PL219079B1 - Zespół połączeń modułowych falownika - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy zespołu połączeń modułowych falownika (przekształtnika DC/AC), który przetwarza prąd stały na prąd przemienny. Takie falowniki znane są od dawna i znajdują zastosowanie w wielu różnych urządzeniach, między innymi w instalacjach wiatrowych. Nowoczesne falowniki stosują półprzewodnikowe elementy przełączające, na przykład tranzystory typu IGBT, które są odpowiednio sterowane celem otrzymania prądu zmiennego. Chociaż te elementy półprzewodnikowe są generalnie stosunkowo solidne, jednak nie można wykluczyć pewnej zawodności.

W opisie patentowym US 5172310A ujawniono falownik z częściowo modułową strukturą i połączeniami stosującymi szyny zbiorcze zamontowane na tych modułach. Poszczególne moduły są modułami półprzewodnikowymi, które przetwarzają prąd stały na prąd przemienny np. trójfazowy. Niektóre z modułów są podłączone do szyn zbiorczych posiadających dwa kondensatory usytuowane pomiędzy dodatnią i ujemną szyną.

W przypadku falowników konwencjonalnych, uszkodzony półprzewodnikowy element przełączający jest wymieniany na miejscu. W takiej sytuacji może pojawić się niezamierzone i niepożądane uszkodzenie i/lub błąd montażu, co nie zostanie zauważone i w krótkim czasie spowoduje (ponowne) uszkodzenie półprzewodnikowego elementu przełączającego. Procedura naprawcza, którą trzeba ponownie przeprowadzić pociąga za sobą koszty, których można było uniknąć.

Zatem celem niniejszego wynalazku jest zaprojektowanie takiego zespołu połączeń modułowych falownika, w którym wady te są zmniejszone lub też zlikwidowane.

Cel ten został osiągnięty za pomocą zespołu połączeń modułowych falownika posiadającego co najmniej częściowo strukturę modułową z rozłącznie zainstalowanymi modułami i przewodami łączeniowymi rozłącznie zainstalowanymi do tych modułów, przy czym poszczególny moduł jest modułem półprzewodnikowym, który z prądu stałego wytwarza prąd przemienny odpowiedniej fazy, posiadający również pamięć pośrednią utworzoną z wielu kondensatorów, charakteryzującego się tym, że co najmniej niektóre z modułów są połączone z pamięcią pośrednią za pomocą połączenia pojemnościowego, przy czym połączenie pojemnościowe zawiera co najmniej jeden kondensator płytkowy, a moduły są mechanicznie i elektrycznie połączone z płytkami lewą, prawą oraz szynami płytkowymi kondensatora płytkowego, zaś każdy poszczególny moduł może być indywidualnie wymieniany, przy czym moduły są elektrycznie połączone z płytkami połączeniowymi pierwszą, drugą, trzecią i czwartą za pomocą szyn, które są przymocowane zarówno do płytek połączeniowych, jak i do modułu za pomocą śrub a kondensatory pamięci pośredniej są podłączone do płyt lewej i prawej kondensatora płytowego za pomocą śrub i w tym celu płyty lewa i prawa zawierają otwory i zagłębienia dla śrub dzięki czemu płyty lewa i prawa są ułożone obok siebie blisko i przedzielone tylko dielektrykiem, ponadto płytki połączeniowe pierwsza, druga, trzecia i czwarta szyn są oddalone od siebie z uwagi na wysokość ich usytuowania tworząc układ różnopoziomowy, a mianowicie płyta połączeniowa pierwsza podłączona do płyty lewej i płyta połączeniowa druga podłączona do płyty prawej są usytuowane na poziomie niższym niż płyta połączeniowa trzecia podłączona do płyty lewej i płyta połączeniowa czwarta podłączona do płyty prawej.

Korzystnie poszczególny moduł posiada strukturę przystosowaną do spełniania z góry określonej funkcji, zaś płyty lewa, prawa oraz szyny płytkowe kondensatorów płytkowych mają połączenia rozłączne. Korzystnie jest również, gdy odległość między końcówkami wyjściowymi półprzewodnikowych elementów przyłączających modułu nie przekracza zadanej uprzednio wartości.

Konstrukcja falownika jest, jak było wspomniane, przynajmniej częściowo modułowa, przy czym moduły są zainstalowane wymienialnie z wymienialnie podłączonymi do nich przewodami łączeniowymi.

Wynalazek opiera się na spostrzeżeniu, że naprawy przeprowadzane na miejscu użytkowania bardziej narażone są na błędy, niż przeprowadzane w warsztacie specjalnie do takich napraw przystosowanym. Dlatego też naprawy w miejscu eksploatacji ograniczają się do lokalizacji uszkodzonego modułu, usunięcia go i zastąpienia sprawnym modułem. Oprócz zmniejszenia podatności na błędy samej czynności naprawczej - o ile moduły mają odpowiednią postać - wymiana jest przeprowadzana szybciej niż naprawa, przez co falownik może być szybciej przywrócony do eksploatacji.

W korzystnym wykonaniu wynalazku system modułowy jest tworzony z punktu widzenia funkcji, jakie wykonują poszczególne moduły tak, że gdy pojawi się uszkodzenie można wnioskując z zaistniałej usterki wytypować konkretny moduł, albo co najmniej niewielką ich liczbę, które należy sprawdzić.

PL 219 079 B1

W szczególnie korzystnym wykonaniu wynalazku falownik zawiera pamięć pośrednią wykonaną z wielu kondensatorów, z którymi połączone są przynajmniej niektóre moduły. Jeżeli do pamięci pośredniej dołączone są moduły półprzewodnikowych elementów przełączających, pamięć pośrednia kompensuje wahania będące wynikiem przełączania półprzewodnikowych elementów przełączających pozwalając na stabilną pracę modułów półprzewodnikowych elementów przełączających.

W szczególnie korzystnym rozwinięciu wynalazku połączenie pamięci pośredniej z co najmniej niektórymi modułami jest pojemnościowe. Ta pojemnościowa postać połączenia pozwala na redukcję wpływu indukcyjności pasożytniczych, które w liniach łączeniowych trzeba redukować do minimum. W ten sposób można uniknąć awarii i zakłóceń, które przypisuje się wpływom takich indukcyjności.

Aby w możliwie największym stopniu wyeliminować wpływy indukcyjne, szczególnie korzystne połączenie pojemnościowe falownika według wynalazku zawiera co najmniej jeden kondensator płytkowy, a moduły są połączone mechanicznie z płytkami tego kondensatora płytkowego.

W korzystnym rozwinięciu wynalazku płytki kondensatora płytkowego tworzą elektryczne i mechaniczne połączenie pamięci pośredniej utworzonej z wielu kondensatorów i podłączonych modułów. W ten sposób można uzyskać możliwie największą redukcję wpływu indukcyjności.

Jak było już wspomniane, w korzystnym wykonaniu wynalazku, odległości pomiędzy końcówkami wyjściowymi półprzewodnikowych elementów przełączających modułu nie przekraczają określonej uprzednio wartości. Tym samym przewody do niego dołączone znajdują się również w określonej odległości od siebie. W ten sposób te sąsiednie przewody przechodzą przez wspólny przetwornik pomiarowy, co pozwala na ograniczenie kosztów związanych z pomiarami prądu w przewodach.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania przedstawiony jest na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia uproszczony widok falownika,

Fig. 2 przedstawia zespół połączeń wybranych modułów falownika z fig. 1, według pierwszego wykonania wynalazku,

Fig. 3 przedstawia szczegół z fig. 2 w powiększeniu,

Fig. 4 przedstawia uproszczony widok półprzewodnikowego modułu,

Fig. 5 przedstawia widok płyty lewej kondensatora z boku,

Fig. 6 przedstawia widok płyty prawej kondensatora,

Fig. 7 przedstawia szczegół płyty kondensatora oraz

Fig. 8 przedstawia inne wykonanie wynalazku, alternatywne względem fig. 2.

Figura 1 przedstawia uproszczony widok falownika zawierającego kilka modułów. W celu uzyskania zwiększonej przejrzystości fig. 1 nie pokazuje części składowych takich jak dławiki, przekaźniki, urządzenia zabezpieczające i tym podobne, ani też kabli. Falownik umieszczony jest w szafie 1 i posiada szereg modułów. Moduły te wykonują różne funkcje. Tak więc moduł 2, 3 i 4 są półprzewodnikowymi modułami przetwarzającymi prąd stały na prąd przemienny. Przy czym, dla jednej fazy przewidziany jest jeden konkretny moduł 2, 3 lub 4- Zadaniem następnego modułu 5 jest sterowanie wszystkimi modułami falownika według wynalazku. Moduł 6 jest symetryzatorem napięcia. Mogą być też dalsze moduły 7. Mogą one spełniać funkcję przerywacza, urządzenia podwyższającego napięcie i tym podobne.

Te moduły 2, 3, 4, 5, 6, 7 są zainstalowane w szafie 1, która jest specjalnie przygotowana do ich instalacji. Pomiędzy modułami 2, 3, 4, 5, 6, 7 znajdują się połączenie kablowe (nie pokazane), które korzystnie za pomocą połączenia wtykowego łączą ze sobą poszczególne moduły. Same moduły 2, 3, 4, 5, 6, 7 zamocowane są w szafie 1 wymiennie, na przykład za pomocą śrub. Zatem, aby wymienić moduł 2, 3, 4, 5, 6 albo 7, trzeba tylko wyciągnąć z tego modułu kabel i zwolnić połączenie śrubowe. W ten sposób każdy z modułów 2, 3, 4, 5, 6, 7 może być indywidualnie wymieniony. W przypadku uszkodzenia, pracownik serwisu musi tylko w miejsce starego modułu, który został zlokalizowany jako uszkodzony, wstawić nowy moduł i falownik może być po krótkiej przerwie z powrotem przywrócony do eksploatacji.

Figura 2 przedstawia w szczególności zespół połączeń modułów 2, 3, 4, 5, 6 i 7 falownika z obwodem prądu stałego. Jak już zostało wyjaśnione w odniesieniu do fig. 1 moduły 2, 3 i 4 są modułami półprzewodnikowymi, które prąd stały przetwarzają na prąd przemienny odpowiedniej fazy. Elementami przełączającymi mogą być na przykład tyrystory albo tranzystory IGBT albo inne półprzewodniki. W celu zasilania tych modułów 2, 3, 4, 7 prądem stałym zastosowano płytki połączeniowe pierwszą 12, drugą 13, trzecią 16 i czwartą 17, do których te moduły 2, 3, 4, 7 są dołączone. Połączenie jest uzyskane za pomocą szyn 10, 11, 14, 15, do których za pomocą śrub 21, przymocowane są zarówno płytki połączeniowe 12, 13, 16, 17, jak i moduły 2, 3, 4, 7- Szyny 10, 11, 14, 15, tak jak i płytki połą4

PL 219 079 B1 czeniowe pierwsza 12, druga 13, trzecia 16 i czwarta 17 są odseparowane zgodnie z potencjałem. W omawianym wykonaniu na przykład, płytka połączeniowa pierwsza 12 i płytka połączeniowa trzecia mogą być anodami i wykazywać potencjał dodatni, zaś płytka połączeniowa druga 13 i czwarta 17 mogą być katodami i wykazywać potencjał ujemny albo też potencjał ziemi. Oczywiście w takim przypadku szyny 10 i 14 posiadają dodatni potencjał, a szyny 11 i 15 potencjał ujemny albo potencjał ziemi.

Zastosowanie szyn 10, 11, 14, 15, do zasilania energią elektryczną modułów 2, 3, 4, 7 oznacza, że ponieważ przekrój poprzeczny tych szyn 10, 11, 14, 15 jest duży, mogą przez nie przepływać odpowiednio duże prądy. Aby ułatwić obsługę, szyny 10, 11, 14, 15 mogą być podzielone, tak aby odpowiednie oddzielne szyny biegły z płytki połączeniowej w stronę modułu 2, 3, 4, 7.

Jak widać na fig. 2 z tyłu płytek połączeniowych pierwszej 12, drugiej 13, trzeciej 16 i czwartej są inne płyty: lewa 18 i prawa 19 równoległe względem siebie. Przymiotnik lewy, prawy zastosowano celem rozróżnienia płyt i ułatwienia odczytania rysunku. Układ płyty lewej 18 i płyty prawej 19 oraz ich działanie będzie opisane szczegółowo w odniesieniu do fig. 3. Zatem fig. 3 jest powiększonym widokiem zakreślonego okręgiem elementu z fig. 2.

Figura 3 przedstawia strukturę trójwarstwową. Ta trójwarstwowa struktura utworzona jest z dwóch płyt: płyty lewej 18 i płyty prawej 19 i dielektryku 20 pomiędzy nimi tworzących kondensator. Struktura ta tworzy więc kondensator płytkowy. W tym przypadku płyty lewa 18 i prawa 19 mogą być na przykład wykonane z aluminium i posiadać grubość kilku milimetrów. Dielektryk 20 może być w postaci plastykowej folii lub arkusza i posiadać grubość kilku dziesiątych części milimetra. W tej strukturze jedna z płyt 18, 19 kondensatora jest anodą a druga katodą. Płyty 18, 19 kondensatora zastosowane zostały do zasilania prądem stałym modułów 2, 3, 4, 7. Ponieważ zasilanie to jest w postaci kondensatora, jest ono czysto pojemnościowe, dzięki czemu unika się wpływu niepożądanej indukcyjności. Jeżeli płyta lewa 18 kondensatora jest katodą są do niej dołączone płytki połączeniowe pierwsza 12 i trzecia 16. W ten sam sposób płytki połączeniowe druga 13 i czwarta 17 dołączone są do płyty prawej 19 kondensatora będącej anodą.

Figura 4 przedstawia uproszczony widok półprzewodnikowego modułu 2, 3, 4, bardziej szczegółowo z półprzewodnikowymi elementami przełączającymi 22. Te półprzewodnikowe elementy przełączające 22, w których został na przykład zastosowany tranzystor IGBT, są sterowane w odpowiedni sposób znany ze stanu techniki, w którym otrzymuje się prąd przemienny odbierany za pomocą kabli 25.

Tryb pracy takiego półprzewodnikowego modułu można znaleźć na przykład w opisie patentowym DE 197 48 479 C1.

W celu ograniczenia odległości pomiędzy końcówkami kablowymi 24 kabli 25, a zatem oczywiście również pomiędzy kablami 25, do uprzednio określonej wartości, półprzewodnikowe elementy przełączające 22 mogą być zaopatrzone w odpowiednio usytuowane końcówki połączeniowe. Natomiast do połączenia końcówek wyjściowych modułów półprzewodnikowych 22 z końcówkami kablowymi 24 przewidziane są szyny 23, które przesyłają prąd wyjściowy z elementu półprzewodnikowego 22 do odpowiedniego kabla 25. Szyny 23 przymocowane są do końcówki wyjściowej półprzewodnikowego modułu 22 za pomocą śrub 26, które pokazane są tu jako śruby, których łeb ma sześciokątne wybranie. Kable 25 są z kolei przymocowane do szyn 23 za pomocą końcówek kablowych 24 i śrub 26, które są pokazane jako śruby o łbach z nacięciem krzyżowym. Takie usytuowanie umożliwia, wspólne poprowadzenie obu kabli 25 przez czujnik wejściowy wartości mierzonej, taki jak pierścień ferrytowy transformatora prądowego, w celu monitorowania prądu płynącego w kablach.

Zgodnie z wynalazkiem falownik zawiera pamięć pośrednią utworzoną z wielu kondensatorów. Celem tej pamięci pośredniej jest między innymi wygładzanie napięcia stałego na półprzewodnikowych modułach i kompensowanie wahań napięcia wynikających z przełączeń półprzewodnikowych elementów przełączających 22. W tym celu ta pamięć pośrednia (nie pokazana) dołączona jest za pomocą kondensatora płytkowego utworzonego z płyt lewej 18, prawej 19 i dielektryku 20 do modułów. Płyty lewa 18, i prawa 19 kondensatora płytkowego przedstawione są na fig. 5 i 6, przy czym fig. 5 przedstawia anodę, a fig. 6 katodę. Te płyty 18, 19 posiadają otwory 28 i wybrania 29 wokół tych otworów. Pokazane jest to na fig. 7, która przedstawia przekrój poprzeczny przykładowego otworu z wybraniem.

Dzięki takiemu układowi, możliwe jest za pomocą śrub, połączenie kondensatorów (nie pokazanych) tworzących pamięć pośrednią, z płytami lewą 18 i prawą 19, tak że w razie potrzeby pojedyncze kondensatory mogą być wymieniane oraz dzięki wgłębieniu będącym wybraniem 29 łba śruby, możliwe jest takie umieszczenie płyt obok siebie, że przedzielone są tylko dielektrykiem (oznaczenie 20 na fig. 3). Porównanie płyt przedstawionych na fig. 5 i 6 pokazuje, że płytki połączeniowe (pierwsza 12,

PL 219 079 B1 druga 13, trzecia 16, czwarta 17) szyn są oddalone od siebie z uwagi na wysokość ich usytuowania, dzięki czemu zespół połączeń z fig. 2 jest różnopoziomowy.

Figura 8 przedstawia alternatywny zespół połączeń z szynami 10, 11, 14, 15 przedstawionymi na fig. 2. Szyny są w tym przypadku poszerzone w ten sposób, że przykrywają obie płytki połączeniowe lewą 12 i prawą 13. Szyny pokazane na fig. 8 są tutaj opatrzone oznaczeniami 31 i 32 i nazwane szynami płytkowymi. W celu wyjaśnienia, że znajdują się jedna nad drugą są one na rysunku wzaje mnie przesunięte. W rzeczywistości są one umieszczone zasadniczo równo jedna nad drugą.

W tym przypadku, odwrotnie niż w poprzednim wykonaniu wynalazku, płytka połączeniowa pierwsza 12 jest połączona z anodą, a płytka połączeniowa druga 13 z katodą. Szyny płytkowe 31, 32 również tworzą kondensator, dzięki dielektrykowi umieszczonemu pomiędzy nimi, ale nie jest to pok azane na fig. 8. Zgodnie z widokiem na tej figurze, szyna płytkowa 32 jest płytą anodową, a szyna płytkowa 31 jest płytą katodową. Oczywiście płyty te są znowu odpowiednio połączone z - również nie pokazanymi na tej figurze - modułami półprzewodnikowymi, w celu zasilania ich wymaganym prądem stałym. A więc ponieważ płytki połączeniowe pierwsza 12 i druga 13 są również połączone z półprzewodnikowymi modułami za pomocą kondensatora płytkowego, wpływ indukcyjności połączeń elektrycznych jest w tej części zlikwidowany.

Tym samym uzyskuje się połączenie pojemnościowe pamięci pośredniej z końcówkami wejściowymi półprzewodnikowego modułu.

Claims (4)

1. Zespół połączeń modułowych falownika posiadającego, co najmniej częściowo, strukturę modułową z rozłącznie zainstalowanymi modułami i przewodami łączeniowymi rozłącznie zainstalowanymi do tych modułów, przy czym poszczególny moduł jest modułem półprzewodnikowym, który z prądu stałego wytwarza prąd przemienny odpowiedniej fazy, zaś falownik posiada również pamięć pośrednią utworzoną z wielu kondensatorów, znamienny tym, że co najmniej niektóre z modułów (2, 3, 4, 5, 6, 7) są połączone z pamięcią pośrednią za pomocą połączenia pojemnościowego, przy czym połączenie pojemnościowe zawiera co najmniej jeden kondensator płytkowy, a moduły (2, 3, 4, 5, 6, 7) są mechanicznie i elektrycznie połączone odpowiednio z płytą lewą (18) i płytą prawą (19) oraz szynami płytkowymi (31, 32) kondensatora płytkowego, zaś każdy poszczególny moduł (2, 3, 4, 5, 6, 7) jest indywidualnie wymienialny, przy czym moduły (2, 3, 4, 5, 6, 7) są elektrycznie połączone z płytkami połączeniowymi pierwszą (12), drugą (13), trzecią (16) i czwartą (17) za pomocą szyn (10, 11, 14, 15), które są przymocowane zarówno do płytek połączeniowych (12, 13, 16, 17), jak i do modułu za pomocą śrub (21) a kondensatory pamięci pośredniej są podłączone do płyty lewej (18) i płyty prawej (19) kondensatora płytowego za pomocą śrub i w tym celu płyty lewa (18) i prawa (19) zawierają otwory (28) i zagłębienia (29) dla śrub dzięki czemu płyty lewa (18) i prawa (19) są ułożone obok siebie blisko i przedzielone tylko dielektrykiem (20), ponadto płytki połączeniowe pierwsza (12), druga (13), trzecia (16) i czwarta (17) szyn są oddalone od siebie z uwagi na wysokość ich usytuowania tworząc układ różnopoziomowy, a mianowicie płyta połączeniowa pierwsza (12) podłączona do płyty lewej (18) i płyta połączeniowa druga (13) podłączona do płyty prawej (19) są usytuowane na poziomie niższym niż płyta połączeniowa trzecia (16) podłączona do płyty lewej (18) i płyta połączeniowa czwarta (17) podłączona do płyty prawej (19).

2. Zespół połączeń według zastrz. 1, znamienny tym, że poszczególny moduł (2, 3, 4, 5, 6, 7) posiada strukturę przystosowaną do spełniania z góry określonej funkcji.

3. Zespół połączeń według zastrz. 1, znamienny tym, że płyta lewa (18), płyta prawa (19) oraz szyny płytkowe (31, 32) kondensatorów płytkowych mają połączenia rozłączne.

4. Zespół połączeń według zastrz. 1, znamienny tym, że odległość między końcówkami wyjściowymi półprzewodnikowych elementów przyłączających (22) modułu (2, 3, 4, 5, 6, 7) wynosi mniej niż zadana uprzednio wartość.