用于制造电能的设备的开关柜装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于制造电能的设备的开关柜装置，其中，该开关柜装置具有至少两个独立的电力开关柜。根据本发明通过使电力开关柜分别具有一个在机器端上的接口、一个功率模块、一个电源端上的接口和一个离散控制单元，其中该功率模块具有一个在机器端上的变流器、一个电源端上的变流器、一个直流电压中间电路和一个斩波器，其中，电力开关柜通过机器端上的接口和电源端上的接口电气式地相互并联在一起，由此实现了技术性目的，即，在尽管占用面积小但是可以简单安装和维护电力开关柜的同时实现用于制造电能的设备的最佳的可伸缩性。
【专利说明】用于制造电能的设备的开关柜装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造电能的设备的开关柜装置，其中，该开关柜装置具有至少两个独立的电力开关柜。
【背景技术】
[0002]由现有技术已知需要设置在电力开关柜中的、特别是用于制造电能的设备的电子元件，例如变流器或滤波器。风能设备通常配有双馈异步电动机，因为以这种方式仅必须有部分功率通过设备的变流器进行传送。然而在转速低于发电机的同步转速时设备效率降低。因此具有全功率变流器的同步发电机越来越多地得到应用。然而在这些系统中通过变流器引导所有提供给电源的功率，因此必须对这些系统进行相应地度量以及可以缩放地进行布置。此外由于所需要的较大功率例如在开关柜具有紧凑结构的同时还对冷却设备提出额外地要求。
[0003]文献EP1903848B1描述了一种模块化变频器以及用于容纳功率电子元件的布线柜，在该变频器中功率电子元件具有轮子。为了将功率电子元件与变频器的其余部分相连接，需要昂贵的插座连接装置。
[0004]文献US7，545，052B2描述了一种方法，该方法应该改善风能设备中的发电设备中的变流器模块的效率和可靠性。对此该风能设备具有多个变流器模块，也称为转换器模块，该转换器模块不仅可以并联在发电机端也可以并联在电源端，其中转换器模块可以取决于一个参数而彼此之间独立地进行断开或接通。为了避免过热，例如应该交替地运行转换器模块或者相应地接通和断开通过发电机所产生的功率。该转换器模块在接通或断开时经过多个特定的、由中央CPU控制的开关状态。这样做的结果是在中央CPU和转换器模块之间花费高成本来敷设电缆。此外在故障时必须更换全部的模块。
[0005]文献US7，859，838B2涉及一种用于在开关柜中放置变流器或变频器的装置。对此该开关柜的框架应该进行模块化构造，从而在将开关柜带入到使用地之前，可以将变频器的元件安装在开关柜框架模块中。然而在这种情况下是不利的，变频器的单个元件分配到不同的柜上，这需要额外复杂的布线。在工厂里进行安装之后，仅以高的花费才可能在现场实现之后的可伸缩性。此外，单个的框架模块需要相对多的位置。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的技术性目的在于，在尽管占用面积小但是可以简单安装和维护电力开关柜的同时实现用于制造电能的设备的最佳的可伸缩性。
[0007]根据本发明由此实现了该技术性目的，S卩，电力开关柜分别具有一个在机器端上的接口、一个功率模块、一个电源端上的接口和一个离散控制单元，其中功率模块具有一个在机器端上的变流器、一个电源端上的变流器、一个直流电压中间电路和一个斩波器，其中，电力开关柜通过电源端上的接口和可选地通过机器端上的接口电气式地相互并联在一起。机器端上的接口可以电气式地相互并联在一起然后和机器的绕组相连接。在使用具有分开的绕组的机器时可以考虑使机器端上的接口电气式地分别地与各个绕组相连接。
[0008]这些元件在各个电力开关柜中的设置及其共同作用使用于制造电能的设备达到最佳的可伸缩性。因为提供有大体上独立的电力开关柜，借助该电力开关柜可以以最简单的方式通过调整电力开关柜的数量对功率进行缩放。
[0009]基于设置在电力开关柜中的机器端的接口和电源端的接口以及除了电源端上和机器端上的变流器以外还具有用于短接各个中间电路的斩波器的功率模块可以这样设置元件，即，在单个元件之间仅形成最小的连接路径。这种短的连接路径一方面引起高的功率密度，从而导致非常紧凑的设置，另一方面由此节省了成本。此外，对电力开关柜中的元件的选择实现了最佳的能通量，因为除了机器端的接口和电源端的接口以外不需要横向连接到其他电力开关柜上，这种横向连接会导致电缆线路的复杂交叉连接。
[0010]首先离散控制单元的设置在电力开关柜的安装以及可缩放性方面实现了对灵活性的最优化。不需要单独操纵电力开关柜的单个元件，而是可以在内部由离散控制单元操纵所有元件。优选可以使离散控制单元与所有相关的执行元件(即电力开关柜的所有执行机构和传感器)进行通信，特别是和功率模块进行通信。也可以读取或监控用于监控的温度传感器或湿度传感器。由于信号路径短，离散控制单元允许使用简单的电气式数据连接，例如连接到IGBT的驱动器和其他的传感器和执行机构。在信号路径长时，由于强的电磁干扰信号仅可以使用光导体。这导致光信号通常必须转变成电信号。由此明显简化了与设置在电力开关柜中的元件的通信。离散控制单元可以通过简单的数据连接线与中央控制单元相连。由此使所需连接线和敷设电缆的数量降至最低。优选这样形成离散控制单元，即，该离散控制单元可以经由通过光导体的连接线例如与中央控制单元进行通信。然后离散控制单元可以例如与其他的系统(例如其他的控制单元)进行通信。在这种情况下，可以将离散控制单元设置成星形、环状、串联和/或网络布局。
[0011]至少两个电力开关柜的机器端的接口优选通过其他的、像开关或者具有开关和/或防护元件的发电机接线箱这样的元件连接到电机(例如发电机或发动机)上。在这种情况下至少两个电力开关柜并联。机器端的接口优选形成为联接母线，然而其他的连接(例如电缆连接)也是可以的。联接母线在机械结构上具有坚固性并且以简单的方式提供所需的横断面，以传输高的功率。此外，联接母线还允许在两个联接母线之间的简单的、同样具有大的横断面的连接线。电源端上也可以使用用于并联电力开关柜的联接母线。
[0012]功率模块的机器端的和电源端的变流器优选具有电子断路器，以将交流电转变成直流电或者反之。该电子断路器可以是例如二极管、晶体管、集成门极换流晶闸管(IGCT)或者优选绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。后者在具有超过平均水平的坚固性和紧凑的构造的情况下可以几乎不消耗功率进行运行。特别是这样形成该电子断路器，即，该电子断路器可以单独地或者以多个电子断路器作为模块装配在功率模块中或上。
[0013]优选通过构成直流电压中间电路的电容器实现了在共同的直流电压的层面上的、两个通过变流器电气式连接的电力网的能量耦合。
[0014]斩波器的设置可以借助于电子断路器使电能通过所谓的制动电阻转化成热能并且散发出去。作为电子断路器又特别涉及到IGBT，然而其他的电子断路器也是可能的。在每个电力开关柜中设置斩波器是特别有利的，因为从而可以在每个直流电压中间电路中散发能量。因此该斩波器可以与单个的开关柜的各个功率相匹配。此外在扩展设备时省略了对斩波器的新的参数选择，不像在并联的直流电压中间电路中所需要的参数选择。此外，由于限定通过斩波器所散发的能量也省略了安全措施。原则上可以例如通过电缆连接任意地在电力开关柜中定位斩波器。如果斩波器设置在具有直流电压中间电路的电容器的直流母线上的电源端上的和机器端上的变流器之间，当然是特别有利的。由此实现了在直流电压中间电路上的短的、对称的和直接的连接，这对电力开关柜的紧凑性起到了有利的作用并且实现了电容器的均匀分布的热负荷。此外，也可以将电子断路器和斩波器的电阻作为共同的单元来装配，或者如果电阻的结构不允许这样做，也可以使电阻在空间上与断路器分开地进行装配。
[0015]在使用直流母线时可以简单地通过两个导体面和位于其中的绝缘体实现具有非常低的感应率的直流电压中间电路。这引起功率模块的特别紧凑的结构。对于三电平变流器可以在直流母线中相应地设置第三个直流导体面，从而可以在没有改变电力开关柜的机械构造的情况下提供用于低电压运转和用于中电压运转的开关柜装置。
[0016]具有电源端的变流器、直流电压中间电路、斩波器和机器端的变流器的功率模块经由两个变流器(优选经由铜母线)与开关柜的电源端和/或机器端的接口相连。然而在功率模块和电源端的接口以及机器端的接口之间也可以有其他的元件，这些元件同样经由铜母线连接在功率模块上。铜母线实现了损失特别少的电气连接。当然也可以设有损失相应少地形成的电缆连接。
[0017]由此实现了电力开关柜元件的尽可能的模块化的构造，从而可以对单个故障元件进行更换，而不需要额外的辅助工具。
[0018]电力开关柜通常优选敷设直至I丽的功率，其中，可以使用直至IkV的低电压和直至30kV的中等电压。但是每个电力开关柜使用更大的功率自然也可以。电力开关柜的功率缩放例如一方面可以通过调整电子断路器的类型和/或数量来进行和/或另一方面可以特别简单地通过设置不同数量的根据本发明的电力开关柜。
[0019]如果在电力开关柜中的元件设置大体上与能通量的方向相一致，则是特别有利的。优选使元件大体上设置在一排上。在这种情况下，元件的顺序是:机器端的接口、机器端的变流器、具有斩波器的直流电压中间电路、电源端的变流器和电源端的接口。由于易拆装性和热效应，特别优选大体上垂直设置元件，其中，可以根据所述顺序从上向下地设置元件，也可以从下向上地进行设置。
[0020]总体上可以通过根据本发明的开关柜装置在具有非常好的可伸缩性的情况下实现成本节约的、紧凑的结构，该结构具有元件之间的最小的连接路径并且由此具有最佳的能通量和高的功率密度。
[0021]代替在电源端上并联电力开关柜，根据开关柜装置的第一个替代性设计可以将电力开关柜分别单独地经由相应的、一个或多个变压器的次级线圈连接在电源上。在这里可以使用各具有一个初级线圈和一个次级线圈的变压器或者也可以使用各具有一个初级线圈和多个次级线圈的变压器。这样避免了在多个机器端上和电源端上并联的电力开关柜之间形成环形电流。
[0022]依据根据本发明的开关柜装置的另一个设计，功率模块具有层状的直流母线，该直流母线在第一侧面上具有断路器和斩波器，在第二侧面上具有直流电压中间电路的电容器。[0023]通过该直流母线以及将断路器和斩波器连接在直流母线的一侧上和将直流电压中间电路的电容器连接在另一侧上可以实现功率模块的节省位置的设置，该功率模块相应地具有高的功率密度。由此还实现了对电子断路器的简单接入以及从而实现简单的安装和简单维修。
[0024]电容器可以特别是经由第一栅格的接线元件导电地与直流母线相连，而至少一个电子断路器经由第二栅格的接线元件导电地与直流母线相连。
[0025]直流母线的第二栅格实现了一个或多个电子断路器在直流母线上的各种接线，从而提供了电路布线的简单的可伸缩性。接线元件优选由直流母线的电连接极的各个金属板中的通路孔构成，从而单个的电容器和电子断路器可以导电地与直流母线相连。第一栅格和第二栅格可以形成为相同的或不同的。由此进一步减小占用面积同时简化可伸缩能力。优选设置多个并联的电容器、优选电容器组，其中单个电容器经由设置在第一栅格中的接线元件与直流母线导电地相连。直流母线的第一栅格实现了电容器的特别紧凑的设置，因为栅格例如可以根据电容器的尺寸和占用空间来调整。
[0026]优选这样形成设置在第二栅格中的、直流母线的接线元件，S卩，将多个电子断路器以轴对称的设置方式与直流母线导电地相连。对于设置在第二栅格中的接线元件这意味着，电接线极实现了例如经180度旋转的电子断路器的接触。电子断路器的这种轴对称的设置实现了电路布线的对称结构并且就这点而言进一步减小功率模块和整个电力开关柜的空间占用。
[0027]通过设置适配器母线可以使用不同制造商和/或不同类型的电子断路器，该适配器母线在连接边上与电力断路器相匹配并且在另一边上与第二栅格相匹配。
[0028]当然也可以在电力开关柜的内部设置多个彼此电气式相连的直流母线，以在电力开关柜内部实现可伸缩性。这可以经由短的铜母线、电缆或者其他的母线从侧面地连接成一排或者背对背地相连。
[0029]斩波器或者可以直接与直流母线电气式相连或者可以经由特定的适配器母线连接在直流母线上。当斩波器直接与直流母线相连时，一方面节省了适配器母线的成本。然而也可以对此使用适配器母线，以使斩波器专用地设置在电路布线的合适位置上，而不需要改变直流母线。
[0030]通过将斩波器直接连接在直流母线上实现了非常小的杂散电感以及电流均匀地通过直流母线分布和连接在直流母线上的电容器的均匀分布。由此达到了均匀的热分布，这又实现了紧凑的以及更容易得到冷却的电力开关柜。优选将斩波器设置在直流母线的一侧上的电源端的变流器的电力开关柜和机器端的变流器的电力开关柜之间。
[0031]依据根据本发明的开关柜装置的另一个设计，电力开关柜分别具有一个dU/dt滤波器。该滤波器实现了对电压增长速率的限定。该dU/dt滤波器特别是串联机器端的接口，即设置在机器端的变流器和机器端的接口之间，并且保护机器以免电压改变过快。通过使电力开关柜具有dU/dt滤波器，可以避免还有其他的电缆从电力开关柜伸出。特别是dU/dt滤波器具有扼流圈和可选择具有RC电路。dU/dt滤波器可以通过母线(例如铜母线、电缆或者绞合线)接通。由此保留了元件的模块性并且可以简化维护工作。用于监控dU/dt滤波器的温度的传感器可以选择性地与离散控制单元进行通信。
[0032]优选电力开关柜在电源端上具有电源滤波扼流圈。该电源滤波扼流圈用于从电源上断联，因此可以使对电源的反作用(例如谐波电流)降至最低。该电源滤波扼流圈同样可以通过母线(例如铜母线、电缆或者绞合线)接通。由此保留了元件的模块性并且可以简化维护工作。特别是通过绞合线接头可以灵活地连接在一个变流器上，这可以快速进行装配或者使用不同制造商的电源滤波扼流圈。用于监控电源滤波扼流圈的温度的传感器也可以与离散控制单元进行通信。在元件设置在一排时，优选将电源滤波扼流圈设置在电源端的接口和功率模块之间或者，如果有冷却设备则设置在电源端的接口和冷却设备之间。由于热效应，为了有效地进行冷却大致上垂直地进行设置是特别优选的，其中将电源滤波扼流圈设置在功率模块或者冷却设备的下面。
[0033]此外，如果电力开关柜具有分别串联在电源端的接口上和/或机器端的接口上的(即，设置在电源端的变流器或机器端的变流器和电源端的接口或机器端的接口之间)用于电气式分离电力开关柜的分离器(例如像闸门、IGBTs或者IGBCs或者机械开关这样的电气式分离器)，则是有利的。这进一步简化了维修工作，因为可以以这种方式在电源端上和/或机器端上将单个的电力开关柜从电源上分离。该闸门可以例如经由短的铜接线与各个接口电气式相连。如果一个开关柜装置例如至少部分地具有冗余的电力开关柜，即使在工作时也可以断开或接通该电力开关柜。因此可以快速而简单地维修或更换故障元件。此外，例如如果发电机提供不同的功率并且在较小的功率时可以断开电力开关柜，则提高了效率。此夕卜，在其中一个电力开关柜中发生故障时，该电力开关柜可以电气式地与其他的电力开关柜分离。因此整个系统可以以减小的电容继续工作并且向电网供电。这对海上风能设备特别重要，因为这些海上风能设备仅在满足艰难的前提条件下才能实现。
[0034]依据根据本发明的开关柜装置的另一个设计，电力开关柜分别具有一个冷却设备，特别是热交换器。可以通过空气冷却(例如借助于通风器)进行冷却，也可以通过热交换器进行冷却。该热交换器优选使用冷却剂，特别是水。也可以有利地使用水-乙二醇-混合物作为冷却剂，但是也可以考虑其他任意的液体冷却介质。但是优选同时使用两种方法，从而可以得到相应紧凑的结构。例如允许进行水冷的元件(这些元件通常是逆变器的和斩波器的电子断路器、dU/dt滤波器和电源滤波扼流圈)连接在水冷循环系统上。对于其他的元件(例如中间电路电容器)进行空气冷却是有利的。
[0035]优选根据另一个设计将电力开关柜相对于周围空气密封地隔绝。优选在这种情况下使用热交换器，特别是空气-水-热交换器，该热交换器将零件的余热输送给水冷循环系统，从而不需要供应冷却的外界空气。通过使用热交换器，在没有供风的情况下也确保了在电力开关柜中的元件的足够的冷却。电力开关柜的冷却循环系统可以相互联接地或者彼此独立地进行工作。由于单个元件的放热不同，如果单个的元件大体上进行垂直设置，则特别有利。在这种情况下，产生的热量可以通过自然对流输送走。冷却设备优选设置在功率模块的下面，从而可以有助于自然对流。在使用水-空气-热交换器的情况下实现了最佳的冷却空气循环，该冷却空气循环冷却功率模块，特别是设置在直流母线上的电容器。
[0036]在电力开关柜的内部进行冷却尤其可以提高元件在气候不利区域中的寿命，因为实现了电力开关柜的密封结构以及避免了外界的潮湿的、含盐的或脏的空气对元件的污染。优选对功率模块、特别是机器端的和电源端的变流器以及斩波器、电源滤波扼流圈和/或dU/dt滤波器进行水冷却。也可以有选择地对设置在电源端的和机器端的接口上的闸门进行空气冷却或水冷却。[0037]除此之外，可以在水冷却系统中设置有预热设备，从而在非常低的环境温度下一方面可以将功率模块(特别是电子断路器)预热到工作温度，另一方面可以避免工作之后在这些元件上的冷凝作用。
[0038]优选借助于AC母线并联这些电力开关柜。由此可以实现能够简单安装的同时稳定的、单个电力开关柜的并联电路。基于传导性能，AC母线优选由铜制成。在三相交流电的情况下必须提供至少三极汇流排。可以这样设置该AC母线，S卩，可以从侧面地、从背后地和/或向上地连接到其他的电力开关柜。电力开关柜的前侧优选用于简单的安装接入和维修接入。
[0039]然而，原则上也可以考虑使用电缆和/或绞合线连接电力开关柜。
[0040]依据根据本发明的开关柜装置的另一个设计将电力开关柜从侧面设置成一排和/或背对背地设置。以这种方式尽管达到了电力开关柜的紧凑设置也实现了简单的功率匹配。
[0041]依据根据本发明的开关柜装置的有利设计，开关柜装置具有电源接线开关柜，该电源接线开关柜具有中央控制单元。通过中央控制单元可以控制电力开关柜的离散控制单元。如果在离散控制单元和中央控制单元之间建立起连接，则可以通过该连接以简单的方式作用于电力开关柜的每个元件。例如如果开关柜装置需要扩充另一个电力开关柜，则仅需电气式连接电源端的和机器端的接口并且连接离散控制单元以及辅助电源电压。因此所需的连接和布线的数量减少到最小。在这种情况下不需要将离散控制单元设置成星形、环状、串联和/或网络布局。此外，使用单独的电源接线开关柜改善了开关柜装置的可伸缩性，因为这种单独的电源接线开关柜在功率调整时可以更换或从电力开关柜上分离下来进行调整。
[0042]然而，也可以这样设置中央控制单元，S卩，该中央控制单元也可以与其他的系统进行通信。因此可以设置各种不同的端口和数据总线，例如以太网、CANOpen或者其他数字或模拟输入端和输出端，以致于例如也可以顾及到并且影响发电机的数据或者转子的数据。
[0043]此外，电源接线柜还用于连接电力开关柜和电源。
[0044]优选电源接线开关柜具有一个或多个电源滤波器。该电源滤波器用于限定电力网中以及来自电力网的电干扰。这样的电源滤波器可以由电感器、电容器和/或电阻构成。通过将电源滤波器设置在电源接线开关柜中，由此使该电源接线开关柜串联所有的电力开关柜并且仅需设置唯一的滤波器。然而将电源滤波器分别集成到电力开关柜中原则上也是可以的。
[0045]电源接线开关柜优选具有一个辅助电源电压和/或一个电源开关。该辅助电源电压由电源端上的交流电优选产生单相230V交流电压。然而任意的直流和/或交流电压都是可以的。从外部输送辅助电压也是可以的，以使在这种情况下在电源接线柜中的辅助电源电压仅用作电力开关柜的分配节点。这样可以以简单的方式为所有的电力开关柜提供辅助电源电压。通过一个或多个电源开关可以以简单的方式将电力开关柜从电源上分离。
[0046]优选这样形成中央控制单元和离散控制单元，即，中央控制单元和离散控制单元能够经由光导体相互连接在一起。以这种方式减少所需的电缆连接，这额外地简化了安装和可伸缩性。在使用光导体时避免了由于可能的高频干扰脉冲而出现的信号干扰。
[0047]特别是通过用于制造电能的、具有根据本发明的开关柜装置的设备实现了以上所述的目的。如上所述，通过根据本发明的开关柜装置可以实现节约成本的、紧凑的、具有元件之间的最小的连接路径的构造，并且由此实现了具有最佳的能通量和高的功率密度的构造。
[0048]这特别适用于根据本发明的进一步设计的用于制造电能的设备，该设备形成为具有发电机的风能设备并且具有根据本发明的开关柜装置。正如开头所述，例如使用双馈异步电动机或者同步电动机作为发电机。因为风能设备根据大小或使用地的风力产生各种不同的功率，因此所使用的元件和特别是变流器必须能够相应地匹配该功率。这是以根据本发明的开关柜装置特别简单且成本低地来实现的。此外，通常对风能设备中的可用空间(例如风力发电设备塔的内部中)进行了限定，因此电力开关柜的紧凑结构以及从而整个的开关柜装置的紧凑结构是有利的。特别是在使用具有全功率变流器的同步发电机时，通过变流器引导全部的电功率，因此在具有最佳的冷却状态的同时紧凑和能够伸缩的结构是有利的。例如电力开关柜的背对背设置实现了最小的所需空间，而没有降低可使用性和维修方便性。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]下面根据结合图示的实施例的描述进一步阐明本发明。其中:
[0050]图1以电路图的形式示意性地示出了电力开关柜的实施例的构造，
[0051]图2以框图的形式示意性地示出了电力开关柜的另一个实施例的元件设置，
[0052]图3以立体图示出了具有斩波器的功率模块的一个实施例，
[0053]图4以立体图示出了功率模块的另一个实施例，
[0054]图5以电路图的形式示意性地示出了风能设备的开关柜装置的实施例的构造，
[0055]图6以立体图示出了电力开关柜的另一个实施例，
[0056]图7示出了开关柜装置的各种不同的实施例，以及
[0057]图8以示意图示出了具有开关柜装置的风能设备的实施例。
【具体实施方式】
[0058]图1以电路图的形式示意性地示出了电力开关柜I的实施例的构造。
[0059]正如电路图所示，电力开关柜I在第一末端上具有机器端的接口 2和在第二末端上具有电源端的接口 4。在本实施例中，两个接口 2、4敷设有三个用于提供三相电流的导体。接口 2、4可以以电缆或者AC母线、优选铜母线来实现。通过机器端的接口 2可以并联多个开关柜I并且可以与发电机68 (例如永磁同步发电机)导电相连。电力开关柜I通过电源端的接口 4导电地与电源(例如供电网)电气相连。优选至少两个电力柜通过电源端的接口 4相并联。对此也可以在电源和电源端的接口 2之间连接其他的元件，例如开关或者滤波器，特别是电源接线开关柜72。
[0060]在接口 2、4之间设置功率模块6。该功率模块具有一个机器端的变流器8、一个电源端的变流器10、一个直流电压中间电路12和一个斩波器14。斩波器14由电子断路器16和制动电阻18构成。电子断路器16在这种情况下是IGBT。变流器8、10具有多个IGBT形式的电子断路器8’、10’。然而也可以使用其他电子断路器。通过两个电容器20、22表示直流电压中间电路12，这两个电容器通常作为电容器组48由多个并联的电容器构成。[0061]此外，电力开关柜I优选具有两个闸门24、26，这两个闸门串联接口 2、4。借助闸门24、26可以使整个的开关柜I作为统一体从电源和发电机68上分离。这特别是对维护和维修用途、安装或在故障时是有利的。电源滤波扼流圈29用于从变流器和电源上断联。
[0062]为了避免特别是在发电机上的电压梯度在机器端的变流器8和闸门24之间优选设置dU/dt滤波器30。
[0063]电力开关柜I此外还具有离散控制单元32。该控制单元可以与电力开关柜I的任意元件进行通信，然而优选与电力开关柜中的所有的执行机构和传感器(例如与变流器
8、10、斩波器14和/或闸门24、26)进行通信。电力开关柜I以这种方式大体上构成一个统一体，因此开关柜装置64、96、98可以简单地通过提供相应数量的电力开关柜I与发电机68的功率相适应。在这里离散控制单元经由一个、或者通常两个光导体34与其他的控制单元相连接。然而，其他的借助于网络电缆的传输技术或者无线的传输方法也是可以考虑的。离散控制单元32首先本身在电力开关柜内部实现了短的信号路径，因此尽管存在强的电磁扰动场但是在这里进行简单的电气式连接也是可能的。通过提供离散控制单元32，在任何情况下所需要的到中央控制设备的电缆连接数量都降低至最少。
[0064]原则上，元件在电力开关柜I中的真实定位并不是通过电路图的元件设置而固定的。然而如果元件大致上以与电路图中相同的顺序设置，则是有利的。
[0065]图2以框图的形式示意性地示出了电力开关柜36的另一个实施例的元件设置。首先在元件的紧凑设置方面，在具有单个元件的可简单拆装性和足够以及有效的冷却的可行性的同时通过大致上以这样的顺序将元件设置在一排是特别有利的，即，机器端的接口 2、可选择的机器端的闸门24、dU/dt滤波器30、功率模块6、电源滤波扼流圈39、可选择的电源端的闸门26和电源端的接口 2。这种设置当然也可以以相反的顺序进行。像所示出的、在电力开关柜36中的元件的垂直设置由于简单的拆装性和冷却时的热效应是优选的。在这里自然对流可以有助于冷却。离散控制单元32以及中间电路预充电单元可以在这种情况下在电力开关柜36中灵活地定位。冷却设备38通常在多个在电力开关柜36中的元件上方延伸。然而在功率模块6和电源滤波扼流圈39之间设有以空气-水热交换器形式的冷却设备是有利的。优选通过对流可以借助水和空气冷却单个元件。也可以有选择地在电力开关柜36中设置电源滤波器40。
[0066]图3以立体图不出了具有斩波器14的功率模块6的一个实施例。多个IGBT形式的电子断路器42借助于适配器母线44连接在直流母线46上。电子断路器42全部设置在直流母线46的一侧上。在位于直流母线46对面的一侧上设置有电容器组48。此外可以看出电容组48如何经由第一栅格(未示出)以及具有适配器母线44的电子断路器42如何经由第二栅格52与直流母线46电气相连。优选使用矩形的适配器母线44，以在直流母线的平面以外定位断路器或斩波器。断路器的这种设置确保对断路器或斩波器更好地进行冷却。
[0067]此外，在直流母线46上也连接有斩波器14。斩波器14用于保护电容器组48以及电子断路器42以免发生过电压。电子断路器42与额外设置在直流母线46上的斩波器14的结合允许斩波器14直接连接在电容器组48上。因此取消直流母线46和斩波器14之间的电缆连接。因为中间电路电压通常超过1000V，所以这在安全技术方面以及在功率模块6的电磁兼容性方面都是有利的。此外还减小了占用面积。[0068]图3中的功率模块6还具有带有冷却剂接口 56的冷却器54。通过在电子断路器42之间设置冷却器54可以使用仅有的冷却器54有效地冷却电子断路器并且可以紧凑地设置电子断路器。
[0069]图4以立体图示出了功率模块6的另一个实施例。电子断路器42组装在三个结构组合件58、60、62中并且设置在直流母线46上。每一个结构组合件都具有一个冷却器，优选水冷器。在位于对面的一侧上又设置有电容器组48。如果结构组合件58、62具有变流器8、10的电子断路器8’、10’，而中间的结构组合件60具有斩波器14的一个或多个电子断路器以及可选择地具有电阻18，则是特别优选的。可以很容易的看出，例如如果单个的结构组合件58、60、62发生故障，可以以简单的方式更换该结构组合件。此外非常简单地通过加入或移除其他的组合件58、60、62实现了可伸缩性。
[0070]图5以电路图的形式示意性地示出了开关柜装置64的实施例的构造。该开关柜装置具有图1中的电力开关柜I和两个另外的、优选的、结构相同的电力开关柜I’、1’’。电力开关柜是并联的。电力开关柜在开关柜装置64中具有不同的设计也是可以考虑的，以在必要时实现更好的功率匹配。仅设置两个或设置多于三个电力开关柜自然也是可以考虑的。通过转子66发动永磁同步发电机68。该同步发电机通过可以选择地设置在发电机接线箱(未示出)中的发电机断路器70与电力开关柜1、I’、I’ ’导电地相连接。
[0071 ] 电力开关柜1、I’、I’ ’在电源端上与电源接线开关柜72电气式相连。该电源接线开关柜具有一个中央控制单元74、一个电源开关76、一个电源滤波器78和一个辅助电源电压80。电源滤波器78以这种方式串联所有电力开关柜1、I’、I’ ’并且不需要单独地应用在每个电力开关柜中。然而将电源滤波器78设置在电力开关柜中也是可能的。为了简单而快速地从电源上断开电力开关柜1、1’、1’’，电源开关76例如也可以是电子断路器。可以很容易看出，除了导电地连接电源端的接口 26、26’、26’’与电源接线开关柜72以夕卜，仅还需要连接离散控制单元32、32’、32’’与中央控制单元74以及连接辅助电源电压单元80与电力开关柜1、I’、I’ ’。以这种方式实现了开关柜装置64的低的安装费用以及最佳的可伸缩性。中央控制单元72在本实施例中经由数据连接84与风能设备控制器82相连接。风能设备控制器82可以例如通过发电机68或转子66提供数据或者影响数据或者预先规定功率额定值或电流额定值。作为数据连接84可以设置各种不同的端口和数据总线，例如以太网、CANOpen或者其他数字或模拟输入端和输出端。
[0072]图6以立体图示出了电力开关柜86的另一个实施例。电力开关柜86具有AC母线作为电源端的接口和机器端的接口 2、4。这些接口是为三相交流电而敷设的。电源端的接口 4的AC母线水平重叠地设置，而机器端的接口 2的AC母线相继地垂直设置。然而，其他的设置同样也是可以的。闸门26设置在电源端的接口 4的区域中。
[0073]电源滤波扼流圈39集成在电力开关柜86中的电源端的接口 4的上面。在电源滤波扼流圈的上面装配了一个冷却设备38，该冷却设备具有空气-水热交换器88和通风器90。电源滤波扼流圈39可以特别是通过水冷循环92进行冷却。
[0074]图4中的功率模块6设置在通风器90的上面。然而也可以在这里设置功率模块的其他的实施形式。通过这样的设置特别是可以通过通风器90有效地冷却功率模块6的电容器组48。结构组合件58、60、62在这种情况下通过水冷循环92进行冷却或者也可有选择地在开始运转之前进行加热，以使结构组合件达到工作温度。
[0075]dU/dt滤波器30设置在功率模块6的上面，该滤波器同样通过冷却设备38进行冷却。
[0076]最后，机器端的接口 2以AC母线的形式设置在dU/dt滤波器30的上面。
[0077]可以容易看出，框架94中的电力开关柜86中的单个元件如何大致上垂直设置设置成一排。大体上呈水平状的设置或者以相反顺序进行设置当然也是可以的。通过这种以给出的大致上符合能通量的方向的顺序所进行的设置可以非常紧凑并且容易拆装地设置电力开关柜86中的元件，而同时可以对它们进行足够地冷却。
[0078]图7示出了根据本发明的开关柜装置96、98的各种不同的实施方式。开关柜装置96从上面显示出三个开关柜100、102、104。在这种情况下开关柜100、102背对背地设置，而开关柜104从侧面横向于开关柜100、102地设置。尤其开关柜100、102、104是电力开关柜，其中优选开关柜100、102、104的其一还是电源接线开关柜。这种设置是特别有利的，仅必须在电力开关柜100和102中为各个额定电流敷设AC母线。仅在电源接线开关柜104中将AC母线聚集以连接到电源上，从而在这种开关柜中仅必须敷设用于两个开关柜100和102的额定电流总和的AC母线。由此可以节省铜制连接件的成本。
[0079]开关柜装置98从上面显示出四个开关柜100、102、104、106。开关柜100、106和102、104分别从侧面并排设置，而开关柜100、102和106、104分别背对背地设置。尤其开关柜100、102、104、106是电力开关柜，其中优选开关柜100、102、104、106的其一还是电源接线开关柜。
[0080]开关柜的其他的几何形状的设置当然也是可以的，特别是侧面地设置在一排或者重叠地设置或者少于三个或者大于四个开关柜的设置都是可以的。
[0081]可以明显地看出，通过开关柜装置96、98实现了节省位置的设置，其中通过前端100’、102’、104’、106’可以同时对每个开关柜的元件进行简单的接入。必须为相应的装置这样简单地设置电源端的接口和机器端的接口 2、4，S卩，实现相应的设置。
[0082]图8以示意图示出了具有根据本发明的开关柜装置110的风能设备108。例如可以像开关柜装置64、96或98那样形成该开关柜装置。开关柜装置110装配在风能设备108的底座上的外壳112中。然而，开关柜装置110也可以设置高塔114的内部或者发电机68的附近，即，例如风能设备108的吊舱116中。由于风能设备中的可用空间少(特别是在吊舱116中和高塔114中)以及需要使风能设备108与不同的功率范围相匹配，所以根据本发明的开关柜装置110用于风能设备108是特别有利的。
【权利要求】
1.一种用于制造电能的设备的开关柜装置，其中，所述开关柜装置(64、96、98)具有至少两个独立的电力开关柜(1、1’、1’’、36、86)，其特征在于，所述电力开关柜(1、1’、1’’、36、86)分别具有 -一个在机器端上的接口(2)、 -一个功率模块(6)、 -一个电源端上的接口(4)和 -一个离散控制单元(32、32’、32’ ’)， 其中，所述功率模块(6)具有 -一个在机器端上的变流器(8)、 -一个电源端上的变流器(10)、 -一个直流电压中间电路(12 )和 -一个斩波器(14), 其中，若干个所述电力开关柜(1、I’、I’ ’、36、86)通过所述电源端上的接口(2)和可选地通过机器端上的接口(4)电气式地相互并联在一起。
2.根据权利要求1所述的开关柜装置，其特征在于，替代性地将所述电力开关柜(1、I’、1’’、36、86)分别单独地经由相应的、一个或多个变压器的次级线圈连接在电源上。
3.根据权利要求1或2 所述的开关柜装置，其特征在于，所述功率模块(6)具有层状的直流母线(46)，所述直流母线在第一侧面上具有断路器和斩波器(8’、10’、12、42、58、60、62)，在第二侧面上具有直流电压中间电路(20、22、48)的电容器。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，所述电力开关柜(1、1，、1，，、36、86)分别具有一个 dU/dt 滤波器(30、30，、30’’)。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，所述电力开关柜(1、I’、I’ ’、36、86)在电源端上具有一个电源滤波扼流圈。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，所述电力开关柜(1、I’、I’ ’、36、86)具有分别串联在电源端的接口(4)上和/或机器端的接口(2)上的用于电气式分离电力开关柜(24、26、26’、26’ ’ )的装置。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，所述电力开关柜(1、I，、I，，、36、86)分别具有一个冷却设备(38),特别是热交换器(88)。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，所述电力开关柜(1、1，、1，，、36、86)相对于周围空气密封地隔绝。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，借助于AC母线电气式并联若干个所述电力开关柜(1、1’、1’’、36、86)。
10.根据权利要求1至9的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，将若干个所述电力开关柜(1、I’、I’ ’、36、86)从侧面设置成一排和/或背对背地设置。
11.根据权利要求1至10的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，所述开关柜装置(64、96、98)具有独立的电源接线开关柜(72)，所述电源接线开关柜具有中央控制单元(74)。
12.根据权利要求11所述的开关柜装置，其特征在于，所述电源接线开关柜(72)具有至少一个电源滤波器(78)。
13.根据权利要求11或12所述的开关柜装置，其特征在于，所述电源接线开关柜(72)具有一个辅助电源电压(80)和/或一个电源开关(76)。
14.根据权利要求1至13的任意一项所述的开关柜装置，其特征在于，设有中央控制单元(74)和离散控制单元(32、32’、32’’)，它们能够经由光导体(34)彼此连接在一起。
15.用于制造电能的设备，其特征在于，所述设备具有根据权利要求1至13的任意一项所述的开关柜装置(64、96、98)。
16.根据权利要求15所述的用于制造电能的设备，其特征在于，所述设备形成为具有发电机(68)的风能设 备(108)，特别是形成为海上风力发电场的风能设备。
【文档编号】F03D9/00GK103460826SQ201280017494
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年4月4日 优先权日:2011年4月4日
【发明者】马库斯·艾希勒, 汉斯-格奥尔格·诺瓦克, 玛丽安娜·希特帕斯 申请人:伍德沃德肯彭有限公司