Kondensator mit integriertem Kurzschließer, insbesondere für zweipolige Sub-Module eines Mehrstufenumrichters, sowie einen mehrphasigen Mehrstufenumrichter mit einem solchen Kondensator

Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit integriertem Kurzschließer, insbesondere für zweipolige Sub-Module eines Mehrstufenumrichters, sowie einen Mehrstufenumrichter mit ei ^¬ nem solchen Kondensator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9.

Mehrphasige modulare Mehrstufenumrichter sind bekannt und weisen mehrere Phasenmodule auf, die jeweils aus einer Viel ^¬ zahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen SubModulen gebildet sind. Die Sub-Module wiederum verfügen je ^¬ weils über ein Powermodul mit mehreren Halbleiterschaltern und einen Kondensator als Energiespeicher, an dem jeweils eine Zwischenkreisspannung anliegt.

Die Kondensatoren sind als Folienkondensatoren ausgebildet, die durch ihre selbstheilende Eigenschaft sehr robust gegen ^¬ über Schädigungen sind. Daher werden Folienkondensatoren gern bei modularen Mehrstufenumrichtern zur Pufferung der Spannungen der Sub-Module eingesetzt. Bei der großen Anzahl verbau ^¬ ter Kondensatoren mit sehr hohem Energiegehalt kann es jedoch zu Isolationsfehlern kommen, welche den Umrichterbetrieb zwar nicht unbedingt stören, aber Aufgrund einer starken Wärmeent ^¬ wicklung zu einer Rauchbildung führen können, verbunden zu zerstörerischen Überschlägen innerhalb des Umrichters.

Nachteilig ist dabei, dass die Wärmeentwicklung und Rauchbil ^¬ dung durch Infrarotsensoren und Rauchmelder zeitlich verzögert und damit meist zu spät erkannt wird.

Daher werden z.B. Überdruckschalter verwendet, welche die starke Erwärmung anhand der Ausdehnung des Füllmaterials (Gas oder Harz) erkennen. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass eine zusätzliche Signalverarbeitung und -koordination erforderlich ist, welche sich kaum nachrüsten lässt und zusätzliche Fehlerquellen aufweist.

Bei jeder dieser Lösungen des Problems wird der Umrichter aber unerwartet abgeschaltet, was zu erheblichen Kosten füh ^¬ ren kann. Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer starken Wärmeent ^¬ wicklung innerhalb eines Folienkondensators den Folienkonden ^¬ sators kurzzuschließen, bevor es zu einer Rauchbildung kommt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.

Die Lösung sieht bezogen auf den Kondensator vor, dass das Trennmaterial eine Schmelztemperatur aufweist, bei der es sich verflüssigt, dass ein Kurzschließer vorhanden ist, der ein Kurzschlusselement aufweist, das a) im Bereich der beiden Anschlüsse angeordnet ist, b) mit dem einen Anschluss elekt ^¬ risch verbunden ist, c) vom festen Trennmaterial in einer ersten Position gehalten ist und d) von einer Kraft beaufschlagt ist, die den Kurzschließer bei geschmolzenem Trennma- terial in eine zweite Position bewegt, in welcher der Kurzschließer zumindest auch den anderen Anschluss kontaktiert und dadurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen herstellt. Eine technisch einfache Lösung erhält man, wenn die den Kurzschließer beaufschlagende Kraft die Schwerkraft ist und sich der Kurzschließer bezogen auf die Richtung der Schwerkraft oberhalb der Anschlussflächen vom festen Trennmaterial in der ersten Position gehalten ist.

Um die Bewegung in die zweite Position zu erleichtern, wird vorgeschlagen, dass der Kurzschließer eine Keilform aufweist, dessen Keilspitze bezogen auf die Richtung der Schwerkraft nach unten zeigt.

Eine weitere Lösung erhält man, wenn die den Kurzschließer beaufschlagende Kraft die Kraft einer mit dem einen Anschluss verbundene Feder ist, die im gespannten Zustand im festen Trennmaterial angeordnet ist und sich im geschmolzenen Trenn ^¬ material unter Vergrößerung ihres Volumens entspannt. Eine einfache Ausführung sieht vor, dass die Feder eine

Schraubenfeder ist, die im geschmolzenen Trennmaterial ihre Längsausdehnung vergrößert und dabei den Kurzschließer gegen den anderen Anschluss bewegt, bis dieser unter Kontaktierung des anderen Anschlusses und damit Herstellung einer elektri- sehen Verbindung am anderen Anschluss zur Anlage kommt.

Zweckmäßigerweise sind an den beiden Anschlüssen einander zugewandte Anschlussflächen ausgebildet, zwischen denen das Trennmaterial angeordnet ist.

Mit Vorteil ist ein Gehäuse vorhanden, in dem der Wickel an ^¬ geordnet und durch das zumindest einer der beiden Anschlüsse nach außen geführt ist. Die Herstellung vereinfacht sich, wenn das Trennmaterial eine Vergussmasse ist.

Die Lösung sieht bezogen auf den Mehrstufenumrichter vor, dass das Trennmaterial eine Schmelztemperatur aufweist, bei der es sich verflüssigt, und dass ein Kurzschließer a) im Be ^¬ reich der beiden Anschlüsse angeordnet ist, b) mit dem einen Anschluss elektrisch verbunden ist, c) vom festen Trennmaterial in einer ersten Position gehalten ist und d) von einer Kraft beaufschlagt ist, die den Kurzschließer bei geschmolze- nem Trennmaterial in eine zweite Position bewegt, in welcher der Kurzschließer zumindest auch den anderen Anschluss kontaktiert und dadurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen herstellt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei ^¬ spiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung 1 mit einem modularen Mehrstufenumrichter,

Fig. 2 einen Mehrstufenumrichter mit drei Phasenmodulen,

Fig. 3 einen Mehrstufenumrichter mit sechs Phasenmodulen,

Fig. 6 das Phasenmodul gemäß Fig. 2 und 3 mit Sub- Modulen,

Fig. 7 ein Sub-Modul,

Fig. 8 eine Leistungshalbleiterschaltung als Voll- brückenschaltung,

Fig. 9 eine Leistungshalbleiterschaltung als Halbbrückenschaltung, Fig. 10 eine erste Ausführung des Kondensators mit integriertem Kurzschließer und

Fig. 11 eine zweite Ausführung des Kondensators mit integriertem Kurzschließer.

In Fig. 1 ist eine Anordnung 1 mit einem modularen Mehrstufenumrichter 3 (modularer Multi-Level-Umrichter) dargestellt. Der modulare Mehrstufenumrichter 3 ist dreiphasig über eine Anschlussschiene 5 und einen Transformator 5a mit einem Ener- gieversorgungsnetz 7 elektrisch verbunden. Das Energieversorgungsnetz 7 ist im Ausführungsbeispiel ein dreiphasiges Wech- selspannungs-Energieversorgungsnetz 7. Mittels eines Strom- sensors 210 wird der durch den Umrichter 3 fließende Strom gemessen. Strommesswerte 13 werden zu einer Ansteuereinheit 15 des modularen Mehrstufenumrichters 3 übertragen. Weiterhin wird mittels eines Spannungssensors 18 (der hier als Mess- wandler ausgeführt ist) die an der Anschlussschiene 5 anlie ^¬ gende Spannung gemessen. Diese Spannung entspricht im Wesent ^¬ lichen der an dem modularen Mehrstufenumrichter 3 anliegenden Spannung. Die Spannungsmesswerte der Anschlussspannung 21 werden zu der Ansteuereinheit 15 übertragen.

Anhand von vorgegebenen Sollwerten 25 (Wirkleistungs- oder Blindleistungssollwerte) berechnet die Ansteuereinheit 15 An- steuersignale 28, die zu dem modularen Mehrstufenumrichter 3 übertragen werden. Mittels dieser Ansteuersignale 28 wird der Mehrstufenumrichter 3 derart angesteuert, dass sich an der

Anschlussschiene 5 die gewünschten Strom- und Spannungswerte einstellen. Die Ansteuereinheit 15 kontrolliert auf diese Weise den Mehrstufenumrichter 3. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenum ^¬ richters 3 dargestellt, welcher drei Phasenmodule 210 auf ^¬ weist. Die drei Phasenmodule 210 sind in Dreiecksschaltung geschaltet und mit drei Phasen LI, L2 und L3 des Energiever ^¬ sorgungsnetzes 7 verbunden. Der Aufbau der Phasenmodule 210 ist in Fig. 6 dargestellt.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenum ^¬ richters 3 dargestellt, welcher sechs Phasenmodule 210 auf ^¬ weist. Diese sechs Phasenmodule 210 sind in einer Brücken- Schaltung (hier: in einer B6-Brückenschaltung) angeordnet. Dabei sind jeweils ein Anschluss eines ersten Phasenmoduls und ein Anschluss eines zweiten Phasenmoduls miteinander elektrisch verbunden und bilden einen Wechselspannungsan- schluss 302, 304 oder 306.

Der andere Anschluss des ersten Phasenmoduls ist mit einem positiven Gleichspannungsanschluss 310 und der andere An ^¬ schluss des zweiten Phasenmoduls ist mit einem negativen Gleichspannungsanschluss 312 verbunden. Die drei Wechselspan ^¬ nungsanschlüsse 302, 304 und 306 sind an die drei Phasen LI, L2 und L3 des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 7 an ^¬ geschlossen .

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Phasenmoduls 210 näher dargestellt. Das Phasenmodul 210 weist einen ersten An- schluss 604 sowie einen zweiten Anschluss 606 auf. Der ersten Anschluss 604 ist über einen Stromsensor 608 mit einem ersten Sub-Modul 610 elektrisch verbunden. Das erste Sub-Modul 610 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit weiteren Sub-Modulen 610; insgesamt weist das Phasenmodul 210 n Sub-Module 610 auf. Das letzte der n Sub-Module 610 ist über eine Koppelin ^¬ duktivität 612 elektrisch mit dem zweiten Anschluss 606 ver- bunden. Mittels des Stromsensors 608 wird der durch das Pha ^¬ senmodul 210 fließende Strom gemessen. Der erste Anschluss 604 und der zweite Anschluss 606 kann jeweils mit einer Phase des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 7 verbunden sein .

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sub-Moduls 610 im Detail dargestellt. Das zweipolige Sub-Modul 610 weist einen ersten Sub-Modulanschluss 704 und einen zweiten Sub- Modulanschluss 706 auf. Die beiden Sub-Modulanschlüsse 704 und 706 sind mit einer Leistungshalbleiterschaltung 710 verbunden (genauer gesagt mit einem Wechselspannungsanschluss der Leistungshalbleiterschaltung 710). Ein Gleichspannungsanschluss der Leistungshalbleiterschaltung 710 ist über einen Gleichspannungszwischenkreis 714 mit einem Energiespeicher 724 in Form eines Kondensatormoduls 724a (mit einem Kondensa ^¬ tor 1020) verbunden. In dem Gleichspannungszwischenkreis 714 ist die Zwischenkreisspannung Uzk vorhanden. Die Leistungshalbleiterschaltung 710 wird auch als „Powermodul" bezeichnet .

Ein Bypassschließer 730 umfasst eine Überwachungseinheit 732 mit einer Bypassschalterlogik, die einen Bypassschalter 731 schließt, wenn ein Zusammenbruch der der Zwischenkreisspan- nung Uzk (und damit Spannung des Kondensators 1020) von ihr erkannt wird.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Leistungshalblei- terschaltung 710 dargestellt. Die Leistungshalbleiterschal ^¬ tung 710 weist vier Leistungshalbleiterschalter 810 auf, die ein- und ausschaltbar sind. Jeder der Leistungshalbleiterschalter 810 weist ein Leistungshalbleiterbauelement mit ei ^¬ ner antiparallel geschalteten Diode auf. Im Ausführungsbei- spiel der Fig. 8 ist das Leistungshalbleiterbauelement ein

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) . In anderen Ausführungsbeispielen kann das Halbleiterbauelement jedoch auch anders ausgestaltet sein, zum Beispiel als ein IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor), IEGT ( Inj ection-Enhanced Gate Transistor) oder als ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) . Die vier Halbleiterschalter 810 bilden im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 eine Vollbrücken- schaltung. Dadurch kann die Polarität der zwischen dem ersten Sub-Modulanschluss 704 und dem zweiten Sub-Modulanschluss 706 anliegenden Spannung umgekehrt werden.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leis ^¬ tungshalbleiterschaltung 710 ^λ dargestellt, welches lediglich zwei Leistungshalbleiterschalter 810 aufweist. Die beiden Leistungshalbleiterschalter 810 bilden im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 eine Halbbrückenschaltung. Dadurch kann zwischen dem ersten Sub-Modulanschluss 704 und dem zweiten Sub- Modulanschluss 706 nur eine Spannung einer Polarität (oder eine Nullspannung) ausgegeben werden.

In Fig. 8 ist das Kondensatormodul 724a dargestellt, das hier aus einem Kondensator 1020 und einer parallelgeschalteten Spannungsmesseinrichtung 1020a besteht, wobei am Kondensator 1020 die Zwischenkreisspannung Uzk anliegt und von diesem ge- puffert wird.

Dargestellt ist in Fig. 9 der Kondensator 1020, der aus einer Reihen- und Parallelschaltung von Wickeln 1021 besteht, die jeweils aus aufgewickelten elektrisch leitenden (ersten) Folien in Form von Metallfolien und mindestens einer dazwischenliegenden elektrisch isolierenden (zweiten) Folie in Form von mindestens einer Kunstoffisolierfolie gebildet sind. Die in Reihe und parallel geschalteten Wickel 1021 sind mit einem Kurzschließer 1022 verbunden, der als Wärmekurzschließer ausgebildet und mit den Anschlüssen 1023, 1024 des Kon ^¬ densators 1020 verbunden ist. In Fig. 10 ist eine erste Ausführung des Kondensators 1020 mit integriertem Kurzschließer 1022 aus Sicht der Anschlüsse des Kondensators 1020 schematisch dargestellt. Man erkennt, dass der den Kurzschließer 1022 hier ein keilförmiges Kurzschlusselement 1025 aufweist, das im Bereich der beiden An- Schlüsse 1023, 1024 angeordnet und mittels eines Potential ^¬ ausgleichsdrahts 1026 mit dem einen Anschluss 1024 elektrisch verbunden ist. Die beiden Anschlüsse 1023, 1024 sind in einem festen elektrisch isolierenden Trennmaterial 1027 eingebettet, d.h. das Trennmaterial 1027 ist damit auch zwischen den beiden einander zugewandten Anschlussflächen 1023a, 1024a der beiden Anschlüsse 1023, 1024 angeordnet. Dabei ist das Kurz ^¬ schlusselement 1025 vom festen Trennmaterial 1027 in einer ersten Position gehalten, wie in Fig. 10 dargestellt. Die erste Position befindet sich hier bezogen auf die Richtung 1028 der Schwerkraft oberhalb der Anschlüsse 1023, 1024 und ist von der Schwerkraft beaufschlagt.

Das Trennmaterial 1027 weist eine Schmelztemperatur auf, die derart ausgewählt (abgestimmt) ist, dass das (feste) Trennma- terial 1027 schmilzt (sich verflüssigt) , wenn es aufgrund von Isolationsfehlern zu einer starken Wärmeentwicklung kommt. Schmilzt das feste Trennmaterial 1027, so bewegt die Schwer ^¬ kraft das Kurzschlusselement 1025 nach unten in eine zweite Position, in welcher der Kurzschließer 1022 auch den anderen Anschluss 1023 (sowie den Anschluss 1024 direkt) kontaktiert und dadurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen 1023, 1024 herstellt. Um die Bewegung in die zweite Position zu erleichtern, wird vorgeschlagen, dass der Kurzschließer 1022 eine Keilform aufweist, dessen Keilspitze bezogen auf die Richtung 1028 der Schwerkraft nach unten zeigt.

Durch den Kurzschluss und damit den Zusammenbruch der Kondensatorspannung wird die vorhandene Bypassschalterlogik im betroffenen Sub-Modul (z.B. 610) ausgelöst, welche anschließend zu einer sicheren Fehlerklärung führt.

Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführung des Kondensators 1020 mit integriertem Kurzschließer 1022 in einer schematischen Darstellung. Im Unterschied zur ersten Ausführung befindet sich das hier quaderförmige Kurzschlusselement 1025 zwischen den beiden Anschlüssen 1023, 1024 und die das Kurzschlussele ^¬ ment 1025 beaufschlagende Kraft ist die Kraft einer Druckfe ^¬ der 1029, die im gespannten Zustand im festen Trennmaterial 1027 angeordnet und elektrisch mit dem Anschluss 1024 direkt verbunden ist. Im geschmolzenen Trennmaterial 1027 entspannt sich die Feder 1029 unter Vergrößerung ihres Volumens bzw. ihrer Länge, bis das Kurzschlusselement 1025 den anderen ge ^¬ genüberliegenden Anschluss 1023 kontaktiert und dadurch wie bei der ersten Ausführung einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen 1023, 1024 herstellt.