用于制造電能的設備的開關柜裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于制造電能的設備的開關柜裝置，其中，該開關柜裝置具有至少兩個獨立的電力開關柜。根據本發(fā)明通過使電力開關柜分別具有一個在機器端上的接口、一個功率模塊、一個電源端上的接口和一個離散控制單元，其中該功率模塊具有一個在機器端上的變流器、一個電源端上的變流器、一個直流電壓中間電路和一個斬波器，其中，電力開關柜通過機器端上的接口和電源端上的接口電氣式地相互并聯在一起，由此實現了技術性目的，即，在盡管占用面積小但是可以簡單安裝和維護電力開關柜的同時實現用于制造電能的設備的最佳的可伸縮性。
【專利說明】用于制造電能的設備的開關柜裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造電能的設備的開關柜裝置，其中，該開關柜裝置具有至少兩個獨立的電力開關柜。
【背景技術】
[0002]由現有技術已知需要設置在電力開關柜中的、特別是用于制造電能的設備的電子元件，例如變流器或濾波器。風能設備通常配有雙饋異步電動機，因為以這種方式僅必須有部分功率通過設備的變流器進行傳送。然而在轉速低于發(fā)電機的同步轉速時設備效率降低。因此具有全功率變流器的同步發(fā)電機越來越多地得到應用。然而在這些系統中通過變流器引導所有提供給電源的功率，因此必須對這些系統進行相應地度量以及可以縮放地進行布置。此外由于所需要的較大功率例如在開關柜具有緊湊結構的同時還對冷卻設備提出額外地要求。
[0003]文獻EP1903848B1描述了一種模塊化變頻器以及用于容納功率電子元件的布線柜，在該變頻器中功率電子元件具有輪子。為了將功率電子元件與變頻器的其余部分相連接，需要昂貴的插座連接裝置。
[0004]文獻US7，545，052B2描述了一種方法，該方法應該改善風能設備中的發(fā)電設備中的變流器模塊的效率和可靠性。對此該風能設備具有多個變流器模塊，也稱為轉換器模塊，該轉換器模塊不僅可以并聯在發(fā)電機端也可以并聯在電源端，其中轉換器模塊可以取決于一個參數而彼此之間獨立地進行斷開或接通。為了避免過熱，例如應該交替地運行轉換器模塊或者相應地接通和斷開通過發(fā)電機所產生的功率。該轉換器模塊在接通或斷開時經過多個特定的、由中央CPU控制的開關狀態(tài)。這樣做的結果是在中央CPU和轉換器模塊之間花費高成本來敷設電纜。此外在故障時必須更換全部的模塊。
[0005]文獻US7，859，838B2涉及一種用于在開關柜中放置變流器或變頻器的裝置。對此該開關柜的框架應該進行模塊化構造，從而在將開關柜帶入到使用地之前，可以將變頻器的元件安裝在開關柜框架模塊中。然而在這種情況下是不利的，變頻器的單個元件分配到不同的柜上，這需要額外復雜的布線。在工廠里進行安裝之后，僅以高的花費才可能在現場實現之后的可伸縮性。此外，單個的框架模塊需要相對多的位置。

【發(fā)明內容】

[0006]因此，本發(fā)明的技術性目的在于，在盡管占用面積小但是可以簡單安裝和維護電力開關柜的同時實現用于制造電能的設備的最佳的可伸縮性。
[0007]根據本發(fā)明由此實現了該技術性目的，S卩，電力開關柜分別具有一個在機器端上的接口、一個功率模塊、一個電源端上的接口和一個離散控制單元，其中功率模塊具有一個在機器端上的變流器、一個電源端上的變流器、一個直流電壓中間電路和一個斬波器，其中，電力開關柜通過電源端上的接口和可選地通過機器端上的接口電氣式地相互并聯在一起。機器端上的接口可以電氣式地相互并聯在一起然后和機器的繞組相連接。在使用具有分開的繞組的機器時可以考慮使機器端上的接口電氣式地分別地與各個繞組相連接。
[0008]這些元件在各個電力開關柜中的設置及其共同作用使用于制造電能的設備達到最佳的可伸縮性。因為提供有大體上獨立的電力開關柜，借助該電力開關柜可以以最簡單的方式通過調整電力開關柜的數量對功率進行縮放。
[0009]基于設置在電力開關柜中的機器端的接口和電源端的接口以及除了電源端上和機器端上的變流器以外還具有用于短接各個中間電路的斬波器的功率模塊可以這樣設置元件，即，在單個元件之間僅形成最小的連接路徑。這種短的連接路徑一方面引起高的功率密度，從而導致非常緊湊的設置，另一方面由此節(jié)省了成本。此外，對電力開關柜中的元件的選擇實現了最佳的能通量，因為除了機器端的接口和電源端的接口以外不需要橫向連接到其他電力開關柜上，這種橫向連接會導致電纜線路的復雜交叉連接。
[0010]首先離散控制單元的設置在電力開關柜的安裝以及可縮放性方面實現了對靈活性的最優(yōu)化。不需要單獨操縱電力開關柜的單個元件，而是可以在內部由離散控制單元操縱所有元件。優(yōu)選可以使離散控制單元與所有相關的執(zhí)行元件(即電力開關柜的所有執(zhí)行機構和傳感器)進行通信，特別是和功率模塊進行通信。也可以讀取或監(jiān)控用于監(jiān)控的溫度傳感器或濕度傳感器。由于信號路徑短，離散控制單元允許使用簡單的電氣式數據連接，例如連接到IGBT的驅動器和其他的傳感器和執(zhí)行機構。在信號路徑長時，由于強的電磁干擾信號僅可以使用光導體。這導致光信號通常必須轉變成電信號。由此明顯簡化了與設置在電力開關柜中的元件的通信。離散控制單元可以通過簡單的數據連接線與中央控制單元相連。由此使所需連接線和敷設電纜的數量降至最低。優(yōu)選這樣形成離散控制單元，即，該離散控制單元可以經由通過光導體的連接線例如與中央控制單元進行通信。然后離散控制單元可以例如與其他的系統(例如其他的控制單元)進行通信。在這種情況下，可以將離散控制單元設置成星形、環(huán)狀、串聯和/或網絡布局。
[0011]至少兩個電力開關柜的機器端的接口優(yōu)選通過其他的、像開關或者具有開關和/或防護元件的發(fā)電機接線箱這樣的元件連接到電機(例如發(fā)電機或發(fā)動機)上。在這種情況下至少兩個電力開關柜并聯。機器端的接口優(yōu)選形成為聯接母線，然而其他的連接(例如電纜連接)也是可以的。聯接母線在機械結構上具有堅固性并且以簡單的方式提供所需的橫斷面，以傳輸高的功率。此外，聯接母線還允許在兩個聯接母線之間的簡單的、同樣具有大的橫斷面的連接線。電源端上也可以使用用于并聯電力開關柜的聯接母線。
[0012]功率模塊的機器端的和電源端的變流器優(yōu)選具有電子斷路器，以將交流電轉變成直流電或者反之。該電子斷路器可以是例如二極管、晶體管、集成門極換流晶閘管(IGCT)或者優(yōu)選絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。后者在具有超過平均水平的堅固性和緊湊的構造的情況下可以幾乎不消耗功率進行運行。特別是這樣形成該電子斷路器，即，該電子斷路器可以單獨地或者以多個電子斷路器作為模塊裝配在功率模塊中或上。
[0013]優(yōu)選通過構成直流電壓中間電路的電容器實現了在共同的直流電壓的層面上的、兩個通過變流器電氣式連接的電力網的能量耦合。
[0014]斬波器的設置可以借助于電子斷路器使電能通過所謂的制動電阻轉化成熱能并且散發(fā)出去。作為電子斷路器又特別涉及到IGBT，然而其他的電子斷路器也是可能的。在每個電力開關柜中設置斬波器是特別有利的，因為從而可以在每個直流電壓中間電路中散發(fā)能量。因此該斬波器可以與單個的開關柜的各個功率相匹配。此外在擴展設備時省略了對斬波器的新的參數選擇，不像在并聯的直流電壓中間電路中所需要的參數選擇。此外，由于限定通過斬波器所散發(fā)的能量也省略了安全措施。原則上可以例如通過電纜連接任意地在電力開關柜中定位斬波器。如果斬波器設置在具有直流電壓中間電路的電容器的直流母線上的電源端上的和機器端上的變流器之間，當然是特別有利的。由此實現了在直流電壓中間電路上的短的、對稱的和直接的連接，這對電力開關柜的緊湊性起到了有利的作用并且實現了電容器的均勻分布的熱負荷。此外，也可以將電子斷路器和斬波器的電阻作為共同的單元來裝配，或者如果電阻的結構不允許這樣做，也可以使電阻在空間上與斷路器分開地進行裝配。
[0015]在使用直流母線時可以簡單地通過兩個導體面和位于其中的絕緣體實現具有非常低的感應率的直流電壓中間電路。這引起功率模塊的特別緊湊的結構。對于三電平變流器可以在直流母線中相應地設置第三個直流導體面，從而可以在沒有改變電力開關柜的機械構造的情況下提供用于低電壓運轉和用于中電壓運轉的開關柜裝置。
[0016]具有電源端的變流器、直流電壓中間電路、斬波器和機器端的變流器的功率模塊經由兩個變流器(優(yōu)選經由銅母線)與開關柜的電源端和/或機器端的接口相連。然而在功率模塊和電源端的接口以及機器端的接口之間也可以有其他的元件，這些元件同樣經由銅母線連接在功率模塊上。銅母線實現了損失特別少的電氣連接。當然也可以設有損失相應少地形成的電纜連接。
[0017]由此實現了電力開關柜元件的盡可能的模塊化的構造，從而可以對單個故障元件進行更換，而不需要額外的輔助工具。
[0018]電力開關柜通常優(yōu)選敷設直至I麗的功率，其中，可以使用直至IkV的低電壓和直至30kV的中等電壓。但是每個電力開關柜使用更大的功率自然也可以。電力開關柜的功率縮放例如一方面可以通過調整電子斷路器的類型和/或數量來進行和/或另一方面可以特別簡單地通過設置不同數量的根據本發(fā)明的電力開關柜。
[0019]如果在電力開關柜中的元件設置大體上與能通量的方向相一致，則是特別有利的。優(yōu)選使元件大體上設置在一排上。在這種情況下，元件的順序是:機器端的接口、機器端的變流器、具有斬波器的直流電壓中間電路、電源端的變流器和電源端的接口。由于易拆裝性和熱效應，特別優(yōu)選大體上垂直設置元件，其中，可以根據所述順序從上向下地設置元件，也可以從下向上地進行設置。
[0020]總體上可以通過根據本發(fā)明的開關柜裝置在具有非常好的可伸縮性的情況下實現成本節(jié)約的、緊湊的結構，該結構具有元件之間的最小的連接路徑并且由此具有最佳的能通量和高的功率密度。
[0021]代替在電源端上并聯電力開關柜，根據開關柜裝置的第一個替代性設計可以將電力開關柜分別單獨地經由相應的、一個或多個變壓器的次級線圈連接在電源上。在這里可以使用各具有一個初級線圈和一個次級線圈的變壓器或者也可以使用各具有一個初級線圈和多個次級線圈的變壓器。這樣避免了在多個機器端上和電源端上并聯的電力開關柜之間形成環(huán)形電流。
[0022]依據根據本發(fā)明的開關柜裝置的另一個設計，功率模塊具有層狀的直流母線，該直流母線在第一側面上具有斷路器和斬波器，在第二側面上具有直流電壓中間電路的電容器。[0023]通過該直流母線以及將斷路器和斬波器連接在直流母線的一側上和將直流電壓中間電路的電容器連接在另一側上可以實現功率模塊的節(jié)省位置的設置，該功率模塊相應地具有高的功率密度。由此還實現了對電子斷路器的簡單接入以及從而實現簡單的安裝和簡單維修。
[0024]電容器可以特別是經由第一柵格的接線元件導電地與直流母線相連，而至少一個電子斷路器經由第二柵格的接線元件導電地與直流母線相連。
[0025]直流母線的第二柵格實現了一個或多個電子斷路器在直流母線上的各種接線，從而提供了電路布線的簡單的可伸縮性。接線元件優(yōu)選由直流母線的電連接極的各個金屬板中的通路孔構成，從而單個的電容器和電子斷路器可以導電地與直流母線相連。第一柵格和第二柵格可以形成為相同的或不同的。由此進一步減小占用面積同時簡化可伸縮能力。優(yōu)選設置多個并聯的電容器、優(yōu)選電容器組，其中單個電容器經由設置在第一柵格中的接線元件與直流母線導電地相連。直流母線的第一柵格實現了電容器的特別緊湊的設置，因為柵格例如可以根據電容器的尺寸和占用空間來調整。
[0026]優(yōu)選這樣形成設置在第二柵格中的、直流母線的接線元件，S卩，將多個電子斷路器以軸對稱的設置方式與直流母線導電地相連。對于設置在第二柵格中的接線元件這意味著，電接線極實現了例如經180度旋轉的電子斷路器的接觸。電子斷路器的這種軸對稱的設置實現了電路布線的對稱結構并且就這點而言進一步減小功率模塊和整個電力開關柜的空間占用。
[0027]通過設置適配器母線可以使用不同制造商和/或不同類型的電子斷路器，該適配器母線在連接邊上與電力斷路器相匹配并且在另一邊上與第二柵格相匹配。
[0028]當然也可以在電力開關柜的內部設置多個彼此電氣式相連的直流母線，以在電力開關柜內部實現可伸縮性。這可以經由短的銅母線、電纜或者其他的母線從側面地連接成一排或者背對背地相連。
[0029]斬波器或者可以直接與直流母線電氣式相連或者可以經由特定的適配器母線連接在直流母線上。當斬波器直接與直流母線相連時，一方面節(jié)省了適配器母線的成本。然而也可以對此使用適配器母線，以使斬波器專用地設置在電路布線的合適位置上，而不需要改變直流母線。
[0030]通過將斬波器直接連接在直流母線上實現了非常小的雜散電感以及電流均勻地通過直流母線分布和連接在直流母線上的電容器的均勻分布。由此達到了均勻的熱分布，這又實現了緊湊的以及更容易得到冷卻的電力開關柜。優(yōu)選將斬波器設置在直流母線的一側上的電源端的變流器的電力開關柜和機器端的變流器的電力開關柜之間。
[0031]依據根據本發(fā)明的開關柜裝置的另一個設計，電力開關柜分別具有一個dU/dt濾波器。該濾波器實現了對電壓增長速率的限定。該dU/dt濾波器特別是串聯機器端的接口，即設置在機器端的變流器和機器端的接口之間，并且保護機器以免電壓改變過快。通過使電力開關柜具有dU/dt濾波器，可以避免還有其他的電纜從電力開關柜伸出。特別是dU/dt濾波器具有扼流圈和可選擇具有RC電路。dU/dt濾波器可以通過母線(例如銅母線、電纜或者絞合線)接通。由此保留了元件的模塊性并且可以簡化維護工作。用于監(jiān)控dU/dt濾波器的溫度的傳感器可以選擇性地與離散控制單元進行通信。
[0032]優(yōu)選電力開關柜在電源端上具有電源濾波扼流圈。該電源濾波扼流圈用于從電源上斷聯，因此可以使對電源的反作用(例如諧波電流)降至最低。該電源濾波扼流圈同樣可以通過母線(例如銅母線、電纜或者絞合線)接通。由此保留了元件的模塊性并且可以簡化維護工作。特別是通過絞合線接頭可以靈活地連接在一個變流器上，這可以快速進行裝配或者使用不同制造商的電源濾波扼流圈。用于監(jiān)控電源濾波扼流圈的溫度的傳感器也可以與離散控制單元進行通信。在元件設置在一排時，優(yōu)選將電源濾波扼流圈設置在電源端的接口和功率模塊之間或者，如果有冷卻設備則設置在電源端的接口和冷卻設備之間。由于熱效應，為了有效地進行冷卻大致上垂直地進行設置是特別優(yōu)選的，其中將電源濾波扼流圈設置在功率模塊或者冷卻設備的下面。
[0033]此外，如果電力開關柜具有分別串聯在電源端的接口上和/或機器端的接口上的(即，設置在電源端的變流器或機器端的變流器和電源端的接口或機器端的接口之間)用于電氣式分離電力開關柜的分離器(例如像閘門、IGBTs或者IGBCs或者機械開關這樣的電氣式分離器)，則是有利的。這進一步簡化了維修工作，因為可以以這種方式在電源端上和/或機器端上將單個的電力開關柜從電源上分離。該閘門可以例如經由短的銅接線與各個接口電氣式相連。如果一個開關柜裝置例如至少部分地具有冗余的電力開關柜，即使在工作時也可以斷開或接通該電力開關柜。因此可以快速而簡單地維修或更換故障元件。此外，例如如果發(fā)電機提供不同的功率并且在較小的功率時可以斷開電力開關柜，則提高了效率。此夕卜，在其中一個電力開關柜中發(fā)生故障時，該電力開關柜可以電氣式地與其他的電力開關柜分離。因此整個系統可以以減小的電容繼續(xù)工作并且向電網供電。這對海上風能設備特別重要，因為這些海上風能設備僅在滿足艱難的前提條件下才能實現。
[0034]依據根據本發(fā)明的開關柜裝置的另一個設計，電力開關柜分別具有一個冷卻設備，特別是熱交換器?？梢酝ㄟ^空氣冷卻(例如借助于通風器)進行冷卻，也可以通過熱交換器進行冷卻。該熱交換器優(yōu)選使用冷卻劑，特別是水。也可以有利地使用水-乙二醇-混合物作為冷卻劑，但是也可以考慮其他任意的液體冷卻介質。但是優(yōu)選同時使用兩種方法，從而可以得到相應緊湊的結構。例如允許進行水冷的元件(這些元件通常是逆變器的和斬波器的電子斷路器、dU/dt濾波器和電源濾波扼流圈)連接在水冷循環(huán)系統上。對于其他的元件(例如中間電路電容器)進行空氣冷卻是有利的。
[0035]優(yōu)選根據另一個設計將電力開關柜相對于周圍空氣密封地隔絕。優(yōu)選在這種情況下使用熱交換器，特別是空氣-水-熱交換器，該熱交換器將零件的余熱輸送給水冷循環(huán)系統，從而不需要供應冷卻的外界空氣。通過使用熱交換器，在沒有供風的情況下也確保了在電力開關柜中的元件的足夠的冷卻。電力開關柜的冷卻循環(huán)系統可以相互聯接地或者彼此獨立地進行工作。由于單個元件的放熱不同，如果單個的元件大體上進行垂直設置，則特別有利。在這種情況下，產生的熱量可以通過自然對流輸送走。冷卻設備優(yōu)選設置在功率模塊的下面，從而可以有助于自然對流。在使用水-空氣-熱交換器的情況下實現了最佳的冷卻空氣循環(huán)，該冷卻空氣循環(huán)冷卻功率模塊，特別是設置在直流母線上的電容器。
[0036]在電力開關柜的內部進行冷卻尤其可以提高元件在氣候不利區(qū)域中的壽命，因為實現了電力開關柜的密封結構以及避免了外界的潮濕的、含鹽的或臟的空氣對元件的污染。優(yōu)選對功率模塊、特別是機器端的和電源端的變流器以及斬波器、電源濾波扼流圈和/或dU/dt濾波器進行水冷卻。也可以有選擇地對設置在電源端的和機器端的接口上的閘門進行空氣冷卻或水冷卻。[0037]除此之外，可以在水冷卻系統中設置有預熱設備，從而在非常低的環(huán)境溫度下一方面可以將功率模塊(特別是電子斷路器)預熱到工作溫度，另一方面可以避免工作之后在這些元件上的冷凝作用。
[0038]優(yōu)選借助于AC母線并聯這些電力開關柜。由此可以實現能夠簡單安裝的同時穩(wěn)定的、單個電力開關柜的并聯電路。基于傳導性能，AC母線優(yōu)選由銅制成。在三相交流電的情況下必須提供至少三極匯流排。可以這樣設置該AC母線，S卩，可以從側面地、從背后地和/或向上地連接到其他的電力開關柜。電力開關柜的前側優(yōu)選用于簡單的安裝接入和維修接入。
[0039]然而，原則上也可以考慮使用電纜和/或絞合線連接電力開關柜。
[0040]依據根據本發(fā)明的開關柜裝置的另一個設計將電力開關柜從側面設置成一排和/或背對背地設置。以這種方式盡管達到了電力開關柜的緊湊設置也實現了簡單的功率匹配。
[0041]依據根據本發(fā)明的開關柜裝置的有利設計，開關柜裝置具有電源接線開關柜，該電源接線開關柜具有中央控制單元。通過中央控制單元可以控制電力開關柜的離散控制單元。如果在離散控制單元和中央控制單元之間建立起連接，則可以通過該連接以簡單的方式作用于電力開關柜的每個元件。例如如果開關柜裝置需要擴充另一個電力開關柜，則僅需電氣式連接電源端的和機器端的接口并且連接離散控制單元以及輔助電源電壓。因此所需的連接和布線的數量減少到最小。在這種情況下不需要將離散控制單元設置成星形、環(huán)狀、串聯和/或網絡布局。此外，使用單獨的電源接線開關柜改善了開關柜裝置的可伸縮性，因為這種單獨的電源接線開關柜在功率調整時可以更換或從電力開關柜上分離下來進行調整。
[0042]然而，也可以這樣設置中央控制單元，S卩，該中央控制單元也可以與其他的系統進行通信。因此可以設置各種不同的端口和數據總線，例如以太網、CANOpen或者其他數字或模擬輸入端和輸出端，以致于例如也可以顧及到并且影響發(fā)電機的數據或者轉子的數據。
[0043]此外，電源接線柜還用于連接電力開關柜和電源。
[0044]優(yōu)選電源接線開關柜具有一個或多個電源濾波器。該電源濾波器用于限定電力網中以及來自電力網的電干擾。這樣的電源濾波器可以由電感器、電容器和/或電阻構成。通過將電源濾波器設置在電源接線開關柜中，由此使該電源接線開關柜串聯所有的電力開關柜并且僅需設置唯一的濾波器。然而將電源濾波器分別集成到電力開關柜中原則上也是可以的。
[0045]電源接線開關柜優(yōu)選具有一個輔助電源電壓和/或一個電源開關。該輔助電源電壓由電源端上的交流電優(yōu)選產生單相230V交流電壓。然而任意的直流和/或交流電壓都是可以的。從外部輸送輔助電壓也是可以的，以使在這種情況下在電源接線柜中的輔助電源電壓僅用作電力開關柜的分配節(jié)點。這樣可以以簡單的方式為所有的電力開關柜提供輔助電源電壓。通過一個或多個電源開關可以以簡單的方式將電力開關柜從電源上分離。
[0046]優(yōu)選這樣形成中央控制單元和離散控制單元，即，中央控制單元和離散控制單元能夠經由光導體相互連接在一起。以這種方式減少所需的電纜連接，這額外地簡化了安裝和可伸縮性。在使用光導體時避免了由于可能的高頻干擾脈沖而出現的信號干擾。
[0047]特別是通過用于制造電能的、具有根據本發(fā)明的開關柜裝置的設備實現了以上所述的目的。如上所述，通過根據本發(fā)明的開關柜裝置可以實現節(jié)約成本的、緊湊的、具有元件之間的最小的連接路徑的構造，并且由此實現了具有最佳的能通量和高的功率密度的構造。
[0048]這特別適用于根據本發(fā)明的進一步設計的用于制造電能的設備，該設備形成為具有發(fā)電機的風能設備并且具有根據本發(fā)明的開關柜裝置。正如開頭所述，例如使用雙饋異步電動機或者同步電動機作為發(fā)電機。因為風能設備根據大小或使用地的風力產生各種不同的功率，因此所使用的元件和特別是變流器必須能夠相應地匹配該功率。這是以根據本發(fā)明的開關柜裝置特別簡單且成本低地來實現的。此外，通常對風能設備中的可用空間(例如風力發(fā)電設備塔的內部中)進行了限定，因此電力開關柜的緊湊結構以及從而整個的開關柜裝置的緊湊結構是有利的。特別是在使用具有全功率變流器的同步發(fā)電機時，通過變流器引導全部的電功率，因此在具有最佳的冷卻狀態(tài)的同時緊湊和能夠伸縮的結構是有利的。例如電力開關柜的背對背設置實現了最小的所需空間，而沒有降低可使用性和維修方便性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]下面根據結合圖示的實施例的描述進一步闡明本發(fā)明。其中:
[0050]圖1以電路圖的形式示意性地示出了電力開關柜的實施例的構造，
[0051]圖2以框圖的形式示意性地示出了電力開關柜的另一個實施例的元件設置，
[0052]圖3以立體圖示出了具有斬波器的功率模塊的一個實施例，
[0053]圖4以立體圖示出了功率模塊的另一個實施例，
[0054]圖5以電路圖的形式示意性地示出了風能設備的開關柜裝置的實施例的構造，
[0055]圖6以立體圖示出了電力開關柜的另一個實施例，
[0056]圖7示出了開關柜裝置的各種不同的實施例，以及
[0057]圖8以示意圖示出了具有開關柜裝置的風能設備的實施例。
【具體實施方式】
[0058]圖1以電路圖的形式示意性地示出了電力開關柜I的實施例的構造。
[0059]正如電路圖所示，電力開關柜I在第一末端上具有機器端的接口 2和在第二末端上具有電源端的接口 4。在本實施例中，兩個接口 2、4敷設有三個用于提供三相電流的導體。接口 2、4可以以電纜或者AC母線、優(yōu)選銅母線來實現。通過機器端的接口 2可以并聯多個開關柜I并且可以與發(fā)電機68 (例如永磁同步發(fā)電機)導電相連。電力開關柜I通過電源端的接口 4導電地與電源(例如供電網)電氣相連。優(yōu)選至少兩個電力柜通過電源端的接口 4相并聯。對此也可以在電源和電源端的接口 2之間連接其他的元件，例如開關或者濾波器，特別是電源接線開關柜72。
[0060]在接口 2、4之間設置功率模塊6。該功率模塊具有一個機器端的變流器8、一個電源端的變流器10、一個直流電壓中間電路12和一個斬波器14。斬波器14由電子斷路器16和制動電阻18構成。電子斷路器16在這種情況下是IGBT。變流器8、10具有多個IGBT形式的電子斷路器8’、10’。然而也可以使用其他電子斷路器。通過兩個電容器20、22表示直流電壓中間電路12，這兩個電容器通常作為電容器組48由多個并聯的電容器構成。[0061]此外，電力開關柜I優(yōu)選具有兩個閘門24、26，這兩個閘門串聯接口 2、4。借助閘門24、26可以使整個的開關柜I作為統一體從電源和發(fā)電機68上分離。這特別是對維護和維修用途、安裝或在故障時是有利的。電源濾波扼流圈29用于從變流器和電源上斷聯。
[0062]為了避免特別是在發(fā)電機上的電壓梯度在機器端的變流器8和閘門24之間優(yōu)選設置dU/dt濾波器30。
[0063]電力開關柜I此外還具有離散控制單元32。該控制單元可以與電力開關柜I的任意元件進行通信，然而優(yōu)選與電力開關柜中的所有的執(zhí)行機構和傳感器(例如與變流器
8、10、斬波器14和/或閘門24、26)進行通信。電力開關柜I以這種方式大體上構成一個統一體，因此開關柜裝置64、96、98可以簡單地通過提供相應數量的電力開關柜I與發(fā)電機68的功率相適應。在這里離散控制單元經由一個、或者通常兩個光導體34與其他的控制單元相連接。然而，其他的借助于網絡電纜的傳輸技術或者無線的傳輸方法也是可以考慮的。離散控制單元32首先本身在電力開關柜內部實現了短的信號路徑，因此盡管存在強的電磁擾動場但是在這里進行簡單的電氣式連接也是可能的。通過提供離散控制單元32，在任何情況下所需要的到中央控制設備的電纜連接數量都降低至最少。
[0064]原則上，元件在電力開關柜I中的真實定位并不是通過電路圖的元件設置而固定的。然而如果元件大致上以與電路圖中相同的順序設置，則是有利的。
[0065]圖2以框圖的形式示意性地示出了電力開關柜36的另一個實施例的元件設置。首先在元件的緊湊設置方面，在具有單個元件的可簡單拆裝性和足夠以及有效的冷卻的可行性的同時通過大致上以這樣的順序將元件設置在一排是特別有利的，即，機器端的接口 2、可選擇的機器端的閘門24、dU/dt濾波器30、功率模塊6、電源濾波扼流圈39、可選擇的電源端的閘門26和電源端的接口 2。這種設置當然也可以以相反的順序進行。像所示出的、在電力開關柜36中的元件的垂直設置由于簡單的拆裝性和冷卻時的熱效應是優(yōu)選的。在這里自然對流可以有助于冷卻。離散控制單元32以及中間電路預充電單元可以在這種情況下在電力開關柜36中靈活地定位。冷卻設備38通常在多個在電力開關柜36中的元件上方延伸。然而在功率模塊6和電源濾波扼流圈39之間設有以空氣-水熱交換器形式的冷卻設備是有利的。優(yōu)選通過對流可以借助水和空氣冷卻單個元件。也可以有選擇地在電力開關柜36中設置電源濾波器40。
[0066]圖3以立體圖不出了具有斬波器14的功率模塊6的一個實施例。多個IGBT形式的電子斷路器42借助于適配器母線44連接在直流母線46上。電子斷路器42全部設置在直流母線46的一側上。在位于直流母線46對面的一側上設置有電容器組48。此外可以看出電容組48如何經由第一柵格(未示出)以及具有適配器母線44的電子斷路器42如何經由第二柵格52與直流母線46電氣相連。優(yōu)選使用矩形的適配器母線44，以在直流母線的平面以外定位斷路器或斬波器。斷路器的這種設置確保對斷路器或斬波器更好地進行冷卻。
[0067]此外，在直流母線46上也連接有斬波器14。斬波器14用于保護電容器組48以及電子斷路器42以免發(fā)生過電壓。電子斷路器42與額外設置在直流母線46上的斬波器14的結合允許斬波器14直接連接在電容器組48上。因此取消直流母線46和斬波器14之間的電纜連接。因為中間電路電壓通常超過1000V，所以這在安全技術方面以及在功率模塊6的電磁兼容性方面都是有利的。此外還減小了占用面積。[0068]圖3中的功率模塊6還具有帶有冷卻劑接口 56的冷卻器54。通過在電子斷路器42之間設置冷卻器54可以使用僅有的冷卻器54有效地冷卻電子斷路器并且可以緊湊地設置電子斷路器。
[0069]圖4以立體圖示出了功率模塊6的另一個實施例。電子斷路器42組裝在三個結構組合件58、60、62中并且設置在直流母線46上。每一個結構組合件都具有一個冷卻器，優(yōu)選水冷器。在位于對面的一側上又設置有電容器組48。如果結構組合件58、62具有變流器8、10的電子斷路器8’、10’，而中間的結構組合件60具有斬波器14的一個或多個電子斷路器以及可選擇地具有電阻18，則是特別優(yōu)選的?？梢院苋菀椎目闯?，例如如果單個的結構組合件58、60、62發(fā)生故障，可以以簡單的方式更換該結構組合件。此外非常簡單地通過加入或移除其他的組合件58、60、62實現了可伸縮性。
[0070]圖5以電路圖的形式示意性地示出了開關柜裝置64的實施例的構造。該開關柜裝置具有圖1中的電力開關柜I和兩個另外的、優(yōu)選的、結構相同的電力開關柜I’、1’’。電力開關柜是并聯的。電力開關柜在開關柜裝置64中具有不同的設計也是可以考慮的，以在必要時實現更好的功率匹配。僅設置兩個或設置多于三個電力開關柜自然也是可以考慮的。通過轉子66發(fā)動永磁同步發(fā)電機68。該同步發(fā)電機通過可以選擇地設置在發(fā)電機接線箱(未示出)中的發(fā)電機斷路器70與電力開關柜1、I’、I’ ’導電地相連接。
[0071 ] 電力開關柜1、I’、I’ ’在電源端上與電源接線開關柜72電氣式相連。該電源接線開關柜具有一個中央控制單元74、一個電源開關76、一個電源濾波器78和一個輔助電源電壓80。電源濾波器78以這種方式串聯所有電力開關柜1、I’、I’ ’并且不需要單獨地應用在每個電力開關柜中。然而將電源濾波器78設置在電力開關柜中也是可能的。為了簡單而快速地從電源上斷開電力開關柜1、1’、1’’，電源開關76例如也可以是電子斷路器?？梢院苋菀卓闯?，除了導電地連接電源端的接口 26、26’、26’’與電源接線開關柜72以夕卜，僅還需要連接離散控制單元32、32’、32’’與中央控制單元74以及連接輔助電源電壓單元80與電力開關柜1、I’、I’ ’。以這種方式實現了開關柜裝置64的低的安裝費用以及最佳的可伸縮性。中央控制單元72在本實施例中經由數據連接84與風能設備控制器82相連接。風能設備控制器82可以例如通過發(fā)電機68或轉子66提供數據或者影響數據或者預先規(guī)定功率額定值或電流額定值。作為數據連接84可以設置各種不同的端口和數據總線，例如以太網、CANOpen或者其他數字或模擬輸入端和輸出端。
[0072]圖6以立體圖示出了電力開關柜86的另一個實施例。電力開關柜86具有AC母線作為電源端的接口和機器端的接口 2、4。這些接口是為三相交流電而敷設的。電源端的接口 4的AC母線水平重疊地設置，而機器端的接口 2的AC母線相繼地垂直設置。然而，其他的設置同樣也是可以的。閘門26設置在電源端的接口 4的區(qū)域中。
[0073]電源濾波扼流圈39集成在電力開關柜86中的電源端的接口 4的上面。在電源濾波扼流圈的上面裝配了一個冷卻設備38，該冷卻設備具有空氣-水熱交換器88和通風器90。電源濾波扼流圈39可以特別是通過水冷循環(huán)92進行冷卻。
[0074]圖4中的功率模塊6設置在通風器90的上面。然而也可以在這里設置功率模塊的其他的實施形式。通過這樣的設置特別是可以通過通風器90有效地冷卻功率模塊6的電容器組48。結構組合件58、60、62在這種情況下通過水冷循環(huán)92進行冷卻或者也可有選擇地在開始運轉之前進行加熱，以使結構組合件達到工作溫度。
[0075]dU/dt濾波器30設置在功率模塊6的上面，該濾波器同樣通過冷卻設備38進行冷卻。
[0076]最后，機器端的接口 2以AC母線的形式設置在dU/dt濾波器30的上面。
[0077]可以容易看出，框架94中的電力開關柜86中的單個元件如何大致上垂直設置設置成一排。大體上呈水平狀的設置或者以相反順序進行設置當然也是可以的。通過這種以給出的大致上符合能通量的方向的順序所進行的設置可以非常緊湊并且容易拆裝地設置電力開關柜86中的元件，而同時可以對它們進行足夠地冷卻。
[0078]圖7示出了根據本發(fā)明的開關柜裝置96、98的各種不同的實施方式。開關柜裝置96從上面顯示出三個開關柜100、102、104。在這種情況下開關柜100、102背對背地設置，而開關柜104從側面橫向于開關柜100、102地設置。尤其開關柜100、102、104是電力開關柜，其中優(yōu)選開關柜100、102、104的其一還是電源接線開關柜。這種設置是特別有利的，僅必須在電力開關柜100和102中為各個額定電流敷設AC母線。僅在電源接線開關柜104中將AC母線聚集以連接到電源上，從而在這種開關柜中僅必須敷設用于兩個開關柜100和102的額定電流總和的AC母線。由此可以節(jié)省銅制連接件的成本。
[0079]開關柜裝置98從上面顯示出四個開關柜100、102、104、106。開關柜100、106和102、104分別從側面并排設置，而開關柜100、102和106、104分別背對背地設置。尤其開關柜100、102、104、106是電力開關柜，其中優(yōu)選開關柜100、102、104、106的其一還是電源接線開關柜。
[0080]開關柜的其他的幾何形狀的設置當然也是可以的，特別是側面地設置在一排或者重疊地設置或者少于三個或者大于四個開關柜的設置都是可以的。
[0081]可以明顯地看出，通過開關柜裝置96、98實現了節(jié)省位置的設置，其中通過前端100’、102’、104’、106’可以同時對每個開關柜的元件進行簡單的接入。必須為相應的裝置這樣簡單地設置電源端的接口和機器端的接口 2、4，S卩，實現相應的設置。
[0082]圖8以示意圖示出了具有根據本發(fā)明的開關柜裝置110的風能設備108。例如可以像開關柜裝置64、96或98那樣形成該開關柜裝置。開關柜裝置110裝配在風能設備108的底座上的外殼112中。然而，開關柜裝置110也可以設置高塔114的內部或者發(fā)電機68的附近，即，例如風能設備108的吊艙116中。由于風能設備中的可用空間少(特別是在吊艙116中和高塔114中)以及需要使風能設備108與不同的功率范圍相匹配，所以根據本發(fā)明的開關柜裝置110用于風能設備108是特別有利的。
【權利要求】
1.一種用于制造電能的設備的開關柜裝置，其中，所述開關柜裝置(64、96、98)具有至少兩個獨立的電力開關柜(1、1’、1’’、36、86)，其特征在于，所述電力開關柜(1、1’、1’’、36、86)分別具有 -一個在機器端上的接口(2)、 -一個功率模塊(6)、 -一個電源端上的接口(4)和 -一個離散控制單元(32、32’、32’ ’)， 其中，所述功率模塊(6)具有 -一個在機器端上的變流器(8)、 -一個電源端上的變流器(10)、 -一個直流電壓中間電路(12 )和 -一個斬波器(14), 其中，若干個所述電力開關柜(1、I’、I’ ’、36、86)通過所述電源端上的接口(2)和可選地通過機器端上的接口(4)電氣式地相互并聯在一起。
2.根據權利要求1所述的開關柜裝置，其特征在于，替代性地將所述電力開關柜(1、I’、1’’、36、86)分別單獨地經由相應的、一個或多個變壓器的次級線圈連接在電源上。
3.根據權利要求1或2 所述的開關柜裝置，其特征在于，所述功率模塊(6)具有層狀的直流母線(46)，所述直流母線在第一側面上具有斷路器和斬波器(8’、10’、12、42、58、60、62)，在第二側面上具有直流電壓中間電路(20、22、48)的電容器。
4.根據權利要求1至3的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，所述電力開關柜(1、1，、1，，、36、86)分別具有一個 dU/dt 濾波器(30、30，、30’’)。
5.根據權利要求1至4的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，所述電力開關柜(1、I’、I’ ’、36、86)在電源端上具有一個電源濾波扼流圈。
6.根據權利要求1至5的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，所述電力開關柜(1、I’、I’ ’、36、86)具有分別串聯在電源端的接口(4)上和/或機器端的接口(2)上的用于電氣式分離電力開關柜(24、26、26’、26’ ’ )的裝置。
7.根據權利要求1至6的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，所述電力開關柜(1、I，、I，，、36、86)分別具有一個冷卻設備(38),特別是熱交換器(88)。
8.根據權利要求1至7的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，所述電力開關柜(1、1，、1，，、36、86)相對于周圍空氣密封地隔絕。
9.根據權利要求1至8的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，借助于AC母線電氣式并聯若干個所述電力開關柜(1、1’、1’’、36、86)。
10.根據權利要求1至9的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，將若干個所述電力開關柜(1、I’、I’ ’、36、86)從側面設置成一排和/或背對背地設置。
11.根據權利要求1至10的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，所述開關柜裝置(64、96、98)具有獨立的電源接線開關柜(72)，所述電源接線開關柜具有中央控制單元(74)。
12.根據權利要求11所述的開關柜裝置，其特征在于，所述電源接線開關柜(72)具有至少一個電源濾波器(78)。
13.根據權利要求11或12所述的開關柜裝置，其特征在于，所述電源接線開關柜(72)具有一個輔助電源電壓(80)和/或一個電源開關(76)。
14.根據權利要求1至13的任意一項所述的開關柜裝置，其特征在于，設有中央控制單元(74)和離散控制單元(32、32’、32’’)，它們能夠經由光導體(34)彼此連接在一起。
15.用于制造電能的設備，其特征在于，所述設備具有根據權利要求1至13的任意一項所述的開關柜裝置(64、96、98)。
16.根據權利要求15所述的用于制造電能的設備，其特征在于，所述設備形成為具有發(fā)電機(68)的風能設 備(108)，特別是形成為海上風力發(fā)電場的風能設備。
【文檔編號】F03D9/00GK103460826SQ201280017494
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年4月4日 優(yōu)先權日:2011年4月4日
【發(fā)明者】馬庫斯·艾希勒, 漢斯-格奧爾格·諾瓦克, 瑪麗安娜·希特帕斯 申請人:伍德沃德肯彭有限公司