DE2103982C3 - Mit isolierender Flüssigkeit gekühlter Stromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit isolierender Flüssigkeit gekühlten Stromrichter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des vorstehenden Patentanspruches 1.

Bei einem bekannten derartigen Stromrichter ist zum Ausgleich von Streuwerten und zur Erzielung einer gleichen Temperatur für jede Scheibenzelle bereits vorteilhaft eine spezielle Einspannungvorrichtung vorgesehen, dabei läßt sich der Druck für die elektrische und thermische Druckkontaktierung für jede Scheibenzelle gesondert einstellen, womit auch eine satte Flächenanlage und symmetrische Druckverteilung für jede Scheibenzelle erreichbar ist (DE-OS 19 24 011).

Bei dem bekannten Stromrichter ist jede Scheibenzelle ohne Beeinträchtigung der Kontaktierung anderer Scheibenzellen demontierbar. Sie befindet sich zwischen einem flüssigkeitsdurchströmten Druckstock und einer als gemeinsame tragende Basis dienenden, flüssigkeitsführenden Stromschiene. Die Druckstücke werden von einer zur Stromschiene parallelen Spannschiene aus über Spannstücke belastet, so daß insgesamt eine rahmenförmige Konstruktion vorliegt. Die durch flexible Isolierrohre miteinander verbundenen Druckstücke und die Stromschiene enthalten jeweils ;;wei Kanäle für den Flüssigkeitshin- und -rücklauf. Die

Anordnung ist für den Aufbau einer Mittelpunktschaltung geeignet Die offene rahmenförmige Ausführung ist schmutzanfällig, großvolumig und hat ein relativ ungünstiges Leistungsgewicht. Zur Erzielung eines günstigen Leistungsgewichtes und kJeinvolumiger Bauweise sind eine wirksame Kühlung und ein guter Staubschutz notwendig. Steht wenig Raum für den Stromrichter zur Verfügung, z.B. in elektrischen Lokomotiven, so fallen die Thyristoren trotz Flüssigkeitszwangskühlung eher aus als in großvolumigen Anlagen mit zusätzlicher thermischer Entlastung durch die Umgebung. Wenn zugleich kein Staubschutz vorgesehen ist, so entstehen aufgrund der Luftzirkulation Staubanlagerungen und wegen der geringen räumlichen Abstände spannungsführender Teile Überschläge, wobei insbesondere die Halbleiter gefährdet sind. Der Stromrichterbetrieb ist unter diesen Voraussetzungen behindert

Es ist weiterhin eine flüssigkeitsgekühlte Stromrichteranordnung bekannt (DE-GM 18 89 872), die zwei achsparallele Schienen zeigt, zwischen denen die Halbleiterbauelemente montiert sind. Der Flüssigkeitshin- und -rücklauf erfolgt jeweils in einer einzigen der Schienen, d. h„ die Schienen besitzen jeweils einen Hin- und Rücklaufkanal, womit ein gleichmäßiges Temperaturprofil erreicht wird. Die jeweils einer Schiene zugeordneten Hauptelektroden der Halbleiterbauelemente sind jedoch nicht voneinander isoliert, so daß nur ein einpoliger Anschluß an einer Schiene möglich ist Das Problem einer Verschmutzung der offenen Anordnung wird nicht angesprochen.

Ferner ist eine Stromrichteranordnung mit einer plattenförmigen, gemeinsamen tragenden Basis als Kühlkörper für alle Halbleiterbauelemente, die jeweils mit gleicher Anschlußpolarität an dieser Platte befestigt sind, bekannt (US-PS 29 92 372). Die Platte besitzt beidseitig der Anschlußebene für die Halbleiterbauelemente Flüssigkeitskanäle, die an ihren einen Enden verbunden sind, so daß auf einer Seite der Halbleiterbauelemente ein Flüssigkeitshinlauf und auf der anderen, zwangsläufig wärmeren Seite ein Flüssigkeitsrücklauf erfolgt. Damit ergibt sich zwar bezüglich der Halbleiterbauelemente untereinander eine gleichmäßige Kühlung; aber bezogen auf die für die Stromführung maßgebenden Flächen wird unsymmetrisch gekühlt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Stromrichter der erstbeschriebenen Gattung eine raumsparende, staubgeschützte Anordnung zu schaffen, wobei die Halbleiterbauelemente gleichmäßig und gut gekühlt sind und ihre Zugänglichkeit trotz Staubfreiheit erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches I gelöst.

Die innere Hinführung der Kühlflüssigkeit über die stabförmigen Kühlkörper und die äußere Rückführung über die dazu strömungstechnisch in Reihe geschalteten Teilkühlkörper bringt ein gleichmäßiges Temperaturniveau für alle Scheibenzellen, Vorteilhaft gegenüber der erstgenannten bekannten Anordnung wird ein zur tragenden Basis symmetrischer und kompakter Aufbau erreicht, wobei die über die Teilkühlkörper einzeln druckkontaktierten Scheibenzellen über die verschließbaren Durchbrüche zugänglich bleiben und dennoch durch die gekennzeichnete Anordnung der Kunststoffplatten unter Einbezug der Quertraversen staubgeschützt sind, weil diese damit erreichte Umfassung

Einwirbelungen von Staub verhindert

Die Ausgestaltung der Erfindung nach den Merkmalen des Anspruches 2 stellt die Abführung der Verlustwärme von den weiteren notwendigen Bauelementen des Stromrichters ohne zusätzlichen Aufwand sicher.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Seitenriß einer Stromrichteranordnung mit Strömungsverlauf,

F i g. 2 das zum Stromrichter nach F i g. 1 gehörende Temperaturprofil,

F i g. 3 den Stromrichter nach F i g. 1 in Seitenansicht in detaillierter Darstellung,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie A-A der F i g. 3 und die

F i g. 5 und 6 Teilkühlkörper.

Der zu kühlende Stromrichter (Fig. 1) kann z. B. eine allgemein bekannte halbgesteuerte Brückenschaltung sein. Sie besteht in diesem Fall aus zwei Thyristoren 7 und zwei Dioden 5. In dem Zweig, in dem sich die Dioden 5 befinden, sind Schmelzsicherungen 6 (F i g. 4) eingeschaltet Die Thyristoren 7 sind über Schmelzsicherungen 8 (F i g. 4) ebenfalls gesichert Zur Begrenzung des Stromes und der Stromanstiegsgeschwindigkeit sind in die Zweige der Thyristoren 7 induktive Widerstände 9 (F i g. 3, 4) eingeschaltet Die Wechselstromeinspeisung erfolgt an den stabförmigen Kühlkörpern 1 und 2, während der Gleichstrom an Sammelschienen 3 und 4 abgegriffen wird. Zwischen den Kühlkörpern 1, 2 einerseits und 2 χ η Teilkühlkörpern 10 andererseits, durch welche das Kühlmittel in Pfeilrichtung (Fig. 1) strömt, befinden sich die Dioden 5 und dahinter (in F i g. 4 dargestellt) die Thyristoren 7. Die flüssigkeitsdichte Verbindung (F i g. 5) zwischen zwei Teilkühlkörpern 10 ist als ein auf Naben 11 derselben aufgeschobenes Rohr 12 ausgeführt, das aus temperaturfestem, elektrisch gut isolierendem Material hergestellt ist — Das Rohr 12 wird zunächst beidseitig auf zwei Blechkragen 13 aufgeschoben und aufvulkanisiert (Fig.5). Zusammen mit den Blechkragen f3 wird dann das Rohr 12 auf die Naben U aufgeschoben und stoffschlüssig, z. B. durch Kleben, mit diesen verbunden. — Durch die flexiblen Rohre 12 sird die Teilkühlkörper 10 gegeneinander leicht beweglich. Dadurch wird gewährleistet, daß die Dioden 5 und Thyristoren 7 mit den Kühlkörpern 1 und 2 einerseits und den Teilkühlkörpern 10 andererseits elektrisch gut leitend und mit gutem Wärmeübergang von jeder Scheibenzelle zum jeweiligen Kühlkörper verspannt sind.

Anhand der F i g. 1 und 2 wird die Wirkungsweise der Kühlung nachfolgend erläutert:

Das Kühlmittel strömt durch die stabförmigen Kühlkörper 1 und 2 zu. Dabei wird schon ein Teil, ca. die Hälfte der von den Dioden 5 und den Thyristoren 7 erzeugten Verlustwärme, von der Isolier- und Kühlflüssigkeit aufgenommen (Temperaturverlauf δ\ in Fig. 2). Die Flüssigkeit strömt weiter zu den Teilkühlkörpern 10, die die Scheibenzellen elektrisch und thermisch druckkontaktieren und untereinander durch flexible, elektrisch isolierende Rohre 12 flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Dabei erhöht sich die Temperatur der Kühlflüssigkeit weiter entsprechend der in F i g. 2 dargestellten Kurve δ 10. Dieser Temperaturverlauf gewährleistet ein gleichmäßiges Temperaturniveau für alle Scheibenzellen (Linie δ 5, 7 in F i g. 2). Dieser Erfolgt wird erreicht, weil bei gleicher Innenprofilierung der Kühlkörper 1, 2 und Teilkühlkörper 10 erstere doppelt soviel Wärme abführen, wie ein Zweig der in ι η Reihe geschalteten Teilkühlkörper 10. Mit Isolierflüssigkeit läßt sich die für das gewünschte Temperaturniveau erforderliche Strömungsgeschwindigkeit ohne weiteres erzielen.

Auf den Sammelschienen 3 und 4 (F i g. 3 und 4) sind die Sicherungen 6 und 8 befestigt Über flexible elektrische Verbindungen 15 sind über die induktiven Widerstände 9, welche beispielsweise als Ferritkerne ausgebildet sind, die Thyristoren 7 bzw. über eine weitere, ebenfalls flexible elektrische Verbindung 16 die Dioden 5 angeschlossen. Die Sicherungen 6 und 8 sind auf den Sammelschienen 3 und 4 so befestigt, daß die elektrische Stromführung einerseits und die Wärmeabführung andererseits gewährleistet sind. Zwischen den stabförmigen Kühlkörpern 1 und 2 als tragenden Elementen und den quaderförmigen Kühlkörpern 10, alle aus gleichem Profilmaterial, sind die Thyristoren 7 bzw. die Dioden 5 über Schrauben 20, Traversen 21 und Federn 22 verspannt

Jeder Teilkühlkörper 10 ist weiterhin mit Anflächungen versehen, so daß Kunststoffplatten oder Formpreßteile 25 angelegt werden können, die mit den Kühlkörpern 1, 2 verschraubt sind. Die Platten 25, die eine Breite aufweisen, welche dem Abstand der beiden Thyristoren 7 voneinander entspricht, sind mit Konso- !5 len 26 versehen, auf die Beschaltungselemente für die Halbleiterbauelemente aufgesetzt werden können. Beispielsweise können eine Steuereinrichtung 27, eine Beschaltungseinrichtung 28 für die Dioden 5 und Thyristoren 7 und eine Überwachungseinrichtung (nicht -tu dargestellt) für die Sicherungselemente 6 und 8 eingesetzt werden.

In die Kunststoffplatten 25 sind verschließbare

Durchbrüche 29 eingebracht, durch welche eine leichte Zugänglichkeit zu den Dioden 5 und Thyristoren 7

4". gewährleistet ist Diese Durchbrüche 29 können beispielsweise verschlossen werden, indem auf die Kunststoffpiatten 25 Decke.¹ 31 aufgesetzt werden, welche durch die Kunststoffplatten 25 und die Teilkühlkörper 10 gebildete Schächte 30 staub- und

'.Ii schmutzdicht abdichten.

Nicht dargestellt sind die Zuführungs- bzw. Zweigleitungen nach Fig.2 zu den Teilkühlkörpern 10. Diese wcrdwi in gleicher Weise wie die Rohre 12 an die Naben 11 der n-ten Teilkühlkörper 10 angesetzt und stoffv > schlüssig mit ihnen verbunden. Sie sind so ausgebildet, daß die Schächte 30 staubdicht abgeschlossen sind.

In weiterer Ausgestaltung besitzen die Teilkühlkörper 10 ein innen verripptes Hohlprofil (F i g. 6) zur Verbesserung der Wärmeaufnahme. Zur Wärmeabwi strahlung können auch die nicht elektrisch kontaktierten äußeren Flächen Kühlrippen tragen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mit isolierender Flüssigkeit gekühlter Stromrichter in Brückenschaltung in gesteuerter, halb- oder ungesteuerter Ausführung, mit als Scheibenzellen ausgeführten Thyristoren und/oder Dioden, mit Sicherungen und induktiven Widerständen, wobei die mit Hin- und Rücklauf des Kühlmittels beidseitig gekühlten Scheibenzellen zwischen parallelen Kühlkörpern eingespannt sind, von denen mindestens einer aus mehreren elektrisch voneinander isolierten und flüssigkeitsdicht durch flexible Rohre miteinander verbundenen Teilkühlkörpern besteht, wobei mindestens ein weiterer stabförmiger Kühlkörper als allen Scheibenzellen gemeinsame tragende Basis und als Stromanschluß für die Anoden bzw. Kathoden der Scheibenzellen vorgesehen ist, und die einzelnen Scheibenzellen zwischen den stabförmigen Kühlkörpern und den Teilkühlkörpern mittels Federeleiuenten in Quertraversen befindlichen Schrauben eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende Basis aus zwei stabförmigen Kühlkörpern (1, 2) besteht, die als Flüssigkeitshinlauf dienen, daß sich an diese als Rücklaufzweige die strömungsmäßig in Reihe geschalteten Teilkühlkörper [iO) anschließen und daß die stabförmigen Kühlkörper (1, 2) und die Teilkühlkörper (10) Anflächungen (17) aufweisen, an denen mit zur Verspannung dienenden Quertraversen versehene Kunststoffplatten (25) anliegen, die mit den Kühlkörpern (1, 2, 10) einen staubdichten Schacht (30) bilden, wobei in Jen Kunststoffplatten (25) verschließbare Durchbrüche (29) in Höhe der Scheibenzellen (5,7) vorgesehen sind.

2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß auf jeden Kühlkörper (1, 2,10) die entsprechenden weiteren elektrischen Bauteile (6, 8, 9), induktive Widerstände oder Schmelzsicherungen, aufgesetzt sind.