WO2018113948A1 - Kondensator mit integriertem kurzschliesser, insbesondere für zweipolige sub-module eines mehrstufenumrichters, sowie einen mehrphasigen mehrstufenumrichter mit einem solchen kondensator - Google Patents

Kondensator mit integriertem kurzschliesser, insbesondere für zweipolige sub-module eines mehrstufenumrichters, sowie einen mehrphasigen mehrstufenumrichter mit einem solchen kondensator Download PDF

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WO2018113948A1
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capacitor
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terminal
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Martin Pieschel
Dominik Schuster
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01G9/26—Structural combinations of electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices with each other

Definitions

  • Capacitor with integrated short-circuiting device in particular for two-pole sub-modules of a multi-stage converter, and a multi-phase multi-stage converter with such a capacitor
  • the invention relates to a capacitor with integrated short-circuiter, in particular for two-pole sub-modules of a multi-stage converter, as well as a multi-stage converter with egg ⁇ nem such capacitor according to the preamble of claim 1 and claim 9.
  • Multi-phase modular multi-stage converters have a plurality of phase modules, which are each formed from a plurality of number of electrically connected in series two-pole submodules.
  • the sub-modules in turn have each ⁇ wells a power module having a plurality of semiconductor switches and a capacitor as an energy store, in each case bears against the intermediate circuit voltage.
  • the capacitors are designed as film capacitors, which are very robust due to its self-healing property against ⁇ about damage. Therefore, film capacitors are popular in modular multi-stage converters for buffering sub-module voltages. With the large number shoring ⁇ ter capacitors with very high energy content but can cause insulation faults, which, though not necessarily disturb the converter operation, but may due to a strong varnishent ⁇ development lead to smoke, linked to destructive arcing within the drive.
  • the disadvantage here is that the heat generation and Rauchbil ⁇ tion delayed by infrared sensors and smoke detectors and thus usually detected too late.
  • the object of the invention is to short-circuit the Folienkonden ⁇ sators in a strong varnishent ⁇ development within a film capacitor, before it comes to a smoke.
  • the solution provides that the separating material has a melting temperature at which it liquefies, that a short-circuiter is present, which has a short-circuit element which a) is arranged in the region of the two connections, b) with the one connection is elekt ⁇ driven connected, c) is maintained from the solid separator material in a first position and d) is acted upon by a force which moves the short-circuiting device in molten separator material into a second position in which the short-circuiting device at least also contacts the other terminal and thereby creates an electrical short circuit between the two terminals.
  • a technically simple solution is obtained when the force acting on the short-circuiter is gravity and the short-circuiter is held in the first position relative to the direction of gravity above the pads by the solid release material.
  • the short-circuiter has a wedge shape, whose wedge tip points downwards with respect to the direction of gravity.
  • Coil spring is that increases its longitudinal extent in the molten separating material and thereby moves the short-circuiter against the other terminal until it comes to the other terminal by contacting the other terminal and thus making an electrical connection see.
  • a housing in which the winding is arranged on ⁇ and out through the at least one of the two ports to the outside.
  • the production is simplified if the release material is a potting compound.
  • the solution provides with respect to the Mehrmenumrichter requires that the separator material has a melting temperature at which it liquefies, and that a short-circuiter a) Be ⁇ rich of the two terminals is disposed, b) with the one terminal is electrically connected, c) is held by the solid release material in a first position and d) is acted upon by a force that moves the short-circuited with molten separating material in a second position in which the short-circuited at least also contacted the other terminal and thereby an electrical short circuit between the two Makes connections.
  • the invention will be described in more detail with reference to anariessbei ⁇ game. Show it:
  • FIGS. 2 and 3 shows the phase module according to FIGS. 2 and 3 with sub-modules
  • Fig. 9 is a power semiconductor circuit as a half-bridge circuit
  • Fig. 10 shows a first embodiment of the capacitor with integrated short-circuiting
  • Fig. 11 shows a second embodiment of the capacitor with integrated short-circuiter.
  • the modular multi-stage converter 3 is electrically connected in three phases via a connection rail 5 and a transformer 5a to an energy supply network 7.
  • the energy supply network 7 is a three-phase AC voltage power supply network 7.
  • sensor 210 the current flowing through the inverter 3 is measured.
  • Current measured values 13 are transmitted to a drive unit 15 of the modular multistage converter 3.
  • a voltage sensor 18 which is designed as a measuring transducer here
  • the voltage measurement values of the terminal voltage 21 are transmitted to the drive unit 15.
  • control unit 15 calculates control signals 28, which are transmitted to the modular multistage converter 3.
  • control signals 28 are transmitted to the modular multistage converter 3.
  • FIG. 2 An embodiment of a Mehreasenum ⁇ judge 3 is shown, which has three phase modules 210 ⁇ .
  • the three phase modules 210 are connected in delta configuration and connected to three phases LI, L2 and L3 of the Energyver ⁇ supply network. 7
  • the structure of the phase modules 210 is shown in FIG.
  • a Mehrhownum ⁇ judge 3 which has six phase modules 210 ⁇ .
  • These six phase modules 210 are arranged in a bridge circuit (here: in a B6 bridge circuit).
  • a bridge circuit here: in a B6 bridge circuit.
  • one connection of a first phase module and one connection of a second phase module are electrically connected to one another and form an AC voltage connection 302, 304 or 306.
  • the other terminal of the first phase module is connected to a positive DC voltage terminal 310 and the other to the second circuit ⁇ phase module is connected to a negative DC voltage terminal 312 connected.
  • the three Kirspan ⁇ nungsan say 302, 304 and 306 are closed to the three phases LI, L2 and L3 of the AC power supply network 7 ⁇ .
  • the phase module 210 has a first connection 604 and a second connection 606.
  • the first terminal 604 is electrically connected to a first sub-module 610 via a current sensor 608.
  • the first sub-module 610 is electrically connected in series with other sub-modules 610;
  • the phase module 210 has n sub-modules 610.
  • the last of the n 610 sub-modules is connected via a Koppelin ⁇ tivity 612 electrically comparable to the second terminal 606th
  • the current sensor 608 is the measured by the Pha ⁇ senmodul 210 current flowing.
  • the first terminal 604 and the second terminal 606 may each be connected to a phase of the AC power supply network 7.
  • the bipolar sub-module 610 has a first sub-module connection 704 and a second sub-module connection 706.
  • the two sub-module terminals 704 and 706 are connected to a power semiconductor circuit 710 (more specifically, an AC terminal of the power semiconductor circuit 710).
  • a DC terminal of the power semiconductor circuit 710 is connected via a direct voltage intermediate circuit 714 to an energy storage 724 in the form of a capacitor module 724a (with a Kondensa ⁇ tor 1020).
  • the intermediate circuit voltage Uzk is present.
  • Power semiconductor circuit 710 is also referred to as a "power module.”
  • a bypass closer 730 comprises a monitoring unit 732 with a bypass switch logic that closes a bypass switch 731 when a breakdown of the DC link chip Uzk (and thus voltage of the capacitor 1020) is recognized by her.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of the power semiconductor circuit 710.
  • the power semiconductor scarf ⁇ processing 710 has four power semiconductor switches 810 that are switched on and off.
  • Each of the power semiconductor switches 810 has a power semiconductor component with a diode connected in antiparallel.
  • the power semiconductor component is a
  • the semiconductor device may be configured differently, for example as an IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor), IEGT (Injection-Enhanced Gate Transistor) or as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).
  • IGCT Integrated Gate-Commutated Thyristor
  • IEGT Injection-Enhanced Gate Transistor
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • a further embodiment of a Leis ⁇ tung semiconductor circuit 710 is shown ⁇ , having only two power semiconductor switches 810th
  • the two power semiconductor switches 810 form in the embodiment of FIG. 9, a half-bridge circuit.
  • FIG. 8 shows the capacitor module 724a, which in this case consists of a capacitor 1020 and a voltage measuring device 1020a connected in parallel, wherein the intermediate circuit voltage Uzk is applied to the capacitor 1020 and is buffered by it.
  • the capacitor 1020 which consists of a series and parallel connection of coils 1021, the each formed from wound electrically conductive (first) films in the form of metal foils and at least one intermediate electrically insulating (second) film in the form of at least one Kunststoffoffisolierfolie.
  • the series and parallel-connected winding 1021 are connected to a short-circuiter 1022, which is formed as a heat short-circuiting device and connected to the terminals 1023 1024 Kon ⁇ densators 1020th
  • FIG. 10 schematically illustrates a first embodiment of the capacitor 1020 with integrated short-circuiting device 1022 from the point of view of the connections of the capacitor 1020.
  • the short-circuiter 1022 here has a wedge-shaped short-circuit element 1025, which is arranged in the region of the two terminals 1023, 1024 and is electrically connected to the one terminal 1024 by means of a potential equalization wire 1026.
  • the two terminals 1023, 1024 are embedded in a solid electrically insulating separator material 1027, ie the separator material 1027 is thus also arranged between the two mutually facing connection surfaces 1023a, 1024a of the two terminals 1023, 1024.
  • the short- circuit element 1025 is held by the fixed separating material 1027 in a first position, as shown in FIG.
  • the first position is here with respect to the direction 1028 of gravity above the terminals 1023, 1024 and is acted upon by gravity.
  • the release material 1027 has a melting temperature that is selected (tuned) so that the (solid) Trennma- material 1027 melts (liquefied), when it comes to strong heat development due to insulation errors. Melting the solid release material 1027, so moves the heavy ⁇ virtue of the shorting member 1025 downward to a second position in which the short-circuiter 1022 and the other terminal 1023 (as well as the connection 1024 direct) contact and thus an electrical short circuit between the two terminals 1023 , 1024 produces. In order to facilitate movement to the second position, it is proposed that the short-circuiter 1022 has a wedge shape whose wedge tip points downwards with respect to the direction 1028 of gravity.
  • the existing bypass switch logic in the affected sub-module (for example, 610) is triggered, which subsequently leads to a safe faulty explanation.
  • FIG. 11 shows a second embodiment of the capacitor 1020 with integrated short-circuiting device 1022 in a schematic representation.
  • this cuboid short-circuit element 1025 is located between the two terminals 1023, 1024 and the force acting on the Kurz gleichele ⁇ element 1025 is the force of a Druckfe ⁇ 1029, which is arranged in the tensioned state in the solid release material 1027 and electrically connected to the Connection 1024 is directly connected.
  • the spring 1029 relaxed under magnification of its volume or its length, until the short-circuit element 1025 contacts the other ge ⁇ genüber fabricat port 1023 and thus an electrical short circuit between the two terminals 1023, 1024 produces, as in the first embodiment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kondensator (1020) mit integriertem Kurzschließer (1022), insbesondere für zweipolige Sub-Module (610) eines Mehrstufenumrichters (3), sowie einen Mehrstufenumrichter (3) mit einem solchen Kondensator (1020), der aufweist einen Wickel (1021), Anschlüsse (1023, 1024) und ein elektrisch isolierendes Trennmaterial (1027), welches zwischen den beiden Anschlüssen (1023, 1024) angeordnet ist. Um den Kondensator (1020) bei einer starken Wärmeentwicklung kurzzuschließen, wird vorgeschlagen, dass das Trennmaterial (1027) eine Schmelztemperatur aufweist, bei der es sich verflüssigt, dass ein Kurzschließer (1022) vorhanden ist, der ein Kurzschlusselement (1025) aufweist, das a) im Bereich der beiden Anschlüsse (1023, 1024) angeordnet ist, b) mit dem einen Anschluss (1024) elektrisch verbunden ist, c) vom festen Trennmaterial (1027) in einer ersten Position gehalten ist und d) von einer Kraft beaufschlagt ist, die den Kurzschließer (1022) bei geschmolzenem Trennmaterial (1027) in eine zweite Position bewegt, in welcher der Kurzschließer (1022) zumindest auch den anderen Anschluss (1023) kontaktiert und dadurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen (1023, 1024) herstellt.

Description

Beschreibung
Kondensator mit integriertem Kurzschließer, insbesondere für zweipolige Sub-Module eines Mehrstufenumrichters, sowie einen mehrphasigen Mehrstufenumrichter mit einem solchen Kondensator
Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit integriertem Kurzschließer, insbesondere für zweipolige Sub-Module eines Mehrstufenumrichters, sowie einen Mehrstufenumrichter mit ei¬ nem solchen Kondensator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9.
Mehrphasige modulare Mehrstufenumrichter sind bekannt und weisen mehrere Phasenmodule auf, die jeweils aus einer Viel¬ zahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen SubModulen gebildet sind. Die Sub-Module wiederum verfügen je¬ weils über ein Powermodul mit mehreren Halbleiterschaltern und einen Kondensator als Energiespeicher, an dem jeweils eine Zwischenkreisspannung anliegt.
Die Kondensatoren sind als Folienkondensatoren ausgebildet, die durch ihre selbstheilende Eigenschaft sehr robust gegen¬ über Schädigungen sind. Daher werden Folienkondensatoren gern bei modularen Mehrstufenumrichtern zur Pufferung der Spannungen der Sub-Module eingesetzt. Bei der großen Anzahl verbau¬ ter Kondensatoren mit sehr hohem Energiegehalt kann es jedoch zu Isolationsfehlern kommen, welche den Umrichterbetrieb zwar nicht unbedingt stören, aber Aufgrund einer starken Wärmeent¬ wicklung zu einer Rauchbildung führen können, verbunden zu zerstörerischen Überschlägen innerhalb des Umrichters.
Nachteilig ist dabei, dass die Wärmeentwicklung und Rauchbil¬ dung durch Infrarotsensoren und Rauchmelder zeitlich verzögert und damit meist zu spät erkannt wird.
Daher werden z.B. Überdruckschalter verwendet, welche die starke Erwärmung anhand der Ausdehnung des Füllmaterials (Gas oder Harz) erkennen. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass eine zusätzliche Signalverarbeitung und -koordination erforderlich ist, welche sich kaum nachrüsten lässt und zusätzliche Fehlerquellen aufweist.
Bei jeder dieser Lösungen des Problems wird der Umrichter aber unerwartet abgeschaltet, was zu erheblichen Kosten füh¬ ren kann. Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer starken Wärmeent¬ wicklung innerhalb eines Folienkondensators den Folienkonden¬ sators kurzzuschließen, bevor es zu einer Rauchbildung kommt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht bezogen auf den Kondensator vor, dass das Trennmaterial eine Schmelztemperatur aufweist, bei der es sich verflüssigt, dass ein Kurzschließer vorhanden ist, der ein Kurzschlusselement aufweist, das a) im Bereich der beiden Anschlüsse angeordnet ist, b) mit dem einen Anschluss elekt¬ risch verbunden ist, c) vom festen Trennmaterial in einer ersten Position gehalten ist und d) von einer Kraft beaufschlagt ist, die den Kurzschließer bei geschmolzenem Trennma- terial in eine zweite Position bewegt, in welcher der Kurzschließer zumindest auch den anderen Anschluss kontaktiert und dadurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen herstellt. Eine technisch einfache Lösung erhält man, wenn die den Kurzschließer beaufschlagende Kraft die Schwerkraft ist und sich der Kurzschließer bezogen auf die Richtung der Schwerkraft oberhalb der Anschlussflächen vom festen Trennmaterial in der ersten Position gehalten ist.
Um die Bewegung in die zweite Position zu erleichtern, wird vorgeschlagen, dass der Kurzschließer eine Keilform aufweist, dessen Keilspitze bezogen auf die Richtung der Schwerkraft nach unten zeigt.
Eine weitere Lösung erhält man, wenn die den Kurzschließer beaufschlagende Kraft die Kraft einer mit dem einen Anschluss verbundene Feder ist, die im gespannten Zustand im festen Trennmaterial angeordnet ist und sich im geschmolzenen Trenn¬ material unter Vergrößerung ihres Volumens entspannt. Eine einfache Ausführung sieht vor, dass die Feder eine
Schraubenfeder ist, die im geschmolzenen Trennmaterial ihre Längsausdehnung vergrößert und dabei den Kurzschließer gegen den anderen Anschluss bewegt, bis dieser unter Kontaktierung des anderen Anschlusses und damit Herstellung einer elektri- sehen Verbindung am anderen Anschluss zur Anlage kommt.
Zweckmäßigerweise sind an den beiden Anschlüssen einander zugewandte Anschlussflächen ausgebildet, zwischen denen das Trennmaterial angeordnet ist.
Mit Vorteil ist ein Gehäuse vorhanden, in dem der Wickel an¬ geordnet und durch das zumindest einer der beiden Anschlüsse nach außen geführt ist. Die Herstellung vereinfacht sich, wenn das Trennmaterial eine Vergussmasse ist.
Die Lösung sieht bezogen auf den Mehrstufenumrichter vor, dass das Trennmaterial eine Schmelztemperatur aufweist, bei der es sich verflüssigt, und dass ein Kurzschließer a) im Be¬ reich der beiden Anschlüsse angeordnet ist, b) mit dem einen Anschluss elektrisch verbunden ist, c) vom festen Trennmaterial in einer ersten Position gehalten ist und d) von einer Kraft beaufschlagt ist, die den Kurzschließer bei geschmolze- nem Trennmaterial in eine zweite Position bewegt, in welcher der Kurzschließer zumindest auch den anderen Anschluss kontaktiert und dadurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen herstellt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spiels näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung 1 mit einem modularen Mehrstufenumrichter,
Fig. 2 einen Mehrstufenumrichter mit drei Phasenmodulen,
Fig. 3 einen Mehrstufenumrichter mit sechs Phasenmodulen,
Fig. 6 das Phasenmodul gemäß Fig. 2 und 3 mit Sub- Modulen,
Fig. 7 ein Sub-Modul,
Fig. 8 eine Leistungshalbleiterschaltung als Voll- brückenschaltung,
Fig. 9 eine Leistungshalbleiterschaltung als Halbbrückenschaltung, Fig. 10 eine erste Ausführung des Kondensators mit integriertem Kurzschließer und
Fig. 11 eine zweite Ausführung des Kondensators mit integriertem Kurzschließer.
In Fig. 1 ist eine Anordnung 1 mit einem modularen Mehrstufenumrichter 3 (modularer Multi-Level-Umrichter) dargestellt. Der modulare Mehrstufenumrichter 3 ist dreiphasig über eine Anschlussschiene 5 und einen Transformator 5a mit einem Ener- gieversorgungsnetz 7 elektrisch verbunden. Das Energieversorgungsnetz 7 ist im Ausführungsbeispiel ein dreiphasiges Wech- selspannungs-Energieversorgungsnetz 7. Mittels eines Strom- sensors 210 wird der durch den Umrichter 3 fließende Strom gemessen. Strommesswerte 13 werden zu einer Ansteuereinheit 15 des modularen Mehrstufenumrichters 3 übertragen. Weiterhin wird mittels eines Spannungssensors 18 (der hier als Mess- wandler ausgeführt ist) die an der Anschlussschiene 5 anlie¬ gende Spannung gemessen. Diese Spannung entspricht im Wesent¬ lichen der an dem modularen Mehrstufenumrichter 3 anliegenden Spannung. Die Spannungsmesswerte der Anschlussspannung 21 werden zu der Ansteuereinheit 15 übertragen.
Anhand von vorgegebenen Sollwerten 25 (Wirkleistungs- oder Blindleistungssollwerte) berechnet die Ansteuereinheit 15 An- steuersignale 28, die zu dem modularen Mehrstufenumrichter 3 übertragen werden. Mittels dieser Ansteuersignale 28 wird der Mehrstufenumrichter 3 derart angesteuert, dass sich an der
Anschlussschiene 5 die gewünschten Strom- und Spannungswerte einstellen. Die Ansteuereinheit 15 kontrolliert auf diese Weise den Mehrstufenumrichter 3. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenum¬ richters 3 dargestellt, welcher drei Phasenmodule 210 auf¬ weist. Die drei Phasenmodule 210 sind in Dreiecksschaltung geschaltet und mit drei Phasen LI, L2 und L3 des Energiever¬ sorgungsnetzes 7 verbunden. Der Aufbau der Phasenmodule 210 ist in Fig. 6 dargestellt.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenum¬ richters 3 dargestellt, welcher sechs Phasenmodule 210 auf¬ weist. Diese sechs Phasenmodule 210 sind in einer Brücken- Schaltung (hier: in einer B6-Brückenschaltung) angeordnet. Dabei sind jeweils ein Anschluss eines ersten Phasenmoduls und ein Anschluss eines zweiten Phasenmoduls miteinander elektrisch verbunden und bilden einen Wechselspannungsan- schluss 302, 304 oder 306.
Der andere Anschluss des ersten Phasenmoduls ist mit einem positiven Gleichspannungsanschluss 310 und der andere An¬ schluss des zweiten Phasenmoduls ist mit einem negativen Gleichspannungsanschluss 312 verbunden. Die drei Wechselspan¬ nungsanschlüsse 302, 304 und 306 sind an die drei Phasen LI, L2 und L3 des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 7 an¬ geschlossen .
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Phasenmoduls 210 näher dargestellt. Das Phasenmodul 210 weist einen ersten An- schluss 604 sowie einen zweiten Anschluss 606 auf. Der ersten Anschluss 604 ist über einen Stromsensor 608 mit einem ersten Sub-Modul 610 elektrisch verbunden. Das erste Sub-Modul 610 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit weiteren Sub-Modulen 610; insgesamt weist das Phasenmodul 210 n Sub-Module 610 auf. Das letzte der n Sub-Module 610 ist über eine Koppelin¬ duktivität 612 elektrisch mit dem zweiten Anschluss 606 ver- bunden. Mittels des Stromsensors 608 wird der durch das Pha¬ senmodul 210 fließende Strom gemessen. Der erste Anschluss 604 und der zweite Anschluss 606 kann jeweils mit einer Phase des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 7 verbunden sein .
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sub-Moduls 610 im Detail dargestellt. Das zweipolige Sub-Modul 610 weist einen ersten Sub-Modulanschluss 704 und einen zweiten Sub- Modulanschluss 706 auf. Die beiden Sub-Modulanschlüsse 704 und 706 sind mit einer Leistungshalbleiterschaltung 710 verbunden (genauer gesagt mit einem Wechselspannungsanschluss der Leistungshalbleiterschaltung 710). Ein Gleichspannungsanschluss der Leistungshalbleiterschaltung 710 ist über einen Gleichspannungszwischenkreis 714 mit einem Energiespeicher 724 in Form eines Kondensatormoduls 724a (mit einem Kondensa¬ tor 1020) verbunden. In dem Gleichspannungszwischenkreis 714 ist die Zwischenkreisspannung Uzk vorhanden. Die Leistungshalbleiterschaltung 710 wird auch als „Powermodul" bezeichnet .
Ein Bypassschließer 730 umfasst eine Überwachungseinheit 732 mit einer Bypassschalterlogik, die einen Bypassschalter 731 schließt, wenn ein Zusammenbruch der der Zwischenkreisspan- nung Uzk (und damit Spannung des Kondensators 1020) von ihr erkannt wird.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Leistungshalblei- terschaltung 710 dargestellt. Die Leistungshalbleiterschal¬ tung 710 weist vier Leistungshalbleiterschalter 810 auf, die ein- und ausschaltbar sind. Jeder der Leistungshalbleiterschalter 810 weist ein Leistungshalbleiterbauelement mit ei¬ ner antiparallel geschalteten Diode auf. Im Ausführungsbei- spiel der Fig. 8 ist das Leistungshalbleiterbauelement ein
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) . In anderen Ausführungsbeispielen kann das Halbleiterbauelement jedoch auch anders ausgestaltet sein, zum Beispiel als ein IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor), IEGT ( Inj ection-Enhanced Gate Transistor) oder als ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) . Die vier Halbleiterschalter 810 bilden im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 eine Vollbrücken- schaltung. Dadurch kann die Polarität der zwischen dem ersten Sub-Modulanschluss 704 und dem zweiten Sub-Modulanschluss 706 anliegenden Spannung umgekehrt werden.
In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leis¬ tungshalbleiterschaltung 710 λ dargestellt, welches lediglich zwei Leistungshalbleiterschalter 810 aufweist. Die beiden Leistungshalbleiterschalter 810 bilden im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 eine Halbbrückenschaltung. Dadurch kann zwischen dem ersten Sub-Modulanschluss 704 und dem zweiten Sub- Modulanschluss 706 nur eine Spannung einer Polarität (oder eine Nullspannung) ausgegeben werden.
In Fig. 8 ist das Kondensatormodul 724a dargestellt, das hier aus einem Kondensator 1020 und einer parallelgeschalteten Spannungsmesseinrichtung 1020a besteht, wobei am Kondensator 1020 die Zwischenkreisspannung Uzk anliegt und von diesem ge- puffert wird.
Dargestellt ist in Fig. 9 der Kondensator 1020, der aus einer Reihen- und Parallelschaltung von Wickeln 1021 besteht, die jeweils aus aufgewickelten elektrisch leitenden (ersten) Folien in Form von Metallfolien und mindestens einer dazwischenliegenden elektrisch isolierenden (zweiten) Folie in Form von mindestens einer Kunstoffisolierfolie gebildet sind. Die in Reihe und parallel geschalteten Wickel 1021 sind mit einem Kurzschließer 1022 verbunden, der als Wärmekurzschließer ausgebildet und mit den Anschlüssen 1023, 1024 des Kon¬ densators 1020 verbunden ist. In Fig. 10 ist eine erste Ausführung des Kondensators 1020 mit integriertem Kurzschließer 1022 aus Sicht der Anschlüsse des Kondensators 1020 schematisch dargestellt. Man erkennt, dass der den Kurzschließer 1022 hier ein keilförmiges Kurzschlusselement 1025 aufweist, das im Bereich der beiden An- Schlüsse 1023, 1024 angeordnet und mittels eines Potential¬ ausgleichsdrahts 1026 mit dem einen Anschluss 1024 elektrisch verbunden ist. Die beiden Anschlüsse 1023, 1024 sind in einem festen elektrisch isolierenden Trennmaterial 1027 eingebettet, d.h. das Trennmaterial 1027 ist damit auch zwischen den beiden einander zugewandten Anschlussflächen 1023a, 1024a der beiden Anschlüsse 1023, 1024 angeordnet. Dabei ist das Kurz¬ schlusselement 1025 vom festen Trennmaterial 1027 in einer ersten Position gehalten, wie in Fig. 10 dargestellt. Die erste Position befindet sich hier bezogen auf die Richtung 1028 der Schwerkraft oberhalb der Anschlüsse 1023, 1024 und ist von der Schwerkraft beaufschlagt.
Das Trennmaterial 1027 weist eine Schmelztemperatur auf, die derart ausgewählt (abgestimmt) ist, dass das (feste) Trennma- terial 1027 schmilzt (sich verflüssigt) , wenn es aufgrund von Isolationsfehlern zu einer starken Wärmeentwicklung kommt. Schmilzt das feste Trennmaterial 1027, so bewegt die Schwer¬ kraft das Kurzschlusselement 1025 nach unten in eine zweite Position, in welcher der Kurzschließer 1022 auch den anderen Anschluss 1023 (sowie den Anschluss 1024 direkt) kontaktiert und dadurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen 1023, 1024 herstellt. Um die Bewegung in die zweite Position zu erleichtern, wird vorgeschlagen, dass der Kurzschließer 1022 eine Keilform aufweist, dessen Keilspitze bezogen auf die Richtung 1028 der Schwerkraft nach unten zeigt.
Durch den Kurzschluss und damit den Zusammenbruch der Kondensatorspannung wird die vorhandene Bypassschalterlogik im betroffenen Sub-Modul (z.B. 610) ausgelöst, welche anschließend zu einer sicheren Fehlerklärung führt.
Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführung des Kondensators 1020 mit integriertem Kurzschließer 1022 in einer schematischen Darstellung. Im Unterschied zur ersten Ausführung befindet sich das hier quaderförmige Kurzschlusselement 1025 zwischen den beiden Anschlüssen 1023, 1024 und die das Kurzschlussele¬ ment 1025 beaufschlagende Kraft ist die Kraft einer Druckfe¬ der 1029, die im gespannten Zustand im festen Trennmaterial 1027 angeordnet und elektrisch mit dem Anschluss 1024 direkt verbunden ist. Im geschmolzenen Trennmaterial 1027 entspannt sich die Feder 1029 unter Vergrößerung ihres Volumens bzw. ihrer Länge, bis das Kurzschlusselement 1025 den anderen ge¬ genüberliegenden Anschluss 1023 kontaktiert und dadurch wie bei der ersten Ausführung einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen 1023, 1024 herstellt.

Claims

Patentansprüche
1. Kondensator (1020) für zweipolige Sub-Module (610) eines Mehrstufenumrichters (3) ,
mit einem Wickel (1021), der aus elektrisch leitenden ersten Folien und mindestens einer dazwischenliegenden elektrisch isolierenden zweiten Folie gebildet ist,
mit Anschlüssen (1023, 1024), die mit den beiden elektrisch leitenden Folien verbunden sind, und
mit einem elektrisch isolierendes Trennmaterial (1027), wel¬ ches zwischen den beiden einander zugewandten Anschlüssen (1023, 1024) angeordnet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Trennmaterial (1027) eine Schmelztemperatur auf- weist, bei der es sich verflüssigt,
dass ein Kurzschließer (1022) vorhanden ist, der ein Kurzschlusselement (1025) aufweist, das a) im Bereich der beiden Anschlüsse (1023, 1024) angeordnet ist, b) mit dem einen An- schluss (1024) elektrisch verbunden ist, c) vom festen Trenn- material (1027) in einer ersten Position gehalten ist und d) von einer Kraft beaufschlagt ist, die den Kurzschließer
(1022) bei geschmolzenem Trennmaterial (1027) in eine zweite Position bewegt, in welcher der Kurzschließer (1022) zumindest auch den anderen Anschluss (1023) kontaktiert und da- durch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen (1023, 1024) herstellt.
2. Kondensator 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 den Kurzschließer (1022) beaufschlagende Kraft die
Schwerkraft ist und sich der Kurzschließer (1022) bezogen auf die Richtung (1028) der Schwerkraft oberhalb der Anschluss¬ flächen (1023a, 1024a) vom festen Trennmaterial (1027) in der ersten Position gehalten ist.
3. Kondensator nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Kurzschließer (1022) eine Keilform aufweist, dessen Keilspitze bezogen auf die Richtung (1028) der Schwerkraft nach unten zeigt.
4. Kondensator 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 den Kurzschließer (1022) beaufschlagende Kraft die Kraft einer Feder (1029) ist, die im gespannten Zustand im festen Trennmaterial (1027) angeordnet ist und sich im ge¬ schmolzenen Trennmaterial (1027) unter Vergrößerung ihres Vo- lumens entspannt.
5. Kondensator nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Feder (1029) eine Schraubenfeder ist, die im ge- schmolzenen Trennmaterial (1027) ihre Längsausdehnung vergrößert und dabei den Kurzschließer (1022) gegen den anderen An- schluss (1023) bewegt, bis dieser unter Kontaktierung des anderen Anschlusses (1023) und damit Herstellung einer elektrischen Verbindung am anderen Anschluss (1023) zur Anlage kommt.
6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 - 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass an den beiden Anschlüssen (1023, 1024) einander zuge- wandte Anschlussflächen (1023a, 1024a) ausgebildet sind, zwi¬ schen denen das Trennmaterial (1027) angeordnet ist.
7. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 - 6,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
ein Gehäuse, in dem der Wickel (1021) angeordnet und durch das zumindest einer der beiden Anschlüsse (1023, 1024) nach außen geführt ist.
8. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 - 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Trennmaterial (1027) eine Vergussmasse ist.
9. Mehrphasiger Mehrstufenumrichter (3), der mehrere Phasenmodule (210) aufweist, die jeweils aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Modulen (610) gebildet sind, welche jeweils mehrere Halbleiterschalter (710, 710 λ) und jeweils einen Kondensator (1020) als Energie¬ speicher (724) aufweisen, der als Folienkondensator ausgebildet ist, welcher umfasst
- einen Wickel (1021), der aus elektrisch leitenden ersten Folien und mindestens einer dazwischenliegenden elektrisch isolierenden zweiten Folie gebildet ist,
- Anschlüsse (1023, 1024), die mit den beiden elektrisch lei¬ tenden ersten Folien verbunden sind, und
- ein elektrisch isolierendes Trennmaterial (1027), welches zwischen den beiden einander zugewandten Anschlüssen (1023, 1024) angeordnet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Trennmaterial (1027) eine Schmelztemperatur auf¬ weist, bei der es sich verflüssigt, und
dass ein Kurzschließer (1022) a) im Bereich der beiden An- Schlüsse (1023, 1024) angeordnet ist, b) mit dem einen An- schluss (1024) elektrisch verbunden ist, c) vom festen Trennmaterial (1027) in einer ersten Position gehalten ist und d) von einer Kraft beaufschlagt ist, die den Kurzschließer
(1022) bei geschmolzenem Trennmaterial (1027) in eine zweite Position bewegt, in welcher der Kurzschließer (1022) den anderen Anschluss (1023) kontaktiert und dadurch einen elektri¬ schen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen (1023, 1024) herstellt.
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WO2008125493A1 (de) * 2007-04-16 2008-10-23 Siemens Aktiengesellschaft Aktivfilter mit einer multilevel-topologie

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