WO2019222783A1 - Leistungsbaugruppe mit tragendem kühlkörper - Google Patents

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WO2019222783A1
WO2019222783A1 PCT/AT2019/060174 AT2019060174W WO2019222783A1 WO 2019222783 A1 WO2019222783 A1 WO 2019222783A1 AT 2019060174 W AT2019060174 W AT 2019060174W WO 2019222783 A1 WO2019222783 A1 WO 2019222783A1
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cooling plate
power
module
assembly
cooling
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PCT/AT2019/060174
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Inventor
Martin NAGELMÜLLER
Raimund Ratzi
Original Assignee
Miba Energy Holding Gmbh
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    • H05K7/1427—Housings
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    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14339—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for high voltage operation
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a power module for a medium or Hochhardsumrich ter, preferably a Modular Multilevel inverter (MMC), which comprises a cooling plate designed as a cooling device having at least one support portion for load transfer of the power assembly to a frame of the medium or high voltage converter.
  • MMC Modular Multilevel inverter
  • the invention further relates to a medium or high voltage converter with a correspondingly designed power module.
  • Modern medium or high voltage converters typically have a plurality of power modules interconnected with each other, such as MMC submodules, for converting AC to DC or vice versa.
  • Such power modules can also be referred to as submodules, especially in modular multilevel inverters who the.
  • the Lachmann a variety of possible arrangements of Energyspei cherbauopathy, power semiconductor modules, associated control devices and in particular for cooling these elements provided cooling devices are known.
  • W02008 / 074274A1 discloses a multilevel power converter with a plurality of power semiconductor converter having power converter modules and a plurality of energy storage of fenbart, wherein at least one power converter module is attached to an energy storage supporting.
  • multilevel power rectifier are arranged in a frame such that the energy storage is supported on cross struts of Ge stells on its Lront- and back.
  • a quick replacement of tillbau group is complicated by the fact that the vertically arranged power assembly must be raised relatively well and transferred from or into the frame.
  • a derarti gene arrangement are also for contacting the connections for power, control and / or the coolant partly relatively long connecting elements or lines required, which bring a deterioration of accessibility on the user side with it.
  • a possible structure for a power sub module of a multilevel power converter which provides the arrangement of a power semiconductor module of the power assembly at least partially directly or indirectly on a cooling plate.
  • a relatively complex frame construction for holding the individual nen components of the power assembly required to allow a load transfer to a rack of a multilevel power converter for mounting such a power module in a multilevel Power converters, however, a relatively complex frame construction for holding the individual nen components of the power assembly required to allow a load transfer to a rack of a multilevel power converter.
  • the disclosed con struction has the disadvantage that the energy storage unit is arranged in the vertical direction on the semiconductor unit, whereby the cooling effect of the cooling plate is reduced to the energy storage unit.
  • EP1125355B 1 discloses a power converter-capacitor assembly which is formed as a supporting component.
  • the capacitors are installed above power semiconductors, whereby the disadvantage of reduced heat dissipation of the heat sink remote from the capacitors arranged heat sink must be accepted.
  • the object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a power module which represents a simple, cost-effective, safe and quickly exchangeable platform solution.
  • a further object of the invention was to ensure a good heat dissipation and to improve the EMC of the power module or of the medium or high-voltage converter. This object is achieved by a power assembly and a medium or high voltage converter according to the claims.
  • the power module according to the invention for a medium or high voltage converter comprises at least one power semiconductor module, at least one energy storage module and at least onedevorrich device.
  • the cooling device is designed as, by a coolant fürströmbare, in particular a cooling liquid fürfixiebare, cooling plate having a plate length compared to a cooling plate and a cooling plate height lower cooling plate thickness and loadab Trag the power assembly on a frame of the medium or high voltage converter to at least one, by having the cooling plate length and the cooling plate thickness and / or a part of the cooling plate height of the cooling plate defined supporting area.
  • the cooling plate thus serves as a kind of mounting plate for receiving the energy, power semiconductor modules and any other compo nents.
  • Such components may e.g. be arranged in the form of an auxiliary assembly on the cooling plate and about a control device, power supplies, bypass circuits, resistors and the like include.
  • the power semiconductor module preferably comprises an IGBT module, MOSFETs, transistors or the like.
  • the energy storage module preferably comprises a capacitor assembly, which may comprise a plurality of capacitors, and / or other expedient energy stores.
  • suitable line elements such as busbars, cables or the like, the skilled man sufficiently well known and will therefore not be explained in detail.
  • Such a power module thus has a substantially vertically oriented cooling plate, which in at least one support region on the frame transmits load-transmitting. supports.
  • the support area may be provided in the area of a cooling plate top side and / ordeplattenun terseite, which give the expert application-specific advantages he who eg in a very space-saving arrangement of several power assemblies in a frame and / or a receiving space of the frame similar to a "Steck Actuallyprin zips" result.
  • the linear expansion of the power module is essentially predetermined by the cooling plate length and substantially greater in the longitudinal direction than in the vertical and / or the transverse direction.
  • the cooling plate has a ratio of the cooling plate length in the longitudinal direction to the cooling plate height in the vertical direction of 5: 1 to 1: 2, in particular from 2: 1 to 1: 1 and in each case is greater than the power assembly height in Qu erection , As a result, the risk of tilting of the power module during maintenance work or a significant change can be reduced and yet a very compact power processing module can be realized.
  • An inventive medium or high voltage converter preferably a modular multilevel converter comprises at least one power assembly, as described above and fol lowing, and at least one frame with a plurality of vertical and Ho rizontalträgem, which are arranged to connect each at least two vertical uprights, and which Frame has at least one receiving space for at least one exambau group, wherein at least one longitudinal carrier for load transfer of the power assembly at least two horizontal carriers is arranged connecting.
  • the longitudinal members are designed for load transfer of at least one power module. In this way, the longitudinal members simultaneously exercise a supporting function for the power assembly, as well as a connecting function for the Horizontalträ- ger of the frame. It can also be provided that a plurality of power assemblies are arranged in egg nem common receiving space, which can result in savings in terms of cost and / or space requirements.
  • At least one horizontal carrier and / or longitudinal carrier made of an electrically insulating material, preferably a glass fiber composite material.
  • the position of the center of gravity can be optimized by suitable design of the support area of the cooling plate.
  • the load transfer can be realized according to the invention by supporting the cooling plate on at least one support area down and / or in a hanging arrangement, resulting in a large Gestal free space for the laughing man.
  • Lerner can be achieved by the inventively designed exambau group good thermal connection of the heat-emitting components to the cooling plate, and a homogenization of the electrical conduction paths can be achieved whereby the EMC can be improved.
  • Lemer can be provided that the at least one supporting area for supporting Lastab on the frame in the vertical direction substantially downwards as a support surface, before given to at least the cooling plate length and cooling plate thickness, is formed.
  • the support region can thus include the bottom surface of the cooling plate in the region of the underside of the cooling plate, as well as a vertically adjoining part of the side surfaces.
  • the support surface extends over the entire length of the cooling plate, whereby the surface load of the power assembly on the side member is reduced locally can.
  • the preferred area load transfer of the power assembly on the support surface made light a very stable position and / or guidance, as well as a relatively simple handling of the power processing module.
  • the at least one support region for load transfer to the frame in the region of a cooling plate top side of the cooling plate preferably comprising at least the cooling plate length and a part of the cooling plate height is formed.
  • Such a design of the support region can be realized independently or in conjunction with the abovementioned support surface on a power assembly.
  • a support area on the upper side of the cooling plate can thus be used to carry out the load transfer to a longitudinal carrier arranged in the vertical direction.
  • the load can be done by means of appro priate rolling body and / or sliding elements to form a kind of "hanging power assembly", whereby the position of the center of gravity of the power assembly in Verti kaliques is of minor importance and a stable support in the frame can be achieved.
  • the cooling plate at both, defi ned by the cooling plate length and the cooling plate height of the cooling plate, sides at least one receiving surface, for arranging each of at least one Lei processing semiconductor module and / or at least one energy storage module having ,
  • Such receiving surfaces need not be extended over the entire cooling plate height and / or length, but can only make up a part of the side surfaces.
  • the individual electrical components, in particular the at least energy storage and / or power semiconductor module can be arranged thermally conductive directly on the cooling plate. This allows a highly efficient heat dissipation.
  • the cooling plate can be used in this way the best idea of a construction platform following.
  • this embodiment allows a variety of possible arrangements to be able to set a good weight distribution or center of gravity.
  • combinations of several mutually independent energy storage and / or power semiconductor modules are conceivable on a common cooling plate, which simplifies the possibility creates several functional power modules by means of a common cooling plate trainees.
  • the cooling plate has at least one Anschlußöff voltage in the transverse direction for performing and contacting at least power connections of the at least one energy storage assembly to at least one horaumleiterbau group and / or at least one auxiliary subassembly.
  • connection opening penetrates the cooling plate in the transverse direction. In this way, a complicated passing around the current-carrying lines around the cooling plate can be avoided efficiently.
  • connection opening very short electrical conduction paths can thus be achieved, as a result of which a homogenization of capacitive and / or inductive disturbances up to their avoidance can be achieved. This be favorable to the electromagnetic compatibility of the power assembly or the medium or high voltage converter.
  • the arrangement of these at least one connection opening can be selected as needed on the cooling plate, but is preferably positioned centrally in the vertical direction.
  • the at least one power semiconductor module on the first side and the at least one energy storage assembly on the, the first side ge opposite, second side of the cooling plate are arranged.
  • a local separation of the energy storage device from the power semiconductor device can be performed. In the event of damage, this can be particularly favorable for a power module which is caused by faulty power ganleiter. Frequently, the failure of one or more power semiconductors at high voltages in medium or high voltage converters is explosive, as well as under pressure, dust and / or heat development, vonstatten.
  • an explosion protection can be realized and thus the safety during operation can be improved.
  • the retaining element of the cooling plate may be formed as an extension, preferably as a pin with a groove or pin with respect to a pin diameter widened head, or as a recess before given to a notch, groove, or the like.
  • the coupling device on Gesteh is analogous thereto, so in particular form and function complementary formed.
  • the coupling device can thereby be "active”, such as via a separate actuating mechanism, or "passive", such as a latching element formed.
  • the at least one retaining element as a centering and / or end stop in the longitudinal direction nen, whereby damage during the change can be avoided.
  • this embodiment enables an automatic, ie, "passive” and / or “active” locking of the power assembly in the event of a fault, thereby preventing the security from falling out and / or tilting of the power assembly, e.g. in an earthquake, can be increased.
  • the retaining element is preferably arranged on the rear side of the cooling plate.
  • the power assembly has at least one housing Schutzge for receiving at least one power semiconductor assembly and / or auxiliary subassembly and / or energy storage assembly, which can be fastened to the cooling plate, before given coupled, is formed.
  • Such a protective housing can significantly increase the safety of the electrical components contained therein against external influences such as dust, liquids, etc.
  • a protective housing may consist of several partial protective housings, which may have different heights. This allows protection in case of damage or explosion of the individual components and also allows a very compact construction as the power modules allow.
  • at least one bulkhead element at least two components, such as power semiconductor assembly and / or Hilfsbau group and / or the energy storage assembly, separating from each other, and the cooling plate is arranged to connect to the at least one protective housing.
  • a gas and / or the particle entry in the event of an explosion in the section of an adjacently arranged compo nente can be reduced efficiently or even avoided altogether.
  • a bulkhead element has shape-complementary passage openings for any current and / or control and / or measuring connections or lines.
  • At least two power connections and / or control connections and / or coolant connections and / or possible measurement connections and / or auxiliary connections are formed on a front side of the power module.
  • the coolant connections are preferably designed as Schnellver conclusions, whereby the speed when changing a power assembly can be increased.
  • At least two power connections and / or control connections and / or the coolant connections are formed on a rear side of the power module.
  • the power module can be moved into the receiving space of the frame.
  • the cooling plate here in the longitudinal direction to the rear side of the electrical components or their protective housing designed outstanding.
  • the exemplary connections can be ner disposed on the back of the frame supply platform complementary be formed, whereby one, preferably automatic, coupling and / or decoupling can be achieved. This facilitates the operation and can increase the reliability, since the erroneous operation of terminals can be avoided.
  • At least one outstanding stop element is arranged on the front side of the cooling plate in the vertical direction by means of the cooling plate height.
  • This measure can serve as a depth stop of the power module and ensure the correct positioning of all connections in a predefinable or defined position.
  • the risk of damage in the rear-mounted ports efficiently avoided ver.
  • the cooling plate is composed of at least two cooling plate segments divided in the longitudinal direction and / or the transverse direction and / or vertical direction to form a continuous cooling channel.
  • a cooling plate by assembling a plurality of cooling plate segments he allows a simple modular design of the cooling plate, which according to the Platt formge philosophicals of the present invention, a simple customization to the arrangement of the power semiconductor module and / or the energy storage assembly can be made on the cooling plate.
  • a cooling plate can be formed by joining two horizontally divided cooling plate segments, wherein at least one cooling plate segment has a recess for a cooling channel.
  • Thedeplat tensegmente can be connected to each other by suitable fasteners.
  • cooling plate segments may be connected by means of a welded joint.
  • a compound ofdeplattenseg elements has proven to each other by means of friction stir welding.
  • At least two cooling plate segments have different cooling capacities from each other. In this way it is possible to optimize the local heat dissipation through the cooling plate.
  • the measures described above thus allow a local adaptation of the heat dissipation power according to the predeterminable arrangement of particular special hogurleitem and / or energy storage on the cooling plate.
  • a higher heat dissipation in the range of above the energy storage assembly arranged catalog groups may be advantageous in the standing structure of the invention cooling plate, which also advantageously the center of gravity can be chosen lower.
  • such a design of the cooling plate can lead to a cultivatedgüns term design.
  • At least one cooling plate segment for Ausbil tion of a continuous cooling channel in the assembled state of the cooling plate, adekanalaus foundedung for receiving a formkomplementary refrigerant line, which is included in the assembled state of the cooling plate of the cooling plate.
  • the cooling plate is formed at least in the vertical direction relative to at least one power semiconductor module and / or at least one energy storage module and / or at least one Schutzge housing outstanding.
  • Such protrusions can be used for improved safety in the longitudinal movement of the power assembly when changing.
  • such protrusions comprise the at least one support portion and, at the same time, can laterally support the power assembly in the transverse direction on guide elements of the rack provided therefor, whereby the stability of the position of the power assemblies can be increased.
  • At least one longitudinal member of the medium or high-voltage voltage inverter at least one Lizingungselement for guiding and / or increasing the position stability of the cooling plate, in particular the support region, at least in the transverse direction.
  • Such guide elements may be arranged on an upper and / or lower side of the longitudinal member. They can be used for lateral and / or vertical support and allow a fast and safe change of the power module.
  • At least one guide element for acceptance of the support area and / or for guiding the cooling plate is formed on a bottom of at least one longitudinal member as a Z, L, C or U-shaped profile element.
  • the cooling plate in the support region has at least two rolling body.
  • the rolling elements may be formed on or within the cooling plate or a front of it seen rolling body recording.
  • the movement of the power unit can be effectively facilitated, which in particular the security and speed can be increased when changing.
  • the at least two rolling elements are arranged on the support surface of the cooling plate and preferably in the vertical direction relative to the support surface at least partially outstandingly adjustable.
  • Such rolling bodies which are arranged substantially on the underside of the cooling plate, are very well protected against contamination and / or corrosion. It is preferably be possible that the rolling elements between a service position and a rest position by means of an integrated into the cooling plate or the support area lever mechanism are adjustable. In this case, the rolling bodies protrude beyond the support surface in the service position, which allows movement of the power assembly while in the rest position. Position behind the support surface back into the cooling plate can be sunk. As a result, the power module is raised slightly as a whole in the service position or secured in the rest position by the flat support of the support surface on the guide element and / or the longitudinal carrier against movement. The rolling elements are spaced from each other in the longitudinal direction in the interior of the support area, so arranged the cooling plate.
  • the joint adjustment of the rolling elements or the actuation of the lever device can, for example, take place via a common coupling rod and be performed manually or also by motor by applying a force.
  • the at least two rolling bodies in the support area laterally for example on the first and / or second side of the cooling plate to be arranged.
  • Roller bodies arranged in this way can preferably be arranged in the region of the upper side of the cooling plate in the support region, in order, e.g. to realize a "hanging" arrangement of the power module.
  • the axis of rotation of the rolling body is substantially in the transverse direction. This can represent an independent solution for a low-friction movement of the power module or can also be done in combination with previously mentioned embodiments.
  • the rolling elements can also be aligned substantially vertically with its axis of rotation, whereby a low-friction guidance in or on the guide element is made possible.
  • At least one longitudinal support of the frame is formed as a hollow body and has at least two passage openings for the passage of at least one Rollkör pers in a service position of an insertable into the longitudinal member in a rest position He beticianschwmaschines on.
  • the operating principle of said lifting tool can be considered analogous to the above description of the adjustable rolling bodies of the cooling plate, but remain in this embodiment during operation no rolling elements within the frame.
  • By- openings for the rolling elements are vorgese hen on the side rail in the vertical direction upward, wherein the lifting tool is supported in the vertical direction down on the inside of the hollow body.
  • According to the introduction of only one lifting tool is finally required in case of damage or service in the designated hollow body.
  • This avoids the arrangement of movable and / or loose parts in the frame, which can prove to be disadvantageous in particular in high-voltage applications.
  • a reduction in the total weight of the medium or high-voltage converter occurs.
  • Fig. 1 is a schematic oblique view of a power assembly in a middle or
  • Fig. 2 is a schematic front view of various possible arrangements of energy storage modules and power semiconductor groups on the cooling plate of the power subassembly (a) to (c);
  • Fig. 3 is a schematic exploded view of a possible embodiment of a
  • FIG. 4 is a schematic oblique view of a power module with retaining element and corresponding coupling device on the frame;
  • Fig. 5 is a schematic exploded view of a cooling plate of several cooling plate segments with different cooling capacities
  • 6 is a schematic representation of a section of the support region of a cooling plate with adjustable rolling bodies in the rest position (a) or service position (b);
  • FIG. 7 is a schematic sectional view of a power assembly in a suspended and / or upright support on the frame (a, b), and a schematic oblique view of a section of the frame with insertable into the side member lifting tool (c).
  • Fig. 1 is a schematic representation of a medium or high voltage converter 2 is shown with a power assembly 1 according to the invention.
  • the concept according to the invention can also be considered for low-voltage converters.
  • the medium or high-voltage converter 2 has a frame 3, which comprises a plurality of vertical uprights 24 and Horizontalträgem 25.
  • the horizontal beams 25 are arranged to connect at least two vertical posts 24.
  • the frame 3 has a plurality ofdushoff men 23, which are each formed for receiving at least one power assembly 1.
  • the front and rear side horizontal beams 25 are connected by means of longitudinal members 26.
  • the longitudinal members 26 are used for load transfer of the power assembly 1 and Kings nen at the top and / or bottom one or more guide elements 22 have.
  • the power module 1 has a cooling device 6 in the form of a load-carrying cooling plate 7.
  • the cooling plate 7 has a smaller cooling plate thickness 10.
  • the cooling plate 7 is the load transfer of the power assembly 1 on the frame 3 is formed such that the load can be carried on at least one support portion 12 of the cooling plate.
  • the principle of action of the load transfer of the power assembly 1 on the at least one support area 12 on the frame 3 can be seen particularly well in conjunction with Fig. 2a to c and Fig. 7a and b. It can further be seen from FIG.
  • FIG. 2a-c different possible embodiments for arrangements of at least one power semiconductor module 4 and the at least one energy storage module 5 on the cooling plate 7 are shown schematically, although a one-sided Anord tion of all components is basically possible.
  • first and second sides 13, 14 of the cooling plate 7 are defined by the cooling plate length 8 and the cooling plate height 9.
  • At these first and second sides 13,14 can at least one receiving surface 18 for the arrangement of at least one power semiconductor terbauage 4 and / or at least one energy storage assembly 5 may be provided.
  • auxiliary assemblies 21 may be disposed on the sides 13, 14 of the cooling plate.
  • Fig. 2a a situation is shown schematically, in which the energy storage module 5 is disposed on a first side 13 of the cooling plate 7 and a cruschleiterbau group 4 is disposed on the opposite second side 14.
  • FIG. 2b shows a further possible embodiment, in which in each case a power semiconductor module 4 and an energy storage module 5 are arranged on a first and two side 13, 14 of the cooling plate 7.
  • FIG. 2c another possible embodiment is shown, wherein each other korres ponding power semiconductor modules 4 and energy storage assemblies 5 are arranged on opposite sides of the cooling plate 7 and each voltage by a Anschlußöff 20 are interconnected.
  • connection openings 20 For connecting the energy storage modules 5 to corresponding power semiconductor modules 4, it may be advantageous to provide connection openings 20, as shown in particular in Fig. 3, and shown in Fig. 2c by dashed lines, can be seen.
  • the embodiments shown in Fig. 2a to c represent a load transfer of the power assembly 1 via a Stitzbe rich 12, which is formed on the underside of the cooling plate 7 as a support surface 19. Al ternatively or in combination, reference is made to the discussion of Fig. 7a to c.
  • FIG. 3 shows schematically an exploded view of an exemplary embodiment of a power module 1 according to the invention.
  • several power semiconductor modules 4 and one or more energy storage modules 5 can be arranged on receiving surfaces 18 provided for this purpose.
  • the connection between these components and / or an auxiliary subassembly 21, the cooling plate 7 can be made penetrating via vorgese Hene port openings 20.
  • one or more protective housings 40 can be fastened with the cooling plate 7 for accommodating at least one power semiconductor module 4 and / or any further components.
  • the power module 1 can accordingly have one or more protective housings 40.
  • FIG. 3 shows the formation of a bulkhead element 48 between two components on one side of the cooling plate 7.
  • the bulkhead element 48 separates by way of example the power semiconductor modules 4 of the auxiliary subassembly 21 and connects the cooling plate 7 with the integrally formed Schutzge housing 40.
  • the connection of the bulkhead element 48 and / or the protective housing 40 to the cooling plate 7 can preferably be made via screw. It is also possible for a plurality of such bulkhead elements 48 to be provided on a first and / or second side 13, 14 of the cooling plate 7.
  • FIGS. 6 and 7c an exemplary embodiment of a arranged on the cooling plate 7 retaining element 39 is shown, which is formed with a coupling device 38 of the frame 3 korres pondierend.
  • the retaining element 39 is provided as a pin-shaped extension with a widened relative to the pin diameter head Darge, which automatically with a tab-shaped coupling device 38 at Lowering the power assembly 1 from the service position 31 in the rest position 32 arre advantage.
  • the power module 1 is guided in the support area 12 along the longitudinal carrier 26.
  • the illustrated guide elements 22 and the retaining element 39 can be used inter alia as a centering.
  • the coupling device 38 is arranged on the horizontal support 25.
  • the remindhalteele element 39 in the form shown, or even a functionally identical design, can also serve as a kind of end stop to avoid damaging rear connections arranged.
  • one or more stop elements 42, as shown in Fig. 1, may be arranged on the cooling plate 7.
  • any retaining elements e.g. as recesses and / or laterally on the cooling plate 7 outstanding extensions are executed.
  • the formkom plementary coupling devices 38 can be actively operated by an operator in this case, or even be designed to lock or release the power module 1 automatically.
  • power connections 33 are indicated, which can be arranged representative of control connections 36, coolant connections 37 and the like on the back 47 of the power assembly 1. From this representation, it is easy to imagine that when moving the power module 1 in the longitudinal direction 15, a coupling of these connections can be made with a supply platform, not shown.
  • FIG. 5 shows a schematic exploded view of a possible embodiment of a cooling plate 7 formed by cooling plate segments 43.
  • the cooling plate segments 43 may have differently arranged cooling channels 44, wel che form by forming the cooling plate segments 43 a closed cooling channel 44.
  • the formation of the cooling plate 7 by assembling a plurality of cooling plate segments 43 can be made. In this way, very different local cooling capacities at under defenceli chen cooling plate segments 43 can be realized very easily. In particular, this can be a cooling plate. 7 in the transverse direction 17 and / or longitudinal direction 15 and / or vertical direction 16 in cooling plates segments 43 be divided.
  • At least two rolling elements 27 are arranged rigidly on at least one support region 12 and facilitate the movement in the longitudinal direction 15.
  • the arrangement of the rolling elements 27 can take place on or within the cooling plate 7, or in a designated, not specifically shown , Roll stresses which the Lastab contribution of the power assembly 1 on the cooling plate 7 and its support portion 12 ensures.
  • Fig. 6a and b is a possible arrangement of adjustable rolling elements 27 in a Ser vice ein 31 or rest position 32 is shown.
  • the rolling elements 27 are in a Stützbe rich 12 in the direction of underside against the support surface 19 outstandingly stored.
  • the operating principle of this relatively simple lifting mechanism is shown by way of example on a rolling body 27.
  • the lever device 45 connects the rolling body 27 with a push rod 46, which is coupled to at least one second rolling body 27, and in the case of a plurality of rolling bodies 27, preferably with all rolling bodies 27.
  • This arrangement can be arranged laterally or within the cooling plate 7.
  • the rolling body 27 in the rest position 32 completely receded behind the support surface 19.
  • the rolling elements 27 are arranged in the support region 12 in the region of the upper side of the cooling plate 11.
  • the rolling elements 27 are arranged on both sides of the cooling plate, although a one-sided arrangement is conceivable.
  • the guide element 22 is formed in the region of the upper side of the cooling plate 11 as, for example, a C-shaped profile element and serves to receive the rolling elements 27, thereby allowing a kind of suspended arrangement of the power module 1.
  • the positional stability of the power unit 1 can be made wholly independent of an increased center of gravity.
  • FIG. 7a an alternative possible arrangement of rolling elements 27 can be seen in the support region 12, wherein the at least two rolling elements 27 are arranged in the region of the cooling plate underside and are used to support the support surface 19.
  • Such an arrangement may alone or in combination with rolling bodies 27, which are arranged in Stitzbe rich 12 on the cooling plate top 11, are formed.
  • Fig. 7b illustrates an alternative and standalone option for the arrangement of at least two rolling elements 27 in at least one support region 12.
  • the sectional view shows a rolling body 27 whose axis of rotation is directed substantially in the vertical direction 16, in the region of the cooling plate top 11. This finds essentially a lateral support of the cooling plate in the transverse direction 17 at the designated guide elements 22 instead.
  • a small air gap should be provided.
  • the formation of a sliding element in the upper support area 12 can also be considered. In both cases, however, the formation of rolling elements 27 and / or sliding elements on the underside of the cooling plate 7 may require ma chen.
  • a possible embodiment of this is shown in Fig. 7b in the region of the underside of the cooling plate, wherein a lifting tool 30 is inserted into the side member 26 and has at least two rolling elements 27.
  • the rolling elements 27 of such, in a longitudinal member 26 of the frame 3 insertable, he bewerkmaschines 30 are analogous to the description of the adjustable rolling elements 27 in Fig. 6a and b adjustable.
  • In the representation 7b is analogous to Fig. 6b of the rolling body 27 in the Service item 31 shown.
  • Fig. 7c wherein an insertable in egg nen side rail 26 lifting tool 30 is better seen in an oblique view.
  • Such a lifting tool 30 has at least two adjustable rolling elements 27, which analog but in the reverse direction of action to the described principle of operation of the discussion of Fig. 6 on.
  • the longitudinal member 26 is formed as a hollow body 28.
  • the common adjustment of the rolling elements 27 of an external lifting tool 30 can be performed manually or mo toric.
  • such a lifting tool 30 can be used for all power assemblies 1 of a medium or high voltage converter 2.
  • the formation of integral rolling bodies 27 on and / or within the cooling plate 7 can be avoided.
  • Support area 42 stop element first side 43 cooling plate segment second side 44 cooling channel

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mittel- oder Hochspannungsumrichter (2), vorzugsweise einen Modularen Multilevel Umrichter, sowie eine Leistungsbaugruppe (1) welche zumindest eine Leistungshalbleiterbaugruppe (4), zumindest eine Energiespeicherbaugruppe (5), zumindest eine Kühlvorrichtung (6) umfasst und wobei die Kühlvorrichtung (6) als, von einem Kühlmittel durchströmbare, insbesondere einer Kühlflüssigkeit durchfließbare, Kühlplatte (7) ausgebildet ist, welche eine verglichen zu einer Kühlplattenlänge (8) und einer Kühlplattenhöhe (9) geringere Kühlplattendicke (10) aufweist und die Kühlplatte (7) zum Lastabtrag der Leistungsbaugruppe (1) auf ein Gestell (3) des Mittel- oder Hochspannungsumrichters (2) zumindest einen, durch die Kühlplattenlänge (8) und Kühlplattendicke (10) und/oder einem Teil der Kühlplattenhöhe (9) der Kühlplatte (7) definierten, Stützbereich (12) aufweist.

Description

Leistungsbaugruppe mit tragendem Kühlkörper
Die Erfindung betrifft eine Leistungsbaugruppe für einen Mittel- oder Hochspannungsumrich ter, vorzugsweise einen Modularen Multilevel Umrichter (MMC), welche eine als Kühlplatte ausgebildete Kühlvorrichtung umfasst die zumindest einen Stützbereich zum Lastabtrag der Leistungsbaugruppe auf ein Gestell des Mittel- oder Hochspannungsumrichters aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Mittel- oder Hochspannungsumrichter mit einer entsprechend ausgebildeten Leistungsbaugruppe.
Moderne Mittel- oder Hochspannungsumrichter weisen in der Regel eine Mehrzahl von mitei nander verschalteten Leistungsbaugruppen, wie etwa MMC-Submodulen, zum Umrichten ei ner Wechsel- in eine Gleichspannung oder umgekehrt auf. Derartige Leistungsbaugruppen können auch als Submodule, speziell bei Modularen Multilevel Umrichtern, bezeichnet wer den. Dabei sind dem Lachmann eine Vielzahl von möglichen Anordnungen von Energiespei cherbaugruppen, Leistungshalbleiterbaugruppen, damit verbundene Steuervorrichtungen und insbesondere zur Kühlung dieser Elemente vorgesehene Kühlvorrichtungen bekannt.
In der W02008/074274A1 ist ein Multilevel- Stromrichter mit einer Mehrzahl von Leistungs halbleiter aufweisenden Stromrichtermodulen und einer Mehrzahl von Energiespeichern of fenbart, wobei zumindest ein Stromrichtermodul an einem Energiespeicher tragend befestigt ist. Zur Ausbildung des Modularen Multilevel Umrichters werden derartige Multilevel- Strom richter in einem Gestell derart angeordnet, dass der Energiespeicher auf Querstreben des Ge stells an seiner Lront- und Rückseite abgestützt ist. Ein schneller Austausch der Leistungsbau gruppe wird dadurch erschwert, dass die stehend angeordnete Leistungsbaugruppe relativ um ständlich angehoben und aus bzw. in das Gestell transferiert werden muss. Bei einer derarti gen Anordnung sind ferner zur Kontaktierung der Anschlüsse für Strom-, Steuerung- und/o der Kühlmittel teils relativ lange Verbindungselemente bzw. -leitungen erforderlich, welche nutzerseitig eine Beeinträchtigung der Zugänglichkeit mit sich bringen.
In der US2017194878A1 wird ein möglicher Aufbau für eine Leistungsbaugruppe bzw. Sub modul eines Multilevel- Stromrichters offenbart, welcher die Anordnung einer Leistungshalb leiterbaugruppe der Leistungsbaugruppe zumindest teilweise direkt oder indirekt auf einer Kühlplatte vorsieht. Zur Montage einer derartigen Leistungsbaugruppe in einem Multilevel- Stromrichter ist jedoch eine relativ aufwändige Rahmenkonstruktion zur Halterung der einzel nen Komponenten der Leistungsbaugruppe erforderlich um eine Lastabtragung auf ein Gestell eines Multilevel-Stromumrichters zu ermöglichen. Des Weiteren weist die offenbarte Kon struktion den Nachteil auf, dass die Energiespeichereinheit in Vertikalrichtung auf der Halb leitereinheit angeordnet ist, wodurch die Kühlwirkung der Kühlplatte auf die Energiespeicher einheit reduziert wird.
Die EP1125355B 1 offenbart eine Stromrichter- Kondensatorbaugruppe, welche als tragende Komponente ausgebildet ist. Die Kondensatoren sind oberhalb von Leistungshalbleitem mon tiert, wodurch der Nachteil einer reduzierten Wärmeableitung des entfernt von den Kondensa toren angeordneten Kühlkörpers in Kauf genommen werden muss.
Dem Fachmann sind weitere Anordnungen für Leistungsbaugruppen bekannt, in welchen die Energiespeicherbaugruppe in Längsrichtung hinter der Halbleiter- und/oder Steuerbaugruppe angeordnet ist. Vorrangig ist dabei die größte Längen- au sdehnung einer Leistungsbaugruppe in Vertikalrichtung ausgebildet, wodurch sich mehrere Leistungsbaugruppen in einem Gestell zur Bildung eines modularen Umrichters neben- und übereinander anordnen lassen, jedoch eine relativ hoch liegende Schwerpunktlage in Kauf genommen werden muss.
Die zunehmenden Anforderungen an die Sicherheit, insbesondere Explosionsschutz, Bedie nersicherheit und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), gehen mit der Forderung einer kostengünstigen Fertigung der Leistungsbaugruppe einher. Des Weiteren ist eine schnelle und komfortable Austauschbarkeit einer Leistungsbaugruppe im Schadensfall wünschenswert. Außerdem wäre eine individuelle Anpassbarkeit einer Leistungsbaugruppe an die jeweiligen, lokalen Erfordernisse eines Mittel- oder Hochspannungsumrichters an stationären Anlagen wünschenswert, oder auch für den Einsatz an beweglichen Aufstellungsorten, wie etwa einem Zug oder Schiff, von praktischem Vorteil.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu über winden und eine Leistungsbaugruppe zur Verfügung zu stellen, welches eine einfache, kos tengünstige, sichere und schnell austauschbare Plattformlösung darstellt. Eine weitere Auf gabe der Erfindung war es eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten und die EMV der Leis tungsbaugruppe bzw. des Mittel- oder Hochspannungsumrichters zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine Leistungsbaugruppe und einen Mittel- oder Hochspannungs umrichter gemäß den Ansprüchen gelöst.
Die erfindungsgemäße Leistungsbaugruppe für einen Mittel- oder Hochspannungsumrichter, vorzugsweise einen Modularen Multilevel Umrichter, umfasst zumindest eine Leistungshalb leiterbaugruppe, zumindest eine Energiespeicherbaugruppe und zumindest eine Kühlvorrich tung. Die Kühlvorrichtung ist als, von einem Kühlmittel durchströmbare, insbesondere einer Kühlflüssigkeit durchfließbare, Kühlplatte ausgebildet, welche eine verglichen zu einer Kühl plattenlänge und einer Kühlplattenhöhe geringere Kühlplattendicke aufweist und zum Lastab trag der Leistungsbaugruppe auf ein Gestell des Mittel- oder Hochspannungsumrichters zu mindest einen, durch die Kühlplattenlänge und Kühlplattendicke und/oder einem Teil der Kühlplattenhöhe der Kühlplatte definierten, Stützbereich aufweist.
Durch die erfinderische Ausbildung der Leistungsbaugruppe, insbesondere der Kühlvorrich tung als lastabtragendes Konstruktionselement, wird gleichzeitig eine Stützfunktion der Leis tungsbaugruppe am Gestell ausgeübt und eine Aufnahmeplattform für sämtliche am Kühlkör per angeordneten Baugruppen gebildet. Die Kühlplatte dient somit als eine Art Aufbauplatte zur Aufnahme der Energie-, Leistungshalbleiterbaugruppen und etwaiger weiterer Kompo nenten. Derartige Komponenten können z.B. in Form einer Hilfsbaugruppe an der Kühlplatte angeordnet sein und etwa eine Steuervorrichtung, Netzteile, Bypass-Schaltungen, Wider stände und dergleichen umfassen.
Die Leistungshalbleiterbaugruppe umfasst vorzugsweise eine IGBT-Baugruppe, MOSFETs, Transistoren oder dergleichen. Die Energiespeicherbaugruppe umfasst vorzugsweise eine Kondensatorbaugruppe, welche eine Mehrzahl von Kondensatoren umfassen kann, und/oder andere zweckdienliche Energiespeicher. Die Verbindung der einzelnen Komponenten mittels geeigneter Leitungselemente, wie Stromschienen, Kabeln oder dergleichen, ist dem Fach mann hinreichend bekannt und wird daher nicht näher erläutert.
Eine derartige Leistungsbaugruppe weist somit eine im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Kühlplatte auf, welche sich in zumindest einem Stützbereich am Gestell lastübertragend ab- stützt. Der Stützbereich kann im Bereich einer Kühlplattenoberseite und/oder Kühlplattenun terseite vorgesehen sein, wodurch sich für den Fachmann anwendungsspezifische Vorteile er geben, welche z.B. in einer sehr platzsparenden Anordnung mehrerer Leistungsbaugruppen in einem Gestell und/oder eines Aufnahmeraums des Gestells ähnlich eines„Steckkartenprin zips“ ergeben. Die Längenausdehnung der Leistungsbaugruppe ist im Wesentlichen durch die Kühlplattenlänge vorgegeben und in Längsrichtung wesentlich größer als in Vertikal- und/o der Querrichtung. Durch geeignete Anordnung der elektrischen Komponenten der Leistungs baugruppe, insbesondere der zumindest einen Energiespeicherbaugruppe, kann die Lage des Schwerpunkts relativ niedrig gewählt werden.
Die Lehre der vorliegenden Erfindung kann vom Fachmann auch im Bedarfsfall auf den Nie derspannungsbereich übertragen werden.
Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die Kühlplatte ein Verhältnis der Kühlplatten länge in Längsrichtung zur Kühlplattenhöhe in Vertikalrichtung von 5: 1 bis 1:2, insbesondere von 2: 1 bis 1: 1 aufweist und dabei jeweils größer ist als die Leistungsbaugruppenhöhe in Qu errichtung. Hierdurch kann die Gefahr des Verkippens der Leistungsbaugruppe bei Wartungs arbeiten oder einem Wechsel wesentliche reduziert und dennoch eine sehr kompakte Leis tungsbaugruppe realisiert werden.
Ein erfindungsgemäßer Mittel- oder Hochspannungsumrichter, vorzugsweise ein Modularer Multilevel Umrichter, umfasst zumindest eine Leistungsbaugruppe, wie oben sowie nachfol gend beschrieben, und zumindest ein Gestell mit einer Mehrzahl von Vertikalstehern und Ho rizontalträgem, welche zur Verbindung jeweils zumindest zweier Vertikalsteher angeordnet sind, und welches Gestell zumindest einen Aufnahmeraum für zumindest eine Leistungsbau gruppe aufweist, wobei zumindest ein Längsträger zum Lastabtrag der Leistungsbaugruppe zumindest zwei Horizontalträgern verbindend angeordnet ist.
Dies erlaubt eine relativ„schlanke“ und materialsparende Bauweise des Gestells ohne die Sta bilität zu beeinträchtigen. Die Längsträger sind dabei zum Lastabtrag zumindest einer Leis tungsbaugruppe ausgelegt. Auf diese Weise üben die Längsträger gleichzeitig eine tragende Funktion für die Leistungsbaugruppe, sowie eine verbindende Funktion für die Horizontalträ- ger des Gestells aus. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Leistungsbaugruppen in ei nem gemeinsamen Aufnahmeraum angeordnet sind, wodurch sich Ersparnisse hinsichtlich Kosten und/oder Platzbedarf ergeben können.
Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest ein Horizontalträger und/oder Längsträger aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, bevorzugt einem Glasfaserverbund werkstoff, hergestellt sind.
Auf diese Weise kann eine Isolation der einzelnen Leistungsbaugruppen voneinander durch das Gestell bewerkstelligt werden, was in einem Kurzschlussfall zu einer Erhöhung der Si cherheit beiträgt. Es kann aus Kostengründen angedacht sein, die Vertikalsteher aus einem an deren, ggf. elektrisch leitfähigen Konstruktionswerkstoff auszubilden, da die Isolation maß geblich durch die Längs- und/oder Horizontalträger bestimmt werden kann.
In nachfolgend eingehend diskutierten möglichen Anordnungen der Komponenten der Leis tungsbaugruppe kann die Lage des Schwerpunkts durch geeignete Ausführung des Stützbe reichs der Kühlplatte optimiert werden. Dabei kann der Lastabtrag erfindungsgemäß durch Abstützung der Kühlplatte an zumindest einem Stützbereich nach unten und/oder in einer Art hängenden Anordnung realisiert werden, wodurch sich für den Lachmann ein großer Gestal tungsfreiraum ergibt. Lerner kann durch die erfindungsgemäß ausgebildete Leistungsbau gruppe eine gute thermische Anbindung der wärmeabgebenden Komponenten an die Kühl platte erzielt werden, sowie eine Homogenisierung der elektrischen Leitungspfade erreicht werden wodurch die EMV verbessert werden kann.
Lemer kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Stützbereich zum abstützenden Lastab trag auf das Gestell in Vertikalrichtung im Wesentlichen nach unten als Stützfläche, bevor zugt zumindest die Kühlplattenlänge und Kühlplattendicke umfassend, ausgebildet ist.
Der Stützbereich kann im Bereich der Unterseite der Kühlplatte somit die Grundfläche der Kühlplatte nach unten, sowie einen in Vertikalrichtung anschließenden Teil der Seitenflächen, miteinschließen. Bevorzugt ist die Stützfläche über die gesamte Kühlplattenlänge erstreckt, wodurch die Llächenlast der Leistungsbaugruppe am Längsträger lokal verringert werden kann. Der bevorzugt flächige Lastabtrag der Leistungsbaugruppe über die Stützfläche ermög licht eine sehr stabile Lage und/oder Lührung, sowie ein relativ einfaches Handling der Leis tungsbaugruppe.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Stützbereich zum Lastabtrag auf das Gestell im Bereich einer Kühlplattenoberseite der Kühlplatte, bevorzugt umfassend zumindest die Kühlplattenlänge und einen Teil der Kühlplattenhöhe, ausgebildet ist.
Eine derartige Ausbildung des Stützbereichs kann eigenständig oder auch in Verbindung mit zuvor genannter Stützfläche an einer Leistungsbaugruppe realisiert sein. Ein Stützbereich an der Kühlplattenoberseite kann somit dazu genutzt werden den Lastabtrag an einen in Vertikal richtung darüber angeordneten Längsträger durchzuführen. Der Lastabtrag kann mittels geeig neter Rollkörper und/oder Gleitelementen zur Ausbildung einer Art„hängenden Leistungs baugruppe“ erfolgen, wodurch die Lage des Schwerpunkts der Leistungsbaugruppe in Verti kalrichtung von untergeordneter Bedeutung ist und eine stabile Halterung im Gestell erreicht werden kann.
Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass die Kühl platte an beiden, durch die Kühlplattenlänge und die Kühlplattenhöhe der Kühlplatte defi nierte, Seiten zumindest eine Aufnahmefläche, zur Anordnung jeweils zumindest einer Leis tungshalbleiterbaugruppe und/oder zumindest einer Energiespeicherbaugruppe, aufweist.
Derartige Aufnahmeflächen müssen dabei nicht über die gesamte Kühlplattenhöhe und/oder - länge erstreckt sein, sondern können jeweils nur einen Teil der Seitenflächen ausmachen. An diesen Aufnahmeflächen können die einzelnen elektrischen Komponenten, insbesondere die zumindest Energiespeicher- und/oder Leistungshalbleiterbaugruppe thermisch leitfähig direkt an der Kühlplatte angeordnet werden. Dies erlaubt eine hocheffiziente Wärmeabfuhr. Außer dem kann die Kühlplatte auf diese Weise dem Grundgedanken einer Aufbauplattform folgend bestmöglich genutzt werden.
Ebenso erlaubt diese Ausführungsform eine Vielzahl an möglichen Anordnungen um eine gute Gewichtsverteilung bzw. Schwerpunktlage einstellen zu können. Beispielhaft ist hierbei denkbar die zumindest eine Leistungshalbleiterbaugruppe sowie die zumindest eine Energie speicherbaugruppe an einer Seite der Kühlplatte anzuordnen, oder auch an jeweils gegenüber liegenden Seiten der Kühlplatte. Ebenso sind Kombinationen von mehreren voneinander un abhängigen Energiespeicher- und/oder Leistungshalbleiterbaugruppen an einer gemeinsamen Kühlplatte vorstellbar, wodurch vereinfacht ausgedrückt die Möglichkeit geschaffen wird mehrere funktionelle Leistungsbaugruppen mittels einer gemeinsamen Kühlplatte auszubil den.
Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass die Kühlplatte zumindest eine Anschlussöff nung in Querrichtung zur Durchführung und Kontaktierung zumindest von Stromanschlüssen der zumindest einen Energiespeicherbaugruppe zur zumindest einen Leistungshalbleiterbau gruppe und/oder zumindest einer Hilfsbaugruppe aufweist.
Die Anschlussöffnung durchdringt die Kühlplatte dabei in Querrichtung. Auf diese Weise kann ein kompliziertes Herumführen der stromführenden Leitungen um die Kühlplatte herum effizient vermieden werden. Durch eine derartige Anschlussöffnung können somit sehr kurze elektrischen Leitungspfade erzielt werden, wodurch eine Homogenisierung von kapazitiven und/oder induktiven Störungen bis hin zu deren Vermeidung erreicht werden kann. Dies be günstigt die elektromagnetische Verträglichkeit der Leistungsbaugruppe bzw. des Mittel- oder Hochspannungsumrichters. Die Anordnung dieser zumindest einen Anschlussöffnung kann bedarfsgemäß an der Kühlplatte gewählt werden, ist jedoch bevorzugt in Vertikalrichtung mittig positioniert.
Lemer kann es zweckmäßig sein, wenn die zumindest eine Leistungshalbleiterbaugruppe an der ersten Seite und die zumindest eine Energiespeicherbaugruppe an der, der ersten Seite ge genüberliegenden, zweiten Seite der Kühlplatte angeordnet sind.
Unter Einbezug der obigen Diskussion kann mit dieser Ausführungsform eine örtliche Tren nung der Energiespeicherbaugruppe von der Leistungshalbleiterbaugruppe durchgeführt wer den. Dies kann im Schadensfall einer Leistungsbaugruppe, welche durch fehlerhafte Leis tung shalbleiter verursacht wird, besonders günstig sein. Häufig geht das Versagen eines oder mehrer Leistungshalbleiter bei hohen Spannungen in Mittel- oder Hochspannungsumrichter explosionsartig, sowie unter Druck-, Staub- und/oder Wärmeentwicklung, vonstatten. Durch die räumliche Trennung der zumindest einen Leistungshalbleiterbaugruppe von den übrigen elektrischen Komponenten durch die Kühlplatte kann ein Explosionsschutz realisiert werden und somit die Sicherheit im Betrieb verbessert werden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass an der Kühlplatte zumindest ein mit einer Koppel vorrichtung des Gestells korrespondierendes Rückhalteelement angeordnet ist.
Das Rückhalteelement der Kühlplatte kann als Fortsatz, bevorzugt als Stift mit Nut oder Stift mit gegenüber einem Stiftdurchmesser verbreiterten Kopf, oder auch als Ausnehmung, bevor zugt als Kerbe, Nut, oder dergleichen, ausgebildet sein. Die Koppelvorrichtung am Gesteh ist analog dazu, also insbesondere form- und funktionskomplementär, ausgebildet. Die Koppel vorrichtung kann dabei„aktiv“, wie etwa über einen separaten Betätigungsmechanismus, oder auch„passiv“, wie etwa als Einrastelement, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das zu mindest eine Rückhalteelement als Zentrierhilfe und/oder Endanschlag in Längsrichtung die nen, wodurch Beschädigungen beim Wechsel vermieden werden können. Ebenso ist durch diese Ausführungsform eine selbsttätige, also„passive“ und/oder„aktive“ Arretierung der Leistungsbaugruppe im Gesteh möglich, wodurch die Sicherheit vor Herausfallen und/oder Verkippen der Leistungsbaugruppe, wie z.B. bei einem Erdbeben, erhöht werden kann. Das Rückhalteelement ist bevorzugt an der Rückseite der Kühlplatte angeordnet.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Leistungsbaugruppe zumindest ein Schutzge häuse zur Aufnahme zumindest einer Leistungshalbleiterbaugruppe und/oder Hilfsbaugruppe und/oder Energiespeicherbaugruppe aufweist, welches mit der Kühlplatte befestigbar, bevor zugt koppelbar, ausgebildet ist.
Ein derartiges Schutzgehäuse kann die Sicherheit der darin aufgenommenen elektrischen Komponenten vor externen Einflüssen, wie Staub, Flüssigkeiten, etc. deutlich erhöhen. Ferner kann ein solches Schutzgehäuse aus mehreren Teilschutzgehäusen bestehen, welche unter Umständen unterschiedliche Höhen aufweisen. Dies ermöglicht einen Schutz im Schadens- bzw. Explosionsfall der einzelnen Komponenten und kann zudem eine sehr kompakte Bau weise der Leistungsbaugruppen erlauben. Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass zumindest ein Schottwandelement zumindest zwei Komponenten, wie etwa Leistungshalbleiterbaugruppe und/oder der Hilfsbau gruppe und/oder der Energiespeicherbaugruppe, voneinander trennend, sowie die Kühlplatte mit dem zumindest einen Schutzgehäuse verbindend angeordnet ist.
Durch die Trennung der Komponenten, insbesondere der Leistungshalbleitersektion von der Hilfsbaugruppe durch die Ausbildung der zumindest einen Schottwand kann ein Gas- und/o der Partikeleintritt im Explosionsfall in die Sektion einer benachbart angeordneten Kompo nente effizient verringert oder sogar ganz vermieden werden. Zweckmäßigerweise weist ein derartiges Schottwandelement formkomplementäre Durchgangsöffnungen für etwaige Strom- und/oder Steuer- und/oder Messanschlüsse bzw. -leitungen auf.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Stromanschlüsse und/oder Steueranschlüsse und/oder Kühlmittelanschlüsse und/oder etwaige Messanschlüsse und/oder Hilfsanschlüsse an einer Frontseite der Leistungsbaugruppe ausge bildet sind.
Durch diese Maßnahme wird eine sehr gute Zugänglichkeit zu den Anschlüssen der Leis tungsbaugruppe für einen Bediener gewährleistet. Eine einfache, schnelle und sichere An- bzw. Abkopplung der Anschlüsse kann dadurch erreicht werden. Die Kühlmittelanschlüsse sind dabei bevorzugt als Schnellver Schlüsse ausgebildet, wodurch die Geschwindigkeit beim Wechsel einer Leistungsbaugruppe erhöht werden kann.
Ebenso ist denkbar, dass zumindest zwei Stromanschlüsse und/oder Steueranschlüsse und/o der, bevorzugt als Schnellverschlüsse ausgebildete, Kühlmittelanschlüsse und/oder etwaige Messanschlüsse und/oder Hilfsanschlüsse an einer Rückseite der Leistungsbaugruppe ausge bildet sind.
Auf diese Weise kann ähnlich einem„Steckkartenprinzip“ eines PCs die Leistungsbaugruppe in den Aufnahmeraum des Gestells hineinbewegt werden. Vorteilhafterweise ist die Kühl platte hierbei in Längsrichtung zur Rückseite hin die elektrischen Komponenten bzw. deren Schutzgehäuse überragend ausgebildet. Die beispielhaft genannten Anschlüsse können zu ei- ner an der Rückseite des Gestells angeordneten Versorgungsplattform komplementär ausge bildet sein, wodurch eine, bevorzugt selbsttätige, Kopplung und/oder Entkopplung erreicht werden kann. Dies erleichtert die Bedienung und kann die Betriebssicherheit erhöhen, da die fehlerhafte Bedienung von Anschlüssen vermieden werden kann.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn an der Frontseite der Kühlplatte in Vertikalrich tung über die Kühlplattenhöhe zumindest ein hervorragendes Anschlagelement angeordnet ist.
Diese Maßnahme kann als Tiefenanschlag der Leistungsbaugruppe dienen und die korrekte Positionierung aller Anschlüsse in vorgebbarer bzw. definierter Lage sicherstellen. Zudem wird die Gefahr von Beschädigungen bei rückseitig angeordneten Anschlüssen effizient ver mieden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kühlplatte aus zumindest zwei in Längsrichtung und/o der Querrichtung und/oder Vertikalrichtung geteilten, Kühlplattensegmenten zur Ausbildung eines durchgehenden Kühlkanals zusammengesetzt ist.
Eine Ausbildung der Kühlplatte durch Zusammensetzen mehrerer Kühlplattensegmente er möglicht eine einfache modulare Bauweise der Kühlplatte, wodurch entsprechend des Platt formgedankens der vorliegenden Erfindung eine einfache bedarfsgemäße Anpassung an die Anordnung der Leistungshalbleiterbaugruppe und/oder der Energiespeicherbaugruppe an der Kühlplatte vorgenommen werden kann. In einfachsten Fall kann durch Zusammenfügen von zwei horizontal geteilten Kühlplattensegmenten eine Kühlplatte gebildet sein, wobei zumin dest ein Kühlplattensegment eine Ausnehmung für einen Kühlkanal aufweist. Die Kühlplat tensegmente können miteinander durch geeignete Verbindungselemente verbunden sein.
Auch Lötverbindungen sind hierbei denkbar. Zur Erhöhung der Festigkeit können die Kühl plattensegmente mittels einer Schweißverbindung verbunden sein. Insbesondere bei Kühlplat ten aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hat sich eine Verbindung der Kühlplattenseg mente zueinander mittels Rührreibschweißens bewährt.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Kühlplattensegmente voneinander unterschiedliche Kühlleistungen aufweisen. Auf diese Weise wird es möglich, eine Optimierung der lokalen Wärmeabfuhr durch die Kühlplatte vorzunehmen. Die zuvor beschriebenen Maßnahmen erlauben somit eine lokale Anpassung der Wärmeabfuhrleistung entsprechend der vorgebbaren Anordnung von insbe sondere Leistungshalbleitem und/oder Energiespeicher an der Kühlplatte. Beispielsweise kann beim erfindungsgemäßen stehenden Aufbau der Kühlplatte eine höhere Wärmeabfuhr im Bereich von oberhalb der Energiespeicherbaugruppe angeordneten Leistungshalbleiterbau gruppen vorteilhaft sein, wodurch zudem die Schwerpunktlage vorteilhaft niedriger gewählt werden kann. Außerdem kann eine derartige Ausbildung der Kühlplatte zu einem kostengüns tigen Design führen.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Kühlplattensegment, zur Ausbil dung eines durchgehenden Kühlkanals in zusammengesetztem Zustand der Kühlplatte, eine Kühlkanalausnehmung zur Aufnahme einer formkomplementären Kühlmittelleitung aufweist, welche in zusammengesetztem Zustand der Kühlplatte von der Kühlplatte eingeschlossen ist.
Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass die Kühl platte zumindest in Vertikalrichtung relativ zur zumindest einen Leistungshalbleiterbaugruppe und/oder zumindest einen Energiespeicherbaugruppe und/oder zumindest einem Schutzge häuse hervorragend ausgebildet ist.
Derartige hervorragende Vorsprünge können zu einer verbesserten Sicherheit bei der Längs bewegung der Leistungsbaugruppe beim Wechsel genutzt werden. Bevorzugt umfassen derar tige Vorsprünge den zumindest einen Stützbereich und können gleichzeitig zur seitlichen Ab stützung der Leistungsbaugruppe in Querrichtung an dafür vorgesehenen Lührungselementen des Gestells dienen, wodurch die Stabilität der Lage der Leistungsbaugruppen erhöht werden kann.
Analog hierzu ist es möglich, dass zumindest ein Längsträger des Mittel- oder Hochspan nung sumrichters zumindest ein Lührungselement zur Lührung und/oder Erhöhung der Lage stabilität der Kühlplatte, insbesondere des Stützbereichs, zumindest in Querrichtung aufweist. Derartige Führungselemente können an einer Ober- und/oder Unterseite des Längsträgers an geordnet sein. Sie können zur seitlichen und/oder vertikalen Abstützung genutzt werden und erlauben einen schnellen und sicheren Wechsel der Leistungsbaugruppe.
Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass zumindest ein Führungselement zur Auf nahme des Stützbereichs und/oder zur Führung der Kühlplatte an einer Unterseite zumindest eines Längsträgers als Z-, L-, C- oder U-förmiges Profilelement ausgebildet ist.
Diese Maßnahme ist insbesondere im Falle einer unterseitigen Anordnung zum vertikalen Lastabtrag in das Gestell nützlich. Eine„hängende“ Anordnung der Leistungsbaugruppe kann durch derartige Führungselemente einfach und kostengünstig realisiert werden. Es ist ebenso denkbar, dass derartige Führungselemente Rollkörper und/oder Gleitelemente aufweisen, wel che eine Bewegung der Kühlplatte bzw. des Stützbereiches erleichtern.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn die Kühlplatte im Stützbereich zumindest zwei Roll körper aufweist. Die Rollkörper können an oder innerhalb der Kühlplatte oder einer dafür vor gesehenen Rollkörperaufnahme ausgebildet sein.
Durch eine Mehrzahl von Rollen im Stützbereich kann das Bewegen der Leistungsbaugruppe effektiv erleichtert werden, wodurch insbesondere die Sicherheit und Geschwindigkeit beim Wechsel erhöht werden können.
Es ist dabei möglich, dass die zumindest zwei Rollkörper an der Stützfläche der Kühlplatte angeordnet sind und bevorzugt in Vertikalrichtung gegenüber der Stützfläche zumindest teil weise hervorragbar verstellbar ausgebildet sein können.
Derartige Rollkörper, welche im Wesentlichen an der Unterseite der Kühlplatte angeordnet sind, sind gegenüber Verschmutzung und/oder Korrosion sehr gut geschützt. Es ist dabei be vorzugt möglich, dass die Rollkörper zwischen einer Servicestellung und einer Ruhestellung mittels einer in die Kühlplatte bzw. den Stützbereich integrierten Hebelmechanik verstellbar sind. Hierbei treten die Rollkörper in der Servicestellung über die Stützfläche hervor, wodurch eine Bewegung der Leistungsbaugruppe ermöglicht wird, während sie in der Ruhe- Stellung hinter die Stützfläche zurück in die Kühlplatte versenkt werden können. Die Leis tungsbaugruppe wird hierdurch als Ganzes in der Servicestellung leicht angehoben bzw. in der Ruhestellung durch die flächige Auflage der Stützfläche auf dem Führungselement und/o der dem Längsträger gegen Bewegung gesichert. Die Rollkörper sind von einander in Längs richtung beabstandet im Inneren des Stützbereichs, also der Kühlplatte angeordnet. Die ge meinsame Verstellung der Rollkörper bzw. die Betätigung der Hebelvorrichtung kann z.B. über eine gemeinsame Koppelstange erfolgen und durch Aufbringen einer Kraft manuell oder auch motorisch durchgeführt werden.
Es ist auch möglich die zumindest zwei Rollkörper im Stützbereich seitlich, etwa an der ers ten und/oder zweiten Seite der Kühlplatte, anzuordnen.
Derartig angeordnete Rollkörper können bevorzugt im Bereich der Kühlplattenoberseite im Stützbereich angeordnet sein, um z.B. eine„hängende“ Anordnung der Leistungsbaugruppe zu realisieren. Hierbei verläuft die Rotationsachse der Rollkörper im Wesentlichen in Quer richtung. Dies kann eine eigenständige Lösung für eine reibungsarme Bewegung der Leis tungsbaugruppe darstellen oder auch in Kombination mit zuvor genannten Ausführungsfor men erfolgen. Ebenso können die Rollkörper auch mit ihrer Rotationsachse im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sein, wodurch eine reibungsarme Führung im oder am Führungselement ermöglicht wird.
Um die Bewegung der Leistungsbaugruppe in einem Mittel- oder Hochspannungsumrichter zu ermöglichen kann erfindungsgemäß auch auf die Ausbildung von Rollkörpern als integra ler Bestandteil der Kühlplatte verzichtet werden. Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbil dung ist dabei zumindest ein Längsträger des Gestells als Hohlkörper ausgebildet ist und weist zumindest zwei Durchtrittsöffnungen, zum Durchtritt jeweils zumindest eines Rollkör pers in einer Servicestellung eines in den Längsträger in einer Ruhestellung einführbaren He bewerkzeugs, auf.
Das Funktionsprinzip des genannten Hebewerkzeugs kann analog zur obigen Beschreibung der verstellbaren Rollkörper der Kühlplatte angesehen werden, jedoch verbleiben in dieser Ausführungsform während des Betriebs keine Rollkörper innerhalb des Gestells. Die Durch- trittsöffnungen für die Rollkörper sind am Längsträger in Vertikalrichtung nach oben vorgese hen, wobei sich das Hebewerkzeug in Vertikalrichtung nach unten auf der Innenseite des Hohlkörpers abstützt. Erfindungsgemäß ist das Einführen nur eines Hebewerkzeugs aus schließlich im Schadens- oder Servicefall in den dafür vorgesehenen Hohlkörper erforderlich. Dies vermeidet die Anordnung beweglicher und/oder loser Teile im Gestell, welche sich ins besondere bei Hochspannungsanwendungen als nachteilig erweisen können. Zudem tritt durch die Vermeidung von bekannten Anhebevorrichtungen bzw. Rollladensystemen an je dem einzelnen Aufnahmeraum des Gestells eine Reduktion des Gesamtgewichts des Mittel oder Hochspannungsumrichters ein. Überdies ist lediglich ein Hebewerkzeug für den Service eines Mittel- oder Hochspannungsumrichters erforderlich, wodurch Anschaffungskosten ent fallen. Ein derartiges Hebewerkzeug kann ebenso manuell und/oder motorisch betrieben wer den um die Rollkörper von der Ruhestellung in die Servicestellung und retour zu verstellen. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 schematische Schrägansicht einer Leistungsbaugruppe in einem Mittel- oder
Hochspannungsumrichter;
Fig. 2 schematische Frontansicht verschiedener möglicher Anordnungen von Energie speicherbaugruppen und Leistungshalbleitergruppen an der Kühlplatte der Leis tungsbaugruppe (a) bis (c);
Fig. 3 schematische Explosionsdarstellung einer möglichen Ausführungsform einer
Leistungsbaugruppe;
Fig. 4 schematische Schrägansicht einer Leistungsbaugruppe mit Rückhalteelement und korrespondierender Koppelvorrichtung am Gestell;
Fig. 5 schematische Explosionsdarstellung einer Kühlplatte aus mehreren Kühlplatten segmenten mit unterschiedlichen Kühlleistungen; Fig. 6 schematische Darstellung eines Ausschnitts des Stützbereichs einer Kühlplatte mit verstellbaren Rollkörpern in der Ruhestellung (a) bzw. Servicestellung (b);
Fig. 7 schematische Schnittdarstellung einer Leistungsbaugruppe in hängender und/oder stehender Abstützung am Gestell (a,b), sowie schematische Schrägansicht eines Ausschnitts des Gestells mit in den Längsträger einführbarem Hebewerkzeug (c).
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen wer den, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf glei che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen wer den können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, un ten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Mittel- oder Hochspannungsumrichters 2 mit einer erfindungsgemäßen Leistungsbaugruppe 1 dargestellt. Das erfindungsgemäße Konzept kann auch für Niederspannungsumrichter angedacht werden. Der Mittel- oder Hochspan nungsumrichter 2 weist ein Gestell 3 auf, welches eine Mehrzahl von Vertikalstehern 24 und Horizontalträgem 25 umfasst. Die Horizontalträger 25 sind zur Verbindung jeweils zumindest zweier Vertikalsteher 24 angeordnet. Das Gestell 3 weist eine Mehrzahl von Aufnahmeräu men 23 auf, welche zur Aufnahme jeweils zumindest einer Leistungsbaugruppe 1 ausgebildet sind. Die front- bzw. rückseitig angeordneten Horizontalträger 25 sind mittels Längsträgern 26 verbunden. Die Längsträger 26 dienen zum Lastabtrag der Leistungsbaugruppe 1 und kön nen an der Oberseite und/oder Unterseite ein oder mehrere Führungselemente 22 aufweisen.
Weiters ist aus Fig. 1 ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Leistungsbaugruppe 1 eine Kühlvorrichtung 6 in Form einer lastabtragenden Kühlplatte 7 aufweist. Die Kühlplatte 7 weist verglichen zu ihrer Kühlplattenlänge 8 und der Kühlplattenhöhe 9 in Querrichtung 17 eine geringere Kühlplattendicke 10 auf. Die Kühlplatte 7 ist zum Lastabtrag der Leistungs baugruppe 1 auf das Gestell 3 derart ausgebildet, dass der Lastabtrag an zumindest einem Stützbereich 12 der Kühlplatte erfolgen kann. Das Wirkprinzip des Lastabtrags der Leistungsbaugruppe 1 über den zumindest einen Stütz bereich 12 auf das Gestell 3 kann besonders gut in Zusammenschau mit Fig. 2a bis c sowie Fig. 7a und b ersehen werden. Aus Fig. 1 kann weiter ersehen werden, dass zumindest zwei Stromanschlüsse 33 und/oder Steueranschlüsse 36 und/oder Kühlmittelanschlüsse 37 und/o der etwaige Messanschlüsse 34 und/oder Hilfsanschlüsse 35 an der Frontseite 41 der Leis tungsbaugruppe 1 ausgebildet sein können. Der Kürze halber nicht dargestellt ist die Situation in welcher ein Teil oder sämtliche der zuvor genannten Anschlüsse an der Rückseite 47 der Leistungsbaugruppe ausgebildet sein können.
In Fig. 2a bis c sind unterschiedliche mögliche Ausführungsformen für Anordnungen der zu mindest einen Leistungshalbleiterbaugruppe 4 sowie der zumindest einen Energiespeicher baugruppe 5 an der Kühlplatte 7 schematisch dargestellt, obwohl auch eine einseitige Anord nung aller Komponenten grundsätzlich möglich ist. In Zusammenschau mit Fig. 3 wird klar ersichtlich, dass eine erste und zweite Seite 13,14 der Kühlplatte 7 durch die Kühlplattenlänge 8 und die Kühlplattenhöhe 9 definiert sind. An diesen ersten und zweiten Seiten 13,14 können zumindest eine Aufnahmefläche 18 zur Anordnung jeweils zumindest einer Leistungshalblei terbaugruppe 4 und/oder zumindest einer Energiespeicherbaugruppe 5 vorgesehen sein.
Ebenso können weitere Komponenten, wie etwa eine oder mehrere Hilfsbaugruppen 21 an den Seiten 13,14 der Kühlplatte angeordnet sein.
In Fig. 2a ist eine Situation schematisch dargestellt, in welcher die Energiespeicherbaugruppe 5 an einer ersten Seite 13 der Kühlplatte 7 angeordnet ist und eine Leistungshalbleiterbau gruppe 4 an der gegenüberliegenden zweiten Seite 14 angeordnet ist.
Fig. 2b ist eine weitere mögliche Ausführungsform dargestellt, in welcher jeweils eine Leis tungshalbleiterbaugruppe 4 sowie eine Energiespeicherbaugruppe 5 an einer ersten und zwei ten Seite 13,14 der Kühlplatte 7 angeordnet sind.
In Fig. 2c ist eine weitere mögliche Ausführungsform dargestellt, wobei zu einander korres pondierende Leistungshalbleiterbaugruppen 4 und Energiespeicherbaugruppen 5 an gegen überliegenden Seiten der Kühlplatte 7 angeordnet sind und jeweils durch eine Anschlussöff nung 20 miteinander verbunden sind. Zur Verbindung der Energiespeicherbaugruppen 5 zu korrespondierenden Leistungshalbleiter baugruppen 4 kann es vorteilhaft sein, Anschlussöffnungen 20 vorzusehen, wie insbesondere aus Fig. 3, und in Fig. 2c strichliert dargestellt, ersichtlich. Die in Fig. 2a bis c dargestellten Ausführungsformen stellen einen Lastabtrag der Leistungsbaugruppe 1 über einen Stützbe reich 12 dar, welcher an der Unterseite der Kühlplatte 7 als Stützfläche 19 ausgebildet ist. Al ternativ dazu oder in Kombination sei auf die Diskussion der Fig. 7a bis c verwiesen.
Fig. 3 stellt schematisch eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfin dungsgemäßen Leistungsbaugruppe 1 dar. Wie dargestellt, können mehrere Leistungshalblei terbaugruppen 4 sowie eine oder mehrere Energiespeicherbaugruppen 5 an dafür vorgesehe nen Aufnahmeflächen 18 angeordnet sein. Die Verbindung zwischen diesen Komponenten und/oder einer Hilfsbaugruppe 21 kann die Kühlplatte 7 durchdringend über dafür vorgese hene Anschlussöffnungen 20 vorgenommen werden. Ebenso ist aus Fig. 3 ersichtlich, dass ein oder mehrere Schutzgehäuse 40 zur Aufnahme zumindest einer Leistungshalbleiterbaugruppe 4 und/oder etwaiger weiterer Komponenten mit der Kühlplatte 7 befestigbar ausgebildet ist. Die Leistungsbaugruppe 1 kann demnach ein oder mehrere Schutzgehäuse 40 aufweisen.
Ferner ist aus Fig. 3 eine bevorzugte Maßnahme ersichtlich, welche die Ausbildung eines Schottwandelements 48 zwischen zwei Komponenten an einer Seite der Kühlplatte 7 aufzeigt. Das Schottwandelement 48 trennt beispielhaft die Leistungshalbleiterbaugruppen 4 von der Hilfsbaugruppe 21 und verbindet die Kühlplatte 7 mit den einteilig ausgebildeten Schutzge häuse 40. Die Verbindung des Schottwandelements 48 und/oder des Schutzgehäuses 40 zur Kühlplatte 7 kann bevorzugt über Schraubverbindungen vorgenommen werden. Es können auch mehrere derartige Schottwandelemente 48 an einer ersten und/oder zweiten Seite 13,14 der Kühlplatte 7 vorgesehen sein.
In Fig. 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines an der Kühlplatte 7 angeordneten Rückhalteelements 39 gezeigt, welches mit einer Koppelvorrichtung 38 des Gestells 3 korres pondierend ausgebildet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Rückhalteelement 39 als stiftförmiger Fortsatz mit einem gegenüber dem Stiftdurchmesser verbreiterten Kopf darge stellt, welcher selbsttätig mit einer laschenförmig ausgebildeten Koppelvorrichtung 38 beim Absenken der Leistungsbaugruppe 1 aus der Servicestellung 31 in die Ruhestellung 32 arre tiert. Für die Diskussion der Funktionsweise der Anhebung in die Service Stellung 31 bzw. Absenkung in die Ruhestellung 32 sei auf die Diskussion der Fig. 6 und 7c verwiesen.
Aus Fig. 4 kann ferner ersehen werden, dass die Leistungsbaugruppe 1 im Stützbereich 12 entlang des Längsträgers 26 geführt ist. Die dargestellten Führungselemente 22 sowie das Rückhalteelement 39 können unter anderem als Zentrierhilfe genutzt werden. Vorteilhafter weise ist die Koppelvorrichtung 38 am Horizontalträger 25 angeordnet. Das Rückhalteele ment 39 in der gezeigten Form, oder auch einer funktionsgleichen Ausführung, kann auch als eine Art Endanschlag dienen um eine Beschädigung rückseitig angeordneter Anschlüsse zu vermeiden. Alternativ oder in Ergänzung können auch ein oder mehrere Anschlagelemente 42, wie in Fig. 1 dargestellt, an der Kühlplatte 7 angeordnet sein.
In Fig. 4 sind, nicht dargestellt, etwaige Rückhalteelemente, welche z.B. als Ausnehmungen und/oder seitlich an der Kühlplatte 7 hervorragende Fortsätze ausgeführt sind. Die formkom plementären Koppelvorrichtungen 38 können in diesem Fall aktiv durch einen Bediener zu betätigen oder auch selbsttätig zu einem Arretieren bzw. Freigeben der Leistungsbaugruppe 1 ausgebildet sein.
In Fig. 4 sind beispielhaft Stromanschlüsse 33 angedeutet, welche stellvertretend für Steuer anschlüsse 36, Kühlmittelanschlüsse 37 und dergleichen an der Rückseite 47 der Leistungs baugruppe 1 angeordnet sein können. Aus dieser Darstellung ist einfach vorstellbar, dass beim Hineinbewegen der Leistungsbaugruppe 1 in Längsrichtung 15 eine Kopplung dieser An schlüsse mit einer nicht dargestellten Versorgungsplattform erfolgen kann.
In Fig. 5 ist eine schematische Explosionsansicht einer möglichen Ausführungsform einer durch Kühlplattensegmente 43 gebildeten Kühlplatte 7 ersichtlich. Wie dargestellt, können die Kühlplattensegmente 43 über unterschiedlich angeordnete Kühlkanäle 44 verfügen, wel che durch Zusammensetzen der Kühlplattensegmente 43 einen geschlossenen Kühlkanal 44 ausbilden. Wie aus dieser schematischen Darstellung ersichtlich, kann die Ausbildung der Kühlplatte 7 durch Zusammensetzen mehrere Kühlplattensegmente 43 vorgenommen werden. Auf diese Weise können sehr einfach lokal unterschiedliche Kühlleistungen an unterschiedli chen Kühlplattensegmenten 43 realisiert werden. Insbesondere kann hierzu eine Kühlplatte 7 in Querrichtung 17 und/oder Längsrichtung 15 und/oder Vertikalrichtung 16 in Kühlplatten segmente 43 unterteilt sein.
Zur Erleichterung des Austauschs einer Leistungsbaugruppe 1 hat es sich als vorteilhaft er wiesen, wenn die Kühlplatte 7 im Stützbereich 12 durch Rollkörper 27 oder nicht dargestellte Gleitelemente am Gestell 3 abgestützt wird. In den Fig. 6 und 7 sind beispielhafte mögliche Ausführungsformen unterschiedlicher Rollkörperanordnungen und/oder Anhebe- und Bewe gungsmechanismen dargestellt.
Im einfachsten, nicht dargestellten Fall sind zumindest zwei Rollkörper 27 starr an zumindest einem Stützbereich 12 angeordnet und erleichtern die Bewegung in Längsrichtung 15. Die Anordung der Rollkörper 27 kann dabei an oder innerhalb der Kühlplatte 7 erfolgen, oder in einer dafür vorgesehenen, nicht eigens dargestellten, Rollkörperaufnahme welche den Lastab trag der Leistungsbaugruppe 1 über die Kühlplatte 7 bzw. deren Stützbereich 12 sicherstellt.
In Fig. 6a und b ist eine mögliche Anordnung von verstellbaren Rollkörpern 27 in einer Ser vicestellung 31 bzw. Ruhestellung 32 dargestellt. Die Rollkörper 27 sind in einem Stützbe reich 12 in Richtung Unterseite gegenüber der Stützfläche 19 hervorragbar gelagert. Das Wirkprinzip dieses relativ einfachen Hebemechanismus ist beispielhaft an einem Rollkörper 27 gezeigt. Die Hebelvorrichtung 45 verbindet den Rollkörper 27 mit einer Schubstange 46, welche mit zumindest einem zweiten Rollkörper 27, und im Falle von mehreren Rollkörpern 27, bevorzugt mit allen Rollkörpern 27, gekoppelt ist. Diese Anordnung kann seitlich oder auch innerhalb der Kühlplatte 7 angeordnet sein. In Fig. 6a ist der Rollkörper 27 in der Ruhe stellung 32 vollständig hinter die Stützfläche 19 zurückgetreten. Auf diese Weise kann die Leistungsbaugruppe 1 auf den Stützbereich 12 bzw. die Stützfläche 19 am Gestell 3 abge stützt und somit ruhend gelagert werden. Durch Einwirkung einer Kraft, welche als Bewe gungspfeil in Fig. 6b dargestellt ist, erfolgt eine Bewegung der Schubstange 46 in Längsrich tung 15, wodurch der Rollkörper 27 über die Ebene der Stützfläche 19 hervortritt und die Leistungsbaugruppe 1 wenige Millimeter bis Zentimeter angehoben werden kann. Auf diese Weise kann die Ausbildung von Rollkörpern 27 als integraler Bestandteil des Stützbereichs 12 und/oder der Kühlplatte 7 zu einem kraftsparenden Austausch der Leistungsbaugruppe 1 verwendet werden. In Fig. 7a ist schematisch eine Situation angedeutet, in welcher zumindest zwei Rollkörper 27 im Stützbereich 12 im Bereich der Kühlplattenoberseite 11 angeordnet sind. In der beispiel haften Darstellung sind die Rollkörper 27 beidseitig an der Kühlplatte angeordnet, obwohl auch eine einseitige Anordnung denkbar ist. Ferner ist aus der Darstellung ersichtlich, dass das Führungselement 22 im Bereich der Kühlplattenoberseite 11 als zum Beispiel C-förmiges Profilelement ausgebildet ist und zur Aufnahme der Rollkörper 27 dient, wodurch eine Art hängende Anordnung der Leistungsbaugruppe 1 ermöglicht wird. Gleichermaßen kann durch eine derartige Anordnung der Rollkörper 27 die Lagestabilität der Leistungsbaugruppe 1 wei testgehend unabhängig von einer erhöhten Schwerpunktlage gemacht werden.
Aus Fig. 7a kann eine alternative mögliche Anordnung von Rollkörpern 27 im Stützbereich 12 ersehen werden, wobei die zumindest zwei Rollkörper 27 im Bereich der Kühlplattenunter seite angeordnet sind und zur Abstützung der Stützfläche 19 genutzt werden. Eine derartige Anordnung kann alleine oder auch in Kombination mit Rollkörpern 27, welche im Stützbe reich 12 an der Kühlplattenoberseite 11 angeordnet sind, ausgebildet werden.
Fig. 7b stellt eine alternative und für sich eigenständige Möglichkeit zur Anordnung zumin dest zweier Rollkörper 27 in zumindest einem Stützbereich 12 dar. Die Schnittdarstellung zeigt einen Rollkörper 27 dessen Rotationsachse im Wesentlichen in Vertikalrichtung 16 aus gerichtet ist, im Bereich der Kühlplattenoberseite 11. Hierbei findet im Wesentlichen eine seitliche Abstützung der Kühlplatte in Querrichtung 17 an den dafür vorgesehenen Führungs elementen 22 statt. Um ein Blockieren des Rollkörpers 27 zu vermeiden sollte ein geringfügi ger Luftspalt vorgesehen werden. Alternativ kann auch die Ausbildung eines Gleitelements im oberen Stützbereich 12 angedacht sein. In beiden Fällen kann jedoch die Ausbildung von Rollkörpern 27 und/oder Gleitelementen an der Unterseite der Kühlplatte 7 erforderlich ma chen. Eine mögliche Ausführungsform hierfür ist in Fig. 7b im Bereich der Unterseite der Kühlplatte dargestellt, wobei ein Hebewerkzeug 30 in den Längsträger 26 eingeführt ist und über zumindest zwei Rollkörper 27 verfügt.
Die Rollkörper 27 eines derartigen, in einen Längsträger 26 des Gestells 3 einführbaren, He bewerkzeugs 30 sind analog zur Beschreibung der verstellbaren Rollkörper 27 in Fig. 6a und b verstellbar ausgebildet. In der Darstellung 7b ist analog zur Fig. 6b der Rollkörper 27 in der Servicestellung 31 dargestellt. Zur Verdeutlichung sei auf Fig. 7c verwiesen, worin ein in ei nen Längsträger 26 einführbares Hebewerkzeug 30 in einer Schrägansicht besser ersichtlich ist. Ein derartiges Hebewerkzeug 30 weist zumindest zwei verstellbare Rollkörper 27 auf, welche analog jedoch in umgekehrte Wirkrichtung zum beschriebenen Funktionsprinzip der Diskussion von Fig. 6 auf. Um den Durchtritt der Rollkörper 27 des eingeführten Hebewerk zeugs 30 durch die Oberseite eines Längsträgers 26 zu ermöglichen, sind Durchtrittsöffnun gen 29 vorgesehen. Der Längsträger 26 ist als Hohlkörper 28 ausgebildet. Die gemeinsame Verstellung der Rollkörper 27 eines externen Hebewerkzeugs 30 kann manuell oder auch mo torisch durchgeführt werden. Wie eine Zusammenschau, insbesondere mit Fig. 1 zeigt, kann ein derartiges Hebewerkzeug 30 für sämtliche Leistungsbaugruppen 1 eines Mittel- oder Hochspannungsumrichters 2 verwendet werden. Außerdem kann durch ein solches Hebe werkzeug 30 die Ausbildung integraler Rollkörper 27 an und/oder innerhalb der Kühlplatte 7 vermieden werden.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stehe be merkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten dersel ben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausfüh rungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes hegt.
Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Finzelmerkmale oder Merkmals kombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispie len können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstehen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen wer den.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verste hen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert darge stellt wurden.
B e z u g s z e i c h e n a u f s t 1 1 u n g Leistungsbaugruppe 30 Hebewerkzeug Mittel- oder Hochspannungsum- 31 Servicestellung richter 32 Ruhestellung Gestell 33 Stromanschluss Leistungshalbleiterbaugruppe 34 Messanschluss Energiespeicherbaugruppe 35 Hilfsanschluss Kühlvorrichtung 36 Steueranschluss Kühlplatte 37 Kühlmittelanschlu s s Kühlplattenlänge 38 Koppelvorrichtung Kühlplattenhöhe 39 Rückhalteelement Kühlplattendicke 40 Schutzgehäuse Kühlplattenoberseite 41 Frontseite
Stützbereich 42 Anschlagelement erste Seite 43 Kühlplattensegment zweite Seite 44 Kühlkanal
Längsrichtung 45 Hebelvorrichtung Vertikalrichtung 46 Schubstange Querrichtung 47 Rückseite
Aufnahmefläche 48 Schottwandelement Stützfläche
Anschlussöffnung
Hilfsbaugruppe
Führungselement
Aufnahmeraum
Vertikalsteher
Horizontalträger
Längsträger
Rollkörper
Hohlkörper
Durchtrittsöffnung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Leistungsbaugruppe (1) für einen Mittel- oder Hochspannungsumrichter (2), vorzugsweise einen Modularen Multilevel Umrichter, umfassend,
- zumindest eine Leistungshalbleiterbaugruppe (4)
- zumindest eine Energiespeicherbaugruppe (5),
- zumindest eine Kühlvorrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kühlvorrichtung (6) als, von einem Kühlmittel durchströmbare, insbesondere einer Kühlflüssigkeit durchfließbare, Kühlplatte (7) ausgebildet ist, welche eine verglichen zu einer Kühlplattenlänge (8) und einer Kühlplattenhöhe (9) geringere Kühlplattendicke (10) aufweist, und die Kühlplatte (7) zum Lastabtrag der Leistungsbaugruppe (1) auf ein Gestell (3) des Mit tel- oder Hochspannungsumrichters (2) zumindest einen, durch die Kühlplattenlänge (8) und Kühlplattendicke (10) und/oder einem Teil der Kühlplattenhöhe (9) der Kühlplatte (7) defi nierten, Stützbereich (12) aufweist.
2. Leistungsbaugruppe (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der zu mindest eine Stützbereich (12) zum abstützenden Lastabtrag auf das Gestell (3) in Vertikal richtung im Wesentlichen nach unten als Stützfläche (19), bevorzugt zumindest die Kühlplat tenlänge (8) und Kühlplattendicke (10) umfassend, ausgebildet ist.
3. Leistungsbaugruppe (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Stützbereich (12) zum Lastabtrag auf das Gestell (3) im Bereich einer Kühlplattenoberseite (11) der Kühlplatte (7), bevorzugt umfassend zumindest die Kühlplat tenlänge (8) und einen Teil der Kühlplattenhöhe (9), ausgebildet ist.
4. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass die Kühlplatte (7) an beiden, durch die Kühlplattenlänge (8) und die Kühl plattenhöhe (9) der Kühlplatte (7) definierte, Seiten (13, 14) zumindest eine Aufnahmefläche (18), zur Anordnung jeweils zumindest einer Leistungshalbleiterbaugruppe (4) und/oder zu mindest einer Energiespeicherbaugruppe (5), aufweist.
5. Leistungsbaugruppe (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (7) zumindest eine Anschlussöffnung (20) in Querrichtung (17) zur Durchführung und Kontaktierung zumindest von Stromanschlüssen (33) der zumindest einen Energiespei cherbaugruppe (5) zur zumindest einen Leistungshalbleiterbaugruppe (4) und/oder zumindest einer Hilfsbaugruppe (21) aufweist.
6. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5 dadurch gekenn zeichnet, dass die zumindest eine Leistungshalbleiterbaugruppe (4) an der ersten Seite (13) und die zumindest eine Energiespeicherbaugruppe (5) an der, der ersten Seite (13) gegenüber liegenden, zweiten Seite (14) der Kühlplatte (7) angeordnet sind.
7. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass an der Kühlplatte (7) zumindest ein mit einer Koppelvorrichtung (38) des Gestells (3) korrespondierendes, Rückhalteelement (39) angeordnet ist.
8. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass die Leistungsbaugruppe (1) zumindest ein Schutzgehäuse (40) zur Auf nahme zumindest einer Leistungshalbleiterbaugruppe (4) und/oder Hilfsbaugruppe (21) und/oder Energiespeicherbaugruppe (5) aufweist, welches mit der Kühlplatte (7) befestigbar, bevorzugt koppelbar, ausgebildet ist.
9. Leistungsbaugruppe (1) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zumin dest ein Schottwandelement (48) zumindest zwei Komponenten, wie etwa Leistungshalblei terbaugruppe (4) und/oder der Hilfsbaugruppe (21) und/oder der Energiespeicherbaugruppe (5), voneinander trennend, sowie die Kühlplatte (7) mit dem zumindest einen Schutzgehäuse (40) verbindend angeordnet ist.
10. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest zwei Stromanschlüsse (33) und/oder Steueranschlüsse (36) und/oder, Kühlmittelanschlüsse (37) und/oder etwaige Messanschlüsse (34) und/oder Hilfsan schlüsse (35) an einer Lrontseite (41) der Leistungsbaugruppe (1) ausgebildet sind.
11. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest zwei Stromanschlüsse (33) und/oder Steueranschlüsse (36) und/oder, bevorzugt als Schnellver Schlüsse ausgebildete, Kühlmittelanschlüsse (37) und/oder etwaige Messanschlüsse (34) und/oder Hilfsanschlüsse (35) an einer Rückseite (47) der Leis tungsbaugruppe (1) ausgebildet sind.
12. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass die Kühlplatte (7) aus zumindest zwei in Längsrichtung (15) und/oder Qu errichtung (17) und/oder Vertikalrichtung (16) geteilten, Kühlplattensegmenten (43) zur Aus bildung eines durchgehenden Kühlkanals (44) zusammengesetzt ist.
13. Leistungsbaugruppe (1) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass zumin dest zwei Kühlplattensegmente (43) voneinander unterschiedliche Kühlleistungen aufweisen.
14. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass die Kühlplatte (7) zumindest in Vertikalrichtung (16) relativ zur zumindest einen Leistungshalbleiterbaugruppe (4) und/oder zumindest einen Energiespeicherbaugruppe (5) und/oder zumindest einem Schutzgehäuse (40) hervorragend ausgebildet ist.
15. Leistungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass im Stützbereich (12) zumindest zwei Rollkörper (27) an der Kühlplatte (7) oder einer dafür vorgesehenen Rollkörperaufnahme ausgebildet sind.
16. Mittel- oder Hochspannungsumrichter (2), vorzugsweise einen Modularen Mul- tilevel Umrichter, umfassend
- zumindest eine Leistungsbaugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
- ein Gestell (3) mit einer Mehrzahl von Vertikalstehem (24) und Horizontalträgern (25), wel che zur Verbindung jeweils zumindest zweier Vertikalsteher (24) angeordnet sind, und wel ches Gestell (3) zumindest einen Aufnahmeraum (23) für zumindest eine Leistungsbaugruppe (1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Längsträger (26) zum Lastabtrag der Leistungsbaugruppe (1) zumindest zwei Horizontalträgem (25) verbindend angeordnet ist.
17. Mittel- oder Hochspannungsumrichter (2) nach Anspruch 16 dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest ein Horizontalträger (25) und/oder Längsträger (26) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, bevorzugt einem Glasfaserverbundwerkstoff, hergestellt sind.
18. Mittel- oder Hochspannungsumrichter (2) nach einem der Ansprüche 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Längsträger (26) als Hohlkörper (28) ausgebildet ist und zumindest zwei Durchtrittsöffnungen (29), zum Durchtritt jeweils zumindest eines Rollkörpers (27) in einer Servicestellung (31) eines in den Längsträger (26) in einer Ruhestel lung (32) einführbaren Hebewerkzeugs (30), aufweist.
19. Mittel- oder Hochspannungsumrichter (2) nach Anspruch 16 bis 18 dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest ein Längsträger (26) zumindest ein Führungselement (22) zur Führung der Kühlplatte (7), insbesondere des Stützbereichs (12), zumindest in Querrichtung (17) aufweist.
20. Mittel- oder Hochspannungsumrichter (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Führungselement (22) zur Aufnahme des Stütz bereichs (12) und/oder Führung der Kühlplatte (7) an einer Unterseite zumindest eines Längs trägers (26) als Z-, L-, C- oder U-förmiges Profilelement ausgebildet ist.
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