DE1514450C3 - Gleichrichteranordnung mit einer scheibenförmigen Halbleiter-Gleichrichterzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichteranordnung mit einer scheibenförmigen ungesteuerten oder gesteuerten Halbleiter-Gleichrichterzelle für hohe Ströme, die mit zugehörigen elektrischen und mechanischen Bauelementen sowie mindestens einem Kühlkörpereine kompakte Baueinheit bildet.

Ungesteuerte Halbleiterventile und Thyristoren für große Stromstärken können bekanntlich in einem scheibenförmigen Gehäuse angeordnet sein. Sie bilden dann eine sogenannte Scheibenzelle. Die in einer solchen Scheibenzelle entstehende Verlustwärme kann von beiden Flachseiten an Kühlkörper abgeführt werden. Diese Kühlkörper haben in der Regel eine erheblich größere Ausdehnung als die Scheibenzelle selbst.

In Stromrichteranlagen werden den Halbleiter-Gleichrichterzellen im allgemeinen sogenannte Beschaltungselemente parallel geschaltet. Weiterhin können ihnen noch Sicherungen vorgeschaltet werden. Einem Thyristor werden außerdem noch die Bauelemente seines Steuerstromkreises unmittelbar zugeordnet.

Aus den Brown Boveri Mitteilungen 1963, S. 465 bis 475, insbesondere Bild 2 samt zugehöriger Beschreibung, ist die eingangs genannte Gleichrichteranordnung bekannt. Bei dieser Gleichrichteranordnung sind zwei gesteuerte Halbleiter-Gleichrichterzellen auf einem mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper befestigt. Dieser trägt an einer Seitenfläche zusätzlich noch die notwendigen Beschaltungselemente. Die Halbleiter-Gleichrichterzellen sind also mit dem Kühlkörper und den Beschaltungselementen zu einer Baueinheit vereinigt. Zwei Führungsleisten am Kühlkörper ermöglichen das Einschieben der Baueinheit in einen entsprechend ausgestalteten Einbaurahmen einer Stromrichteranlage. Bei dieser Gleichrichteranordnung werden die Halbleiter-Gleichrichterzellen nur von einer Seite gekühlt. Außerdem sind besondere Führungsglieder erforderlich, um die Baueinheit im Einbaurahmen der Stromrichteranlage zu halten.

Aus der Siemens-Zeitschrift Bd. 37, April 1963, Heft 4, S. 298 bis 300, insbesondere Bild 2b samt zugehöriger Beschreibung, ist es bereits bekannt, eine Silizium-Gleichrichterzelle in Scheibenform mit ihren Flachseiten zwischen zwei gleichzeitig als Stromanschlüsse dienenden Kühlkörpern mit hohem Druck einzuspannen. Bei Anordnung einer Gleichrichtersäule werden die einzelnen Bauteile nach der Montage zwischen zwei Spanntellern mit Hilfe eines Kraftspeichers in der Art eines Tellerfederpaketes unter den für eine gute Kontaktierung erforderlichen Druck gebracht. Ein linsenförmiges Abstandsstück, das aus einem druckfe-

sten Isolierstoff besteht, wirkt mit seinen Kugelflächen druckausgleichend auf die Übergangsstellen.

Die Silizium-Gleichrichterzellen werden so mit Hilfe von Kühlblechen, die der Luftströmung eines Lüfters ausgesetzt sein können, doppelseitig gekühlt. Die Anordnung von Beschaltungselementen ist dieser Literaturstelle nicht zu entnehmen. Auch findet sich kein Hinweis, in welcher Weise ein Einbau in ein Gerüst einer Stromrichteranlage erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte transportable Baueinheit zu schaffen, die eine scheibenförmige Halbleiter-Gleichrichterstelle und gleichzeitig auch die ihr zugeordneten elektrischen und mechanischen Bauelemente umfaßt, die für eine einfache Montage in einer Stromrichteranlage geeignet ist und die so konstruiert ist, daß die wichtigsten Bauelemente auch nach einer solchen Montage leicht zugänglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halbleiter-Gleichrichterzellen mit ihren Flachsehen zwischen zwei Kühlkörpern eingespannt ist, daß zwischen den Kühlkörpern ein sich in der Ebene der Halbleiter-Gleichrichterzelle erstreckender Führungskörper aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, der beim Einschieben der Baueinheit in ein Gerüst einer Stromrichteranlage eine Zentrierung der Baueinheit ermöglicht und dabei in entsprechend ausgestaltete Führungsglieder des Gerüstes eingreift, daß an einer Frontplatte, die an einem der beiden Kühlkörper befestigt ist und die sich parallel zur Symmetrieachse der Halbleiter-Gleichrichterzelle erstreckt, wenigstens eine Sicherung angeordnet ist, und daß als Führungsglieder eine Strom-Zuleitungsschiene und eine Strom-Ableitungsschiene vorgesehen sind, die an der Frontplatte mit als elektrische Verbindungsleitungen zur Halbleiter-Gleichrichterzelle dienenden Leiterteilen verschraubt sind. \

Sofern es sich bei der Halbleiter-Gieichrichterzelle um einen Thyristor handelt, dessen Steuerstrecke die Zündimpulse über mindestens einen Übertrager vorgegeben sind, können vorteilhafterweise auch der Übertrager und die übrigen Bauelemente des Steuerstromkreises an der Seitenfläche eines Kühlkörpers befestigt sein. Die Bauelemente und die Sicherung werden dabei zweckmäßigerweise jeweils auf verschiedene Platten aus Isolierstoff angeordnet, die parallel zueinander und zu der genannten Seitenfläche des Kühlkörpers befestigt sind.

Die gesamte Gleichrichteranordnung bildet eine Baueinheit, die sich in Längsrichtung der beiden Kühlkörper erstreckt. Diese Baueinheit kann in ein entsprechend gestaltetes Gerüst einer Stromrichteranlage eingeschoben werden, und zwar derart, daß die äußere Frontplatte aus Isolierstoff mit der Sicherung oder den Sicherungen sichtbar ist; diese können somit leicht überwacht und ausgewechselt werden. Im Störungsfall kann ohne größeren Arbeitsaufwand auch die gesamte Baueinheit ausgewechselt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

In F i g. 1 ist die elektrische Schaltung einer als Baueinheit ausgeführten Gleichrichteranordnung mit einem Thyristor dargestellt.

F i g. 2 zeigt die wesentlichen Teile der Baueinheit in einer Draufsicht, und in

F i g. 3 ist ein Schnitt durch die Baueinheit nach F i g. 2 schematisch veranschaulicht.

Nach F i g. 1 sind mit einer scheibenförmigen gesteuerten Halbleiter-Gleichrichterzelle 2, einem Thyristor für hohe Stromstärken von beispielsweise 1000 Ampere und mehr, die in einer Schaltung einer Stromrichteranlage angeordnet sein kann, eine Parallelschaltung von zwei Sicherungen 7 und 8 in Reihe geschaltet. Die Parallelschaltung der Sicherungen 7, 8 ermöglicht die Abschaltung zu hoher Ströme und eine Verkürzung der Ausschaltzeit im Kurzschlußfall. Der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 ist eine Gruppe von Steuerelementen 10 und eine Gruppe von Beschaltungselementen 20 zugeordnet, von denen zur Vereinfachung jeweils nur die wesentlichen Teile in Fi g. 1 dargestellt sind.

Die Steuerstrecke der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 ist über eine Parallelschaltung von Steuerübertragern 13 und 14 mit einer in F i g. 1 nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden, die an Klemmen 19 angeschlossen sein kann. Zur Zündung von Siliziumthyristoren, insbesondere zur gleichzeitigen Zündung mehrerer Thyristoren in Reihen- oder Parallelschaltung, sollen bekantlich vorteilhafterweise Zündimpulse mit steiler Anstiegsflanke verwendet werden. Zur Lieferung solcher Zündimpulse ist der Steuerübertrager 14 vorgesehen. Als Primärstrom für diesen Steuerübertrager 14 kann der Entladestromstoß eines Kondensators 15 vorgesehen sein, der über eine Diode 16 entladen wird. Zur Lieferung eines Impulses mit einer ausreichenden Länge ist dagegen der Steuerübertrager 13 vorgesehen; dieser ist zur Rückmagnetisierung seines Wandlerkernes mit einer zusätzlichen Primärwicklung versehen. Die Sekundärwicklungen der Steuerübertrager 13 und 14 sind über Sperrdioden 11 und 12 parallel geschaltet, so daß der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 Steuerimpulse mit großer Flankensteilheit und mit der erforderlichen Länge zugeführt werden können. Eine Entladung des Kondensators 15 über die Primärwicklung des Steuerübertragers 13 wird durch eine Diode 17 verhindert.

Als Beschaltungselemente 20 können der Halbleiter-Gieichrichterzelle 2 in bekannter Weise ein Stabilisierungswiderstand 21 und die Reihenschaltung eines Kondensators 23 mit einem Widerstand 24 zugeordnet sein.

Zur Überwachung der Sicherungen 7 und 8 kann eine Überwachungsschaltung vorgesehen sein mit einer den Sicherungen 7 und 8 parallel geschalteten Reihenschaltung eines Widerstands 25 und der Spule eines Überwachungsrelais 27. Sprechen im Störungsfall die Sicherungen 7 und 8 an, so liegt an der Reihenschaltung 25, 27 die volle Spannung, beispielsweise bei einer Reihenschaltung mehrerer Thyristoren mehrere 1000 Volt. Um die Spannung der Spule des Überwachungsrelais 27 von beispielsweise etwa 30 Volt über einen großen Bereich nahezu unabhängig von der an der Sicherung 7, 8 abfallenden Spannung wenigstens annähernd konstant zu halten, ist der Spule des Überwachungsrelais 27 noch ein spannungsabhängiger Widerstand 26, ein sogenannter Vistor, parallel geschaltet.

Nach F i g. 2 bilden die beiden Sicherungen 7 und 8 mit den einzelnen Beschaltungselementen 20 (vgl. Fig. 1) und den einzelnen Steuerelementen 10 (vgl. F i g. 1) sowie den Kühlkörpern 30 und 31 eine Baueinheit, die sich in Längsrichtung der Kühlkörper 30 und 31 erstreckt

Die Sicherungen 7 und 8 sind mittels U-förmiger gebogener (nicht näher bezeichneter) Leiterteile an

einer Frontplatte 34 aus einem elektrisch isolierenden Material befestigt. Von diesen Leiterteilen sind nur die beiden oberen Leiterteile 32 und 33 sichtbar, die zugleich eine elektrische Leitungsverbindung der Sicherungen 7, 8 mit einer Zuleitungsschiene 35 herstellen. Die Zuleitungsschiene 35 kann zweckmäßigerweise aus Kupfer bestehen und ein Bestandteil eines Gerüstes einer Stromrichteranlage sein, in welche die Baueinheit eingeschoben werden kann. Auch an der Unterseite ist eine Ableitungsschiene 36 angeordnet. Diese ist mittels eines Verbindunsstückes 37 mit dem Kühlkörper 31 verbunden.

Die Frontplatte 34 ist mittels Abstandsbolzen 38 und 39 parallel an einer Tragplatte 41 aus Isolierstoff befestigt, die an dem Kühlkörper 30 angebracht, beispielsweise mittels eines winkelförmigen Verbindungsstückes 42 an den Kühlkörper angeschraubt sein kann. Die einzelnen Beschaltungselemente 20 (vgl. Fig. 1) und die einzelnen Steuerelemente 10 (vgl. F i g. 1) können vorteilhaft an einer Grundplatte 40 befestigt sein, die in einer vorgedruckten Schaltung die erforderlichen Leitungsverbindungen für die Verdrahtung der Bauelemente 10, 20 enthält und an der Tragplatte 41 befestigt ist. Die Bauelemente 10, 20 sind somit von allen Seiten frei zugänglich und können im Störungsfall leicht ausgewechselt werden.

Der Kühlkörper 31 ist am Kühlkörper 30 mittels Schrauben 44, die vorzugsweise Dehnschrauben sein können, lösbar befestigt. Seine Lage ist durch Zentrierstifte 46 festgelegt Durch Druckkegel 47 ist ein gleichmäßiger Druck auf die gesamte Fläche der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 gewährleistet. Die beiden Kühlkörper 30, 31 sind jeweils mit einer kegelstumpfförmigen Erhöhung 50 bzw. 51 versehen, deren Außenflächen die Auflageflächen der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 bilden und mit einem Druck von beispielsweise einigen 100 kg an die Halbleiter-GIeichrichterzelle 2 angepreßt werden können.

Die Kühlkörper 30 und 31 sind auf einer Flachseite mit Kühllamellen 54 versehen, die vorteilhaft in einem massiven Teil des Kühlkörpers 30, 31 eingesetzt sein können und vorzugsweise wenigstens annähernd parallel zueinander angeordnet sind. Sie können aus einem Material mit besonders guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Elektrolykupfer, hergestellt sein. Die parallele Anordnung der Kühllamellen 54 ergibt eine im wesentlichen gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmittels im Raum zwischen den Lamellen 54.

Die Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 ist in einer Bohrung eines Führungskörpers 55 aus Isolierstoff angeordnet, der zwischen den Kühlkörpern 30 und 31 eingeklemmt ist und als Führung beim Einschieben der Baueinheit in ein Gerüst einer Stromrichteranlage dienen kann.

Eine größere Anzahl solcher Baueinheiten kann beispielsweise in einem Schrank 60 eingeschoben sein, wie es in Fig.2 angedeutet ist. Die einzelnen Baueinheiten können dann derart übereinander und nebeneinander im Schrank 60 angeordnet werden, daß die Kühlluft in senkrechter Richtung an den Kühlrippen 54 entlangströmt. Der Kühlkanal kann beispielsweise im inneren Teil des Schrankes 60 durch eine Isolierstoffplatte 61, an der zugleich die elektrischen Leitungen befestigt sein können, und seitlich durch eine weitere Isolierstoffplatte 62 begrenzt sein. Die Isolierstoffplatten 61 der Baueinheiten können zweckmäßig so bemessen sein, daß sie nach dem Einsetzen der Baueinheiten in den Schrank den Kühlkanal ohne größere Zwischenräume bilden. Als vorderes Tragteil kann im Schrank ein Profilträger 63 angeordnet sein, an dem zweckmäßig jeweils eine Zuleitungs- und Ableitungsschiene befestigt sein kann.

Die Anordnung der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 zwischen den Kühlkörpern 30 und 31 ist aus Fig.3 ersichtlich, die einen Schnitt durch die Baueinheit nach F i g. 2 darstellt. Damit unzulässige Spannungen bei unterschiedlichen Temperaturen der Kühlköprer 30 und 31 vermieden werden, können die Schrauben 44 zweckmäßigerweise mit Federscheiben oder Federringen versehen sein. Die Schrauben 44 sind gegen die Kühlkörper 30 und 31 elektrisch isoliert und an beiden Enden durch Brücken 45 miteinander verbunden, die den Schraubendruck über die Druckkegel 47 gleichmäßig auf die Kühlkörper 30,31 und damit die Flachseiten der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 übertragen. Die Lage der Halbleiter-Gleichrichterzelle 2 ist durch die Bohrung in den Führungskörper 55 festgelegt, der wiederum die Lage der gesamten Baueinheit in dem Gerüst der Stromrichteranlage bestimmt. Zu diesem Zweck ist der Führungskörper 55 an seiner oberen und unteren Schmalseite mit Nuten versehen, in denen die Zu- und Ableitungsschienen 35 bzw. 36 beim Ein- oder Herausschieben gleiten können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Gleichrichteranordnung mit einer scheibenförmigen ungesteuerten oder gesteuerten Halbleiter-Gleichrichterzelle für hohe Ströme, die mit zugehörigen elektrischen und mechanischen Bauelementen sowie mindestens einem Kühlkörper eine kompakte Baueinheit bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) mit ihren Flachseiten zwischen zwei Kühlkörpern (30, 31) eingespannt ist, daß zwischen den Kühlkörpern (30, 31) ein sich in der Ebene der Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) erstreckender Führungskörper (55) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, der beim Einschieben der Baueinheit in ein Gerüst einer Stromrichteranlage eine Zentrierung der Baueinheit ermöglicht und dabei in entsprechend ausgestaltete Führungsglieder des Gerüstes eingreift, daß an einer Frontplatte (34), die an einem der beiden Kühlkörper (30, 31) befestigt ist und die sich parallel zur Symmetrieachse der Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) erstreckt, wenigstens eine Sicherung (7, 8) angeordnet ist, und daß als Führungsglieder eine Strom-Zuleitungsschiene (35) und eine Strom-Ableitungsschiene (36) vorgesehen sind, die an der Frontplatte (34) mit als elektrische Verbindungsleitungen zur Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) dienenden Leiterteilen (32,33) verschraubt sind.

2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Bauelemente (13, 14, 21, 23, 25) an einer Tragplatte (41) aus Isolierstoff angeordnet sind, die etwa parallel zur Frontplatte (34) zwischen der Frontplatte (34) und den Kühlkörpern (30,31) angeordnet ist (F i g. 2).

3. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Bauelemente (13, 14, 21, 23, 25) an einer an der Tragplatte (41) befestigten Grundplatte (40) aus elektrisch isolierendem Material zusammen mit einer vorgedruckten Schaltung für ihre Verbindungsleitungen angeordnet sind.

4. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (30) quaderförmig gestaltet und daß die die Sicherung (7, 8) und die Bauelemente (10, 20) tragenden Platten (34,40,41) aus Isolierstoff an den beiden kleinsten Seitenflächen der Kühlkörper (30, 31) angeordnet sind.

5. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (55) mit einer Bohrung versehen ist, die zur Aufnahme der Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) geeignet ist und die die Lage der Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) zwischen den Kühlkörpern (30,31) bestimmt.

6. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (55) mit Nuten versehen ist, in die die Strom-Zuleitungsschiene (35) und die Strom-Ableitungsschiene (36) der Stromrichteranlage eingreifen.

7. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strom-Zuleitungsschiene (35) die elektrische Verbindungsschiene zwischen der Sicherung (7,8) und der Stromrichteranlage und daß als Strom-Ableitungsschiene (36) die elektrische Verbindungsschiene zwischen der nicht mit einer Sicherung verbundenen Hauptelektrode der Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) und der Stromrichteranlage vorgesehen ist.

8. Gleichrichteranordnung nach e^;nem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (47) vorgesehen sind, die eine gleichmäßige Druckverteilung der Auflageflächen von Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) und Kühlkörper (50, 51) bewirken.

9. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (30,31) die Halbleiter-Gleichrichterzelle (2) zwischen sich federnd und lösbar einspannen.