Область техники
Изобретение находится в области силовой электронной техники, прежде всего силового преобразователя переменного тока, и относится к конструкции фазового модуля для силового преобразователя переменного тока и к преобразователю переменного тока. Кроме того, изобретение относится к транспортному средству с преобразователем переменного тока.
Уровень техники
Преобразователи переменного тока служат для преобразования переменного напряжения и переменного тока, причем при этом приводятся в соответствие характеристические свойства, такие как амплитуда напряжения и частота. Преобразователь переменного тока может иметь промежуточный контур. Он служит в качестве промежуточного накопителя и в качестве электрического буфера. У преобразователей переменного тока равным образом преобразуются напряжение и ток.
Преобразователи переменного тока используются, например, для приведения в действие электродвигателей с переменной частотой вращения. Они имеются в транспортных средствах, прежде всего в рельсовых транспортных средствах, таких как трамваи, метро, электрические локомотивы или высокоскоростные поезда. Транспортное средство снимает напряжение, например, через контактный провод или токовый рельс. Затем оно приводится в соответствие в преобразователе переменного тока для электрического привода.
Электродвигатели также используются в качестве динамо-машины для выработки электрического тока из энергии движения, например, в процессе торможения электрического транспортного средства. Преобразователь переменного тока обычно действует в обоих направлениях.
Преобразователи переменного тока могут иметь управляемые полупроводниковые элементы, например IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором). За счет частотного управления в фазовом модуле генерируется фазовый ток. Он может, например, приводить в действие электродвигатель.
Недостатки уровня техники
Преобразователи переменного тока в рельсовых транспортных средствах состоят из больших систем из блоков преобразователей переменного напряжения, причем каждый блок преобразователя напряжения подключен к промежуточному контуру. Длинные соединительные элементы к промежуточному контуру создают высокую индуктивность и связанную с этим потерю мощности.
Постановка задачи
Задача заключается в улучшении конструкции преобразователя переменного тока.
Решение согласно изобретению
Эта задача решена посредством силового фазового модуля для модульного преобразователя переменного тока. Кроме того, эта задача решена посредством преобразователя переменного тока и транспортного средства, прежде всего рельсового транспортного средства.
Предлагается силовой фазовый модуль для модульного преобразователя переменного тока. Силовой фазовый модуль имеет по меньшей мере одну первую пару соединительных выводов постоянного тока на торцевой стороне силового фазового модуля с соответствующими соединительными элемента для подключения к паре токоведущих шин, находящуюся на расстоянии от первой пары соединительных выводов постоянного тока и подключенную параллельно ему первую пару конденсаторных выводов постоянного тока на торцевой стороне с соответствующими соединительными элементами для подключения к соотнесенному с силовым фазовым модулем конденсаторному модулю промежуточного контура, первый соединительный вывод переменного тока на другой стороне силового фазового модуля, переключающее устройство, соединенное с первым соединительным выводом переменного тока и первой парой соединительных выводом постоянного тока для преобразования приложенного в одном рабочем состоянии к первой паре соединительных выводов постоянного тока постоянного напряжения в вырабатываемое на первом соединительном выводе переменного тока переменное напряжение, или наоборот, и охлаждающее устройство для отвода тепла из силового фазового модуля, прежде всего из переключающего устройства.
Силовой фазовый модуль может быть использован в выполненном модульно преобразователе переменного тока для преобразования постоянного тока в переменный ток или переменного тока в постоянный ток. В преобразователе переменного тока могут параллельно, независимо и зависимо друг от друга эксплуатироваться несколько силовых фазовых модулей. Силовые фазовые модули выполнены компактно и могут размещаться в модульном преобразователе переменного тока рядом друг с другом с экономией места. Предпочтительно, силовой фазовый модуль является заменяемым.
Силовой фазовый модуль имеет торцевую сторону. Для этого он может приблизительно иметь форму параллелепипеда с большими и малыми боковыми поверхностями. Торцевая сторона является стороной с малой поверхностью. На этой торцевой стороне силовой фазовый модуль имеет по меньшей мере одну пару соединительных выводов постоянного тока. К паре соединительных выводов постоянного тока на торцевой стороне силового фазового модуля может быть подключена пара токоведущих шин. Силовой фазовый модуль при подключенных токоведущих шинах обеспечивается через пару соединительных выводов постоянного тока постоянным напряжением или может обеспечивать постоянным напряжением.
Первая пара соединительных выводов постоянного тока выполнена для постоянного напряжения и может иметь два соединительных элемента, которые выполнены в виде двух соединительных выводов с соответствующими контактными элементами. Согласно одному варианту осуществления в одном рабочем состоянии силового фазового модуля оба соединительных вывода первой пары соединительных выводов постоянного тока находятся под разными потенциалами, так что между ними приложено постоянного напряжение. Соединительные выводы пары соединительных выводов постоянного тока расположены относительно друг друга и электрически изолированы так, что в нормальном рабочем состоянии между ними не может течь ток. В качестве изоляции между соединительными выводами может находиться, например, воздух. Также соединительные выводы могут быть электрически изолированы посредством покрытия.
Кроме того, силовой фазовый модуль имеет на торцевой стороне находящуюся на расстоянии от первой пары соединительных выводов постоянного тока и подключенную параллельно им первую пару конденсаторных соединительных выводов постоянного тока. К первой паре конденсаторных соединительных выводов постоянного тока может быть подключен соотнесенный с силовым фазовым модулем конденсаторный модуль промежуточного контура. Для этого соединительные элементы первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока могут быть соединены с соединительными выводами конденсаторного модуля промежуточного контура. Соединение между парой конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и конденсаторным модулем промежуточного контура является, прежде всего, разъемным, например соединительные элементы выполнены в виде отверстий, а соединительные выводы конденсаторного модуля промежуточного контура в качестве соответствующих контактных элементов имеют винты или токоведущие болты.
Согласно одному варианту осуществления первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока имеет два соединительных вывода, которые в одном рабочем состоянии силового фазового модуля находятся под разными потенциалами, и между ними приложено постоянное напряжение. Оба соединительных вывода электрически изолированы друг от друга и находятся на расстоянии. Они могут располагаться близко друг к другу, прежде всего они могут быть размещены так, что между двумя соединительными выводами пары конденсаторных соединительных выводов не может быть расположен проводник с протекающим током.
Согласно одному варианту осуществления первая пара соединительных выводов постоянного тока имеет два соединительных вывода, которые в одном рабочем состоянии силового фазового модуля находятся под разными потенциалами, и между ними приложено постоянное напряжение. Соединительные выводы могут пространственно располагаться близко друг к другу на торцевой стороне.
В промежуточные контуры преобразователей переменного тока обычно строены электрические конденсаторы. При больших токах или высокой удельной мощности преобразователя переменного тока высокая токовая нагрузка при одновременно низкой собственной индуктивности конденсаторного модуля промежуточного контура может быть предпочтительной для эффективности. Малое эффективное последовательное сопротивление (ESR) и малая эффективная последовательная индуктивность (ESL) являются требованиями для хорошего коэффициента полезного действия. Низкоиндуктивное подключение конденсаторного модуля промежуточного контура к переключающему устройству также может приводить к повышению эффективности. Низкоиндуктивное подключение также может приводить к снижению нагрузки на полупроводниковые элементы за счет напряжений переключения и токов переключения.
Индуктивность подключения переключающего устройства к конденсатору определяется, кроме того, длиной электрической линии или величиной шлейфа проводников. Чем больше шлейф проводников, тем выше индуктивность. Поэтому конденсаторный модуль промежуточного контура должен помещаться наиболее близко к переключающему устройству. Первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока согласно одному варианту осуществления выполнена так, что конденсаторный модуль промежуточного контура может быть подключен по существу непосредственно к паре конденсаторных соединительных выводов постоянного тока. Это означает, что конденсаторный модуль промежуточного контура может быть расположен пространственно наиболее близко к силовому фазовому модулю.
Для этого силовой фазовый модуль расположен так, что торцевая сторона силового фазового модуля расположена непосредственно напротив конденсаторного модуля промежуточного контура. Прежде всего, конденсаторный модуль промежуточного контура имеет по меньшей мере одну поверхность, на которой расположены электрические контактные элементы для подключения пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока к конденсаторному модулю промежуточного контура. Предпочтительно, электрические контактные элементы расположены исключительно на одной поверхности конденсаторного модуля промежуточного контура. Силовой фазовый модуль расположен так, что первая торцевая сторона силового фазового модуля находится напротив поверхности конденсаторного модуля промежуточного контура. Таким образом, силовой фазовый модуль своей торцевой стороной расположен на соотнесенном с ним конденсаторном модуле промежуточного контура. За счет этого предпочтительным образом между конденсаторным модулем промежуточного контура и переключающим устройством создается короткое и низкоиндуктивное соединение. Он содержит также между парой конденсаторных соединительных выводов и конденсаторным модулем промежуточного контура соединительные элементы, которые, прежде всего, являются съемными. Соединительные элементы могут включать в себя как механические крепежные средства, так и электропроводящие соединения. Например, соединительные элементы являются резьбовыми соединениями.
Конденсаторный модуль промежуточного контура имеет по меньшей мере один конденсатор. Конденсатор действует в качестве конденсатора промежуточного контура. Во время процесса переключения переключающего устройства ток в конденсаторе изменяется. Поэтому он является частью коммутирующей цепи. Конденсатор промежуточного контура также называется коммутирующим конденсатором.
Силовой фазовый модуль на иной чем торцевая сторона стороне первый соединительный вывод переменного тока. Через первый соединительный вывод силовой фазовый модуль может обеспечиваться переменным напряжением или может обеспечивать переменное напряжение. Эта другая сторона может располагаться напротив торцевой стороны и сама быть другой торцевой стороной.
Кроме того, силовой фазовый модуль имеет переключающее устройство. Переключающее устройство соединено с первым соединительным выводом переменного тока и первой парой соединительных выводов постоянного тока. Переключающее устройство пригодно для преобразования приложенного в одном рабочем состоянии к первой паре соединительных выводов постоянного тока постоянного напряжения в вырабатываемое на первом соединительном выводе переменного тока переменное напряжение, или наоборот.
Следовательно, переключающее устройство электрически подключено между первой парой соединительных выводов постоянного тока и первым соединительным выводом переменного тока.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство не только электрически, но также пространственно расположено между первой парой соединительных выводов постоянного тока и первым соединительным выводом переменного тока. При этом может иметься область перекрывания. Целью изобретения, среди прочего, является минимизация индуктивности. Это может происходить посредством минимизации величины и длины шлейфов проводников. Поэтому является целесообразным компактное пространственное размещение.
Согласно одному варианту осуществления в одном рабочем состоянии силового фазового модуля к первой паре соединительных выводов постоянного тока приложено постоянное напряжение. Через соединение первой пары соединительных выводов постоянного тока с переключающим устройством ток может протекать через переключающее устройство через соединение с первым соединительным выводом переменного тока к этому выводу. В зависимости от переключающего устройства оно может эксплуатироваться так, что на первом соединительном выводе вырабатывается переменное напряжение.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство имеет по меньшей мере один из следующих электронных компонентов: диод, силовой MOSFET и IGBT. Прежде всего, при этом частью переключающего устройства могут быть также схемы из нескольких диодных, IGBT полумостов или полных мостов или комбинации из них.
Согласно одному варианту осуществления одно переключающее устройство имеет или несколько переключающих устройств силового фазового модуля имеют по меньшей мере диодный полумост или IGBT полумост.
При преобразовании постоянного напряжения в переменное напряжение переключающее устройство согласно одному варианту осуществления генерирует частоту или задает частоту, с которой постоянный ток преобразуется в переменный ток именно с этой частотой. Для этого переключающее устройство может иметь устройство управления, прежде всего устройство управления затвором, или может быть соединенным с устройством управления.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет по меньшей мере одно устройство управления для управления переключающим устройством. Предпочтительно, устройство управления расположено на другой торцевой стороне, то есть на торцевой стороне с соединительными выводами переменного тока.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль, прежде всего переключающее устройство, имеет один или несколько соединительных выводов устройства управления для управления одним или несколькими переключающими устройствами. Управление может происходить посредством электрических сигналов, например через медные проводники, или посредством оптических сигналов, например через световоды.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет дополнительное переключающее устройство или несколько дополнительных переключающие устройств. Два или более дополнительных устройств могут быть подключены к одному и тому же соединительному выводу переменного тока, когда их частоты или фазы являются совместимыми. Однако каждое переключающее устройство может быть также подключено к отдельному соединительному выводу переменного тока, и тогда силовой фазовый модуль имеет дополнительные соединительные выводы переменного тока.
Согласно одному варианту осуществления несколько переключающих устройств могут быть подключены параллельно друг другу между первым соединительным выводом постоянного тока и соединительным выводом переменного тока или соединительными выводами переменного тока. В случае нескольких пар соединительных выводов постоянного тока переключающие устройства могут быть подключены параллельно друг другу между парами соединительных выводов постоянного тока и соединительным выводом переменного тока или соединительными выводами переменного тока.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль, кроме того, имеет соединительный вывод источника питания для питания драйверов затвора переключающих устройств. Драйверы затвора могут изменяться в зависимости от разных вариантов осуществления переключающих устройств, то есть полупроводниковых компонентов и их схем. Например, во время одного рабочего состояния к соединительному выводу источника питания может подключено напряжение 24 В или 110 В. Это соответствует типичным напряжениям в рельсовом транспортное средстве, обеспечиваемым, например, батареей транспортного средства.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство имеет один или несколько переключающих модулей, прежде всего сдвоенный переключающий модуль или два одиночных переключающих модуля. В случае сдвоенного переключающего модуля он соединен как с первым, так и со вторым соединительным выводом пары соединительных выводов постоянного тока. В случае одиночного переключающего устройства только один соединительный вывод пары соединительных выводов постоянного тока соединен с одиночным переключающим модулем.
Сдвоенный переключающий модуль может соответствовать двухполупериодному выпрямителю. Он использует оба потенциала пары соединительных выводов постоянного тока и посредством соответствующего управления преобразует их в переменное напряжение. Одиночный переключающий модуль может рассматриваться как однополупериодный выпрямитель. Он использует только один потенциал пары соединительных выводов постоянного тока. Два одиночных переключающих модулей электрически образуют двухполупериодный выпрямитель.
Согласно одному варианту осуществления класс напряжения переключающих устройств, прежде всего целого силового фазового модуля, находится между примерно 1200 В и примерно 6500 В.
Согласно одному варианту осуществления в одном рабочем состоянии от пары соединительных выводов постоянного тока к соединительному выводу переменного тока через переключающее устройство течет ток по меньшей мере в 300 А (сдвоенный переключатель) или по меньшей мере в 800 А (одиночный переключатель).
Согласно одному варианту осуществления одно или несколько переключающих устройств управляются так, что они из приложенного постоянного напряжения вырабатывают на своем соединительном выводе переменного тока переменное напряжение. Устройство управления переключающего устройства может быть, прежде всего, устройством управления затвором, когда переключающие устройства имеют управляемые полупроводниковые компоненты с затворами, прежде всего IGBT.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет устройство управления затвором. Устройство управления затвором соединено с переключающим устройством и выполнено для управления переключающим устройством так, что приложенное к переключающему устройству постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение, или наоборот.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство имеет два одиночных переключающих модуля соответственно с одним диодом, причем диоды подключены антипараллельно друг другу. В этом варианте осуществления образующийся полумост является пассивной схемой. Два таких полумоста образуют неуправляемый выпрямитель.
Согласно другому варианту осуществления переключающее устройство имеет сдвоенный переключающий модуль. Сдвоенный переключающий модуль имеет полумост с переключателями и подключенными антипараллельно диодами, или сдвоенный переключающий модуль имеет полумостовой выпрямитель с диодами.
Согласно другому варианту осуществления переключающее устройство имеет сдвоенный переключающий модуль с импульсным полумостом с полупроводниковым переключателем и антипараллельно подключенными диодами, а также диод. Полупроводниковый переключатель, прежде всего IGBT, и соответствующие подключенные антипараллельно диоды могут быть встроены в одну микросхему. Это относится также к силовому MOSFET, подключенные антипараллельно диоды которого встроены монолитно.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет от 1 до 6 переключающих модулей (одиночные или сдвоенные переключающие модули).
Силовой фазовый модуль может иметь в дополнение к первому соединительному выводу переменного тока другие соединительные выводы переменного тока. Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет до 6 соединительных выводов переменного тока. При этом в силовой фазовый модуль могут быть встроены и соотнесены с соединительными выводами переменного тока разные варианты осуществления переключающих устройств. Силовой фазовый модуль может иметь от 1 до 6 переключающих устройств.
Соединительный вывод переменного тока силового фазового модуля может быть использован в качестве нагрузочного соединительного вывода, например, для подключения фазового соединительного вывода электродвигателя. При этом ток течет от одного соединительного вывода пары соединительных выводов постоянного тока через переключающее устройство, через соединительный вывод переменного тока к электродвигателю. Наоборот, соединительный вывод переменного тока может быть использован для питания переменным током от генератора, например в процессе торможения электрического транспортного средства посредством рекуперативного тормоза. Ток вырабатывается в генераторе и течет через соединительный вывод переменного тока через переключающее устройство к паре соединительных выводов постоянного тока. Подключенный конденсатор в конденсаторном модуле промежуточного контура служит в качестве накопителя энергии и в качестве электрического буфера во время преобразования.
Кроме того, силовой фазовый модуль имеет охлаждающее устройство для отвода тепла из силового фазового модуля, прежде всего из переключающего устройства. В одном рабочем состоянии за счет омического сопротивления компонентов с протекающим током силового фазового модуля образуется тепло. Прежде всего, в переключающем устройстве или переключающих устройствах электрическая энергия превращается в тепло. За счет повышающейся температуры эффективность компонентов, как правило, снижается. Охлаждающее устройство защищает силовой фазовый модуль от разрушения теплом и охлаждает его до эффективной рабочей температуры.
Согласно одному варианту осуществления охлаждающее устройство выполнено в виде охлаждающей пластины. Переключающее устройство может быть размещено на охлаждающей пластине так, что возникающее в переключающих устройствах тепло может отводиться через охлаждающее устройство. Охлаждающая пластина может быть выполнена в виде механического носителя переключающих устройств.
Согласно одному варианту осуществления охлаждающее устройство имеет охлаждающее средство. Охлаждающее средством может быть газом или жидкостью, прежде все по существу водой или воздухом. Приведение в соответствие охлаждающего средства специалист может предпринять в соответствии с распространенными охлаждающими устройствами для сравнимых электрических блоков.
Согласно одному варианту осуществления охлаждающее устройство может иметь соединительные элементы для ввода охлаждающего средства в охлаждающее устройство или вывода из охлаждающего устройства. Гидравлические соединительные элементы могут быть подключенными к системе охлаждающего средства. Например, соединительные элементы могут быть выполнены в виде быстроразъемных соединительных элементов, и посредством надевания на соответствующие соединительные элементы системы охлаждающего средства соединены с ней.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет приблизительно форму параллелепипеда с имеющими большую площадь сторонами и имеющими небольшую площадь сторонами. Торцевая сторона является стороной с небольшой площадью. Переключающие устройства, прежде всего одиночные или сдвоенные переключающие модули переключающих устройств, расположены рядом друг с другом в одной плоскости перпендикулярно торцевой поверхности. Охлаждающее устройство соединено с переключающим устройством или переключающими модулями так, что образующееся тепло отводится из переключающего устройства или переключающих модулей посредством протекающего в охлаждающем устройстве охлаждающего средства. Например, охлаждающее устройство может частично охватывать переключающие устройства или переключающие модули, или охлаждающее устройство может быть выполнено в виде пластинчатого элемента, на котором расположены и соединены с обеспечением теплопроводности переключающие устройства или переключающие модули.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство силового фазового модуля является заменяемым. То есть переключающее устройство в силовом фазовом устройстве таким образом соединено с другими компонентами с возможностью разборки, что оно может быть демонтировано без разрушения других составных частей силового фазового модуля. Для этого переключающее устройство закреплено с возможностью разборки, например, посредством разъемных соединительных средств, таких как винты.
Согласно одному варианту осуществления первая пара соединительных выводов постоянного тока и первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока образованы из расположенных под углом относительно поперечного мостика областей металлического листа, и эти области металлического листа расположены по существу в одной плоскости. Соответствующие соединительные элементы первой пары соединительных выводов постоянного тока и первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока могут быть выполнены на расположенных под углом областях металлического листа или в расположенных под углом областях металлического листа.
Согласно одному варианту осуществления первый соединительный вывод первой пары соединительных выводов постоянного тока и первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены из одного, прежде всего цельного, металлического листа. Соединительные выводы могут иметь соединительные элементы, например отверстия для крепежных средств. Это может аналогично относиться ко вторым соединительным выводам первой пары соединительных выводов постоянного тока и первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, причем соединительные выводы могут быть выполнены независимо друг от друга и по-разному.
Согласно одному варианту осуществления оба соединительных вывода пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока имеют другое расстояние друг от друга, чем оба соединительных вывода первой пары соединительных выводов постоянного тока. Соединительные выводы пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока предусмотрены для подключения конденсаторного модуля промежуточного контура или конденсатора промежуточного контура. Оба соединительных вывода первой пары соединительных выводов постоянного тока предусмотрены для подключения к токоведущим шинам. Расстояние между обеими токоведущими шинами может отличаться от расстояния между двумя соединительными выводами конденсатора промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления соединительные элементы первой и/или второй пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока имеют другое расстояние друг от друга, чем соединительные элементы первой и/или второй пары соединительных выводов постоянного тока.
Согласно этому варианту осуществления соединительные выводы первой пары соединительных выводов постоянного тока могут подключаться к токоведущим шинам, а соединительные выводы первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока могут подключаться к конденсаторному модулю промежуточного контура, причем токоведущие шины и конденсаторный модуль промежуточного контура также располагаются по существу в одной плоскости. За счет пространственно близкого подключения конденсаторного модуля промежуточного контура к паре конденсаторных соединительных выводов постоянного тока уменьшается образующаяся геометрическая величина шлейфов проводников, и за счет этого также уменьшается индуктивность промежуточного контура.
Согласно этому варианту осуществления с каждым силовым фазовым модулем соответственно соотнесен точно один конденсаторный модуль промежуточного контура, и конденсаторный модуль промежуточного контура имеет по меньшей мере один конденсатор. Типичные емкости конденсаторного модуля промежуточного контура лежат в диапазоне от нескольких сотен микрофарад до более чем 1000 микрофарад, и могут выбираться в зависимости от напряжения промежуточного контура. Например, емкость может быть 400 мкФ для 3,6 кВ, 700 мкФ для 2,8 кВ, 1600 мкФ для 1,8 кВ или 9000 мкФ для 750 В. Эти дискретные значения задаются лишь посредством типичных целевых значений при изготовлении конденсаторов и ими не ограничиваются. Общая емкость задается посредством одного или нескольких включенных параллельно конденсаторов в конденсаторном модуле промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления соединительные выводы подлежащего подключению конденсаторного модуля промежуточного контура выполнены в виде измерительных контактов. При этом в одном рабочем состоянии несколько механических измерительных контактов, которые объединены в две контактные группы, могут находиться под первым или вторым потенциалом. Факультативно конденсаторный модуль промежуточного контура может также иметь только единичную пару измерительных контактов. Число пар конденсаторных соединительных выводов постоянного тока согласуется с контактами конденсаторного модуля промежуточного контура. Каждая контактная группа может иметь, например, три измерительных контакта с соответствующими соединительными элементами. Тогда в дополнение к первой паре конденсаторных соединительных выводов постоянного тока силовой фазовый модуль имеет две другие пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, так что все шесть соединительных выводов пар конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены с возможностью соединения соответственно с тремя измерительными контактами.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль, кроме того, имеет вторую пару конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и при необходимости третью пару конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, причем первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и вторая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и при необходимости третья пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены с возможностью разборного соединения с конденсаторным модулем промежуточного контура с помощью четырех соединительных выводов или с помощью шести соединительных выводов. Для этого дополнительные пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока могут также иметь соединительные элементы. Факультативно силовой фазовый модуль может также иметь две пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, причем два соединительных вывода каждой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока объединены и выполнены в виде общего соединительного вывода. Предпочтительно, общий соединительный вывод выполнен так, что он имеет электрически аналогичные свойства, прежде всего по существу полное сопротивление, по сравнению с суммой обоих других соединительных выводов.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет вторую пару конденсаторных соединительных выводов, которая расположена на торцевой стороне силового фазового модуля соответственно на расстоянии от первой пары соединительных выводов постоянного тока и от первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и подключена параллельно.
Согласно одному варианту осуществления первая или первая и вторая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены для разъемного соединения с соответствующими контактными элементами расположенного на торцевой стороне конденсаторного модуля промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления конденсаторный модуль промежуточного контура имеет по меньшей мере один конденсатор и два или более соединительных выводов. Конденсатор подключен между обоими соединительными выводами. Конденсаторный модуль промежуточного контура может также иметь несколько подключенных параллельно конденсаторов, или конденсаторы подключаются посредством соединительного вывода параллельно силовому фазовому модулю.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль, кроме того, имеет вторую пару соединительных выводов постоянного тока, которая расположена на торцевой стороне силового фазового модуля соответственно на расстоянии от первой пары соединительных выводов постоянного тока и от первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и подключена параллельно. Вторая пара соединительных выводов постоянного тока может также иметь два соединительных элемента на двух соединительных элементах, которые в одном рабочем состоянии находятся под разными потенциалами.
Согласно этому варианту осуществления соединительные выводы обеих пар соединительных выводов постоянного тока могут быть выполнены пространственно близко друг к другу для подключения к соответственно двум участками простирающихся параллельно пар токоведущих шин. За счет пространственной близкой прокладки обоих направлений тока эффективно минимизируется величина шлейфов проводников и снижается индуктивность. Это оказывает положительное влияние на эффективность.
Согласно одному варианту осуществления первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока или первая и вторая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока расположены в ряд. За счет этого между двумя парами токоведущих шин может быть расположен конденсаторный модуль промежуточного контура. Это уменьшает расстояние от конденсаторного модуля промежуточного контура до переключающего устройства и за счет этого снижает индуктивность. Тогда соединительные выводы пары соединительных выводов постоянного тока расположены пространственно близко друг к другу, так что всегда два проводника с противоположными направлениями тока расположены пространственно близко. За счет этого минимизируются величины шлейфов проводников.
Согласно этому варианту осуществления подключенный конденсаторный модуль промежуточного контура расположен между обоими парами соединительных выводов постоянного тока и подключен к паре конденсаторных соединительных выводов постоянного тока. К обоим парам соединительных выводов постоянного тока подключены соответственно две пары токоведущих шин. Это расположение обладает симметрией. В одном рабочем состоянии с подключенными токоведущими шинами и конденсаторным модулем промежуточного контура токоведущие проводники с одним потенциалом и токоведущие проводники с другим потенциалом за счет симметричного расположения находятся пространственно близко друг к другу, так что величины образованных шлейфов проводников минимизируются и, тем самым, минимизируется индуктивность.
Система может иметь высокую симметрию полных сопротивлений, за счет чего становится возможным симметричное протекание тока в конденсаторный модуль промежуточного контура и из конденсаторного модуля промежуточного контура. Следующие из этого симметрии возможны независимо друг от друга и являются предпочтительными.
Согласно одному варианту осуществления полные сопротивления соединительных выводов первой пары соединительных выводов постоянного тока по существу идентичны.
Согласно одному варианту осуществления полные сопротивления соединительных выводов первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока по существу идентичны.
Согласно одному варианту осуществления полные сопротивления соединительных выводов второй пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока по существу идентичны.
Согласно одному варианту осуществления полные сопротивления соединительных выводов второй пары соединительных выводов постоянного тока по существу идентичны.
Согласно одному варианту осуществления полные сопротивления соединительных выводов первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и второй пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока по существу идентичны.
Согласно одному варианту осуществления полные сопротивления соединительных выводов первой пары соединительных выводов постоянного тока и второй пары соединительных выводов постоянного тока по существу идентичны.
Согласно одному варианту осуществления первая пара соединительных выводов постоянного тока, первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и переключающее устройство имеют соответственно первый соединительный вывод, и силовой фазовый модуль имеет, кроме того, первый поперечный мостик, который электрически соединяет первые соединительный выводы первой пары соединительных выводов постоянного тока, первые пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и переключающего устройства.
Согласно одному варианту осуществления первая пара соединительных выводов постоянного тока, первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и переключающее устройство имеют соответственно второй соединительный вывод, и силовой фазовый модуль имеет, кроме того, второй поперечный мостик, который электрически соединяет вторые соединительный выводы первой пары соединительных выводов постоянного тока, первые пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и переключающего устройства.
Согласно одному усовершенствованию варианта осуществления первый поперечный мостик дополнительно соединяет первые выводы другой пары соединительных выводов постоянного тока или другой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и/или других переключающих устройств. Второй поперечный мостик также может дополнительно соединять вторые соединительные выводы другой пары соединительных выводов постоянного тока и/или другой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и/или других переключающих устройств.
Несколько параллельно подключенных соединительных устройств могут быть соединенными через соответственно первый соединительный вывод с первым поперечным мостиком и при необходимости через соответственно второй соединительный вывод со вторым поперечным мостиком.
Через оба поперечных мостика в одном рабочем состоянии силового фазового модуля согласно этому варианту осуществления постоянный ток течет от соединительных выводов пары соединительных выводов постоянного тока или пар соединительных выводов постоянного тока к переключающему устройству или переключающим устройствам и через пару конденсаторных соединительных выводов постоянного тока или пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока к конденсаторному модулю промежуточного контура.
Первый поперечный мостик и второй поперечный мостик могут простираться непосредственно рядом друг с другом и участками параллельно друг другу, не находясь в непосредственном электрическом контакте. За счет этого создается по существу симметричное полное сопротивление для нескольких подключенных параллельно переключающих устройств. Это делает возможным симметричное протекание тока через поперечные мостики и переключающие устройства.
Поперечные мостики выполнены для высокой токовой нагрузки. Они имеют возможно малое омическое сопротивление. Поперечные мостики могут содержать металлы с высокой электропроводностью, прежде все медь или алюминий. Кроме того, поперечные мостики могут иметь покрытие, например, в качестве защиты от коррозии и/или для защиты от электрических пробоев. Согласно одному варианту осуществления поперечные мостики выполнены монолитными, например из металлического листа. Поперечные мостики могут иметь покрытие. Металлические листы могут иметь на торцевой поверхности силового фазового модуля расположенные под углом области и быть выполненными в соединительные выводы постоянного тока.
Согласно одному варианту осуществления первая пара соединительных выводов постоянного тока и первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены из расположенных под углом областей металлического листа поперечных мостиков, и эти области металлического листа расположены по существу в одной плоскости, причем соответствующие соединительные элементы первой пары соединительных выводов постоянного тока и первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены на расположенных под углом областях металлического листа или в расположенных под углом областях металлического листа.
Согласно одному варианту осуществления пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнена на торцевой стороне так, что смещение силового фазового модуля с ориентированной вперед торцевой стороной создает контакт между парой конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и размещенным на торцевой стороне конденсаторным модулем промежуточного контура. Силовой фазовый модуль своей ориентированной вперед торцевой стороной может быть надвинут на соединительные выводы конденсаторного модуля промежуточного контура. Для этого силовой фазовый модуль может быть расположен с возможностью смещения так, что торцевая сторона по существу ориентирована вертикально.
Для этого силовой фазовый модуль может иметь держатели, например направляющие шины. При этом смещении таким же образом охлаждающе устройство может быть соединено с предусмотренным для этого соединительным элементом системы охлаждающего средства.
Согласно одному варианту осуществления несколько силовых фазовых модулей могут быть расположены рядом друг с другом так, что из торцевые стороны ориентированы по существу вертикально. Прежде всего, торцевые стороны нескольких силовых фазовых модулей могут быть расположены параллельно друг другу и/или в одной плоскости, и/или силовые фазовые модули могут быть расположены ориентированными в одном и том же направлении.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль выполнен в виде составной части модульного преобразователя переменного тока. Прежде всего, он может быть встроен в преобразователь переменного тока с возможностью замены и разъемного закрепления. Общая масса силового фазового модуля составляет менее чем 50 кг, прежде всего менее 30 кг. За счет этого силовой фазовый модуль может монтироваться и демонтироваться без механических подъемных устройств. Конденсаторы конденсаторного модуля промежуточного контура, которые в одном рабочем состоянии находятся в коммутирующей цепи, являются низкоиндуктивно подключаемыми к переключающим устройствам.
Кроме того, предлагается преобразователь переменного тока по меньшей мере с двумя, прежде всего по меньшей мере с тремя, силовыми фазовыми модулями. Преобразователь переменного тока имеет по меньше мере два, прежде всего по меньшей мере три, конденсаторных модуля промежуточного контура, причем каждый силовой фазовый модуль своей торцевой стороной расположен на соотнесенным с ним конденсаторным модуле промежуточного контура, и причем первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока соединена с возможностью разъединения с соответствующими контактными элементами соотнесенного конденсаторного модуля промежуточного контура.
За счет использования в одном преобразователе переменного тока нескольких конденсаторных модулей промежуточного контура и размещения вблизи силовых фазовых модулей или переключающих устройств, индуктивность соединений снижается. Конденсаторы в конденсаторных модулях промежуточного контура меньше нагружаются, и их срок службы увеличивается.
Каждый конденсаторный модуль промежуточного контура соотнесен с силовым фазовым модулем и подключен к нему посредством соединительных элементов. Для этого конденсаторный модуль промежуточного контура имеет соответствующие контактные элементы.
Согласно одному варианту осуществления преобразователь переменного тока, кроме того, имеет пару токоведущих шин с первой токоведущей шиной и простирающейся параллельно первой токоведущей шине второй токоведущей шиной для направления постоянного тока. Первая токоведущая шина и вторая токоведущая шина находятся по существу в одной плоскости, и силовые фазовые модули их торцевыми сторонами расположены рядом друг с другом и параллельно этой плоскости, причем первая пара соединительных выводов постоянного тока каждого силового фазового модуля через их соединительные элементы подключена к первой токоведущей шине и второй токоведущей шине. Через токоведущие шины силовые фазовые модули соединены также с другими конденсаторными модулями промежуточного контура, однако эти соединения имеют большее омическое сопротивление и большую индуктивность, чем непосредственное соединение с соотнесенным с силовым фазовым модулем конденсаторным модулем промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления преобразователь переменного тока, кроме того, имеет пару соединителей с первым соединителем и вторым соединителем, причем первый соединитель и второй соединитель располагаются по существу в одной плоскости, и силовые фазовые модули их торцевыми сторонами расположены рядом друг с другом и параллельно этой плоскости, и причем первая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока каждого силового фазового модуля через их соединительные элементы подключена к первому соединителю и второму соединителю. Для этого соединительные элементы первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока могут быть соединены с соответствующими контактными элементами конденсаторного модуля промежуточного контура и с первым и вторым соединителем.
Согласно одному усовершенствованию варианта осуществления преобразователь переменного тока, кроме того, имеет вторую пару токоведущих шин с третьей токоведущей шиной и четвертой токоведущей шиной для направления постоянного тока. Первая токоведущая шина, вторая токоведущая шина, третья токоведущая шина и четвертая токоведущая шина могут участками простираться параллельно и находиться по существу в одной плоскости, и причем соединительные выводы второй пары соединительных выводов постоянного тока являются подключаемыми к третьей токоведущей шине и к четвертой токоведущей шине.
Согласно одному усовершенствованию варианта осуществления преобразователь переменного тока, кроме того, имеет вторую пару соединителей с третьим соединителем и четвертым соединителем, причем третий соединитель и четвертый соединитель находятся по существу в одной плоскости, и причем вторая пара конденсаторных соединительных выводов постоянного тока каждого силового фазового модуля через их соединительные элементы подключены к третьему соединителю и четвертому соединителю. Для этого соединительные элементы второй пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока могут быть соединены с соответствующими контактными элементами конденсаторного модуля промежуточного контура и с третьим и четвертым соединителями.
Согласно одному варианту осуществления первая, вторая, третья и четвертая токоведущие шины и первый, второй, третий и четвертый соединители находятся в одной плоскости.
Согласно одному варианту осуществления токоведущие шины выполнены попарно, участками параллельными. Они могут быть механически соединенными друг с другом, но электрически изолированы друг от друга, например, посредством твердого изоляционного материала. Изоляция может быть выполнена, например, из синтетического материала. Электропроводность и толщина изоляции рассчитаны так, что между токоведущими шинами может быть приложено напряжение более 500 В, прежде всего от 600 В до примерно 4500 В.
Согласно одному варианту осуществления первые пары соединительных выводов постоянного тока соседних силовых фазовых модулей вместе с первой парой токоведущих шин образуют высокоиндуктивное, низкоомное параллельное подключение между соседними силовыми фазовыми модулями, и пара соединителей образует вместе низкоиндуктивное, высокоомное соединение между соседними силовыми фазовыми модулями. Поэтому конденсаторные модули промежуточного контура подключены электрически параллельно двумя путями.
Между конденсаторными модулями промежуточного контура имеются низкоиндуктивные, высокоомные соединения. Это пространственно короткие и прямые соединения по сравнению с высокоиндуктивными, низкоомными соединениями, которые проходят через силовые фазовые модули.
Согласно одному варианту осуществления первый и второй поперечные мостики являются частью высокоиндуктивных, низкоомных соединений. При этом высокоиндуктивные, низкоомные соединения простираются от конденсаторного модуля промежуточного контура через соединительный вывод пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока через поперечный мостик, через соединительный вывод пары соединительных выводов постоянного тока из соотнесенного с конденсаторным модулем промежуточного контура силового фазового модуля через одну из токоведущих шин в соседний силовой фазовый модуль, через соединительный вывод пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, через один из поперечных мостиков, через соединительный вывод пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока в соседний конденсаторный модуль промежуточного контура.
Высокоиндуктивное, низкоомное параллельное подключение между соседними конденсаторными модулями промежуточного контура состоит из двух высокоиндуктивных, низкоомных соединений.
Низкоиндуктивные, высокоомные соединения образуются посредством соединителей между конденсаторными модулями промежуточного контура. Соединители могут состоять из металлического листа, например из стального листа. Они могут монолитно простираться через несколько конденсаторных модулей промежуточного контура или быть составленными из отдельных участков.
Низкоиндуктивное, высокоомное параллельное подключение между соседними конденсаторными модулями промежуточного контура состоит из двух низкоиндуктивных, высокоомных соединений.
Согласно одному варианту осуществления соединители в области между двумя конденсаторными модулями промежуточного контура имеют более высокую омическую величину сопротивления, чем непосредственно на конденсаторных модулях промежуточного контура. Например, они могут иметь меньшее поперечное сечение проводящего материала, например металлического листа. Меньшее поперечное сечение может быть создано посредством выемок в проводящем материале. Повышенное омическое сопротивление на этом месте приводит к тому, что там электрическая энергия целенаправленно превращается в тепло. При обычной эксплуатации за счет этого паразитные колебательные токи в низкоиндуктивных, высокоомных соединениях целенаправленно превращаются в тепло и, предпочтительным образом, демпфируются. При коротком замыкании в соединителях между конденсаторными модулями промежуточного контура целенаправленно возникает тепло, и за счет этого электрическая энергия делается безвредной. Находящиеся поблизости электрические компоненты, как, например, конденсаторные модули промежуточного контура, предохраняются от высоких токов и выделения тепла.
Согласно одному варианту осуществления соединители имеют по меньшей мере в 2 раза, прежде всего по меньшей мере в 5 раз, более высокую индуктивность, чем простирающиеся параллельно им высокоомные, низкоиндуктивные соединения через токоведущие шины и поперечные мостики. Например, индуктивность низкоомных, высокоиндуктивных соединений между двумя конденсаторными модулями промежуточного контура находится в диапазоне от 100 нГн до 33 нГн, а индуктивность высокоомных, низкоиндуктивных соединений находится в диапазоне от 10 нГн до 30 нГн. Эти данные относятся к рабочему состоянию с соответствующим протекающим током в несколько сотен ампер.
Поскольку преобразователь переменного тока, и прежде всего силовой фазовый модуль, выполнен для очень больших токов, то устройство представляет собой очень слабо демпфированную CLCL-цепную линию. За счет приложенных к переключающим устройствам токов возбуждаются колебательные токи. За счет этих колебательных токов повышается эффективное значение тока в конденсаторных модулях промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления модульная схема промежуточного контура образует CLCL-цепную линию с L-компонентом с индуктивностью первых низкоомных высокоиндуктивных соединений или вторых низкоомных высокоиндуктивных соединений и С-компонентом с емкостью С конденсаторного модуля промежуточного контура, причем L-компонент и С-компонент образуют LC колебательный контур, и первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение или второе высокоомное, низкоиндуктивное соединение дополнительно подключены параллельно L-компоненту LC колебательного контура.
В то время как постоянный ток и низкочастотная составляющая переменного тока протекают через низкоомные, высокоиндуктивные соединения, более высокочастотные составляющие переменного тока направляются через низкоиндуктивные, высокоомные соединения между конденсаторными модулями промежуточного контура с меньшей индуктивностью, но с более высоким омическим сопротивлением, и при этом демпфируются. За счет этого уменьшаются эффективные токи в низкоомных, высокоиндуктивных соединениях и в конденсаторах промежуточного контура.
В случае короткого замыкания в силовом фазовом модуле конденсатор или конденсаторы соответствующего конденсаторного модуля промежуточного контура очень быстро разряжаются. Другие конденсаторы прилегающих конденсаторных модулей промежуточного контура подают питание через токоведущие шины и соединители к месту короткого замыкания. Соединители между конденсаторными модулями промежуточного контура посредством их омического сопротивления приводят к быстрому затуханию вызванных коротким замыканием колебаний. Большая часть энергии короткого замыкания превращается в соединителях в тепло, и за счет этого делается безвредной. За счет этого другие силовые фазовые модули и конденсаторные модули промежуточного контура могут быть защищены от разрушения.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет как первую, так и вторую пару соединительных выводов постоянного тока, и как первую, так и вторую пару конденсаторных соединительных выводов постоянного тока. Кроме того, преобразователь переменного тока имеет как первую, так и вторую пару токоведущих шин, и как первую, так и вторую пару соединителей. Соседний с первой парой соединительных выводов постоянного тока силовой фазовый модуль образует вместе с первой парой токоведущих шин высокоиндуктивное, низкоомное параллельное соединение между соседними конденсаторными модулями промежуточного контура, и первая пара соединителей образует низкоиндуктивное, высокоомное соединение между соседними силовыми фазовыми модулями. Аналогично соседний со второй парой соединительных выводов постоянного тока силовой фазовый модуль образует при этом вместе со второй парой токоведущих шин второе высокоиндуктивное, низкоомное параллельное соединение между соседними конденсаторными модулями промежуточного контура, и вторая пара соединителей образует низкоиндуктивное высокоомное параллельное соединение между соседними силовыми фазовыми модулями.
При этом возникает симметрия, за счет чего проводники с протекающим током, то есть токоведущие шины и соединители, с соответствующими вторыми проводниками с противоположными направления тока могут прокладываться вблизи друг друга. В этой конструкции индуктивность за счет минимизации размеров шлейфов проводников оптимизируется.
Согласно одному варианту осуществления предлагается транспортное средство, прежде всего рельсовое транспортное средство, с преобразователем электрической энергии в энергию движения или наоборот и преобразователем переменного тока, причем с преобразователем энергии соединен по меньшей мере один соединительный вывод силового фазового модуля.
С помощью выработанного преобразователем переменного тока переменного тока может, например, приводиться в действие электродвигатель для привода транспортного средства. Также может обеспечиваться током бортовая электроника. Частота и напряжение на соединительном выводе переменного тока или на соединительных выводах переменного тока могут приспосабливаться к использованию в транспортном средстве.
Также преобразователь энергии может действовать в качестве динамо-машины/генератора, например в процессе торможения. Тогда электрическая энергия вырабатывается динамо-машиной из механической энергии и направляется к преобразователю переменного тока. Он преобразует переменный ток в постоянный ток.
В качестве рельсового транспортного средства рассматриваются, прежде всего, поезда, метро, трамваи, высокоскоростные поезда или тому подобное.
Фигуры
Прилагаемые чертежи делают наглядными варианты осуществления и вместе с описанием служат для разъяснения принципов изобретения. Элементы чертежей представлены относительно друг друга и не обязательно с соблюдением масштаба. Одинаковые ссылочные знаки обозначают аналогичные детали.
Фиг. 1 показывает силовой фазовый модуль согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 2 показывает силовой фазовый модуль согласно показанному на фиг. 1 варианту осуществления, причем удален поперечный мостик.
Фиг. 3 показывает силовой фазовый модуль согласно показанному на фиг. 1 варианту осуществления с подключенным конденсаторным модулем промежуточного контура.
Фиг. 4 показывает преобразователь переменного тока согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 5 показывает подробный вид токоведущих шин согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 6 показывает схематическое изображение компоновки преобразователя переменного тока.
Фиг. 7 показывает электрическую схему согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 8 показывает упрощенную электрическую схему согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 9 показывает упрощенную эквивалентную схему для преобразователя переменного тока 8 силовыми фазовыми модулями.
Фиг. 10 показывает рельсовое транспортное средство согласно одному варианту осуществления.
Примеры осуществления
На фиг. 1 показан один вариант осуществления силового фазового модуля 10. Силовой фазовый модуль 10 имеет приблизительно форму сплющенного параллелепипеда с двумя имеющими большую площадь сторонами и четырьмя имеющими небольшую площадь сторонами. Стороны с небольшой площадью могут быть торцевыми сторонами силового фазового модуля 10. На торцевой стороне 12 силового фазового модуля 10 расположены первая пара 14 соединительных выводов постоянного тока и вторая пара 20 соединительных выводов постоянного тока. Кроме того, на торцевой стороне 12 расположены первая пара 15 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и вторая пара 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока.
На другой стороне, в данном случае противолежащей торцевой стороне 11 силового фазового модуля 10, расположен первый соединительный вывод 13 переменного тока. Второй соединительный вывод 22 переменного тока также расположен на противолежащей торцевой стороне 11.
Первое переключающее устройство 16 соединено с первой парой 14 соединительных выводов постоянного тока и с первым соединительным выводом 13 переменного тока. Переключающее устройство 16 расположено на охлаждающем устройстве 17, так что охлаждающее устройство 17 может отводить образующееся тепло из переключающего устройства 16 и из силового фазового модуля 10.
Кроме того, силовой фазовый модуль 10 имеет второе переключающее устройство 23, которое соединено с первой парой 14 соединительных выводов постоянного тока и со вторым соединительным выводом 22 переменного тока. Оно расположено рядом с первым переключающим устройством 16 на охлаждающем устройстве 17. Оба переключающих устройства 16, 23 расположены перпендикулярно торцевой поверхности.
Пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока расположены рядом друг с другом и между обоими парами 14, 20 соединительных выводов постоянного тока в одной плоскости и в одном ряду.
Пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и пары 14, 20 соединительных выводов постоянного тока имеют соответственно первый соединительный вывод 14а, 15а, 20а, 21а и второй соединительный вывод 14b, 15b, 20b, 21b. Соединительные элементы расположены на соединительных выводах. Первые соединительный выводы 14а, 15а, 20а, 21а соединены друг с другом через первый поперечный мостик 18. Вторые соединительные выводы 14b, 15b, 20b, 21b соединены друг с другом через второй поперечный мостик 19. Части второго поперечного мостика 19 на фиг. 1 скрыты. Они показаны на фиг. 2, которая показывает вариант осуществления силового фазового модуля 10, у которого второй поперечный мостик 19 не показан.
Первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а выполнены заодно с первым поперечным мостиком 18. Первый поперечный мостик 18 имеет металлический лист. Расположенные под углом области металлического листа образуют первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а для подключения к токоведущим шинам. Соединительные элементы выполнены в виде отверстий для, например, резьбового соединения. Первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а могут также иметь составную конструкцию, то есть быть собранным из нескольких деталей. Аналогично, но не обязательно идентично в одном варианте осуществления, это также относится ко второму поперечному мостику 19 и вторым соединительным выводам 14b, 15b, 20b, 21b. Первый поперечный мостик 18 и второй поперечный мостик 19 могут быть выполнены различно и, например, отличаться монолитностью конструкции, разными материалами или покрытиями.
Первый поперечный мостик 18 соединяет первый соединительный вывод 14а первой пары 14 соединительных выводов постоянного тока с первым переключающим устройством 16. Второй поперечный мостик 19 соединяет второй соединительный вывод 14b первой пары 14 соединительных выводов постоянного тока с первым переключающим устройством 16. За счет этого постоянный ток течет от первой пары 14 соединительных выводов через поперечный мостик 18, 19 в переключающее устройство 16 и там преобразуется. Выработанный переменный ток может сниматься на первом соединительном выводе 13 переменного тока. Наоборот, переменный ток также может преобразовываться в постоянный ток.
Первый и второй поперечные мостики 18, 19 простираются непосредственно рядом друг с другом и участками параллельно. Они пространственно расположены рядом друг с другом и электрически изолированы друг от друга, и выполнены для высоких напряжений выше 500 В, прежде всего напряжений между примерно 600 В и 4500 В, и больших токов более 100 А, прежде всего для токов от 100 А до 1000 А. Например, ток у сдвоенного переключающего модуля может составлять 500 А, а у одиночного переключающего модуля - 800 А. За счет максимальной мощности в рабочем состоянии приложенное напряжение может ограничивать протекание тока.
В этом варианте осуществления поперечный мостик 18, 19 имеет участок из металлического листа с большой площадью и по меньшей мере два расположенных под углом участка. Через поперечные мостики 18, 19 в рабочем состоянии течет большой ток в несколько сотен Ампер. Поэтому материал и толщина поперечных мостиков 18, 19 должны подбираться соответственно этой токовой нагрузке.
Участки из металлического листа с большой площадью поперечных мостиков 18, 19 могут быть по существу параллельны имеющим большую площадь сторонам силового фазового модуля. Поэтому поперечные мостики 18, 19 могут быть расположены поперек, то есть по существу перпендикулярно прохождению подключенных токоведущих шин.
Например, охлаждающее устройство 17 может быть расположено на одной из имеющих большую площадь сторон или вдоль одной из имеющих большую площадь сторон силового фазового модуля, или их образовывать.
Переключающее устройство 16 может быть расположено на охлаждающем устройстве 17. Охлаждающее устройство 17 может быть расположено на одной стороне переключающего устройства 16, а поперечные мостики 18, 19 расположены на противоположной стороне переключающего устройства 16.
В этом варианте осуществления переключающие устройства 16, 23 имеют сдвоенный переключающий модуль и поэтому соединены как с первым поперечным мостиком 18, так и со вторым поперечным мостиком 19. Сдвоенные переключающие модули выполнены электрически в виде двухполупериодного выпрямителя и могут преобразовывать потенциалы обоих поперечных мостиков 18, 19 для фазы переменного тока.
В одном рабочем состоянии каждое переключающее устройство 16, 23 может приводиться в действие независимо друг от друга посредством устройства 24 управления, прежде всего устройства управления затвором, в качестве двухполупериодного выпрямителя и вырабатывать переменный ток на соответствующих соединительных выводах 13, 22 переменного тока. Прежде всего, переключающие устройства имеют управляемые полупроводниковые элементы. Это могут быть полупроводниковые элементы с управляемыми электродами затвора. Тогда устройство 24 управления управляет напряжениями затвора на электродах затвора и за счет этого протеканием тока через полупроводниковые элементы или переключающие устройства 16, 23. Прежде всего, полупроводниковые элементы могут быть IGBT, и устройство управления включает в себя устройство 24 управления затвором затвора IGBT.
Согласно одному варианту осуществления устройство 24 управления быть расположено на противолежащей парам соединительных контактов силового фазового модуля торцевой стороне, которая также может называться второй или задней торцевой стороной.
Согласно одному варианту осуществления устройство 24 управления механически поддерживается охлаждающим устройством 17 или переключающими устройствами 16, 23.
Силовой фазовый модуль 10 на фиг. 1 имеет две пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока. При этом соединительные выводы 15а, 15b, 21а, 21b расположены в ряд таким образом, что в рабочем состоянии оба вторых соединительных вывода 15b, 21b находятся под одним потенциалом и снаружи окружены находящимися под другим потенциалом первыми соединительными выводами 15а, 21а. Образуется зеркальная симметрия соединительных выводов и за счет этого потенциалов. В этом варианте осуществления соединительные выводы обеих пар 14, 20 соединительных выводов также обладают зеркальной симметрией. Первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а и вторые соединительные выводы 14b, 15b, 20b, 21b могут быть заменены соответствующим соединительным выводом соответствующей пары. Зеркальная симметрия при этом сохраняется. Симметрия имеет преимущество, что полное сопротивление на соединительных выводах для обоих направления тока одинаково или почти одинаково. За счет этого становится возможным более равномерное протекание тока.
Соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а, 14b, 15b, 20b, 21b постоянного тока для подключения к токоведущим шинам или к конденсаторному модулю промежуточного контура могут иметь соединительные элементы для электрического соединения и/или крепежные средства для механического закрепления. В этом примере осуществления для введения соответствующего контактного элемента и/или крепежного средства предусмотрены отверстия.
Соединительные элементы конденсаторных соединительных выводов 21, 15 постоянного тока могут быть выполнены иначе, чем соединительные элементы пар 14, 20 соединительных выводов постоянного тока. Например, могут изменяться размеры отверстий или могут использоваться совершенно разные соединительные элементы. Расстояние между первым соединительным выводом 14а, 15а, 20а, 21а и вторым соединительным выводом 14b, 15b, 201, 21b у пары 15, 21 или пар конденсаторных соединительных выводов постоянного тока также может быть иного размера, чем у пары 14, 20 или пар соединительных выводов постоянного тока. Пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов соединяются с соединительным элементом и конденсаторным модулем промежуточного контура, а пары 14, 20 соединительных выводов соединяются с токоведущими шинами.
Силовой фазовый модуль 10 на фиг. 1 имеет устройство 24 управления затвором. Устройство 24 управления затвором соединено с переключающими устройствами 16, 23. Оно управляет переключающими устройствами 16, 23 таким образом, что приложенное к переключающему устройству 16, 23 постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение, или наоборот. При этом переключающее устройство может иметь, прежде всего, IGBT с управляемым затвором.
Устройство 24 управления затвором задает частоту, с которой управляются переключающие устройства 16, 23, таким образом, что на соответствующих выходах 13, 22 переменного тока вырабатывается переменное напряжение с соответствующей частотой. Частоты и/или кривые напряжения на выходах переменного тока могут быть различными. Прежде всего, переменные напряжения могут быть согласованы друг с другом, так что разные фазовые входы электродвигателя могут питаться от разных выходов 13, 22 переменного тока.
Охлаждающее устройство 17 может иметь гидравлические соединители для ввода охлаждающего средства в охлаждающее устройство 17 или вывода из охлаждающего устройства. Предпочтительно, гидравлические соединители расположены на торцевой стороне 12, так что при подключении путем надвигания силового фазового модуля 10 на пары токоведущих шин и конденсаторный модуль промежуточного контура охлаждающее устройство также будет с помощью своих гидравлических соединителей подсоединено к системе транспортировки охлаждающего средства.
На фиг. 2 показан вариант осуществления силового фазового модуля 10 согласно фиг. 1 без второго поперечного мостика 19 и первых соединительных выводов 14b, 15b, 201, 21b, пар 15', 21' конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и пар 14', 20' соединительных выводов постоянного тока.
На фиг. 1 второй поперечный мостик 19 скрывает, что переключающее устройство 16 соединено с первым поперечным мостиком 18. Также переключающее устройство 16 соединено с относящимся к нему соединительным выводом 13 переменного тока.
На фиг. 3 показан силовой фазовый модуль 10 с подключенным конденсаторным модулем 30 промежуточного контура. Конденсаторный модуль 30 промежуточного контура имеет четыре соединительных вывода и поэтому подключен как в первой паре 15 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, так и ко второй паре 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока.
Переключающие устройства 16, 23 контактируют с помощью соответственно двух контактных точек с поперечными мостиками 18, 19. Каждое переключающее устройство выполнено в виде сдвоенного переключающего модуля и имеет два полумоста, причем каждый полумост контактирует с помощью одной контактной точки с поперечными мостиками.
Конденсаторный модуль 30 промежуточного контура имеет по меньшей мере один конденсатор, который пригоден для использования в качестве конденсатора промежуточного контура. Поперечные мостики 18, 19 вместе с конденсатором конденсаторного модуля 30 промежуточного контура являются частью промежуточного контура в рабочем состоянии силового фазового модуля 10 или преобразователя переменного тока. При этом конденсатор промежуточного контура является частью коммутирующего контура, то есть электрическим контуром, в котором в процессе переключения переключающего устройства 16, 23 изменяется ток. Поэтому конденсатор промежуточного контура конденсаторного модуля 30 промежуточного контура называется также коммутирующим конденсатором.
Электрическое соединение между переключающими устройствами 16, 23 и конденсаторным модулем 30 промежуточного контура является низкоиндуктивным. Это достигается компактной конструкцией силового фазового модуля 10. Конденсаторный модуль 30 промежуточного контура является пространственно близким и тем самым низкоиндуктивно подключен к переключающим устройствам 16, 23. Дополнительно, поперечные мостики 18, 19 расположены вблизи друг друга или друг над другом. За счет этого пути тока в поперечных мостиках 18, 19 между переключающими устройствами 16, 23, конденсаторным модулем 30 промежуточного контура и парами 14, 20 соединительных выводов постоянного тока оптимально перекрываются, и индуктивность силового фазового модуля 10 уменьшается.
На фиг. 4 показан преобразователь переменного тока согласно варианту осуществления с двумя силовыми фазовыми модулями 10, 10*. По причинам наглядности показаны только два силовых фазовых модуля 10, 10*. Дополнительные силовые фазовые модули могут быть расположены рядом с другими в соответствии с ориентацией обоих показанных силовых фазовых модулей. Силовые фазовые модули 10, 10* расположены рядом друг с другом так, что их торцевые поверхности ориентированы в одном направлении.
Пары соединительных выводов постоянного тока подключены соответственно к парам 31, 32 токоведущих шин, которые проходят за торцевыми сторонами силового фазового модуля 10, 10*. Пары 31, 32 токоведущих шин имеют первую токоведущую шину 31а и вторую токоведущую шину 31b, третью токоведущую шину 32а и четвертую токоведущую шину 32b. Подробный вид пары 32 токоведущих шин показан на фиг. 5.
С каждым силовым фазовым модулем 10, 10* соотнесен конденсаторный модуль 30, 30* промежуточного контура, и каждый силовой фазовый модуль 10, 10* соединен с соотнесенным с ним конденсаторным модулем 30, 30* промежуточного контура. На изображении согласно фиг. 4 второй конденсаторный модуль 30* промежуточного контура не виден, так как он расположен за другим силовым фазовым модулем 10* на его торцевой стороне. Соединение создается электрически и механически через соединительные элементы. Соединительными элементами с соответствующими контактными элементами являются отверстия или гайки и винты.
Пары 31, 32 токоведущих шин простираются по существу параллельно друг другу и находятся на таком расстоянии друг от друга, что между парами 31, 32 токоведущих шин может быть помещен конденсаторный модуль 30 промежуточного контура. Соединительные выводы пар 31, 32 токоведущих шин и соединительные выводы конденсаторного модуля 30 промежуточного контура расположены в одной плоскости и в ряд, так что силовой фазовый модуль своей торцевой стороной может быть сдвинут вперед в этой плоскости и подключен.
Преобразователь переменного тока имеет пары 33, 34 соединителей. Первый соединитель 33а, второй соединитель 33b, третий соединитель 34а и четвертый соединитель 34b электрически соединяют друг с другом конденсаторные модули 30 промежуточного контура. В зависимости от числа соединительных выводов конденсаторных модулей 30 промежуточного контура или числа пар конденсаторных соединительных выводов постоянного тока силовых фазовых модулей 10, 10* число соединителей 33а, 33b, 34а, 34b может изменяться. Предпочтительно, число соединителей 33а, 33b, 34а, 34b равно числу соединительных выводов пар конденсаторных соединительных выводов, так что могут соединяться все соединительные выводы. Соединители 33а, 33b, 34а, 34b соединяют конденсаторные модули 30 промежуточного контура, так что они подключены параллельно.
У преобразователя постоянного тока с соединителями 33а, 33b, 34а, 34b согласно одному варианту осуществления как конденсаторные модули 30, 30* промежуточного контура, так и переключающие устройства 16, 16* в силовых фазовых модулях 10, 10* подключены параллельно. В дополнение к параллельному подключению посредством соединителей 33а, 33b, 34а, 34b, переключающие устройства 16, 16* и конденсаторные модули 30, 30* промежуточного контура подключены параллельно посредством токоведущих шин 31а, 31b, 32а, 32b и поперечных мостиков 18, 19, 18*, 19*. Это второе параллельное подключение имеет более высокую индуктивность и меньшее омическое сопротивление, чем соединители 33а, 33b, 34а, 34b. Поэтому конденсаторные модули 30, 30* промежуточного контура подключены электрически параллельно, с одной стороны, через два низкоиндуктивных, высокоомных соединения и, с другой стороны, через два высокоиндуктивных, низкоомных соединения.
Согласно одному варианту осуществления материал соединителей 33а, 33b, 34а, 34b имеет большее удельное сопротивление, чем материал токоведущих шин 31а, 31b, 32а, 32b. Например, соединители 33а, 33b, 34а, 34b выполнены по существу из стали, а токоведущие шины 31а, 31b, 32а, 32b выполнены по существу из меди или алюминия.
Соединители 33а, 33b, 34а, 34b выполнены, например, из металлического листа. Он может быть участками составным, так что при снятии конденсаторного модуля 30, 30* промежуточного контура соединители 33а, 33b, 34а, 34b должны сниматься только на местах соединения с конденсаторным модулем 30, 30* промежуточного контура.
На фиг. 5 показан подробный вид пары 32 токоведущих шин с первой токоведущей шиной 32а и второй токоведущие шиной 32b. Токоведущие шины механически соединены друг с другом посредством изоляции 35 и электрически изолированы друг от друга. Изоляция может состоять из твердого материала, например синтетического материала.
Токоведущие шины могут иметь соответствующий контактный элемент 36 для закрепления на соединительном элементе пары соединительных выводов постоянного тока. В этом варианте осуществления соответствующий контактный элемент является стержнем с резьбой или без резьбы для закрепления, например, гайки или клеммы на паре 14, 20 соединительных выводов постоянного тока.
На фиг. 6 показано упрощенное схематическое изображение конструкции модульного преобразователя переменного тока. Для наглядности показаны только два силовых фазовых модуля 10, 10*. Каждый силовой фазовый модуль 10, 10* имеет переключающее устройство 16, 16* и охлаждающее устройство 17, 17*. Соединительные выводы переменного тока или управляющие устройства на этом изображении не показаны.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет по меньшей мере устройство 24 управления для управления переключающим устройством 16, 23. Предпочтительно, устройство управления расположено на другой торцевой стороне 11. Прежде всего, устройство управления может быть устройством 24 управления затвором, и управление переключающим устройством 16, 23 может выполняться через затворы в полупроводниковых компонентах.
Силовые фазовые модули 10, 10* подключены к паре 31, 32 токоведущих шин. Между парами 31, 32 токоведущих шин расположены конденсаторные модули (30), 30* промежуточного контура. С каждым силовым фазовым модулем 10, 10* соотнесен конденсаторный модуль (30), 30* промежуточного контура, однако на данном изображении виден только один из обоих конденсаторных модулей (30), 30* промежуточного контура. Другой конденсаторный модуль 30** промежуточного контура расположен так, что другой силовой фазовый модуль с одинаковой ориентацией обоих других силовых фазовых модулей 10, 10* может быть размещен над ним.
Конденсаторные модули промежуточного контура подключены параллельно через соединители 33а, 33b, 34а, 34b. Дополнительно, конденсаторные модули промежуточного контура подключены параллельно через поперечные мостики 18, 19, 18*, 19* и пары 31, 32 токоведущих шин.
На фиг. 7 показан вариант осуществления модульной схемы промежуточного контура. Эскизно изображены три конденсаторных модуля 30 промежуточного контура. Переключающие устройства 16 подключены параллельно соответственно одному конденсаторному модулю 30 промежуточного контура. Для наглядности ссылочными обозначениями снабжены только одно из переключающих устройств 16 и только один из конденсаторных модулей 30 промежуточного контура. Три показанных переключающих устройства 16 и три конденсаторных модуля промежуточного контура 30 в этом варианте осуществления являются идентичными.
Конденсаторные модули 30 промежуточного контура имеют соответственно первый соединительный вывод и второй соединительный вывод, причем первые соединительные выводы двух следующих непосредственно друг за другом конденсаторных модулей 30 промежуточного контура соединены через первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL1 и первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR1, вторые соединительные выводы двух следующих непосредственно друг за другом конденсаторных модулей 30 промежуточного контура соединены через второе низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL2 и второе высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR2, первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR1 подключено параллельно второму высокоомному, низкоиндуктивному соединению VR2, и первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL1 подключено параллельно второму низкоомному, высокоиндуктивному соединению VL2.
Посредством первого низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL1 и второго низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL2 два следующих непосредственно друг за другом конденсаторных модуля 30 промежуточного контура подключены параллельно низкоомно и высокоиндуктивно. Дополнительно, посредством первого высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR1 и второго высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR2 два следующих непосредственно друг за другом конденсаторных модуля 30 промежуточного контура подключены параллельно высокоомно и низкоиндуктивно.
Полные сопротивления первого низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL1 и второго низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL2 одинаковы, и полные сопротивления первого высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR1 и второго высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR2 одинаковы. Поэтому модульная схема промежуточного контура обладает симметрией, которая делает возможным симметричное протекание тока в обоих направлениях тока.
Конденсаторные модули 30 промежуточного контура в варианте осуществления согласно фиг. 7 имеют соответственно по одному конденсатору промежуточного контура. Поэтому показанные конденсаторы образуют соответственно конденсаторный модуль 30 промежуточного контура. Каждый конденсатор промежуточного контура имеет первый соединительный вывод и второй соединительный вывод, и первый соединительный вывод и второй соединительный вывод конденсатора промежуточного контура образуют одновременно первый соединительный вывод и второй соединительный вывод конденсаторного модуля промежуточного контура. Факультативно также несколько конденсаторов промежуточного контура образуют конденсаторный модуль 30 промежуточного контура.
Низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2 могут быть реализованы, например, посредством двух параллельных токоведущих шин 30а, 30b и поперечного мостика 18. В рабочем состоянии между верхней токоведущей шиной 30а и нижней токоведущей шиной 30b приложено постоянное напряжение UDC. Это постоянное напряжение UDC питает переключающие устройства 16, которые посредством устройства управления генерируют переменное напряжение. Соответствующие конденсаторы промежуточного контура в конденсаторных модулях 30 промежуточного контура служат в качестве электрических промежуточных накопителей и буферов. Между первым соединительным выводом и вторым соединительным выводом конденсаторного модуля промежуточного контура 30 приложено напряжение U*DC. Подключение конденсаторных модулей 30 промежуточного контура является параллельным и в виде цепи относительно приложенного между первым соединительным выводом и вторым соединительным выводом конденсаторного модуля 30 промежуточного контура постоянного напряжения U*DC.
Низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2 показаны пунктирными линиями и содержат соответственно три индуктивности и одно омическое сопротивление. Высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2 показаны штриховыми линиями и содержат соответственно одну индуктивность и одно омическое сопротивление. При этом омическое сопротивление в высокоомных, низкоиндуктивных соединения VR1, VR2 соответственно больше, чем омическое сопротивления в низкоомных, высокоиндуктивных соединениях VL1, VL2.
Показанные на фиг. 7 индуктивности и омические сопротивления определяются по существу размером шлейфов проводников, электропроводностью проводников и поперечным сечением проводников. Поскольку преобразователь переменного тока выполнен в виде силового преобразователя переменного тока с большими токами, то проводники должны быть соответствующим образом приведены в соответствие этому. Например, проводники, которые образуют низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2, содержат материал с высокой электропроводностью, прежде всего медь или алюминий, а проводники, которые образуют высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2, содержат материал с меньшей электропроводностью, прежде всего сталь.
На фиг. 8 показано упрощенное изображение схемы согласно фиг. 7. Омические сопротивления низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2 и индуктивности высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2 уже не показаны. На практике проводники без омического сопротивления или без индуктивности сами по себе не возможны. Поэтому специалист должен понимать схему так, что проводники отличаются по существу или их индуктивными свойствами или их омическими свойствами.
Поскольку промежуточный контур выполнен для очень больших токов, то структура без высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2 представляет собой очень слабо демпфированную LC цепную линию. На изображении согласно фиг. 8 модульная схема промежуточного контура образует LC цепную линию с дополнительным параллельным L-компоненту R-компонентом. При этом индуктивностью высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2, а также омическим сопротивлением низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2 пренебрегают. L-компонент образован посредством индуктивности L первых низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1 и вторых низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL2, а С-компонент образован посредством емкости С конденсаторного модуля 30 промежуточного контура, причем L-компонент и С-компонент образуют LC колебательный контур, и R-компонент дополнительно подключен параллельно L-компоненту. R-компонент образован посредством первого высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR1 и второго высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR2. Поэтому омическое сопротивление высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2 подключено так, что оно демпфирует колебания LC колебательного контура.
В дополнение к постоянным напряжениям UDC и постоянному напряжению U*DC за счет переключающего устройства и LC колебательного контура в системе создаются паразитные составляющие переменного напряжения. Эти оставляющие переменного тока снижают эффективность преобразователя переменного тока и должны демпфироваться. Для оптимального демпфирования LC колебательного контура омическое сопротивление первых высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1 и вторых высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR2 находится в диапазоне от 0,1 Ropt до 10⋅Ropt и с 
индуктивностью L низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2 и емкостью С конденсаторного модуля 30 промежуточного контура.
Модульная схема промежуточного контура согласно фиг. 7 и 8 может быть расширена посредством дополнительных конденсаторных модулей промежуточного контура с соответствующим подключением параллельно и в виде цепи с другими конденсаторными модулями 30 промежуточного контура. Прежде всего, модульная схема промежуточного контура может содержать, например, от 1 до 6 или от 1 до 8 конденсаторных модулей 30 промежуточного контура. Все конденсаторные модули 30 промежуточного контура в цепи подключены между собой идентично их соседним конденсаторным модулям 30 промежуточного контура. Исключением являются оба конденсаторных модуля 30 промежуточного контура на краях цепи, так как они имеют только одного непосредственно соседа.
На фиг. 8 показана часть схемы, которая соответствует одному силовому фазовому модулю 10. При этом переключающее устройство 16 и часть низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2, а именно поперечные мостики 18, являются частью силового фазового модуля 10. Высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2 не являются частью силового фазового модуля. Силовой фазовый модуль 10 надевается на токоведущие шины 30а, 30b и таким образом образует с ними и расположенными на силовом фазовом модуле 10 поперечными мостиками 18 низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2. Модульная схема промежуточного контура в этом варианте осуществления создается лишь с помощью силового фазового модуля 10.
На фиг. 9 показан вариант осуществления модульной схемы промежуточного контура. Показаны восемь модулей. Для наглядности переключающие устройства не показаны. Они являются подключаемым соответственно параллельно конденсаторным модулям 30 промежуточного контура. Все конденсаторные модули 30 промежуточного контура подключены параллельно и с образованием цепи. Они имеют четыре соединительных вывода. Далее, для лучшей наглядности ссылочные обозначения показаны только один раз. Каждый модуль схемы промежуточного контура имеет идентичные составные части.
Аналогично фиг. 8, на фиг. 9 омические сопротивления низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2, VL3, VL4, а также индуктивности высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2, VR3, VR4 не показаны.
В варианте осуществления согласно фиг. 9 конденсаторный модуль 30 промежуточного контура имеет соответственно два конденсатора промежуточного контура. Конденсаторы промежуточного контура подключены между первым соединительным выводом и вторым соединительным выводом, а также между третьим соединительным выводом и четвертым соединительным выводом конденсаторного модуля 30 промежуточного контура. Второй и третий соединительные выводы находятся под одним и тем же потенциалом, и первый и второй соединительные выводы находятся под одним и тем же потенциалом. Между первым и вторым соединительным выводом или между третьим и четвертым соединительным выводом в рабочем состоянии приложено постоянное напряжение U*DC. Относительно этого постоянного напряжения оба конденсатора промежуточного модуля подключены параллельно.
Четыре соединительных вывода конденсаторного модуля промежуточного контура соединены соответственно через одно из низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2, VL3, VL4 и одно из высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2, VR3, VR4. При этом первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR1 подключено параллельно второму высокоомному низкоиндуктивному соединению VR2, первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL1 подключено параллельно второму низкоомному, высокоиндуктивному соединению VL2, третьи высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR3 подключены параллельно четвертым высокоомные низкоиндуктивным соединениям VR4, и третьи низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL3 подключены параллельно четвертым низкоомные, высокоиндуктивным соединениям VL4.
Прежде всего, четыре низкоомных высокоиндуктивным соединения VL1, VL2, VL3, VL4 являются отделенными друг от друга и по существу, а именно в отношении деталей, которые определяют их электрические свойства, отсоединенными друг от друга. Также аналогично, но независимо от этого, высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2, VR3, VR4 являются отделенными друг от друга и по существу, а именно в отношении деталей, которые определяют их электрические свойства, отсоединенными друг от друга.
Постоянное напряжение UDC приложено соответственно между одной из токоведущих шин 31а, 31b первой пары 31 токоведущих шин и одной из токоведущих шин 32а, 32b второй пары 32 токоведущих шин. Постоянное напряжение UDC в рабочем состоянии, в котором модульная схема промежуточного контура используется в схеме преобразователя переменного тока для выработки переменного тока, питает не показанные переключающие устройства. С одного выхода переменного тока переключающего устройства может сниматься переменное напряжение. В другом рабочем состоянии преобразователь переменного тока может, наоборот, вырабатывать из переменного напряжения постоянное напряжение.
Модульная схема промежуточного контура на фиг. 9 выполнена так, что пространственно рядом с каждым проводником с протекающим током расположен другой проводник с протекающим током, направление тока в котором противоположно относительно первого проводника. За счет этого минимизируется величина шлейфов проводников и снижается индуктивность. Поэтому схема преобразователя переменного тока может быть также геометрически преобразована в преобразователе переменного тока. Часть схемы, которая соответствовала бы силовому фазовому модулю 10 преобразователя переменного тока, на фиг. 9 также показана, причем переключающее устройство не показано.
На фиг. 10 показано рельсовое транспортное средство 100 согласно одному варианту осуществления с преобразователем энергии для преобразования электрической энергии в энергию движения, или наоборот, и преобразователем переменного тока. Выработанный посредством преобразователя переменного тока переменный ток может, например, приводить в действие электродвигатель для привода транспортного средства. Частота и напряжение на соединительном выводе переменного тока или на соединительных выводах переменного тока могут приспосабливаться к использованию в транспортном средстве.
Описанные выше варианты осуществления могут произвольно комбинироваться друг с другом, например, конденсаторные модули 30 промежуточного контура согласно фиг. 7 и 8 имеют также несколько конденсаторов промежуточного контура.
Даже если здесь представлены и описаны специфические варианты осуществления, в рамках объема настоящего изобретения находится подходящее изменение показанных вариантов осуществления без отклонения от объема охраны настоящего изобретения. Нижеследующие пункты формулы изобретения представляют собой первую не ограничивающую попытку общего определения изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| МОДУЛЬНАЯ СХЕМА ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТУРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО | 2018 |
|
RU2740789C1 |
| ДЕМПФИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ | 2007 |
|
RU2400912C1 |
| КОМПОНОВКА ТОКОВЫХ ШИН | 2016 |
|
RU2690021C1 |
| ФАЗОВЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА | 2016 |
|
RU2679400C1 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ, ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ СВАРОЧНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ | 2008 |
|
RU2486997C2 |
| МОДУЛЬ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ТОКА С СИСТЕМОЙ ШИН ДЛЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ВЫПРЯМИТЕЛЬ ТОКА | 1998 |
|
RU2207697C2 |
| ФАЗНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ | 2017 |
|
RU2701870C1 |
| ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА | 1997 |
|
RU2211518C2 |
| МОДУЛЬ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА С ОХЛАЖДАЕМОЙ СИСТЕМОЙ ШИН | 2009 |
|
RU2514734C2 |
| Электропередача переменного тока | 1974 |
|
SU566288A1 |
Предлагается силовой фазовый модуль для модульного преобразователя переменного тока. Технический результат заявленного изобретения заключается в улучшении конструкции преобразователя переменного тока. Технический результат достигается за счет того, что силовой фазовый модуль имеет по меньшей мере одну первую пару соединительных выводов постоянного тока на торцевой стороне силового фазового модуля с соответствующими соединительными элементами для подключения к паре токоведущих шин, находящуюся на расстоянии от первой пары соединительных выводов постоянного тока и подключенную параллельно ему первую пару конденсаторных выводов постоянного тока на торцевой стороне с соответствующими соединительными элементами для подключения к соотнесенному с силовым фазовым модулем конденсаторному модулю промежуточного контура. Также силовой фазовый модуль имеет первый соединительный вывод переменного тока на другой стороне силового фазового модуля, переключающее устройство, соединенное с первым соединительным выводом переменного тока и первой парой соединительных выводов постоянного тока для преобразования приложенного в одном рабочем состоянии к первой паре соединительных выводов постоянного тока постоянного напряжения в вырабатываемое на первом соединительном выводе переменного тока переменное напряжение, или наоборот, и охлаждающее устройство для отвода тепла из силового фазового модуля, прежде всего из переключающего устройства. Помимо этого предлагается преобразователь переменного тока, и транспортное средство, прежде всего рельсовое транспортное средство. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.
1. Силовой фазовый модуль (10) для модульного преобразователя переменного тока, имеющий:
- по меньшей мере одну первую пару (14) соединительных выводов постоянного тока с соответствующими соединительными элементами на торцевой стороне (12) силового фазового модуля (10) для подключения к паре токоведущих шин,
- находящуюся на расстоянии от первой пары (14) соединительных выводов постоянного тока и подключенную параллельно им первую пару (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока с соответствующими соединительными элементами на торцевой стороне (12) для подключения к соотнесенному с силовым фазовым модулем (10) конденсаторному модулю (30) промежуточного контура,
- первый соединительный вывод (13) переменного тока,
- переключающее устройство (16), соединенное с первым соединительным выводом (13) переменного тока и первой парой (14) соединительных выводов постоянного тока для преобразования постоянного напряжения, приложенного в одном рабочем состоянии к первой паре (14) соединительных выводов постоянного тока, в вырабатываемое на первом соединительном выводе (13) переменного тока переменное напряжение, или наоборот,
- охлаждающее устройство (17) для отвода тепла из силового фазового модуля (10), прежде всего из переключающего устройства (16),
отличающийся тем, что первый соединительный вывод (13) переменного тока расположен на другой стороне (11) силового фазового модуля (10), нежели торцевая сторона (12), причем первая пара (14) соединительных выводов постоянного тока и первая пара (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока образованы из областей металлического листа, расположенных под углом к поперечным мостикам (18, 19), и эти области металлического листа расположены по существу в одной плоскости, причем соответствующие соединительные элементы первой пары (14) соединительных выводов постоянного тока и первой пары (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены на расположенных под углом в областях металлического листа или в расположенных под углом областях металлического листа.
2. Силовой фазовый модуль по п. 1, кроме того, имеющий
- вторую пару (21) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, которая расположена на торцевой стороне силового фазового модуля соответственно на расстоянии от первой пары (14) соединительных выводов постоянного тока и от первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и подключена параллельно.
3. Силовой фазовый модуль по п. 1 или 2, кроме того, имеющий
- вторую пару (20) соединительных выводов постоянного тока, которая расположена на торцевой стороне силового фазового модуля соответственно на расстоянии от первой пары (14) соединительных выводов постоянного тока и от первой пары конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и подключена параллельно.
4. Силовой фазовый модуль по п. 3, причем первая пара (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока или первая и вторая пара (15, 21) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока расположены в ряд между первой парой (14) соединительных выводов постоянного тока и второй парой (20) соединительных выводов постоянного тока.
5. Силовой фазовый модуль по одному из пп. 1-4, причем первая или первая и вторая пара (21) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока выполнены для разъемного соединения с соответствующими контактными элементами выполненного с возможностью размещения на торцевой стороне конденсаторного модуля промежуточного контура.
6. Силовой фазовый модуль по одному из пп. 1-5, причем контактные элементы конденсаторного модуля промежуточного контура расположены исключительно на поверхности конденсаторного модуля промежуточного контура, причем эта поверхность находится непосредственно напротив торцевой стороны силового фазового модуля.
7. Силовой фазовый модуль по одному из пп. 1-6, причем соединительные элементы первой и/или второй пары (15, 21) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока имеют другое расстояние друг от друга, чем соединительные элементы первой и/или второй пары (14, 20) соединительных выводов постоянного тока.
8. Силовой фазовый модуль по одному из пп. 1-7, причем первая пара (14) соединительных выводов постоянного тока, первая пара (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и переключающее устройство (16) имеют соответственно первый и второй соединительный вывод, и причем силовой фазовый модуль, кроме того, имеет:
- первый поперечный мостик (18), который электрически соединяет первые соединительные выводы первой пары (14) соединительных выводов постоянного тока, первой пары (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и переключающего устройства (16),
- второй поперечный мостик (19), который электрически соединяет первые соединительные выводы первой пары (14) соединительных выводов постоянного тока, первой пары (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, и переключающего устройства (16).
9. Силовой фазовый модуль по п. 8, причем первый поперечный мостик (18) и второй поперечный мостик (19) простираются непосредственно рядом друг с другом и участками параллельно друг другу, не находясь в прямом электрическом контакте.
10. Силовой фазовый модуль по одному из пп. 1-9, причем силовой фазовый модуль обладает общей массой менее чем 50 кг, прежде всего менее чем 30 кг.
11. Преобразователь переменного тока по меньшей мере с двумя, прежде всего по меньшей мере тремя, силовыми фазовыми модулями по одному из пп. 1-10 и по меньшей мере с двумя, прежде всего по меньшей мере тремя, конденсаторными модулями (30) промежуточного контура, причем каждый силовой фазовый модуль своей торцевой стороной расположен на соотнесенном с ним конденсаторном модуле (30) промежуточного контура, и причем первая и/или вторая пара (15, 21) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока каждого силового фазового модуля соединена с возможностью разъединения с соответствующими контактными элементами соотнесенного конденсаторного модуля (30) промежуточного контура.
12. Преобразователь по п. 11, кроме того, имеющий
- пару (31) токоведущих шин с первой токоведущей шиной (31а) и простирающейся параллельно первой токоведущей шине второй токоведущей шиной (31b) для направления постоянного тока,
причем первая токоведущая шина (31а) и вторая токоведущая шина (31b) находятся по существу в одной плоскости, и силовые фазовые модули своими торцевыми сторонами расположены рядом друг с другом и параллельно этой плоскости, и причем первая пара (14) соединительных выводов постоянного тока каждого силового фазового модуля через их соединительные элементы подключена к первой токоведущей шине (31а) и ко второй токоведущей шине (31b).
13. Преобразователь по п. 11 или 12, кроме того, имеющий
- пару (33) соединителей с первым соединителем (33а) и вторым соединителем (33b),
причем первый соединитель (33а) и второй соединитель (33b) находятся по существу в одной плоскости, и силовые фазовые модули их торцевыми сторонами расположены рядом друг с другом и параллельно этой плоскости, и причем первая пара (15) конденсаторных соединительных выводов постоянного тока каждого силового фазового модуля через их соединительные элементы подключена к первому соединителю (33а) и второму соединителю (33b).
14. Преобразователь переменного тока по п. 13, причем первые пары (14) соединительных выводов постоянного тока соседних силовых фазовых модулей вместе с первой парой (31) токоведущих шин образуют высокоиндуктивное, низкоомное параллельное соединение между соседними конденсаторными модулями (30) промежуточного контура, и причем пара (33) соединителей образует низкоиндуктивное, высокоомное параллельное соединение между соседними конденсаторными модулями (30) промежуточного контура.
15. Транспортное средство, прежде всего рельсовое транспортное средство, с преобразователем энергии для преобразования электрической энергии в энергию движения, или наоборот, и преобразователем переменного тока по одному из п.п. 11-14, причем с преобразователем энергии соединен по меньшей мере один соединительный вывод переменного тока силового фазового модуля.
| CN 102522908 A, 27.06.2012 | |||
| US 2004062004 A1, 01.04.2004 | |||
| US 5245527 A, 14.09.1993 | |||
| СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ С БОКОВЫМИ СТЕНКАМИ СЛОИСТОЙ КОНСТРУКЦИИ | 2009 |
|
RU2492548C2 |
| EP 0914708 B1, 04.09.2002 | |||
| МОДУЛЬ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА С ОХЛАЖДАЕМОЙ СИСТЕМОЙ ШИН | 2009 |
|
RU2514734C2 |
