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Stromrichtergerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtergerät gemä.ß den Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Derartige Stromrichtergeräte setzten theoretische Stromrichterschaltungen
in konkrete Grate uni. Ein Stromrichtergerät kann beispielsweise als Doppels tromrichter
zur Drehzahlregelung von Gleichstrommaschinen im Vierquadranten-Betrieb (z.B. bei
Werkzeugmaschinenantrieben) ausgeführt sein Ein derartiges Stromrichtergerät ist
aus der DE-OS 28 29 300 bekannt. Bei diesem Stromrichtergerät sind Stromschienen
zur elektrischen Verbindung der Stromrichterventile der Module vorgesehen. Die Module
sind auf einem für alle als Kühleinrichtung dienenden Kühlkörper auf einer Seite
desselben in einer Ebene montiert. Die Längsseiten der Module liegen achsparallel
zueinander.
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Bezüglich der Anschlußreihenfolge ihrer Hauptanschlüsse sind die Module
abwechselnd um 1800 gedreht montiert.
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Die Verbindung der Module zu eimer funktionstüchtigen
Stromrichtereinheit
kann somit mit sehr wenigen geraden, rechteckförmigen Metallschienen ausgeführt
werden, die raumsparend nahezu in einer Ebene angeordnet sind.
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Ein Nachteil des bekannten Stromrichtergerätes ist der Einsatz eines
relativ großen Kühlkörpers. Desweiteren können Montagefehler infolge des notwendigen
abwechselnd verdrehten Einbaus der Module auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromrich tergerät der
eingangs genannten Art zu schaffen, das sehr kompakt aufgebaut ist und Verdrahtungsfehler
ausschJieRt.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeieh neten Merkmale
gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß der Montagezeitaufwand schr gering ist, weil sich die Montage auf die Versehraubungen
zwischen Leiterplatte und Modulen bzw. zwischen Modulen und Gehäuse beschränkt.
Zusätzliche Leitungen sind nicht 7u verlegen. Das Gehäuse ist potentialfrei, muß
also nicht zusätzlich isoliert werden Es ist eine optimale Ausulltzullg des gleichzeitig
als Gehäuse dienenden Kühlers möglich. Durch geschickte Beschichtung der Leiterplatte
mit geeigneten Strompfaden wird ermöglicht, daß stets nur ein Stromrichterventil
eines Moduls leitend ist und damit Verlustleistung erzeugt, wodurch das Modul thermisch
geschont wird. Durch geeignete Wahl und Ausführung der erforderlichen Elektronikfunktionen,
Stromistwerterfassung, Elektronik-Netzgerät und Zündstufen für die Stromrichterventile
können zusätzlich zu den Modulen weitere Bauteile des Stromrichtergerätes auf derselben
Leiterplatte untergebracht werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnungen
erläutert, wobei als Stromrichtergerät ein einphasiger Doppelstromrichter verwendet
wird.
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Es zeigen: Fig. 1 das elektrische Schaltbild eines einphasigen Doppelstromrichters
Fig. 2 den Aufbau des Doppelstromrichters auf einer Leiterplatte unter Verwendung
von Stromrichternìodulen, Fig. 3 die mit Strompfaden (Leiterbahnen) beschichtete
Leiterplatte, Fig. 4 einen Metalleinsatz zur Kontaktierung der Anschlüsse auf der
Leiterplatte, Fig. 5 den Aufbau des Stromrichtergerätes, Fig. 6,7,8 drei weitere
verschiedene Varianten für den Aufbau des Doppelstromrichters auf der Leiterplatte.
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In Fig. 1 ist das allgemein bekannte elektrische Schaltbild cines
einphasigen Doppelstromrichters dargestellt.
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Die tromrichterbrücken I bzw. II bestehen dabei jeweils aus vier tromrichterventilen
(Thyristoren) V11, V12, Vi3, Vill bzw. V21, V22, V23, V24. Die Steueranschlüsse
bzw. Hilfskathodcnanschlüsse der Stromrichterventile sind mit G11, G12, G13, 14,
G21, G22, G23, G24 bzw.
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K11, K12 ,K13, K14, K21, K22, K23, K24 bezeichnet. Der erste Wechelpannunganchluß
AKi ist mit den Anoden der Ventile V11 und V21 sowie mit den Kathoden der Ventile
V14 und V24 verbunden. Am zweiten Wechselspannungsanschluß AK2 liegen die Anoden
der Ventile V13 und V23 sowie die Kathoden der Ventile V12 und V22. Mit dem
ersten
Gleichstromanschluß Am1 sind die Anoden der Ventile V14, V12, V21 und V23 verbunden.
Am zweiten Gleichstromanscbluß Km1 liegen die Kathoden der Ventile V11, V13, V24
und V22. Die Anschlüsse AK1, AK2, Km1, Al werden nachfolgend auch als Hauptanschlüsse
bezeichnet.
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In Fig. 2 ist der Aufbau des unter Fig. 1 beschriebenen einphasigen
Doppelstromrichters auf einer Leiterplatte 1 unter Verwendung von Stromrichtermodulen
M1, M2, M3, M4 dargestellt. Als Module werden vorzugsweise die aus der bereits erwähnten
DE-OS 28 09 300 bekannten Module eingesetzt. Jedes Modul weist dabei in einem Gehäuse
zwei Stromrichterventile (Thyristoren) auf, wobei intern jeweils die Kathode des
einen Ventils mit der Anode des anderen Ventils miteinander verbunden ist (Serienschaltung
der Ventile). Dieser gemeinsame Anoden-Kathoden-Anschluß ist extern über einen Schraubanschluß
zugänglich und nachfolgend für die Module 141, M2, M, M4 mit Bi B2 B3 t B4 bezeichnet
. Der freie Anodenanschluß des einen Ventil bzw. der freie Kathodenanschluß des
anderen Ventils sind ebenfalls über Schraubanschlüsse extern zugänglich und nachfolgend
mit Al, A2, A3, A4 bzw. K1, KS, K3, K4 bezeichnet. Sämtliche externen Anschlüsse
eines Moduls liegen in einer Reihe auf der Oberseite des Moduls. Die ebenfalls auf
der Oberseite des Moduls angeordneten Steueranschlüsse G11, G12... sowie Hilfskathodenanchlüsse
K11, K12... sind als Steckkontakte ausgeführt und in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht im einzelnen dargestellt, sondern lediglich durch Pfeile gekennzeichnet.
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Die Stromrichterventile sind in den einzelnen Modulen auf einer elektrisch
isolierenden, aber wärmeleitenden Keramikplatte montiert, die mit einer Metallplatte
als Bodenplatte verbunden ist, über die die in den Ventilen während des Betriebes
entstehende Verlustleistung abge-
führt wird. Durch diesen isolierenden
Aufbau der Module bleibt der erforderliche Kühler potentialfrei. Dadurch ist es
möglich, die Ventile ohne Rücksicht auf eventuelle Potentiale in den Modulen so
anzuordnen, daß eine optimale Kühlung der Ventile gewährleistet ist. Die Module
besitzen Bohrungen in der Bodenplatte zur Montage auf einem Kühler.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 enthält das Modul M1 die beiden
Ventile V21 und V14, das Modul M2 die Ventile V11 und V24, das Modul M3 die Ventile
V13 und V22 sowie das Modul M4 die Ventile V23 und V12. Die nötigen externen elektrischen
Verbindungen zwischen den Ventilen zur Realisierung des Doppelstromriehters gemäß
Fig. i werden mit Hilfe von Leiterbahnen auf der zweiseitig kupferkaschierten Leiterplatte
1 ausgeführt. Als externe elektrischen Verbindungen treten beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 die Verbindungen AK1/A1/K1/A2/K2, AK2/A3/K3/A4/K, Ara1/B1/B4 sowie
Kmi/B2/B3 auf. Durch die gewählte Anordnung und die kreuzungsfreie "Verdrahtung"
über Leiterbahnen ist gewährleistet, daß in jedem Modul Mi, M2... beim Betrieb einer
beliebigen Brücke I bzw. II jeweils nur ein Stromrichterventil leitend ist und Verlustleistung
erzeugt.
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Die Verlustleistungsabgabe erfolgt somit sehr gleichmäßig an den Kühler.
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In Fig. 3 ist die mit den Strompfaden (Leiterbahnen) beschichtete
Leiterplatte 1 zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig 2 im einzelnen dargestellt. Die
Strompfade sind dabei auf beiden Seiten der Leiterplatte 1 mit identischer Geometrie
ausgeführt. Die Leiterbahndicke ist den Betriebsstrcin.en angepaßt. Durch die beidseitige
Beschichtung der Leiterplatte ist eine hohe, gleichmäßige Stromverteilung gewährleistet.
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Die Kontaktierung zwischen den Leiterbahnen auf beiden Seiten der
Leiterplatte erfolgt einerseits durch eine Durohmetallisierung und zusätzlich durch
elektrisch gut leitende Metalleinsätze gemäß Fig. 4, die durch Bohrungen am Ort
der Durchmetallisierungen hindurchgeführt und auf beiden Seiten der Leiterplatte
1 mit den Leiterbahnen verlötet werden. Die Verwendung der Metalleinsätze bewirkt,
daß unabhängig von den Toleranzen der Leiterplatten die Module starr (ohne "Fließen"
des Materials) kontaktiert (verschraubt) werden. Es tritt vorteilhaft keine örtliche
Überhitzung infolge zu hohen Stromflusses auf (diese Gefahr besteht bei Lötpunkten).
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Die elektrischen Verbindungen zwischen den Hauptanschlüssen AK1, AK2,
Am1, ml und den einzelnen Modulen werden ebenfalls mittels Leiterbahnen auf der
zweiseitig kupferkaschierten Leiterplatte 1 ausgeführt. Die Leitungen des Geräteanwenders
werden also direkt an die Leiterplatte 1 angebracht. Zusätzliche Klemmen sind nicht
erforderlich. Neben der ohnehin erforderlichen Montage der Modulanschlußschrauben
zur Kontaktierung der Anschlüsse Al, A2, ... Ki, K2 ... B1, B2, ... AK1, AK2, Am1,
Km1 ist kein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich. Verdrahtungsfehler sind wegen
des zwangsläufigen Anschlusses mittels Leiterplatte ausgeschlossen.
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Zur Durchführung der Steueransehlüsse G11... und Hilfskathodenanschlüsse
Ki 1 .. . der montierten Module kann die Leiterplatte 1 eine Bohrung in Reihe zu
den Esohrungen für die elektrischen Anschlüsse A, K, B aufweisen.
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Ferner sind zusätzliche Bohrungen in der Leiterplatte vorzusehen,
um eine einfache Montage der Module auf einem Kühler zu ermöglichen (z.B. zur Durchführung
von Schraubendrehern).
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Als Besonderheit des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3
ist
zu beachten, daß die Verbindung von Km1 zum gemeinsamen Anschlußpunkt B2/B3 über
einen Strommeßwiderstand 2 erfolgt.
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Auf der Leiterplatte können zusätzlich die Stromistwerterfassung (galvanisch
vom Leistungsteil getrennt), das Elektronik-Netzgerät, die Gleichrichterbrücke,
der Überspannungsschutz und die für die quasi-potentialgetrennte Erfassung der Ein-
und Ausgangsspannung des Doppelstromrichters notwendigen Bauelemente befinden Eine
zweite Leiterplatte kann für die bei Geräten verschiedener Leistung stets gleich
aufgebaute Steuer--und Regeleinrichtung vorgesehen ein.
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In Fig. 4 ist eine Aufsicht und ein Schnitt des zur Kontaktierung
der Modul-Anschlüsse A...,K..., B... und der Hauptanschlüsse AKI, AK2, Ami, K1 auf
der Leiterplatte dienenden Metalleinsatzes 3 dargestellt. Der Metalleinsatz 3 besteht
im wesentlichen aus einer gerändelten zylinderförmigen Hülse 4 mit überstehendem
Kragen 5. Der Außendurchmesser der Hülse 4 entspricht etwa dem Innendurchmesser
der Bohrungen der Durchmetallisierungen.
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In Fig. 5 ist der Aufbau des Stromriehtergerätes dargestellt. Die
beidseitig beschichtete Leiterplatte 1 ist, wie bereits beschrieben, am Ort der
Durehmetallisierungen mit Metalleinsätzen 3 verlötet. Die Anschlüsse Al, K1, B1
des Stromrichtermoduls M1 werden unter Zwischen legung federnder Unterlegscheiben
6 mit Hilfe von Schrauben 7 mit den Metalleinsätzen 3 kontaktiert. In der gleichen
Art und Weise werden die übrigen Module sowie die Hauptansehlüsse hK1... befestigt.
Die federn den Unterlegscheiben 6 bewirken, daß thermische Beanspruchungen der Stromrichterventile
bzw. Module während des Betriebes nicht zu einer Beeinträchtigung der elek-
trischen
Kontaktierung infolge locker werdender Verschraubung führt. Die Schrauben 7 sind
vorteilhaft nicht selbst stromführend, sie dienen nur zum Zwecke der mechanischen
Fixierung.
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Als Kühler für die Stromrichterventile und gleichzeitig als Gehäuse
8 des Gerätes wird ein U-Blech aus Aluminium mit vergrößerter Blechstärke zwecks
besserer Wärmeabfuhr und -verteilung verwendet. Die Blechstärke des Gehäuses 8 wird
also nach thermischen und nicht nach mechanischen Gesichtspunkten festgelegt. Die
Oberfläche des Gehäuses 8 ist so gestaltet, daß trotz Eloxierung bzw. Lackierung
des Gehäuse ein optimaler Wärmeübergang von den Modulen zum Aluminiumgehäuse gewährleistet
ist. Die Module sind über Muttern 9 und Schrauben 10 mit dem Gehäuse 8 verschraubt.
Zur Abstützung der Leiterplatte 1 ist eine Befestigungsschiene 11 am Gehäuse 8 vorgesehen.
Das Gehäuse 8 kann neben den Modulen den Elektronik-Netzgerätetransformator, den
Siebelektrolytkondensator des Elektronik-Netzgerätes, die Widerstände und den Konden
sator des Überspannunrgsschutzes usw tragen. Zusätzlich kann ein Thermoschalter
als Übertemperaturschutz auf dem Gehäuse 8 montiert sein.
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In den Fig. 6,7,8 sind weitere gegenüber dem Beispiel gemäß Fig. 2
abweichende Varianten für den Aufbau des Doppelstromrichters auf einer Leiterplatte
mit Hilfe von Modulen dargestellt. Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 6 enthält
das Modul Mi die Ventile V23 und V12, das Modul M2 die Ventile V21 und V14, das
Modul M3 die Ventile Vii und V24 sowie das Modul M4 die Ventile V13 und V22. Die
externen Verbindungen Aki/K2/K3/A2/A3, Ak2/Al!/K4/A1/K1 Am1/B1/B2 sowie Km1/B3/B4
werden mittels Leiterbahnen auf der Leiterplatte realisiert.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 7 enthält das
Modul
M1 die Ventile V12 und V23, das Modul M2 die Ventile V14 und V21, das Modul M3 die
Ventile V24 und V11 sowie das Modul M4 die Ventile V22 und V13. Die externen Verbindungen
AK1/B2/B3, Ak2/Bi/B4, Am1/K1/A1/A2/K2 sowie Km1/K4/A4/A3/K3 werden mittels Leiterbahnen
auf der Leiterplatte realisiert.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 8 enthält das Modul M1 die
Ventile V24 und Vii, das Modul M2 die Ventile V14 und V21, das Modul M3 die Ventile
V12 und V23 sowie das Modul M die Ventile V22 und V13. Die externen Verbindungen
Ak1/B1/B2, Ak2/B3/B4, Am1/A2/K2/A3/K3 sowie Km1/A4/K4/A1/K1 werden mittels Leiterbahnen
auf der Leiterplatte realisiert.
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