DE202009012751U1

DE202009012751U1 - Converter arrangement

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Publication number: DE202009012751U1
Application number: DE200920012751
Authority: DE
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-09-19
Filing date: 2009-09-19
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: CN201656746U

Abstract

Stromrichteranordnung (1) mit einer
Aufnahmeeinrichtung (6),
mindestens zwei Stromrichterbaugruppen (2) mit jeweils einer Kühleinrichtung (20), mindestens einem hierauf angeordneten Leistungshalbleitermodul (30) und mit einer hiermit schaltungsgerecht verbundenen Kondensatoreinrichtung (40),
wobei jeweils zwei Stromrichterbaugruppen (2) derart in der Aufnahmeeinrichtung angeordnete ist, dass die jeweiligen Kühleinrichtungen (20) einander zugewandt sind und
wobei die Stromrichterbaugruppen (2) mit einer Verbindungseinrichtung (16) mit der Aufnahmeeinrichtung (6) verbunden sind.Converter arrangement (1) with a
Receiving device (6),
at least two power converter modules (2) each having a cooling device (20), at least one power semiconductor module (30) arranged thereon and having a capacitor device (40) connected thereto in a circuit-connected manner,
wherein each two power converter modules (2) is arranged in the receiving device such that the respective cooling devices (20) face each other and
wherein the power converter modules (2) are connected to the receiving device (6) by a connecting device (16).

Description

Die Erfindung beschreibt Stromrichteranordnungen, wie sie beispielhaft in Windkraft- oder Photovoltaikanlagen zur Anpassung der dort erzeugten Ströme an ein Versorgungsnetz dienen. Windkraftanlagen erzeugen abhängig von der Windgeschwindigkeit zeitlich variierende Ausgangsspannungen mit ebenso variierender Frequenz. In Photovoltaikanlagen wird üblicherweise zeitlich variierende Gleichspannung erzeugt. Zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz ist es allerdings meist notwendig eine definierte Spannung konstanter Frequenz zu erzeugen.The The invention describes power converter arrangements as exemplified in wind power or photovoltaic systems to adapt the currents generated there to serve a supply network. Wind turbines generate dependent time-varying output voltages from the wind speed with equally varying frequency. In photovoltaic systems is usually generates time varying DC voltage. For feeding in a supply network, however, it is usually necessary a defined To generate voltage of constant frequency.

Hierfür sind beispielhaft aus der DE 198 32 225 A1 kaskadierte Anordnungen von handelsüblichen Leistungshalbeitermodulen bekannt. Die Erfindung beschreibt die Systemintegration derartiger kaskadierter Anordnungen, die bevorzugt für höhere Leistungen über 100 kW geeignet ist.For this example of the DE 198 32 225 A1 cascaded arrangements of commercial power semiconductor modules known. The invention describes the system integration of such cascaded arrangements, which is preferably suitable for higher powers over 100 kW.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Stromrichteranordnung für höhere Leistungen vorzustellen, die modular aus handelsüblichen Leistungshalbleitermodulen aufgebaut ist, wobei dieser Aufbau leicht zugänglich und platzsparende ausgebildet ist.Of the Invention is the object of a converter arrangement to introduce for higher performance, the modular constructed from commercially available power semiconductor modules This construction is easily accessible and space saving is trained.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.These Problem is solved according to the invention, by a power converter arrangement having the features of the claim 1. Preferred embodiments are in the dependent Claims described.

Den Ausgangspunkt der Erfindung bildet eine Stromrichteranordnung mit einer Aufnahmeeinrichtung, die vorzugsweise als ein an sich bekannter Schaltschrank ausgebildet ist. Hierin sind mindestens zwei Stromrichterbaugruppen angeordnet. Jeder dieser Stromrichterbaugruppen ist jeweils einer Kühleinrichtung zugeordnet. Auf dieser Kühleinrichtung ist mindestens ein Leistungshalbleitermodul, vorteilhafterweise allerdings eine Mehrzahl gleichartiger handelsüblicher Leistungshalbleitermodule in Reihe, angeordnet. Diese Leistungshalbleitermodule sind weiterhin jeweils schaltungsgerecht mit einer Kondensatoreinrichtung verbundenen.The The starting point of the invention is a converter arrangement a receiving device, preferably as a known control cabinet is trained. Here are at least two power converter modules arranged. Each of these power converter modules is each a cooling device assigned. On this cooling device is at least one Power semiconductor module, but advantageously a plurality similar commercial power semiconductor modules arranged in series. These power semiconductor modules are still each connected circuit-wise with a capacitor device.

Erfindungsgemäß sind jeweils zwei Stromrichterbaugruppe derart in der Aufnahmeeinrichtung angeordnet, dass die jeweiligen Kühleinrichtungen einander zugewandt angeordnet sind. Als Kühleinrichtungen sind hier Luft- oder auch Flüssigkeitskühleinrichtungen gleichermaßen geeignet. Im Falle der Anwendung einer Luftkühleinrichtung ist es besonders bevorzugt wenn die Strömungskanäle senkrecht zu einer Reihenanordnung der Leistungshalbleitermodule verlaufen, da somit für jedes Leistungshalbleitermodul ausreichend Kühlluft gleicher Temperatur zur Verfügung steht.According to the invention two converter assembly in each case arranged in the receiving device, that the respective cooling devices face each other are arranged. Cooling devices are air or liquid cooling devices alike suitable. In the case of the application of an air cooling device it is particularly preferred if the flow channels perpendicular to a series arrangement of the power semiconductor modules run so there for each power semiconductor module sufficient cooling air of the same temperature available stands.

Weiterhin sind die Stromrichterbaugruppen mittels einer Verbindungseinrichtung mit der Aufnahmeeinrichtung verbunden sind. Diese Verbindungseinrichtung ist vorzugsweise als ein mit dem Schaltschrank direkt verbundenes Schienensystem ausgebildet um die jeweilig Stromrichterbaugruppe einfach in den Schrank einbauen, oder auch bei Bedarf auswechseln, zu können.Farther are the power converter modules by means of a connecting device are connected to the receiving device. This connection device is preferably as a directly connected to the cabinet Rail system formed around the respective power converter module simply install in the cabinet, or replace if necessary, to be able to.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in der jeweiligen Beschreibung der Ausführungsbeispiele genannt. Die erfinderische Lösung wird zudem an Hand der Ausführungsbeispiele und der 1 bis 4 weiter erläutert.Particularly preferred developments of the invention are mentioned in the respective description of the embodiments. The inventive solution is also based on the embodiments and the 1 to 4 further explained.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung in dreidimensionaler Ansicht. 1 shows a power converter arrangement according to the invention in a three-dimensional view.

2 zeigt zwei Stromrichterbaugruppen der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung in dreidimensionaler Ansicht. 2 shows two power converter modules of the power converter arrangement according to the invention in a three-dimensional view.

3 zeigt zwei Stromrichterbaugruppen in einer ersten Draufsicht. 3 shows two power converter modules in a first plan view.

4 zeigt zwei weitere Stromrichterbaugruppen in einer zweiten Draufsicht. 4 shows two more power converter modules in a second plan view.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung (1) in dreidimensionaler Ansicht. Dargestellt ist ein Schaltschrank (6), der die Aufnahmeeinrichtung der Stromrichteranordnung ausbildet. Dieser weist an seinen unteren (10) und oberen (12) Begrenzungsflächen jeweils zwei Schienensysteme (16) zur Aufnahme und Führung der zwei hier angeordneten Stromrichterbaugruppen (2) auf. Diese Stromrichterbaugruppen (2) weisen hier als Kühleinrichtung (20) eine Luftkühleinrichtung (200) auf, die von der Frontseite aus mittels eine Mehrzahl von Lüftern (4) mit Kühlluft beaufschlagt werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite des Schaltschrankes (6) befinden sich entsprechende Kühlluftauslässe. Die zwei Stromrichterbaugruppen (2) sind in 2 nochmals detaillierter dargestellt. 1 shows a power converter arrangement according to the invention ( 1 ) in three-dimensional view. Shown is a control cabinet ( 6 ), which forms the receiving device of the power converter assembly. This points to its lower ( 10 ) and upper ( 12 ) Boundary surfaces two rail systems each ( 16 ) for receiving and guiding the two power converter modules arranged here ( 2 ) on. These power converter modules ( 2 ) have here as a cooling device ( 20 ) an air cooling device ( 200 ), which from the front by means of a plurality of fans ( 4 ) can be acted upon with cooling air. On the opposite side of the control cabinet ( 6 ) are appropriate cooling air outlets. The two converter modules ( 2 ) are in 2 shown in more detail again.

2 zeigt diese zwei Stromrichterbaugruppen (2) ebenfalls in dreidimensionaler Ansicht. Jede der beiden Stromrichterbaugruppen (2) weist hier eine Gliederung in drei Gruppen (3), die üblicherweise drei unterschiedlichen Phasen zugeordnet sind, auf. Jede dieser Gruppe (3) besteht ihrerseits aus eine Mehrzahl von Leistungshalbleitermodulen (30), die schaltungsgerecht mit zugeordneten Kondensatoreinrichtungen (40) verbunden sind. Diese Kondensatoreinrichtungen (40) weisen eine Gleichstromverbindungseinrichtung (42) auf, die mit externen Anschlüssen der Stromrichteranordnung (1) verbindbar sind. Die Wechselspannungsanschlüsse (32) sind direkt an den jeweiligen Leistungshalbleitermodulen (30) einer Gruppe (3) angeordnet. 2 shows these two power converter modules ( 2 ) also in three-dimensional view. Each of the two power converter modules ( 2 ) here has a breakdown into three groups ( 3 ), which are usually assigned to three different phases, on. Each of these groups ( 3 ) consists in turn of a plurality of power semiconductor modules ( 30 ), which are suitable for switching with associated capacitor devices ( 40 ) are connected. These capacitor devices ( 40 ) have a direct current connection device ( 42 ) connected to external terminals of the power converter arrangement ( 1 ) are connectable. The AC voltage connections ( 32 ) are directly connected to the respective power semiconductor modules ( 30 ) of a group ( 3 ) arranged.

Eine derartige Stromrichteranordnung (1) kann beispielhaft als Umrichter ausgebildet sein, wobei die eingehende Wechselspannung mittels der ersten Stromrichterbaugruppe (2a) gleichgerichtet wird, die Energie in den Kondensatoreinheiten (40) zwischengespeichert wird und mittels der zweiten Stromrichterbaugruppe (2b) die gewünschte Spannung mit gewünschter Frequenz erzeugt wird. Hierbei ist die Einteilung in drei Gruppen (3) vorteilhaft, weil jede Gruppe (3) jeweils einer Phase, sowohl eingangswie auch ausgangsseitig zugeordnet werden kann.Such a converter arrangement ( 1 ) may be formed by way of example as a converter, wherein the incoming AC voltage by means of the first power converter module ( 2a ) is rectified, the energy in the capacitor units ( 40 ) is temporarily stored and by means of the second power converter module ( 2 B ) the desired voltage is generated at the desired frequency. Here, the division into three groups ( 3 ), because each group ( 3 ) can be assigned to one phase, both input and output side.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Stromrichteranordnung (1) stellt ein dreiphasiger Wechselrichter mit einem Gleichspannungseingang dar. Hier ist es dann vorteilhaft, wenn die sich gegenüberliegenden Gruppen jeweils einer Ausgangsphase gemeinsam zugeordnet sind.A further advantageous embodiment of the converter arrangement ( 1 ) represents a three-phase inverter with a DC input. Here, it is advantageous if the opposing groups are each assigned to an output phase together.

Diese beiden vorteilhaften Anwendungen stellen allerdings keine Begrenzung der möglichen Ausbildungen der Stromrichteranordnung dar.These However, both advantageous applications do not limit the possible embodiments of the power converter arrangement.

In der hier dargestellten Ausgestaltung sind die beiden Stromrichterbaugruppen (2a/b) spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet, wobei die Spiegelebene durch die x-y-Ebene gebildet wird. Somit sind in dieser Ausgestaltung die Wechselstromanschlüsse (32) beider Stromrichterbaugruppen (2a/b) an der Vorderseite angeordnet, wodurch eine einfach weitere elektrische Verbindung ermöglicht wird. Die Gleichstromanschlüsse liegen jeweils seitlich auf den den Kühleinrichtungen (20) abgewandten Seiten. Die Kühleinrichtungen (20) der beiden Stromrichterbaugruppen (2) selbst sind in direktem Kontakt zueinander. Dies kann für die Wärmabfuhr aus den Leistungshalbleitermodulen (30) über die Luftkühleinrichtungen (200) vorteilhaft sein.In the embodiment shown here, the two converter assemblies ( 2a / b) formed mirror-symmetrically to each other, wherein the mirror plane is formed by the xy plane. Thus, in this embodiment, the AC terminals ( 32 ) of both converter modules ( 2a / b) located at the front, allowing for easy further electrical connection. The DC connections are each on the side of the cooling devices ( 20 ) facing away. The cooling equipment ( 20 ) of the two power converter modules ( 2 ) are in direct contact with each other. This can be used for heat removal from the power semiconductor modules ( 30 ) via the air cooling devices ( 200 ) be advantageous.

3 zeigt zwei Stromrichterbaugruppen (2) in einer ersten Draufsicht auf die x-y-Ebene. Es sind wiederum zwei Stromrichterbaugruppen (2) mit Luftkühleinrichtungen (200) dargestellt, wobei hier diese einen Abstand zueinander aufweisen, wodurch diese Anordnung einer einfacheren Montage bzw. auch Demontage im Reparaturfall zugänglich ist. 3 shows two power converter modules ( 2 ) in a first plan view of the xy plane. Again, there are two power converter modules ( 2 ) with air cooling devices ( 200 ), in which case these have a distance from each other, whereby this arrangement is a simpler installation or disassembly in case of repair accessible.

Ebenfalls dargestellt sind hier die Leistungshalbleitermodule (30), von denen jeweils vier eine Gruppe (3) und somit ein Stromrichtersubsystem ausbilden. Die einzelnen Leistungshalbleitermodule (30) einer Gruppe (3) sind gleichartig mit einer Halbbrückenschaltung ausgebildet und parallel geschaltet. Somit bilden hier jeweils vier Leistungshalbleitermodule (30) das Stromrichtersubsystem einer Phase aus. Jedes dieser Stromrichtersubsysteme weist seine eigene Kühleinrichtung und seine eigene Kondensatoreinrichtung (40) auf.Also shown here are the power semiconductor modules ( 30 ), of which four each a group ( 3 ) and thus form a power converter subsystem. The individual power semiconductor modules ( 30 ) of a group ( 3 ) are similarly formed with a half-bridge circuit and connected in parallel. Thus, four power semiconductor modules ( 30 ) the power converter subsystem of one phase. Each of these power converter subsystems has its own cooling device and its own capacitor device ( 40 ) on.

Es kann vorteilhaft sein die jeweiligen Kondensatoreinrichtungen (40) einer Stromrichterbaugruppe (2) miteinander zu verbinden um eine symmetrische Aufteilung der Last zu erreichen. Ebenfalls kann es vorteilhaft sein die Kühleinrichtungen (20) mechanisch miteinander zu verbinden um eine Stromrichterbaugruppe (2) als ein Teilsystem zu erhalten. Bei einer derartigen Ausbildung und Anordnung der Stromrichterbaugruppen (2) ist es vorteilhaft dass die Strömungskanäle (202) der Luftkühleinrichtung (200) in z-Richtung also senkrecht zu der Reihe von Leistungshalbleitermodulen (30) verlaufen.It can be advantageous to use the respective capacitor devices ( 40 ) of a power converter module ( 2 ) to achieve a symmetrical distribution of the load. It may also be advantageous to use the cooling devices ( 20 ) mechanically to each other around a power converter assembly ( 2 ) as a subsystem. In such a design and arrangement of the power converter modules ( 2 ), it is advantageous that the flow channels ( 202 ) of the air cooling device ( 200 ) in the z-direction so perpendicular to the series of power semiconductor modules ( 30 ).

4 zeigt zwei weitere Stromrichterbaugruppen (2) in einer zweiten Draufsicht auf die x-z-Ebene. Im Unterschied zur Anordnung gemäß 3 sind hier Flüssigkeitskühleinrichtungen (204) der Stromrichterbaugruppen (2) vorgesehen. Weiterhin sind die beiden Stromrichterbaugruppen (2) vollständig identisch aufgebaut und um 180° gedreht zueinander angeordnet. Dies erleichtert den Aufbau dahingehen, dass alle Stromrichterbaugruppen (2) und somit auch alle Stromrichtersubsystem identisch hergestellt werden können. Zudem ist in Kombination mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung (204), die Zu- und Abläufe (206) aufweist, diese Anordnung vorteilhafte, weil sie einen kompakteren Aufbau in x-Richtung erlaubt. 4 shows two further power converter modules ( 2 ) in a second plan view of the xz-plane. In contrast to the arrangement according to 3 here are liquid cooling devices ( 204 ) of the power converter modules ( 2 ) intended. Furthermore, the two power converter modules ( 2 ) constructed completely identical and arranged rotated by 180 ° to each other. This facilitates the construction of the fact that all power converter modules ( 2 ) and thus all power converter subsystem can be made identical. In addition, in combination with a liquid cooling device ( 204 ), the inflows and outflows ( 206 ), this arrangement advantageous because it allows a more compact structure in the x direction.

Ebenfalls dargestellt sind die Kondensatoreinrichtung (40) mit zugehöriger elektrischer Verbindungseinrichtung (42) zum Leistungshalbleitermodul (30) und ein Wechselstromanschluss (32) der ebenfalls mit dem Leistungshalbleitermodul (30) verbunden ist.Also shown are the capacitor device ( 40 ) with associated electrical connection device ( 42 ) to the power semiconductor module ( 30 ) and an AC connection ( 32 ), which is also connected to the power semiconductor module ( 30 ) connected is.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19832225 A1 [0002]

Claims

Converter arrangement ( 1 ) with a receiving device ( 6 ), at least two power converter assemblies ( 2 ) each with a cooling device ( 20 ), at least one power semiconductor module arranged thereon ( 30 ) and a capacitor device ( 40 ), whereby in each case two power converter modules ( 2 ) is arranged in the receiving device such that the respective cooling devices ( 20 ) are facing each other and wherein the power converter modules ( 2 ) with a connection device ( 16 ) with the receiving device ( 6 ) are connected.

A power converter arrangement according to claim 1, wherein the connection means ( 16 ) is formed as a rail system.

A power converter arrangement according to claim 1, wherein the respective cooling devices ( 20 ) are spaced from each other or are arranged in direct contact with each other.

A power converter arrangement according to claim 1, wherein the cooling device ( 20 ) as a liquid cooling device ( 204 ) is trained.

A power converter arrangement according to claim 1, wherein the cooling device ( 20 ) as an air cooling device ( 200 ) is trained.

A power converter arrangement according to claim 5, wherein the air cooling device ( 200 ) is designed such that the flow channels ( 202 ) perpendicular to the array of power semiconductor modules ( 30 ).

A power converter arrangement according to claim 1, wherein the power semiconductor modules ( 30 ) in a plurality of interconnected groups ( 3 ) are arranged to form individual power converter subsystem each have their own associated capacitor device ( 40 ) exhibit.

A power converter arrangement according to claim 7, wherein each power converter subsystem has its own associated cooling device ( 40 ) having.

A power converter arrangement according to claim 1, wherein the respective power converter modules ( 2 ) are arranged mirror-symmetrically to each other.

A power converter arrangement according to claim 1, wherein the respective power converter modules ( 2 ) are arranged rotated by 180 ° to each other.