Således er det et formål med den foreliggende oppfinnelse å skape en kapasitiv komponent som overvinner de ovennevnte ulemper.

Transkript

1 1 Teknisk felt Oppfinnelsen relaterer seg til feltet kapasitive komponenter for elektriske kraftenheter, og spesielt en sammensatt kapasitans som benyttes som en DC-link kapasitans i en frekvensomformer for elektrisk kraft. 1 Tidligere kjent teknikk En frekvensomformer for elektrisk kraft omdanner en enkel eller trefaset vekselspenning til en vekselspenning med en annen frekvens og/eller fase-nummer. En moderne frekvensomformer, som avbildet i fig. 8, omfatter typisk en likeretter som konverterer vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC), en inverter konvertering av likestrøm (DC) til vekselstrøm (AC), så vel som en mellomkrets som forbinder likeretteren og vekselretteren. DC koblingen består av en kapasitiv komponent som fungerer som et energilager og filter for likespenningen. En konvensjonell kapasitiv komponent som brukes i en kraftfrekvensomformer eller annen kraftenhet som består av en eller flere kondensatorer som er montert direkte på et hovedkort til en kraftfrekvensomformer og har en tendens til å okkupere et stort område på hovedkortet. I tillegg, for en produsent av en rekke kraftenheter basert på kondensatorer fra et flertall forskjellige kondensatortyper er styring av forsyningskjede en viktig sak. Til slutt, kan det å erstatte en ødelagt kondensator på hovedkortet være tidkrevende og tungt. Således er det et formål med den foreliggende oppfinnelse å skape en kapasitiv komponent som overvinner de ovennevnte ulemper. US beskriver en enkelt type boksliknende kondensator modul med forbedret pakketetthet og igangsettingen av seriekoblede kondensatorceller, til å bli anordnet i kondensatorbatterier med et kjølelegeme montert på en endeflate av modulene som er plassert på utsiden av banken. Fleksible trykte kretser som er plassert på hvilken som helst overflate av modulen omfatter sammenkoblinger for overvåkningssignalene. De brettede kondensatorcellene er ikke fastmontert på støttekort, men klemt tett mellom to trykkplater i motsatte ender av de stablede cellene. US beskriver en kondensatorbank med ti basekondensatorer anordnet ved siden av hverandre i to parallelle rekker, kondensatorer på hver rad er elektrisk forbundet til en respektiv av to parallelle dielektriske kretskort (PCB). De to kretskortene er identiske og består av kobberkledning og dielektriske striper konfigurert og anordnet på nøyaktig samme måte. Følgelig kan de to modulene, som hver består av et kretskort og en rad med fem kondensatorer, ikke fysisk skilles fra hverandre.

2 2 Kort sammenfatning av oppfinnelsen 1 3 Ifølge den foreliggende oppfinnelsen blir en komposittkapasitans foreslått som omfatter en flerhet av fysisk skjelnbare kondensatormoduler som er elektrisk forbundet med hverandre. Hver av kondensatormodulene omfatter en rekke basiskondensatorer montert på og elektrisk koblet til et modulspesifikt kretskort (PCB), hvori hver basekondensator fra flerheten av moduler er av en eneste type. I sammenheng med den foreliggende oppfinnelsen, utviser fysiske kondensatormoduler distinkte mekaniske og/eller elektriske egenskaper. Det vil si at to kondensatormoduler ut av flerheten av fysisk skjelnbare kondensatormodulene har et forskjellig antall av basiskondensatorer. Eller PCB til de to modulene kan skilles fra hverandre i form, størrelse, tykkelse eller topografi. De skjelnbare modulene kan videre variere i intern kabling, trykte kretser, eller elektrisk sammenkobling av påmonterte basekondensatorer. Komponere en sammensatt kapasitans ut fra en enkelt type basekondensatorer som forenkler betydelig både produksjon og vedlikehold. Den romlige fleksibiliteten som er oppnådd ved bruk av en flerhet av elektrisk sammenkoblede modulkondensatoren er en fordel i de elektriske apparatene hvor det tilgjengelige volumet for den kapasitive komponenten inne i enheten kan være begrenset eller på annen måte begrenset i minst én retning. En geometrisk fleksibel ordning aktiveres av distinkte kondensatormoduler, inkludert muligheten for å arrangere dem i en vilkårlig vinkel til hverandre, og for å oppta perifere områder i kraftenheten som tradisjonelle kapasitive komponenter er ute av stand til å fylle, forbruker til slutt mindre plass inne i arbeidsenheten. Ifølge en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, er minst en av kondensatormodulene montert på og elektrisk forbundet med et støttekort med en sentral akse av alle dens sylindriske basekondensatorer som er anordnet hovedsakelig parallelt med overflaten av støttekortet. Ifølge en annen foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, er basekondensatorer av en modul anordnet på en side eller på begge sider av den modulspesifikke PCB en. Basekondensatorer er elektrisk forbundet gjennom trykte kretser på og inne i den modulspesifikke PCB en for å utgjøre den totale kapasitansen av kondensatormodulen. Ifølge en annen foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, omfatter modulene ytterligere komponenter, for eksempel spenningsdelende kretser, høyfrekvente kondensatorer, lading- og utladingskretser eller kondensatordiagnostiske kretser anordnet på den modulspesifikke PCB en. De ytterligere komponentene bidrar til en mer fullstendig funksjonalitet i den sammensatte kapasitansen, ved å forenkle en forbindelse

3 3 med andre moduler, som henholdsvis strekker ut en høy frekvensbåndbredde som detekterer utførelsen av modulen. Ifølge en annen foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, kan den modulspesifikke PCB en omfatte hull som tillater kjøleluften å passere gjennom og etablere en strøm av kjøleluft i en retning parallelt med den sentrale akse av basekondensatorene. Hullene er tilgjengelig i et område som overlapper med det åpne området mellom basekondensatorene hvor kretskortet er synlig når man ser på modulen i den nevnte retningen. Den foreliggende oppfinnelsen angår også en bruk av den ovenfor nevnte sammensatte kapasitansen som en DC-link kapasitans i en lavspennings- eller mediumspenning kraftfrekvensomformer med begrenset plass. Kort beskrivelse av tegningene Fig. 1 viser en sammensatt kapasitans i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 2, 3 og 4 skildrer tre kondensatormoduler for en sammensatt kapasitans; 1 Fig. og 6 viser to skjematiske tverrsnitt av en kondensatormodul; Fig. 7 skildrer fem kondensatormoduler basert på fem ulike typer basekondensatorer; Fig. 8 viser et skjematisk diagram av en tidligere kjent kraftfrekvensomformer. Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen Fig. 1 fremstiller en sammensatt kapasitans med en flerhet av moduler av kondensatorer (32, 33, 34 og 3) som hver omfatter en modulspesifikk PCB (Printed Circuit Board) og er montert på et støttebrett (31). Flerheten av kondensatormodulene er elektrisk koblet til hverandre i serie og/eller parallellkoblet ved hjelp av egnede kretser som er koblet på støttekortet. Kondensatormodulene og støttekortet danner sammen en sammensatt kapasitans eller kapasitiv komponent som skal brukes i en elektrisk kraftenhet som frekvensomformer kraften. Hver kondensatormodul omfatter en enkelt modulspesifikk PCB, og alle de sylindriske basekondensatorene (36) anordnet på et enkelt kretskort er del av den samme styrespesifikke modulen. Kondensatormodulene er montert på støttekortet på en måte slik at en sentral akse av alle de sylindriske basekondensatorene er anordnet hovedsakelig parallelt med overflaten av støttekortet. Antallet monterte moduler, deres felles arrangement, og størrelsen på hver modul (f.eks. bredde, lengde, dybde) kan velges vilkårlig, slik at den resulterende sammensatte kapasitansen kan ha en samlet form som avviker fra et standard rektangulært volum.

4 4 Ved hjelp av eksempel, gir arrangementet av kondensatormoduler avbildet i fig. 1 opphav til et kileformet totalt volum. Den totale kapasitansen består av totaliteten av moduler montert på støttekortet, antall basekondensatorer på hver modul og detaljene i den elektriske basekondensatortilkoblingen. 1 3 Minst to i flerheten av kondensatormoduler er fysisk skilt i form av for eksempel mekaniske egenskaper eller elektriske egenskaper. Det vil si at PCB ene til disse forskjellige modulene skilles i form, størrelse, tykkelse eller topografi. Forskjellige moduler kan også ha et annet antall basekondensatorer og/eller skilles i de interne ledningene eller elektrisk sammenkobling av basekondensatorene. Derfor kan den totale kapasitansen til to distinkte moduler være forskjellige eller den samme. Strukturen og konfigurasjonen av komposittkapasitansen er meget fleksibel og kan optimaliseres til å tilpasse seg eller fylle hvilken som helst tilgjengelig plass i den elektriske kraftenheten. Sammenlignet med en konvensjonell kapasitiv komponent som kun bruker et enetasjes volum nærmest PCB overflaten, kan den foreslåtte sammensatte kapasitans, ved stabling av basekondensatorer, for å oppta ytterligere deler av det indre rommet over overflaten til kretskortet. For eksempel viser kondensatormodulene (32, 33, 34, 3) i fig basekondensatorer (36) som er anordnet ved siden av hverandre i en retning vinkelrett på støttekortet (31). De fire kondensatormodulene er anordnet parallelt med hverandre. Imidlertid, for å kunne mest effektivt utnytte en uregelmessig plass innenfor en bestemt elektrisk kraftenhet, kan to eller flere PCB-moduler alternativt danne en vilkårlig vinkel ved deres skjæringspunkt. Derfor muliggjør den foreslåtte sammensatte kapasitansen en optimal utnyttelse av de tilgjengelige tredimensjonale mellomrommene i den elektriske kraftenheten. Modulene kan monteres på støttekortet gjennom ulike forbindelsesanordning. Ved å velge koblingsmiddelet hensiktsmessig, kan modulene lett monteres og fjernes gjentatte ganger. Det vil si, i tilfelle en enkelt kondensatormodul ikke fungerer riktig, kan sistnevnte bli erstattet av en som er til overs på en enkel måte. Videre, hvis det under drift bør kreves en annen total kapasitans for enheten, kan moduler tilsvarende legges til eller fjernes fra støttekortet. Under følgende designaspekter, er det å foretrekke å bygge opp kondensatormoduler basert på et stort antall av basiskondensatorer med liten kapasitans snarere enn et par kondensatorer med stor kapasitans. Ved å gjøre dette, hvis kun en eller noen basekondensatorer feiler mens de andre basekondensatorene til kondensatormodulen fortsetter å fungere, er den totale kapasitansen bare litt redusert. Påliteligheten av den foreslåtte modulen er således forbedret.

5 Videre gjennom massiv parallellkobling av små kondensatorer på en lavinduktiv PCB, blir den totale tilsvarende bortkomne induktansen til kondensatormodulen svært lav, noe som kan resultere i fordelaktig stabil vekslingsoppførsel. I tillegg er den totale varmen som genereres av et stort antall små kondensatorer typisk mindre enn den varmen som genereres av noen få store kondensatorer av samme kapasitans. Til slutt, gir den totale kapasitansen til modulen med et stort antall identiske basekondensatorer opphav til betydelige økonomiske fordeler og en forenklet håndtering av forsyningskjeden. 1 3 I fig. 2, er en første individuell kondensatormodul vist. Mange basekondensatorer (12) av en enkelt type er montert på et modulspesifikt kretskort PCB (11). Typen og kapasitansen av basekondensatorene kan velges vilkårlig i henhold til kravene for den tiltenkte anvendelsen. I fig. 2, er basekondensatorene (12) montert på begge sider av kretskortet (11). Alternativt kan basekondensatorene (12) kun være montert på en enkelt side av kretskortet. Tatt i betraktning av dimensjonene av PCB og avtrykket av hver basekondensator, bli så mange basekondensatorer som mulig montert på kretskortet. Det vil si, ved å arrangere basekondensatorer side ved side i et firkantet eller til og med i et trekantet tettpakket gitter, arealet av PCB-overflaten okkupert av kondensatorer er i det vesentlige identisk med det totale overflateareal av PCB en. Fig. 3 avbilder en kondensatormodul med flere elektroniske komponenter (21) i tillegg til basekondensatorer anordnet på kretskortet. Andre elektroniske komponenter kan enkelt integreres med kondensatormodulen for å forbedre ytelsen eller legge til ønsket funksjonalitet. Tilleggskomponentene kan omfatte en spenningsdelende krets, en høyfrekvent kondensator og en kondensator diagnostikk krets. Nærmere bestemt kan dedikerte høyfrekvente kondensatorer kobles i parallell til de største kondensatorer som blir integrert for å forbedre frekvensbåndbredden til modulen, og en diagnostisk sensor kan integreres for å påvise og forbedre ytelsessignaleringen til kondensatormodulen. En spenningsdelende krets (f.eks. parallelle motstander) kan være anordnet for å tillate enkel seriekobling med andre kondensatormoduler. Ytterligere tilleggsfunksjoner kan legges gjennom å integrere kondensatorlading og utladingskretser. Som nevnt, kan de PCB-baserte kondensatormodulene være utstyrt med ulike kontakter for alle tiltenkte formål eller bruk. Mens en hvilken som helst kommersielt tilgjengelig type kontakter kan brukes som en koblingsanordning for kondensatormodulen, fig. 2 og fig. 3 avbilder en spesialdesignet ekstra bred lavimpedanskontakt (13). Kontakten (13) gjør det mulig å enkelt og reversibelt feste og ta kondensatormodulen til/fra support forumet.

6 6 Det bør bemerkes at selv om PCB vist i fig. 2 og 3 er av kvadratisk form, kan PCB være utformet til å ha en hvilken som helst annen form også. For eksempel, er en trekantet eller en sirkulært formet PCB også mulig, og kan til og med være å foretrekke i betraktning av det indre rommet av den elektriske kraftenheten som den vil bli brukt i. Fig. 4 viser en flerhet av luftkonveksjonshull (22) tilveiebragt på kretskortet (11) til kondensatormodulen. Luftkonveksjonshullene tillater kjøleluft å strømme i en retning parallelt med basekondensatorer (12) som er montert på kretskortet. For dette formålet, er hullene anordnet på kretskortet på en slik måte at hullene i det minste delvis er synlig når man ser på kretskortet i en retning av base kondensatorer (12), det vil si hullene i hovedsak faller sammen med mellomrommene mellom basekondensatorene. Fig. og fig. 6 viser to av utallige mulige måter med sammenhengende basekondensatorer på kretskort. 1 3 Fig. angir et tverrsnitt av en modul med alle de basekondensatorene (41) parallelt koplet og montert på en side av kretskortet. PCB en består av tre lag, et positivt ledende lag (44), en negativt ledende lag (46) og et isolasjonslag (4) klemt mellom to ledende lag. Positive og negative pinner (42, 43) til basekondensatorene er forbundet med positivt og negativt ledende lag (44, 46) ved pin-til-pcb forbindelseskontakter (47, 49). Spesielt kobles den positive pinnen 42 med det positivt ledende laget (44) ved kontakt (49), og den negative pinnen traverser det positivt ledende laget (44) via en åpning eller utsparing (48) anordnet i det positivt ledende laget, og ligger forbundet med det negativt ledende laget (46) i kontaktpunktet (47) på den motsatte side av kretskortet. På lignende måte kan basekondensatorer monteres på begge sider av kretskortet, og være elektrisk koblet i parallell ved hjelp av de to ledende lagene. I fig. 6, er et tverrsnitt av en vist modul, karakterisert ved, at kondensatorene er seriekoblede to og to og montert på en side av kretskortet. I motsetning til fig., blir det øvre, ledende laget delt i et første øvre, ledende lag (6) og et andre øvre, ledende lag (64), som begge tjener som serielle kontakter til de ovennevnte kontaktene eller til ytterligere nabo par av udelte kondensatorer. I fig. 6, er alle kondensatorene (61) (C1 til C4) forbundet med et nedre, ledende lag (611). Imidlertid er begge av kondensatorene C1 og C2 forbundet med det første øvre, ledende laget (6), og begge de to kondensatorene C3 og C4 er forbundet med det andre øvre, ledende laget (64). Derfor er basekondensatorene C1 og C2 koblet i parallell som en første gruppe, og basekondensatorene C3 og C4 er koblet i parallell som en andre gruppe. Den første kondensatorgruppen (C1, C2) er forbundet med den andre kondensatorgruppen (C3, C4) i serie.

7 7 Fig. 7 avbilder fem kondensatormoduler (71, 72, 73, 74 og 7) av i det vesentlige identisk total kapasitans og basert på fem forskjellige typer av basekondensatorer. De geometriske og elektriske arrangementet til basekondensatorene gir opphav til de fysiske egenskapene som følger. den første modulen A (71) omfatter 4 basekondensatorer, og dens totale overflateareal er 2 67 mm 2, og dens totale volum er mm 3 ; dens totale Zmax ( khz, C) er mohm, og den totale strømrippelevne I_AC max (0 Hz, 8 C) er 90,2 A. den andre modulen B (72) omfatter 6 basekondensatorer, og dens totale overflateareal er mm 2, og dens totale volum er mm 3 ; dens totale Zmax ( khz, C) er 4,67 mohm, dens totale I_AC max (0 Hz, 8 C) er 97.8 A. den tredje modulen C (73) omfatter 33 basekondensatorer, og dens totale overflateareal er mm 2, og dens totale volum er mm 3 ; dens totale Zmax ( khz, C) er 4,36 mohm, dens totale I_AC max (0 Hz, 8 C) er 11,8 A. 1 den fjerde modulen D (74) omfatter 0 basekondensatorer, og dens totale overflateareal er mm 2, og dens totale volum er mm 3 ; dens totale Zmax ( khz, C) er 4,88 mohm, og dens totale I_AC max (0 Hz, 8 C) er 170 A. den femte modulen E (7) omfatter 270 basekondensatorer, og dens totale overflateareal er mm 2, og dens totale volum er mm 3 ; dens totale Zmax ( khz, C) er 4,3 mohm, dens totale I_AC max (0 Hz, 8 C) er 126,9 A. Ovenfor nevnte simuleringsresultater indikerer at det totale volumet av de forskjellige modulene er av liten forskjell. Imidlertid er den totale overflaten av modulen 7 omtrent fire ganger som en av modulene 71 eller 72. Følgelig er varmespredning forventet å være av mindre interesse for modulen 7 enn for moduler 71 og 72. Videre er strømrippelevnen (I_AC) til modulene 73, 74 og 7 betydelig høyere enn for modulene 71 og 72.

8 8 Krav 1 1. Komposittkapasitans omfattende et antall kondensatormoduler (32,33,34,3) som er fysisk skillbare fra hverandre i form av mekaniske eller elektriske egenskaper og som er elektrisk koblet til hverandre, idet hver enkelt av flertallet av kondensatormoduler omfatter en rekke basiskondensatorer (12) som er montert på og elektrisk forbundet med, et modulspesifikt kretskort PCB (11), og hvori alle basekondensatorene av flerheten av kondensatormoduler er av en enkelt type. 2. Komposittkapasitans ifølge krav 1, karakterisert ved at en første kondensatormodul ut av flerheten av fysisk skillbare kondensatormoduler har en rekke basiskondensatorer som er forskjellig fra en del av basiskondensatorene på en andre kondensatormodul ut fra flerheten av fysisk skillbare kondensatormoduler. 3. Komposittkapasitans ifølge krav 1, karakterisert ved at de modulspesifikke PCB ene av to kondensatormoduler ut fra flerheten av fysisk skillbare kondensatormoduler er forskjellige i form, størrelse, tykkelse, topografi, eller i den elektriske forbindelsen til basekondensatorene montert der på. 4. Komposittkapasitans ifølge krav 1, hvori minst en av kondensatormodulene omfatter sylindriske basekondensatorer montert på et modulspesifikt kretskort, karakterisert ved at det modulspesifikke kretskortet er montert på en støttekort med en sentral akse til alle de sylindriske basekondensatorene som er anordnet hovedsakelig parallelt med overflaten til støttekortet.. Komposittkapasitans ifølge krav 1, karakterisert ved at basekondensatorer er anordnet på en side eller på begge sider av den modul-spesifikke PCB en, og ved at basekondensatorene er koblet gjennom trykte kretser til den modulspesifikk PCB en. 6. Komposittkapasitans ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en av modulene omfatter minst en av en spenningsdelende krets, en høyfrekvent kondensatorkrets, en ladings- og utladingskrets, og en kondensatordiagnostikkrets anordnet på den modulspesifikke PCB en. 7. Komposittkapasitans ifølge krav 1, karakterisert ved at den modulspesifikke PCB en omfatter hull som tillater kjøleluften å passere gjennom og til å sirkulere mellom de tilstøtende kondensatorene. 8. En bruk av en komposittkapasitans ifølge et av de foregående kravene i en DCkobling til en kraftfrekvensomformer.