DE2103982C3 - Mit isolierender Flüssigkeit gekühlter Stromrichter - Google Patents
Mit isolierender Flüssigkeit gekühlter StromrichterInfo
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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)
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.
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