Vorteil, das Aspekte der Sicherheit und Verschmutzung berücksichtig werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Die erfindungsgemässe Lösung eines Schranks für ein Leistungsmodul einer IGBT-Umrichtereinheit wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 abgebildet. Des Weiteren wird eine weitere erfindungsgemässe Lösung eines Schranks für ein Steuer- und Verbindungsmodul einer IGBT-Umrichtereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 9 abgebildet. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind mit den Merkmalen der abhängigen Unteransprüche weitergebildet.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist jede der innerhalb des Gehäusegestells eingesetzten Einschubplatten parallel zu einer horizontalen Bodenebene des Gehäusegestells angeordnet. Durch die parallele Anordnung der Einschubplatten können einzelne Gehäusebabteile innerhalb des Gehäusegestells gebildet werden, so dass die im Schaltschrank der IGBT-Umrichtereinheit angeordneten Bauteile möglichst platzsparend positioniert werden können, um den verfügbaren Platzbedarf innerhalb des Schranks optimal auszunutzen.
Bei einer weitere bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt der Schrank für ein Leistungsmodul über ein Luftkühlsystem. Dieses besteht aus einem Ventilator, einem ersten Bereich von Lüftungsöffnungen, damit kühle Luft zur Kühlung der elektrischen Komponenten des Leistungsmoduls von Aussen in den Schrank einleitbar ist und ein zweiter Bereich von Lüftungsöffnungen, damit die durch elektrische Komponenten erwärmte Luft aus dem Schrank wieder abführbar ist. Der Ventilator ist ausgebildet, innerhalb des Schranks einen Unterdruck zu erzeugen, um zunächst Luft durch die bodennah positionierten Lüftungsöffnungen in den Schrank hinein anzusaugen, und wobei die Luft, welche die von den elektrischen Komponenten erzeugte Abwärme aufnimmt, durch den Ventilator von dem ersten Gehäuseabteil zu dem vierten Gehäuseabteil des Gehäusegestells beförderbar ist und über den Bremswiderstand durch den zweiten Bereich von Lüftungsöffnungen aus dem Schrank hinausbeförderbar ist.
Durch die Positionierbarkeit des Ventilators in das oberste Gehäuseabteil des Leistungsmoduls wird ein Unterdruck innerhalb des Leistungsmodulschranks erzeugt. Es genügt also ein einziger Ventilator pro Leistungsmoduleinheit, um den gewünschten Kühleffekt sicherzustellen. Die sparsame Verwendung eines Ventiltors minimiert dabei die Wartungskosten für das inkludierte Kühlsystem. Ausserdem ist der Ventilator einfach zu ersetzen und nimmt durch seine Anordnung im obersten Gehäuseabteil relativ wenig Platz innerhalb des Schaltschranks in Anspruch.
Die Lüftungsöffnungen sind vorteilhafterweise bei dem Schrank für das Leistungsmodul derart angeordnet, dass der erste, bodennah, angeordnete Bereich von Luftöffnungen im Türelement eingelassen ist. Dieser erstreckt sich im Wesentlichen auf einer Höhe zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseabteil. Dadurch wird Luft zur Kühlung der elektrischen Komponenten des Leistungsmoduls von Aussen in den Schrank durch den Unterdruck erzeugenden Ventilator ansaugbar und einleitbar und es wird die Luft zunächst durch die Komponenten des untersten Gehäuseabteils geleitet. Zum Auslassen der erwärmten Luft ist ein zweiter Bereich von Lüftungsöffnungen im Türelement eingelassen, welcher sich im Wesentlichen auf einer Höhe des vierten Gehäuseabteils erstreckt. Die beschriebenen Lüftungsöffnungen sind vorzugsweise bei den einzelnen Türelementen des Leistungsmodulschranks vorgesehen. Sie können jedoch vorteilhafterweise auch bei einem Steuer- und Verbindungsmodulschrank mit Türelementen vorgesehen sein, damit dessen Komponenten ebenfalls konstant gekühlt werden. Werden mehrere Leistungsmodule nebeneinandergeschaltet, was bei dem erfindungsgemässen IGBT-Umrichter der Fall ist, dann weisst jedes Leistungsmodul ein Kühlsystem und Klimasystem auf, welchen von den anderen Kühlsystemen in den benachbarten Leistungsmodulen autark arbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb des Gehäusegestells mindestens eine Temperaturerfassungseinheit installiert. Diese besteht vorzugsweise aus einem Sensor zur Ueberwachung der Lufttemperatur im Schrankinneren. Eine Steuereinheit, welche im Schrank installiert ist, ist dazu ausgebildet in Abhängigkeit von der ermittelten Lufttemperatur im Schrankinneren, den Ventilator derart anzusteuern, dass kühle Luft von aussen in den Schrank angesaugt wird und erwärmte Luft aus dem Schrank hinauszubefördern, um die Lufttemperatur im Schrankinneren unterhalb eines festgelegten Grenzwertes zu halten, so dass die im Schrank befindlichen Bauteile ihre zulässige Betriebstemperatur nicht überschreiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die zwei Kühlkörper im dritten Gehäuseabteil derart voneinander beabstandet angeordnet, dass diese einen Kanal bilden, durch welche die durch den Ventilator angesaugte Luft aus einem unterem, bodennahen Teil des Gehäusegestells zu einem oberen, deckennahen Teil Gehäusegestells leitbar ist. Der Kanal dient dabei vorteilhafterweise als Führungsmittel, um das Kühlmittel effizient von der Wärmequelle wegzuleiten. Die zwei Kühlkörper können vorzugsweise auch durch ein Kühlblech voneinander getrennt angeordnet sein. Dies verhindert, dass aufgewärmte Luft von einem Stromrichter auf den anderen Stromrichter übertragen wird.
In diesem bevorzugten Anwendungsfall soll die Luft in das oberste Gehäuseabteil geleitet werden, wo sie durch entsprechende Lüftungsöffnungen im Türelement, welches vorzugsweise aus zwei aufklappbaren, einzelnen Türen besteht, die am Schrank oder Gehäusegestell des Schranks befestigt sind, aus dem Schrank heraus befördert werden kann.
Beschreibung der Figuren
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung detailliert erläutert. Hierbei zeigen schematisch
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Leistungsmoduls-Schranks einer IGBT-Umrichtereinheit;
2 zeigt einen schematischen Aufbau des Inneren eines Leistungsmodul-Schranks;
3 zeigt einen schematischen Aufbau einer IGBT-Umrichtereinheit mit Leistungsmodul; und Steuer- und Verbindungsmodul;
4 zeigt den Kühlmittelpfad im Inneren eines Leistungsmoduls;
5 zeigt eine IGBT-Umrichtereinheit.
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Leistungsmoduls-Schranks einer IGBT-Umrichtereinheit 1. Die Umrichtereinheit 1 besitzt ein rippenartiges Gehäusegestell 20. An der Vorderseite des Gehäusegestells ist ein Türelement 18 angebracht, welche den Zugang zu dem Inneren des Schranks ermöglichen. Das Türelement 18 besteht aus zwei Türen 19. Jede der Türen verfügt über Lüftungsöffnungen. Im unteren Bereich der jeweiligen Tür nahe der Bodenebene 11, wie auch in 2 zu sehen ist, befindet sich ein erster Bereich 25 von Lüftungsöffnungen. Durch diese kann Luft von aussen zur Kühlung des Schrankinneren eingeleitet werden. Am oberen Ende jeder Türe 27 ist jeweils ein zweiter Bereich 27 von Lüftungsöffnungen angebracht. Durch diese Oeffnungen wird die im Schrankinneren durch die Abwärme der elektrischen Komponenten erwärmte Luft wieder nach aussen abgegeben. Derartige Lüftungsöffnungen könnten auch im Steuer- und Verbindungmodulschrank eingelassen sein.
2 zeigt einen schematischen Aufbau des Inneren eines Leistungsmodul-Schranks 1. Es umfasst ein Gehäusegestell 20, vier Einschubplatten 22, welche innerhalb des Gehäusegestells 20 derart angeordnet sind, dass innerhalb des Gehäusegestells 20 jeweils einzelne, voneinander abgetrennte Gehäuseabteile gebildet werden, welche zur Aufnahme und Ablage von elektrischen Komponenten geeignet sind. In einem ersten 31, dem untersten Gehäuseabteil des Gehäusegestells 20 sind mindestens zwei nebeneinander angeordneten Drosseleinheiten 17 installiert. In einem zweiten 32, über dem ersten liegenden Gehäuseabteil ist mindestens eine Geräteschutzsicherung 14 installiert.
In einem dritten 33, über dem zweiten 32 angeordneten Gehäuseabteil sind mindestens zwei nebeneinander angeordnete Stromrichtereinheiten 16 installiert, wobei jede Stromrichtereinheit 16 über einen Kühlkörper 35 verfügt. In einem vierten 34, über dem dritten 33 angeordneten Gehäuseabteil ist mindestens ein Bremswiderstand 23 zur Aufnahme und Ableitung von entstehender Verlustleistung und mindestens ein Ventilator 24 installiert, wobei zwischen dem ersten 31 und dem dritten 33 Gehäuseabteil mindestens ein Sammelschienenbalken 36 installiert ist. Die innerhalb des Gehäusegestells 20 eingesetzten Einschubplatten 22 sind parallel zu einer horizontalen Bodenebene 11 des Gehäusegestells 20 angeordnet.
3 zeigt einen schematischen Aufbau einer IGBT-Umrichtereinheit 10 mit Leistungsmodul 1 und einem Steuer- und Verbindungsmodul 3. Das Leistungsmodul 1 entspricht dabei vom äusseren Aufbau dem in 1 gezeigten Leistungsmodul 1. Das Steuer- und Verbindungsmodul 3 ist dabei mit Lüftungsöffnungen versehen, welche an einem unteren, bodennahen Bereich 25 und an einem oberen Bereich 27 in die Türen 19 des Moduls 3 eingelassen sind.
4 zeigt exemplarisch den Kühlmittelfpfad 44 im Inneren eines Leistungsmoduls 1, welches in drei verschiedenen Ansichten dargestellt ist. Dabei zeigt die 4.1 eine Darstellung des Leistungsmoduls 1 in der Schnittansicht A-A, die 4.2 zeigt das Leistungsmodul 1 in der Schnittansicht A und die 4.3 zeigt das Leistungsmodul 1 in einer Draufsicht. Ein Ventilator 24 im obersten Gehäuseabteil 34 erzeugt im Betrieb innerhalb des Schranks einen Unterdruck. Durch diesen wird Luft von aussen durch die bodennahen Lüftungsöffnungen 25 eingesogen. Die Luft wandert dann entlang den einzelnen Gehäuseabteilen, 31, 32, 33 und nimmt die von den Bauteilen in den jeweiligen Gehäuseabteilen abgegebene Wärme auf und steigt jeweils immer ein Ebene höher, in das nächste Gehäuseabteil. Um den Kühlmittelpfad möglichst optimal zu gestalten, dass heisst, dass erwärmte Luft schnell nach oben emporsteigen kann, können die einzelnen Bauteile entsprechend beabstandet sein, so dass sie Fluidkanäle bilden, durch die die Luft nach oben fliessen kann. Ist die erwärmte Luft im obersten Gehäuseabteil 34 angelangt, dann wird sie von dem Ventilator 24 in Richtung eines Bremswiderstandes 23 befördert, welcher die erwärmte Luft über die Lüftungsöffnungen 27 wieder aus dem Schrank hinausbefördert. Auf diese Weise kann durch dieses einfachen Kühlkreislauf ein konstantes Raumklima innerhalb des Schranks sichergestellt werden und es wird verhindert, dass die Bauteile während des Betriebes nicht unzulässig erwärmt werden.
Der Betrieb des Ventilators kann mit einer Temperaturerfassungseinheit 28 entsprechend gesteuert werden. Diese misst über einen Sensor 29 in definierten, einstellbaren Intervallen die Luftinnentemperatur im Schrank. Eine Steuereinheit 30 übermittelt dann entsprechende Signale von dem Sensor 29 zum Ventilator 24, um das Betriebsverhalten des Ventilators 24 in Abhängigkeit des im Schrankinneren ermittelten Raumklimas einzustellen.
5 zeigt eine IGBT-Umrichtereinheit 10 mit einem modularen Aufbau bestehend aus einer Anzahl von Leistungsmodulschränken 1 und einem Schrank für ein Steuer- und Verbindungsmodul 3. Das Steuer- und Verbindungsmodul 3 ist für die Steuerung der einzelnen Leistungsmodule 1 zuständig.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsmodul
3: Steuer- und Verbindungsmodul
10: IGBT-Umrichtereinheit
11: Bodenebene
13: Kühlblech
14: Geräteschutzsicherung
16: Stromrichtereinheit
17: Drosseleinheiten
18: Türelement
19: Türe
20: Gehäusegestell
22: Einschubplatten
23: Bremswiderstand
24: Ventilator
25: erster Bereich von Lüftungsöffnungen
27: zweiter Bereich von Lüftungsöffnungen
28: Temperaturerfassungseinheit
29: Sensor
30: Steuereinheit
31: erstes Gehäuseabteil des Leistungsmoduls
32: zweites Gehäuseabteil des Leistungsmoduls
33: drittes Gehäuseabteil des Leistungsmoduls
35: PEEB-Kühlkörper
36: Sammelschienenbalken
40: erstes Gehäuseabteil des Steuer- und Verbindungsmoduls
41: zweites Gehäuseabteil des Steuer- und Verbindungsmoduls
42: drittes Gehäuseabteil des Steuer- und Verbindungsmoduls
44: Kühlmittelpfad

Claims

Schrank für ein Leistungsmodul (1) einer IGBT-Umrichtereinheit (10) umfassend: ein Gehäusegestell (20); mindestens ein aufklappbares Türelement (18), welches an dem Gehäusegestell (20) angebracht ist und geeignet ist zum Verschliessen des Schranks, mindestens vier Einschubplatten (22), welche innerhalb des Gehäusegestells (20) derart angeordnet sind, so dass innerhalb des Gehäusegestells (20) jeweils einzelne, voneinander abgetrennte Gehäuseabteile gebildet werden, welche zur Aufnahme und Ablage von elektrischen Komponenten geeignet sind; wobei in einem ersten (31), dem untersten Gehäuseabteil des Gehäusegestells (20) mindestens zwei nebeneinander angeordneten Drosseleinheiten (17) installiert sind; in einem zweiten (32), über dem ersten liegenden Gehäuseabteil mindestens eine Geräteschutzsicherung (14) installiert ist; in einem dritten (33), über dem zweiten (32) angeordneten Gehäuseabteil mindestens zwei nebeneinander angeordnete Stromrichtereinheiten (16) installiert sind, wobei jede Stromrichtereinheit (16) über einen Kühlkörper (35) verfügt; in einem vierten (34), über dem dritten (33) angeordneten Gehäuseabteil mindestens ein Bremswiderstand (23) und mindestens ein Ventilator (24) installiert ist; und wobei zwischen dem ersten (31) und dem dritten (33) Gehäuseabteil mindestens ein Sammelschienenbalken (36) installiert ist.
Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der innerhalb des Gehäusegestells (20) eingesetzten Einschubplatten (22) parallel zu einer horizontalen Bodenebene (11) des Gehäusegestells (20) angeordnet ist.
Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrank über ein Luftkühlsystem verfügt, bestehend aus dem Ventilator (24), einem ersten Bereich (25) von Lüftungsöffnungen, damit kühle Luft zur Kühlung der elektrischen Komponenten des Leistungsmoduls (1) von Aussen in den Schrank einleitbar ist und ein zweiter Bereich (27) von Lüftungsöffnungen, damit die durch elektrische Komponenten erwärmte Luft aus dem Schrank wieder abführbar ist, wobei der Ventilator (24) ausgebildet ist, innerhalb des Schranks einen Unterdruck zu erzeugen, um zunächst Luft durch die bodennah (25) positionierten Lüftungsöffnungen in den Schrank hinein anzusaugen, und wobei die Luft, welche die von den elektrischen Komponenten erzeugte Abwärme aufnimmt, durch den Ventilator (24) von dem ersten Gehäuseabteil (31) zu dem vierten Gehäuseabteil (34) des Gehäusegestells beförderbar ist und über den Bremswiderstand (23) durch den zweiten Bereich (27) von Lüftungsöffnungen aus dem Schrank hinausbeförderbar ist.
Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäusegestells (20) mindestens eine Temperaturerfassungseinheit (28) bestehend aus einem Sensor (29) und einer Steuereinheit (30) zur Ueberwachung der Lufttemperatur im Schrankinneren vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der ermittelten Lufttemperatur im Schrankinneren, den Ventilator (24) derart anzusteuern, dass kühle Luft von aussen in den Schrank angesaugt wird und erwärmte Luft aus dem Schrank hinauszubefördern, um die Lufttemperatur im Schrankinneren unterhalb eines festgelegten Grenzwertes zu halten.
Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, bodennah, angeordnete Bereich (25) von Luftöffnungen im Türelement (18) eingelassen ist und sich im Wesentlichen auf einer Höhe zwischen dem ersten (31) und dem zweiten (32) Gehäuseabteil erstreckt, damit Luft zur Kühlung der elektrischen Komponenten des Leistungsmoduls (1) von Aussen in den Schrank durch den Unterdruck erzeugenden Ventilator (24) ansaugbar/einleitbar ist und zunächst durch die Komponenten den untersten Gehäuseabteis leitbar ist, und dass ein zweiter Bereich (27) von Lüftungsöffnungen im Türelement (18) eingelassen ist, welcher sich im Wesentlichen auf einer Höhe des vierten Gehäuseabteils (34) erstreckt.
Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem dritten Gehäuseabteil (33) nebeneinander angeordneten Stromrichtereinheiten (16) jeweils ein Kühlblech (13) aufweisen, welche derart zueinander positionierbar sind, so dass sich die Kühlbleche der jeweiligen Stromrichtereinheiten (16) gegenseitig berühren, damit Luft ausschliesslich durch die Kühlrippen der Kühlkörper (35) fliessen kann.
Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (35) der jeweiligen Stromrichtereinheiten (16) im dritten Gehäuseabteil (33) derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass diese einen Kanal bilden, durch welche die durch den Ventilator (24) angesaugte Luft aus einem unterem, bodennahen Teil (11) des Gehäusegestells zu einem oberen, deckennahen Teil des Gehäusegestells (20) leitbar ist.
Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufklappbare Türelement (18) aus zwei aufklappbaren, einzelnen Türen (19) besteht.
Schrank für ein Steuer- und Verbindungsmodul (3) einer IGBT-Umrichtereinheit (10) umfassend: ein Gehäusegestell (20); mindestens ein aufklappbares Türelement (18), welches an dem Gehäusegestell (20) anbringbar ist, geeignet zum Verschliessen des Schranks, zwei Einschubplatten (22), welche innerhalb des Gehäusegestells (20) derart positionierbar sind, so dass innerhalb des Gehäusegestells (20) jeweils einzelne, voneinander abgetrennte Gehäuseabteile bildbar sind, welche zur Aufnahme und Ablage von elektrischen Komponenten geeignet sind; wobei in einem ersten Gehäuseabteil (40) des Gehäusegestells (20) ein Messwertverarbeitungs- und Sicherungsbereich installiert ist, welcher Komponenten zur signaltechnischen Messwertaufnahme des Systemverhaltens von Umrichterkomponenten sowie Komponenten zur Erdschlussüberwachung umfasst; in einem zweiten Gehäuseabteil (41) des Gehäusegestells (20) ein Verbindungsbereich, welcher einen einfacheren Zugang zu AC- und DC-Komponenten der IGBT-Umrichtereinheit (10) gewährt, in einem dritten Gehäuseabteil (42) des Gehäusegestells (20) ein Steuerbereich, welcher die Hauptsteuerungseinheiten der IGBT-Umrichtereinheit (10) umfasst.
Schrank für ein Steuer- und Verbindungsmodul (3) einer IGBT-Umrichtereinheit (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Komponenten zur Messwertaufnahme und für den Niederspannungsbereich innerhalb des Schranks räumlich getrennt von den elektrische Komponenten für den Hochspannungsbereich angeordnet sind, damit sich beide Bereiche nicht elektromagnetisch beeinflussen.
IGBT-Umrichtereinheit (10), umfassend mindestens ein Leistungsmodul (1), welches in einen Schrank für ein Leistungsmodul (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüchen 1 bis 8 einbaubar ist und umfassend mindestens ein Steuer- und Verbindungsmodul (3), welches in einen Schrank für ein Steuer- und Verbindungsmodul (3) nach Anspruch 9 oder 10 einbaubar ist.