WO2007057408A1 - Vorrichtung zum umrichten eines elektrischen stromes und verfahren zur reduzierung der lastwechselbeanspruchung von leistungshalbleitereinheiten im bereich der hochspannungsenergieverteilung und -übertragung - Google Patents

Vorrichtung zum umrichten eines elektrischen stromes und verfahren zur reduzierung der lastwechselbeanspruchung von leistungshalbleitereinheiten im bereich der hochspannungsenergieverteilung und -übertragung Download PDF

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WO2007057408A1
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cooling
semiconductor units
converter
power
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Jörg DORN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a device for converting an electric current in the field of high-voltage energy distribution and transmission with at least one converter valve, which has a series circuit of power semiconductor units, and with cooling means for cooling the power semiconductor units.
  • the invention further relates to a method for reducing the load cycling of power semiconductor units in the field of high voltage power transmission and distribution, wherein power semiconductor units configured to convert power are cooled by a coolant.
  • power semiconductor units in the field of energy transmission and distribution are used in the context of high-voltage direct current transmission (HVDC). Due to a high voltage in the range of several hundred kilovolts, the power semiconductor units are in this case connected to form a converter valve in series, the converter valves are arranged to form a power converter in a bridge circuit. Each converter is connected on the AC side to an AC network and on the DC side to another converter. Between the power converters is thus a DC circuit set up, via which an energy exchange between the AC networks is possible.
  • HVDC high-voltage direct current transmission
  • Power semiconductor units are also used in so-called Flexible AC Transmission Systems, for example as a fast electronic switch.
  • the electronic switches serve to dynamically adjust the impedance of a transmission line.
  • the period duration of the current modulation in the method according to US Pat. No. 6,714,427 is of the order of a few minutes.
  • this entails a load cycling of the power semiconductor units, which is far above the usual designs in the field of energy transmission and distribution.
  • Load changes of power semiconductor units are temperature cycles of the power semiconductors caused by the current load, from which the power semiconductor units are constructed. Due to these temperature cycles, mechanical stresses occur, for example due to different thermal expansions, as a result of which the service life of the power semiconductors used is reduced. For this reason, manufacturers of power semiconductors, the load cycle resistance, so the property of the power semiconductor, a certain number of load changes depending on
  • a known from the prior art method is to keep the temperature strokes or fluctuations small by the power semiconductor of the power semiconductor units are over-dimensioned accordingly, that is greater ⁇ sets.
  • the over-dimensioning also increases the costs of the respective plant considerably.
  • the object of the invention is therefore to provide a device and a method of the type mentioned above, with which the temperature strokes of the power semiconductor units can be reduced cost-effectively.
  • the invention solves this problem starting from the initially mentioned apparatus characterized in that the cooling means have control means, which provide a semiconductor processing units from the current flow across the Leis ⁇ dependent cooling.
  • the invention solves this problem on the basis of the method mentioned above in that the cooling of the power semiconductor units takes place as a function of the current flowing via the power semiconductor units .
  • coolant and control means are provided which enable cooling of the power semiconductor units as a function of the current flowing via the power semiconductor units.
  • the cooling capacity of the coolant is increased at higher currents, whereas ⁇ gene cooling is reduced at a lower current load.
  • the amplitude of the periodic ⁇ temperature fluctuation is reduced, thereby increasing the life of the power semiconductor units considerably.
  • individual power semiconductors for example in the form of disks, come into consideration as power semiconductor units within the scope of the invention.
  • a power semiconductor device in the present invention a re ⁇ several power semiconductor module exhibiting, wherein the Leis ⁇ tung semiconductor of each module are appropriate to each other tet 29al ⁇ .
  • the modules are arranged in series. Before ⁇ geous enough, each module has its own energy storage device.
  • the device further comprises, for example, a power converter which is arranged from a plurality of bridge circuits
  • the device is a so-called 12- Pulse power converter consisting of two 6-pulse circuits connected in series with each other.
  • 12- Pulse power converter consisting of two 6-pulse circuits connected in series with each other.
  • any power converter topology is conceivable.
  • any power semiconductor of the prior art is considered as power semiconductor, in particular diodes, thyristors, IGBTs or GTOs.
  • the power semiconductors of the power semiconductors include terüen particular all off power semi ⁇ conductor.
  • the cooling means in the context of the invention include, for example, a cooling circuit with a coolant pump and a heat exchanger, in which a fluid coolant is circulated.
  • the coolant to a cooling circuit with a heat exchanger and a coolant pump, the pump power of the control means is adjustable.
  • the control means advantageously comprise current measuring devices that are set up to detect the current flowing through the series circuit.
  • Each ammeter is connected via a measuring line with a computing unit, the example ⁇ by means of a software based on a predetermined internal logic from the power meter transmitted by the current values, a coolant flow rate and a he ⁇ required voltage and power supply for thedemit ⁇ tel pump sets.
  • the computing unit can deviate from this also include an analog controller, which is set up to process analog current measured values.
  • the coolant pump is for example speed-controlled.
  • the control means provide for a corresponding drive of the coolant pump corresponding to the calculated current and voltage values.
  • the coolant pump thus ensures cooling of the power semiconductor units, which depends on the current flowing through the power semiconductor units current.
  • the temperature fluctuations or the temperature swings of the power Semiconductor units are reduced in this way in their amplitude.
  • the coolant to a cooling circuit with a heat exchanger and a coolant pump, wherein the cooling capacity of the heat exchanger is adjustable by the control means.
  • the control means on ammeters and a computing unit or control unit.
  • the current measuring devices transmit the current measured values determined from the measured currents flowing via the power semiconductor units to the arithmetic unit.
  • the arithmetic unit determines analog or for example by means of an internal logic one processing semiconductor devices from the current flow across the Leis ⁇ dependent current and voltage supply of the heat exchanger.
  • the control means causing one of the calculated current and voltage values corresponding to current and voltage supply of the varnishtau ⁇ exchanger.
  • the cooling means have a cooling circuit with a heat exchanger of a coolant pump and a controllable throttle valve, the flow resistance of which is adjustable by the control means.
  • the current flowing through the power semiconductor units is first determined in a manner known per se and the measured current values subsequently made available to a computing unit.
  • the control means causes subsequent ⁇ hd an adjustment of the throttle valve in dependence of the measured current, then the für pressgeschwindig ⁇ ness that the current flow corresponding to change.
  • the cooling means comprise a cooling circuit with a heat exchanger, a coolant pump and one of the control means.
  • adjustable multi-way valve on. The multi-way valve allows a cost-effective and at the same time fast control of the cooling.
  • the multi-way valve is connected to an associated converter valve or an associated group of converter valves and to a bypass channel for bypassing the converter valve or the group of converter valves.
  • the control means By controlling the multi-way valve, it is possible for the control means to guide either the entire flow of the coolant with a high cooling capacity in the wake of the power converter or the respective group of power converters. This is the case, for example, when the converter valve, which comprises the series connection of the power semiconductor units, is exposed to high currents, wherein the currents are conducted via the power semiconductor units. At a lower load of the converter valve, this is partially bypassed by the bypass channel, so that the cooling of the power semiconductor units of the converter valve is herabge ⁇ sets.
  • the heat exchanger is arranged in the bypass channel.
  • the multi-way valve is connected to a first converter valve or a first group of converter valves and to a second converter valve or to a second group of converter valves.
  • the ratio of the coolant flow through the converter valves connected to the multi-way valve or the group of converter valves is made possible in this way by access of the control means to the multi-way valve.
  • each multi-way valve on the input side with the heat exchanger and the output of at least one converter valve or at least one group of converter valves and the output side connected to the input of another associated converter valve or other associated group of converter valves.
  • the temperature of the circulating coolant at the output of a converter valve is increased compared to Tempe ⁇ temperature at the input of the converter valve. If such a coolant with an increased temperature is used for cooling a further converter valve, the cooling capacity for this converter valve is of course reduced. In this way, a particularly pondere güns ⁇ term embodiment of the invention is provided.
  • a multi-way valve can be provided for each converter valve, which is incorporated in this way in the cooling circuit.
  • the arrangement of the coolant pump within the cooling circuit is basically arbitrary.
  • the coolant pump can be arranged in this embodiment of the invention in the flow direction between the heat exchanger and the multi-way valve, the multi-way valve in the sense of the selected formulation would still be connected on the input side to the heat exchanger.
  • the expression "connected on the input side to the heat exchanger" means in the context of the invention that the circulated coolant can be cooled on its way from the outlet of the multiway valve or valves to the inlet of the respective multiway valve through the heat exchanger.
  • the flow rate of a coolant through the cooling circuit is adjusted by means of control means as a function of the current flowing through the power semiconductor units.
  • control means as a function of the current flowing through the power semiconductor units.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the Invention ⁇ device according to a schematic representation
  • Figure 2 shows another embodiment of the inventions ⁇ to the invention device in a schematic representation
  • Figure 3 show a further embodiment of the inventive device in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention in a schematic representation.
  • the device has two power converters 2 a and 2 b, which are periodically subjected to fluctuating periods.
  • a cooling circuit 3 is provided for cooling the power semiconductor units, which are connected to each other to form converter valves in a series circuit.
  • the power semiconductor units are disc-shaped power semiconductors in the illustrated embodiment.
  • the power converter valves of the converters 2a and 2b are arranged in the embodiment shown in a bridge circuit.
  • the cooling circuit ⁇ run 3 has appropriate piping in which a coolant is circulated.
  • ademit ⁇ telpumpe 4 which is rotational ⁇ number dependent in the embodiment shown is used. However, this is not absolutely necessary in the context of the invention.
  • the coolant pump 4 is followed by a heat exchanger 5, followed by a branch point 6 in the flow direction.
  • the coolant flow is divided into the converter valves 2a and 2b.
  • the power converter valves 2a and 2b in turn, in the flow direction, a multi-way valve 7 is connected downstream, the input side to the output of the converter valve 2a is connected to ⁇ 2b, and the output side is connected directly to the coolant pump.
  • control means By means of control means, not shown in FIG. 1, the input-side position of the multi-way valve 7 can be regulated so that the flow resistance and thus the flow velocity can be adjusted to the desired level via the converter valve 2a and 2b.
  • the control means controls the multi-way valve 7 so that the flow rate in dependence of the Ab ⁇ via the series circuit of the linenschlei ⁇ territten of the converter valves 2a or 2b flowing stream is adjusted.
  • the Strömungsge ⁇ is increased velocity of the coolant when the current load of the power semiconductor devices is increased.
  • control means which may also be referred to here as control means, include appropriate measuring devices for
  • the regulation can also be based on analog current measured values.
  • Such measuring devices include, for example power converter for generating an output channel, which to the territten on the creatoriumlei ⁇ flowing current is proportional.
  • the output signal of the current transformer ⁇ unit is then sampled to obtain samples by a sample ⁇ .
  • the sample values are then converted by an analog / digital converter into digital current measured values.
  • the current measurement values are transmitted to a computing unit which, on the basis of the current measured values and, for example, an interpolation NEN logic calculates the position of a stepping motor, each position a flow resistance of a cooling circuit branch 3a and a cooling circuit branch 3b is assigned permanently. In this way, the flow resistance and the cooling of the converter 2a and 2b through the multi-way valve 7 can be adjusted.
  • control means are described way of example only with ⁇ .
  • the regulation of the flow resistance over the multi-way valve through the Steue ⁇ agent may also be carried out on any other desired and to those skilled obvious manner.
  • control means it is also possible for the control means to access both the coolant pump and the multiway valve in order to set both the pump power and the flow resistance to the respective requirements, that is to say as a function of the current flowing via the power semiconductor units.
  • the reference numerals 2a and 2b each refer to a single Rei ⁇ hensciens of power semiconductor units, ie a single converter valve, and not to a group of converter valves, which are connected in a known manner to form a power converter.
  • Figure 2 shows a further embodiment of the invention in a schematic representation, wherein the embodiment differs from the embodiment shown in Figure 1 in that the converter valve 2 or the converter 2 as a group of converter valves by a bypass channel 8 can be bridged.
  • the converter valve 2 or the converter 2 as a group of converter valves by a bypass channel 8 can be bridged.
  • the cooling of the converter valve 2 are completely interrupted.
  • Coolant is instead guided via the bypass channel 8 in the ge ⁇ arrow direction shown, with the bypass channel 8 connected input of the multiway valve 7 thensver ⁇ is open.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the invention in a schematic representation.
  • two multi-way valves 7a and 7b are flow direction in Strö ⁇ before the respectively associated converter valves or converters 2a arranged and 2b, respectively, with de ⁇ they NEN respectively on the output side via the cooling circuit branch 3a and 3b are connected.
  • Both multiway valves 7a, 7b are connected on the input side to the distribution point 6 via the cooling circuit branch 3a or 3b.
  • the multi-way valve 7a is furthermore connected via a connecting branch 9 to a branch point 10 and thus to the output of the current regulator valve 2b.
  • the multi-way valve 7b is connected via the connecting branch 11 to the branching point 12 and thus connected on the input side to the output of the power converter or the converter valve 2a.
  • the 10 or the multi-path via the connecting branches 9 valves 7a and 7b coolant supplied is be ⁇ already once for cooling a power converter 2a relationship ⁇ employed 2b and been heated for this reason.
  • the temperature of the coolant can thus be selected at the output of the respective multi-way valve 7a or 7b within a mixing area determined on the input side.
  • Publ ⁇ net for example, the multi-way valve 7a the extension line to the Verbin ⁇ 9 connected input, whereas the connected to the cooling circuit branch 3a input remains closed, a higher temperature at the outlet of the manifold valve 7 is adjustable, than would be possible in the opposite case.
  • the coolant flow game for example, in the example shown in Figure 1 also alternately turned on by the multi-way valve 7 and can be turned off.
  • the Thematic with the cooling circuit branch 3a ver ⁇ input of the multi-way valve 7 can be opened completely away over a certain period of time, while the input of the coolant circuit branch 3b connected input is completely closed. After Ab ⁇ running the specified period of time, the reverse case occurs.

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Abstract

Um eine Vorrichtung (1) zum Umrichten eines elektrischen Stromes im Bereich der Hochspannungsenergieverteilung und - übertragung mit wenigstens einem Stromrichterventil (2a, 2b), das über eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleitereinhei- ten verfügt, und mit Kühlmitteln (3, 4, 5, 7) zum Kühlen der Leistungshalbleitereinheiten bereitzustellen, mit der Temperaturhübe der Leistungshalbleitereinheiten kostengünstig gesenkt werden können, wird vorgeschlagen, dass die Kühlmittel (3, 4, 5, 7) über Steuermittel verfügen, die eine vom Stromfluss über die Leistungshalbleitereinheiten abhängige Kühlung bereitstellen.

Description

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Beschreibung
Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes und Verfahren zur Reduzierung der Lastwechselbeanspruchung von Leis- tungshalbleitereinheiten im Bereich der Hochspannungsenergieverteilung und -Übertragung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes im Bereich der Hochspannungsenergiever- teilung und -Übertragung mit wenigstens einem Stromrichterventil, das über eine Reihenschaltung aus Leistungshalblei- terneinheiten verfügt, und mit Kühlmitteln zum Kühlen der Leistungshalbleitereinheiten .
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herabsetzen von Lastwechselbeanspruchungen von Leistungshalbleitereinheiten im Bereich der Hochspannungsenergieübertragung und - Verteilung, bei dem Leistungshalbleitereinheiten, die zum Umrichten von Strom eingerichtet sind, von einem Kühlmittel ge- kühlt werden.
Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus dem landläufigen Stand der Technik bereits bekannt. So werden Leistungshalbleitereinheiten im Bereich der Energieübertra- gung und -Verteilung beispielsweise im Rahmen der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) eingesetzt. Aufgrund einer Hochspannung im Bereich von mehreren hundert Kilovolt sind die Leistungshalbleitereinheiten hierbei unter Ausbildung eines Stromrichterventils in Reihe geschaltet, wobei die Strom- richterventile unter Ausbildung eines Stromrichters in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Jeder Stromrichter ist wechselspannungsseitig mit einem Wechselstromnetz und gleich- spannungsseitig mit einem weiteren Stromrichter verbunden. Zwischen den Stromrichtern ist somit ein Gleichstromkreis eingerichtet, über den ein Energieaustausch zwischen den Wechselspannungsnetzen ermöglicht ist.
Leistungshalbleitereinheiten kommen ferner bei so genannten Flexible AC Transmission Systems beispielsweise als schneller elektronischer Schalter zum Einsatz. So dienen die elektronischen Schalter zum Beispiel zum dynamischen Einstellen der Impedanz einer Übertragungsleitung.
Aus der US 6,714,427 Bl ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine elektrische Leistung mittels einer dreipoligen Hochspannungsgleichstromübertragung zwischen zwei Wechselspannungsnetzen übertragen wird. Der dabei auftretende Gleichstrom fließt durch drei Übertragungsleiter, wobei der Gleichstrom in einem der Übertragungsleiter für eine kurze Zeit oberhalb des thermisch zulässigen Höchstwertes liegt und der hierzu gegensinnig fließende Strom auf die beiden anderen Übertragungsleiter verteilt ist. Nach einer kurzen Zeitdauer wird die Funktion der Übertragungsleiter periodisch ausgetauscht, so dass der hohe Gleichstrom, der oberhalb des zulässigen
Grenzwertes liegt, nunmehr durch eine zuvor weniger stark belastete Leitung fließt. Auf diese Weise ist es möglich, die Übertragungskapazität einer zuvor als dreiphasige Wechsel¬ stromleitung eingesetzten Übertragungsstrecke zu erhöhen und auf diese Weise die Kosten für ein nachträglich aufgestelltes Hochspannungsgleichstromübertragungssystem zu rechtfertigen.
Die Periodendauer der Strommodulation liegt bei dem Verfahren gemäß der US 6,714,427 in der Größenordnung von einigen Minu- ten. Dies hat jedoch eine Lastwechselbeanspruchung der Leistungshalbleitereinheiten im Gefolge, die weit oberhalb der im Bereich der Energieübertragung und -Verteilung üblichen Auslegungen liegt . Unter Lastwechseln von Leistungshalbleitereinheiten versteht man durch Strombelastung hervorgerufene Temperaturzyklen der Leistungshalbleiter, aus denen die Leistungshalbleitereinhei¬ ten aufgebaut sind. Aufgrund dieser Temperaturzyklen treten mechanische Belastungen beispielsweise durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen auf, wodurch die Lebensdauer der eingesetzten Leistungshalbleiter herabgesetzt wird. Aus diesem Grunde wird von Herstellern der Leistungshalbleiter die Lastwechselfestigkeit, also die Eigenschaft des Leistungshalbleiters, eine bestimmte Anzahl von Lastwechseln in Abhängigkeit vom
Temperaturhub zu überstehen, angegeben. Die Lastwechselbeanspruchung der im Bereich der Energieverteilung und - Übertragung eingesetzten Leistungshalbleiter war bislang so gering, so dass die Lebensdauer der Leistungshalbleiter im Hinblick auf die Lastwechselbeanspruchung oberhalb der spezifizierten Betriebsdauer der jeweiligen Anlage lag.
Die Energieübertragung gemäß dem in der US 6,714,427 Bl beschriebenen Verfahren erhöht jedoch die Lastwechselbeanspru- chung der Leistungshalbleitereinheiten in einer Weise, dass zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um die bislang spezifizierten Lebensdauerangaben von Anlagen im Bereich der E- nergieverteilung und -Übertragung gewährleisten zu können.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren besteht darin, die Temperaturhübe oder -Schwankungen klein zu halten, indem die Leistungshalbleiter der Leistungshalbleitereinheiten entsprechend überdimensioniert, also größer ausge¬ legt werden. Durch die Überdimensionierung steigen jedoch auch die Kosten der jeweiligen Anlage beträchtlich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem die Temperaturhübe der Leistungshalbleitereinheiten kosten- günstig gesenkt werden können. Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung dadurch, dass die Kühlmittel über Steuermittel verfügen, die eine vom Stromfluss über die Leis¬ tungshalbleitereinheiten abhängige Kühlung bereitstellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren dadurch, dass die Kühlung der Leistungshalbleitereinheiten in Abhängigkeit des über die Leistungs¬ halbleitereinheiten fließenden Stromes erfolgt .
Erfindungsgemäß werden Kühlmittel und Steuermittel bereitge¬ stellt, die eine Kühlung der Leistungshalbleitereinheiten in Abhängigkeit des über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Stromes ermöglichen. So wird beispielsweise die Kühl- leistung der Kühlmittel bei höheren Strömen erhöht, wohinge¬ gen die Kühlung bei einer geringeren Strombelastung herabgesetzt wird. Auf diese Weise wird die Amplitude der periodi¬ schen Temperaturschwankung verringert, wodurch sich die Lebensdauer der Leistungshalbleitereinheiten beträchtlich ver- größert.
Als Leistungshalbleitereinheiten kommen im Rahmen der Erfindung beispielsweise einzelne Leistungshalbleiter, beispiels¬ weise in Scheibenform in Betracht. Abweichend davon ist eine Leistungshalbleitereinheit im Rahmen der Erfindung ein mehre¬ re Leistungshalbleiter aufweisendes Modul, wobei die Leis¬ tungshalbleiter jedes Moduls zweckmäßig miteinander verschal¬ tet sind. Die Module sind in Reihenschaltung angeordnet. Vor¬ teilhafterweise verfügt jedes Modul über einen eigenen Ener- giespeicher.
Durch die Reihenschaltung der Leistungshalbleitereinheiten ist vorteilhafterweise ein Stromrichterventil realisiert. Die Vorrichtung umfasst ferner beispielsweise einen Stromrichter, der aus mehreren in einer Brückenschaltung angeordneten
Stromrichterventilen besteht. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung ein so genannter 12- Puls-Stromrichter, der aus zwei 6-Puls-Schaltungen besteht, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch grundsätzlich jede Stromrichtertopologie denkbar .
Als Leistungshalbleiter kommt im Rahmen der Erfindung grundsätzlich jeder Leistungshalbleiter des Standes der Technik in Betracht, insbesondere Dioden, Thyristoren, IGBTs oder GTOs. So umfassen die Leistungshalbleiter der Leistungshalblei- tereinheiten insbesondere alle abschaltbaren Leistungshalb¬ leiter .
Die Kühlmittel umfassen im Rahmen der Erfindung beispielsweise einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und einem Wärmetauscher, in dem ein fluides Kühlmittel umgewälzt wird.
Vorteilhafterweise weisen die Kühlmittel einen Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher und einer Kühlmittelpumpe auf, deren Pumpleistung von den Steuermitteln einstellbar ist. Die Steu- ermittel umfassen dabei vorteilhafterweise Strommessgeräte, die zur Erfassung des über die Reihenschaltung fließenden Stromes eingerichtet sind. Jedes Strommessgerät ist über eine Messleitung mit einer Recheneinheit verbunden, die beispiels¬ weise mittels einer Software anhand einer vorgegebenen inter- nen Logik aus den von dem Strommessgerät übermittelten Stromwerten, eine Kühlmitteldurchflussrate sowie eine hierfür er¬ forderliche Spannungs- und Stromversorgung für die Kühlmit¬ telpumpe festlegt. Selbstverständlich kann die Recheneinheit hiervon abweichend auch einen Analogregler umfassen, der zur Verarbeitung analoger Strommesswerte eingerichtet ist. Die Kühlmittelpumpe ist beispielsweise drehzahlgesteuert. Die Steuermittel sorgen für einen den berechneten Strom- und Spannungswerten entsprechenden Antrieb der Kühlmittelpumpe. Die Kühlmittelpumpe sorgt auf diese Weise für eine Kühlung der Leistungshalbleitereinheiten, die von dem über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Strom abhängig ist. Die Temperaturschwankungen oder die Temperaturhübe der Leistungs- halbleitereinheiten sind auf diese Weise in ihrer Amplitude verringert .
Zweckmäßigerweise weisen die Kühlmittel einen Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher und einer Kühlmittelpumpe auf, wobei die Kühlleistung des Wärmetauschers von den Steuermitteln einstellbar ist. Auch bei dieser Ausgestaltung weisen die Steuerungsmittel Strommessgeräte und eine Recheneinheit oder Regelungseinheit auf. Die Strommessgeräte übertragen die aus den gemessenen über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Strömen ermittelten Strommesswerte an die Recheneinheit. Die Recheneinheit ermittelt analog oder beispielsweise mit Hilfe einer internen Logik eine vom Stromfluss über die Leis¬ tungshalbleitereinheiten abhängige Strom- und Spannungsver- sorgung des Wärmetauschers. Schließlich veranlassen die Steuerungsmittel einen der berechneten Strom- und Spannungswerten entsprechende Strom- und Spannungsversorgung des Wärmetau¬ schers. Durch eine solche Regelung ist beispielsweise bei hö¬ heren Stromflüssen über die Leistungshalbleitereinheiten eine erhöhte Kühlleistung unter Herabsetzen der Temperatur des umgewälzten Kühlmittels bereitgestellt .
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weisen die Kühlmittel einen Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher einer Kühlmittelpumpe und einem steuerbaren Drosselventil auf, des¬ sen Strömungswiderstand von den Steuerungsmitteln einstellbar ist. Auch gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird zunächst der über die Leistungshalbleitereinheiten fließende Strom auf an sich bekannte Art und Weise ermittelt und die gemessenen Stromwerte anschließend einer Recheneinheit zur Verfügung gestellt . Die Steuerungsmittel bewirken anschlie¬ ßend ein Verstellen des Drosselventils in Abhängigkeit des gemessenen Stromes, so dass sich die Durchflussgeschwindig¬ keit dem Stromfluss entsprechend ändert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kühlmittel einen Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher, einer Kühlmittelpumpe und einem von den Steuermitteln ein- stellbaren Mehrwegeventil auf. Das Mehrwegeventil ermöglicht eine kostengünstige und gleichzeitig schnelle Regelung der Kühlung.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist das Mehrwegeventil mit einem zugeordneten Stromrichterventil oder einer zugeordneten Gruppe von Stromrichterventilen sowie mit einem Bypasskanal zum Überbrücken des Stromrichterventils oder der Gruppe von Stromrichterventilen verbunden. Durch die Regelung des Mehrwegeventils ist es den Steuerungsmitteln möglich, entweder den gesamten Fluss des Kühlmittels mit einer hohen Kühlleistung im Gefolge über den Stromrichter oder die jeweilige Gruppe von Stromrichtern zu führen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Stromrichterventil, das die Reihenschaltung der Leistungshalbleitereinheiten um- fasst, hohen Strömen ausgesetzt ist, wobei die Ströme über die Leistungshalbleitereinheiten geführt sind. Bei einer geringeren Belastung des Stromrichterventils wird dieses durch den Bypasskanal teilweise überbrückt, so dass die Kühlung der Leistungshalbleitereinheiten des Stromrichterventils herabge¬ setzt ist .
Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher in dem Bypasskanal angeordnet .
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung ist das Mehrwegeventil mit einem ersten Stromrichterventil oder einer ersten Gruppe von Stromrichterventilen sowie mit einem zweiten Stromrichterventil oder mit einer zweiten Gruppe von Stromrichterventilen verbunden. Je nach Strombelastung ist auf diese Weise durch Zugriff der Steuerungsmittel auf das Mehrwegeventil das Verhältnis des Kühlmitteldurchflusses durch die mit dem Mehrwegeventil verbundenen Stromrichterventile oder der Gruppe von Stromrichterventilen ermöglicht.
Gemäß einer diesbezüglichen zweckmäßigen Weiterentwicklung ist jedes Mehrwegeventil eingangsseitig mit dem Wärmetauscher und mit dem Ausgang wenigstens eines Stromrichterventils oder wenigstens einer Gruppe von Stromrichterventilen sowie aus- gangsseitig mit dem Eingang eines anderen zugeordneten Stromrichterventils oder einer anderen zugeordneten Gruppe von Stromrichterventilen verbunden. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels am Ausgang eines Stromrichterventils im Vergleich zur Tempe¬ ratur am Eingang des Stromrichterventils erhöht ist. Wird ein solches Kühlmittel mit einer erhöhten Temperatur zur Kühlung eines weiteren Stromrichterventils eingesetzt, ist die Kühl- leistung für dieses Stromrichterventil selbstverständlich herabgesetzt. Auf diese Weise ist eine besonders kostengüns¬ tige Ausgestaltung der Erfindung bereitgestellt. Im Rahmen dieser Weiterentwicklung kann für jedes Stromrichterventil ein Mehrwegeventil vorgesehen sein, das auf diese Art und Weise in den Kühlkreislauf eingebunden ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anordnung der Kühlmittelpumpe innerhalb des Kühlkreislaufs grundsätzlich beliebig ist. So kann die Kühlmittelpumpe auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung in Strömungsrichtung zwischen dem Wärmetauscher und dem Mehr- Wegeventil angeordnet sein, wobei das Mehrwegeventil im Sinne der gewählten Formulierung trotzdem eingangsseitig mit dem Wärmeaustauscher verbunden wäre. Mit der Formulierung „eingangsseitig mit dem Wärmetauscher verbunden" ist im Rahmen der Erfindung gemeint, dass das umgewälzte Kühlmittel auf dem Weg vom Ausgang des oder der Mehrwegeventile zum Eingang des jeweiligen Mehrwegeventils durch den Wärmetauscher abgekühlt werden kann.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung des Verfahrens wird die Durchflussgeschwindigkeit eines Kühlmittels durch den Kühlkreislauf mittels Steuerungsmittel in Abhängigkeit des über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Stromes eingestellt. Hinsichtlich der Gestaltungsmöglichkeiten und der Vorteile dieser Weiterentwicklung sei auf die vorausge- henden Ausführungen verwiesen. Bei einer diesbezüglichen Abwandlung wird die Zulauftemperatur des Kühlmittels von den über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Strömen abhängig gemacht.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin¬ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung und
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung zeigen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Die Vor- richtung weist zwei Stromrichter 2a und 2b auf, die zeitlich periodisch schwankend belastet werden. Zum Kühlen der Leistungshalbleitereinheiten, die unter Ausbildung von Stromrichterventilen in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind, ist ein Kühlkreislauf 3 vorgesehen. Die Leistungshalb- leitereinheiten sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel scheibenförmige Leistungshalbleiter. Die Stromrichterventile der Stromrichter 2a und 2b sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Brückenschaltung angeordnet. Der Kühlkreis¬ lauf 3 weist zweckmäßige Rohrleitungen auf, in denen ein Kühlmittel umgewälzt wird. Zum Umwälzen dient eine Kühlmit¬ telpumpe 4, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dreh¬ zahlabhängig ist. Dies ist jedoch im Rahmen der Erfindung nicht unbedingt erforderlich. In der durch den eingezeichneten Pfeil angedeuteten Strömungsrichtung ist der Kühlmittelpumpe 4 ein Wärmetauscher 5 nachgeschaltet, an den sich in Strömungsrichtung ein Verzweigungspunkt 6 anschließt . Durch den Verzweigungspunkt 6 wird der Kühlmittelfluss auf die Stromrichterventile 2a und 2b aufgeteilt. Den Stromrichterventilen 2a und 2b wiederum ist in Strömungsrichtung ein Mehrwegeventil 7 nachgeschaltet, das eingangsseitig mit dem Ausgang des Stromrichterventils 2a be¬ ziehungsweise 2b verbunden ist und ausgangsseitig unmittelbar an die Kühlmittelpumpe angeschlossen ist.
Durch in Figur 1 nicht gezeigte Steuerungsmittel ist die ein- gangsseitige Stellung des Mehrwegeventils 7 so regelbar, dass der Strömungswiderstand und somit die Strömungsgeschwindig- keit über das Stromrichterventil 2a und 2b auf das gewünschte Maß einstellbar ist. Dabei regeln die Steuerungsmittel das Mehrwegeventil 7 so, dass die Strömungsgeschwindigkeit in Ab¬ hängigkeit des über die Reihenschaltung der Leistungshalblei¬ tereinheiten der Stromrichterventile 2a oder 2b fließenden Stroms eingestellt wird. Insbesondere wird die Strömungsge¬ schwindigkeit des Kühlmittels erhöht, wenn die Strombelastung der Leistungshalbleitereinheiten erhöht ist.
Die Steuerungsmittel, die hier auch als Regelungsmittel be- zeichnet werden können, umfassen zweckmäßige Messgeräte zur
Erzeugung von vier digitalen Strommesswerten, welche dem über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Strom entsprechen. Die Regelung kann im Rahmen der Erfindung jedoch auch auf Grundlage analoger Strommesswerte erfolgen. Solche Mess- gerate umfassen beispielsweise Stromwandler zur Erzeugung eines Ausgangskanals, das zu dem über die Leistungshalblei¬ tereinheiten fließenden Strom proportional ist. Das Ausgangs¬ signal des Stromwandlers wird anschließend durch eine Abtast¬ einheit unter Gewinnung von Abtastwerten abgetastet . Die Ab- tastwerte werden von einem Analog/Digital-Wandler anschließend in digitale Strommesswerte umgewandelt. Die Strommess¬ werte werden zu einer Recheneinheit übertragen, die auf Grundlage der Strommesswerte und beispielsweise einer inter- nen Logik die Stellung eines Schrittmotors berechnet, wobei jeder Stellung ein Strömungswiderstand eines Kühlkreiszweiges 3a beziehungsweise eines Kühlkreiszweiges 3b fest zugeordnet ist. Auf diese Weise ist über den Strömungswiderstand und die Kühlung des Stromrichters 2a beziehungsweise 2b durch das Mehrwegeventil 7 einstellbar.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuerungsmittel nur bei¬ spielhaft beschrieben worden sind. Die Regelung des Strö- mungswiderstandes über das Mehrwegeventil durch die Steue¬ rungsmittel kann auch auf eine beliebig andere und für den Fachmann nahe liegende Art und Weise durchgeführt werden. So ist es beispielsweise auch möglich, dass die Steuerungsmittel sowohl auf die Kühlmittelpumpe als auch auf das Mehrwegeven- til zugreifen, um sowohl die Pumpleistung als auch den Strömungswiderstand den jeweiligen Erfordernissen, also in Abhängigkeit des über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Stromes, einzustellen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass es die Bezugszeichen 2a beziehungsweise 2b jeweils auf eine einzelne Rei¬ henschaltung von Leistungshalbleitereinheiten, also auf ein einzelnes Stromrichterventil, und nicht auf eine Gruppe von Stromrichterventilen verweisen, die unter Ausbildung eines Stromrichters auf bekannte Weise verschaltet sind.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung, wobei sich das Ausführungsbeispiel von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel da- durch unterscheidet, dass das Stromrichterventil 2 oder der Stromrichter 2 als Gruppe von Stromrichterventilen durch einen Bypasskanal 8 überbrückbar ist. So kann beispielsweise durch Verschließen des Eingangs des Mehrwegeventils 7, der mit dem Stromrichterventil 2 verbunden ist, die Kühlung des Stromrichterventils 2 vollständig unterbrochen werden. Das
Kühlmittel wird stattdessen über den Bypasskanal 8 in der ge¬ zeigten Pfeilrichtung geführt, wobei der mit dem Bypasskanals 8 verbundene Eingang des Mehrwegeventils 7 dann selbstver¬ ständlich geöffnet ist.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Mehrwegeventile 7a und 7b in Strö¬ mungsrichtung vor jeweils zugeordneten Stromrichterventilen oder Stromrichtern 2a beziehungsweise 2b angeordnet, mit de¬ nen sie jeweils ausgangsseitig über den Kühlkreiszweig 3a be- ziehungsweise 3b verbunden sind. Beide Mehrwegeventile 7a, 7b sind über den Kühlkreiszweig 3a beziehungsweise 3b eingangs- seitig mit dem Verteilungspunkt 6 verbunden. Das Mehrwegeven¬ til 7a ist ferner über einen Verbindungszweig 9 mit einem Verzweigungspunkt 10 und somit mit dem Ausgang des Stromrich- terventils 2b verbunden. Das Mehrwegeventil 7b ist hingegen über den Verbindungszweig 11 mit dem Verzweigungspunkt 12 verbunden und somit eingangsseitig an den Ausgang des Stromrichters oder des Stromrichterventils 2a angeschlossen. Das über die Verbindungszweige 9 beziehungsweise 10 den Mehrwege- ventilen 7a beziehungsweise 7b zugeführte Kühlmittel ist be¬ reits einmal zur Kühlung eines Stromrichters 2a beziehungs¬ weise 2b eingesetzt und aus diesem Grunde erwärmt worden. Am Ausgang des jeweiligen Mehrwegeventils 7a beziehungsweise 7b ist somit innerhalb eines eingangsseitig bestimmten Mi- schungsbereichs die Temperatur des Kühlmittels wählbar. Öff¬ net beispielsweise das Mehrwegeventil 7a den an die Verbin¬ dungsleitung 9 angeschlossenen Eingang, wohingegen der mit dem Kühlkreiszweig 3a verbundene Eingang geschlossen bleibt, ist eine höhere Temperatur am Ausgang des Mehrwegeventils 7a einstellbar, als dies im umgekehrten Fall möglich wäre.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass der Kühlmittelfluss beispielsweise in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbei¬ spiel durch das Mehrwegeventil 7 auch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden kann. Mit anderen Worten kann über eine bestimmte Zeitdauer hinweg der mit dem Kühlkreiszweig 3a ver¬ bundene Eingang des Mehrwegeventils 7 vollständig geöffnet sein, während der Eingang des mit dem Kühlmittelkreiszweiges 3b verbundene Eingang vollständig geschlossen ist. Nach Ab¬ lauf der festgelegten Zeitdauer tritt der umgekehrte Fall ein .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Umrichten eines elektrischen Stromes im Bereich der Hochspannungsenergieverteilung und - Übertragung mit wenigstens einem Stromrichterventil (2a, 2b), das über eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleitereinhei¬ ten verfügt, und mit Kühlmitteln (3,4,5,7) zum Kühlen der Leistungshalbleitereinheiten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlmittel (3,4,5,7) über Steuermittel verfügen, die eine vom Stromfluss über die Leistungshalbleitereinheiten abhängige Kühlung bereitstellen.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlmittel (3,4,5,7) einen Kühlkreislauf (3) mit einem Wärmetauscher (5) und einer Kühlmittelpumpe (4) aufweisen, deren Pumpleistung von den Steuermitteln einstellbar ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlmittel (3,4,5,7) einen Kühlkreislauf (3) mit einem Wärmetauscher (5) und einer Kühlmittelpumpe (4) aufweisen, wobei die Kühlleistung des Wärmetauschers (5) von den Steuer- mittein einstellbar ist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlmittel (3,4,5,7) einen Kühlkreislauf (3) mit einem Wärmetauscher (5), einer Kühlmittelpumpe (4) und einem steu¬ erbaren Drosselventil aufweisen, dessen Strömungswiderstand von den Steuerungsmitteln einstellbar ist .
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlmittel (3,4,5,7) einen Kühlkreislauf (3) mit einem Wärmetauscher (5), einer Kühlmittelpumpe (4) und wenigstens einem von den Steuermitteln einstellbaren Mehrwegeventil (7) aufweisen.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Mehrwegeventil (7) mit einem zugeordneten Stromrichter- ventil (2b) oder einer zugeordneten Gruppe von Stromrichterventilen (2) sowie mit einem Bypasskanal (8) zum Überbrücken des Stromrichterventils (2) oder der Gruppe von Stromrichter¬ ventilen (2) verbunden ist.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Mehrwegeventil (7a, 7b) mit einem ersten Stromrichterven¬ til (2a) oder einer ersten Gruppe von Stromrichterventilen (2a) sowie ebenfalls eingangsseitig mit wenigstens einem zweiten Stromrichterventil (2b) oder einer zweiten Gruppe von Stromrichterventilen (2b) verbunden ist.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedes Mehrwegeventil (7a, 7b) eingangsseitig mit dem Wärmeaus¬ tauscher (5) und mit dem Ausgang wenigstens eines Stromrichterventils (2a, 2b) oder wenigstens einer Gruppe von Strom¬ richterventilen (2a, 2b) sowie ausgangsseitig mit dem Eingang eines anderen zugeordneten Stromrichterventils (2a, 2b) oder einer anderen zugeordneten Gruppe von Stromrichterventilen (2a, 2b) verbunden ist.
9. Verfahren zum Herabsetzen von Lastwechselbeanspruchungen von Leistungshalbleitereinheiten im Bereich der Hochspan- nungsenergieübertragung und -Verteilung, bei dem Leistungshalbleitereinheiten, die zum Umrichten von Strom eingerichtet sind, von einem Kühlmittel (3,4,5,7) gekühlt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlung der Leistungshalbleitereinheiten in Abhängigkeit des über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Stromes erfolgt .
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Durchflussgeschwindigkeit eines Kühlmittels durch einen Kühlkreislauf (3) mittels Steuerungsmitteln in Abhängigkeit des über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Stromes eingestellt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zulauftemperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit des über die Leistungshalbleitereinheiten fließenden Stromes erfolgt.
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