DE3214233C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Stromrichtergerät
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein
Stromrichtergerät kann beispielsweise als Doppelstromrichter
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 Halbleiter-Module vorgesehen. Die Module sind auf einer Seite
eines gemeinsamen Kühlkörpers
in einer Ebene montiert. Die
Längsseiten der Module liegen achsparallel zueinander.
Bezüglich der Anschlußreihenfolge ihrer Hauptanschlüsse
sind die Module abwechselnd um 180° gedreht montiert.
Die Verbindung der Module zu einer funktionstüchtigen
Stromrichtereinheit kann somit mit sehr wenigen geraden
Metallschienen ausgeführt werden, die
raumsparend nahezu in einer Ebene angeordnet sind.
Ein Nachteil des bekannten Stromrichtergerätes ist der
Einsatz eines relativ großen Kühlkörpers. Desweiteren
können Montagefehler infolge des notwendigen abwechselnd
verdrehten Einbaus der Module auftreten.
Aus der DE-AS 26 11 260 ist eine Stromrichterbaueinheit
mit einem mehreren Halbleiterventilen gemeinsamen Kühlkörper
bekannt. Die Halbleiterventile sind dabei mit starren,
langgestreckten Leiterelementen verbunden, die als Träger
von elektrischen Funktionselementen, wie Trägerstaueffekt-
Beschaltung, Stromwandler, Impulsübertrager,
Stromistwerterfassungsschaltung und Stromschienen dienen.
Dabei können einzelne Funktionselemente auch auf
einer Leiterplatte untergebracht sein, die von den Leiterelementen
durchstoßen wird, wobei elektrische Kontakte
zwischen Leiterplatte und Leiterelementen an den
Durchstoßstellen vorhanden sind. Die Leiterplatte
wird jedoch nicht zur elektrischen Verbindung der einzelnen
Stromrichterventile untereinander und zur Bildung
der Hauptanschlüsse herangezogen.
Aus "Elektor", April 1980, Seite 4-46 bis 4-52 ist eine
Transistorzündung bekannt. Darin sind einzelne Leistungstransistoren
vorgesehen, wobei deren Hauptstrom-
Anschlüsse untereinander und die Außenanschlüsse des
Gerätes durch verhältnismäßig breite, auf einer Leiterplatte
ausgebildete Leiterbahnen verbunden sind. Die
Leistungstransistoren sind in diese Leiterplatte direkt
eingelötet.
In "BBC-Nachrichten", 1980, Heft 5, Seite 173 bis 179
wird die Technik und Anwendung einphasiger Umkehrstromrichter
und damit ein einphasiger Doppelstromrichter
beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte
Stromrichtergerät der eingangs genannten Art derart zu
verbessern, daß die Verdrahtung leichter herstellbar ist
und Verdrahtungsfehler ausgeschlossen werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß der Montagezeitaufwand sehr gering
ist, weil sich die Montage auf die Verschraubung zwischen
Leiterplatte und Modulen bzw. zwischen Modulen und
Gehäuse beschränkt. Zusätzliche Leitungen sind nicht zu
verlegen. Das Gehäuse ist potentialfrei, muß also nicht
zusätzlich isoliert werden. Es ist eine optimale Ausnutzung
des gleichzeitig als Gehäuse dienenden Kühlkörpers 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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden
anhand der Zeichnungen erläutert, wobei als Stromrichtergerät
ein einphasiger Doppelstromrichter verwendet
wird.
Es zeigt
Fig. 1 das elektrische Schaltbild eines einphasigen
Doppelstromrichters,
Fig. 2 den Aufbau des Doppelstromrichters auf einer
Leiterplatte unter Verwendung von Stromrichtermodulen,
Fig. 3 die mit Leiterbahnen geschichtete
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.
In Fig. 1 ist das allgemein bekannte elektrische Schaltbild
eines einphasigen Doppelstromrichters dargestellt.
Die Stromrichterbrücken I bzw. II bestehen dabei jeweils
aus vier Stromrichterventilen (Thyristoren) V 11, V 12,
V 13, V 14 bzw. V 21, V 22, V 23, V 24. Die Steueranschlüsse
bzw. Hilfskathodenanschlüsse der Stromrichterventile
sind mit G 11, G 12, G 13, G 14, G 21, G 22, G 23, G 24 bzw.
K 11, K 12, K 13, K 14, K 21, K 22, K 23, K 24 bezeichnet. Der
erste Wechselspannungsanschluß AK 1 ist mit den Anoden
der Ventile V 11 und V 21 sowie mit den Kathoden der
Ventile V 14 und V 24 verbunden. Am zweiten Wechselspannungsanschluß
AK 2 liegen die Anoden der Ventile V 13 und
V 23 sowie die Kathoden der Ventile V 12 und V 22. Mit dem
ersten Gleichstromanschluß Am 1 sind die Anoden der
Ventile V 14, V 12, V 21 und V 23 verbunden. Am zweiten
Gleichstromanschluß Km 1 liegen die Kathoden der Ventile
V 11, V 13, V 24 und V 22. Die Anschlüsse AK 1, AK 2, Km 1, Am 1
werden nachfolgend auch als Hauptanschlüsse bezeichnet.
In Fig. 2 ist der Aufbau des unter Fig. 1 beschriebenen
einphasigen Doppelstromrichters auf einer Leiterplatte 1
unter Verwendung von Stromrichtermodulen M 1, M 2, M 3, M 4
dargestellt. Als Module werden vorzugsweise die aus der
bereits erwähnten DE-OS 28 29 300 bekannten Module eingesetzt.
Jedes Modul weist dabei in einem Gehäuse zwei
Stromrichterventile (Thyristoren) (V 11 . . .) 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 Schraubenanschluß zugänglich
und nachfolgend für die Module M 1, M 2, M 3, M 4 mit B 1,
B 2, B 3, B 4 bezeichnet. Der freie Anodenanschluß des
einen Ventil bzw. der freie Kathodenanschluß des anderen
Ventils sind ebenfalls über Schraubenanschlüsse extern
zugänglich und nachfolgend mit A 1, A 2, A 3, A 4, bzw. K 1,
K 2, K 3, K 4 bezeichnet. Sämtliche externen Anschlüsse
eines Moduls liegen in einer Reihe auf der Oberseite des
Moduls. Die ebenfalls auf der Oberseite des Moduls angeordneten
Steueranschlüsse G 11, G 12 . . . sowie Hilfskathodenanschlüsse
K 11, K 12 . . . sind als Steckkontakte ausgeführt
und in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht im einzelnen dargestellt, sondern lediglich durch
Pfeile gekennzeichnet.
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 an einen Kühlkörper abgeführt
wird. Durch diesen isolierenden Aufbau der Module
bleibt der erforderliche Kühlkörper 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 Kühlkörper.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 enthält das Modul
M 1 die beiden Ventile V 21 und V 14, das Modul M 2 die
Ventile V 11 und V 24, das Modul M 3 die Ventile V 13 und
V 22 sowie das Modul M 4 die Ventile V 23 und V 12. Die
nötigen externen elektrischen Verbindungen zwischen den
Ventilen zur Realisierung des Doppelstromrichters gemäß
Fig. 1 werden mit Hilfe von Leiterbahnen auf der zweiseitig
kupferkaschierten Leiterplatte 1 ausgeführt. Als
externe elektrische Verbindungen treten beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 die Verbindungen
AK 1/A 1/K 1/A 2/K 2, AK 2/A 3/K 3/A 4/K 4, Am 1/B 1/B 4 sowie
Km 1/B 2/B 3 auf. Durch die gewählte Anordnung und die
kreuzungsfreie "Verdrahtung" über Leiterbahnen ist
gewährleistet, daß in jedem Modul M 1, M 2 . . . beim Betrieb
einer beliebigen Brücke I bzw. II jeweils nur ein Stromrichterventil
leitend ist und Verlustleistung erzeugt.
Die Verlustleistungsabgabe erfolgt somit sehr gleichmäßig
an den Kühlkörper.
In Fig. 3 ist die mit den Leiterbahnen
beschichtete Leiterplatte 1 zum Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 im einzelnen dargestellt. Die Leiterbahnen
sind dabei auf beiden Seiten der Leiterplatten 1 mit
identischer Geometrie ausgeführt. Der Leiterbahnquerschnitt
ist den Betriebsströmen angepaßt. Durch die beidseitige
Beschichtung der Leiterplatte ist ein großer gleichmäßig verteilter
Betriebsstrom gewährleistet.
Die Kontaktierung zwischen den Leiterbahnen auf beiden
Seiten der Leiterplatten erfolgt einerseits durch eine
Durchmetallisierung und zusätzlich durch elektrisch gut
leitende Metalleinsätze 3 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 3
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 schlechten Kontaktes
auf (diese Gefahr besteht bei Lötpunkten).
Die elektrischen Verbindungen zwischen den Hauptanschlüssen
AK 1, AK 2, Am 1, Km 1 und den einzelnen Modulen
werden ebenfalls mittels Leiterbahnen auf der zweiseitig
kupferkaschierten Leiterplatte 1 ausgeführt. Die Leitungen
des Gerätewanwenders werden also direkt an die
Leiterplatte 1 angebracht. Zusätzliche Klemmen sind
nicht erforderlich. Neben der ohnehin erforderlichen
Montage der Modulanschlußschrauben zur Kontaktierung der
Anschlüsse A 1, A 2, . . . K 1, K 2, . . . B 1, B 2, . . . AK 1, AK 2,
Am 1, Km 1 ist kein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich.
Verdrahtungsfehler sind wegen der eindeutigen
Einbaulage der Leiterplatte ausgeschlossen.
Zur Durchführung der Steueranschlüsse G 11 . . . und Hilfskathodenanschlüsse
K 11 . . . der montierten Module kann
die Leiterplatte 1 eine Bohrung in Reihe zu den Bohrungen
für die elektrischen Anschlüsse A, K, B aufweisen.
Ferner sind zusätzliche Bohrungen in der Leiterplatte
vorzusehen, um eine einfache Montage der Module auf
einem Kühlkörper zu ermöglichen (z. B. zur Durchführung von
Schraubendrehern).
Als Besonderheit des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3
ist zu beachten, daß die Verbindung von Km 1 zum gemeinsamen
Anschlußpunkt B 2/B 3 über einen Strommeßwiderstand 2
erfolgt.
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 Reglereinrichtung vorgesehen sein.
In Fig. 4 ist eine Aufsicht und ein Schnitt des zur
Kontaktierung der Modul-Anschlüsse A . . . , K . . . , B . . . und
der Hauptanschlüsse AK 1, AM 2, Am 1, Km 1 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.
In Fig. 5 ist der Aufbau des Stromrichtergerätes dargestellt.
Die beidseitig beschichtete Leiterplatte 1 ist,
wie bereits beschrieben, am Ort der Durchmetallisierungen
mit Metalleinsätzen 3 verlötet. Die Anschlüsse A 1,
K 1, B 1 des Stromrichtermoduls M 1 werden unter Zwischenlegung
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 Hauptanschlüsse AK 1 . . . befestigt. Die federnden
Unterlegscheiben 6 bewirken, daß thermische Beanspruchungen
der Stromrichterventile bzw. Module während
des Betriebes nicht zu einer Beeinträchtigung der elektrischen
Kontaktierung infolge locker werdender Verschraubung
führt. Die Schrauben 7 sind vorteilhaft nicht
selbst stromführend, sie dienen nur zum Zwecke der
mechanischen Fixierung.
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 Gehäuses 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 Kondensator
des Überspannungsschutzes usw. tragen. Zusätzlich
kann ein Thermoschalter als Übertemperaturschutz auf dem
Gehäuse 8 montiert sein.
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 M 1 die Ventile V 23 und V 12, das
Modul M 2 die Ventile V 21 und V 14, das Modul M 3 die
Ventile V 11 und V 24 sowie das Modul M 4 die Ventile V 13
und V 22. Die externen Verbindungen AK 1/K 2/K 3/A 2/A 3,
AK 2/A 4/K 4/A 1/K 1, Am 1/B 1/B 2 sowie Km 1/B 3/B 4 werden
mittels Leiterbahnen auf der Leiterplatte realisiert.
Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 7 enthält das
Modul M 1 die Ventile V 12 und V 23, das Modul M 2 die
Ventile V 14 und V 21, das Modul M 3 die Ventile V 24 und
V 11 sowie das Modul M 4 die Ventile V 22 und V 13. Die
externen Verbindungen AK 1/B 2/B 3, AK 2/B 1/B 4,
Am 1/K 1/A 1/A 2/K 2 sowie Km 1/K 4/A 4/A 3/K 3 werden mittels
Leiterbahnen auf der Leiterplatte realisiert.
Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 8 enthält das
Modul M 1 die Ventile V 24 und V 11, das Modul M 2 die
Ventile V 14 und V 21, das Modul M 3 die Ventile V 12 und
V 23 sowie das Modul M 4 die Ventile V 22 und V 13. Die
externen Verbindungen AK 1/B 1/B 2, AK 2/B 3/B 4,
Am 1/A 2/K 2/A 3/K 3 sowie Km 1/A 4/K 4/A 1/K 1 werden mittels
Leiterbahnen auf der Leiterplatte realisiert.
Claims (3)
1. Stromrichtergerät, bestehend aus Stromrichtermodulen
mit jeweils zwei Stromrichterventilen, vorzugsweise
Thyristoren, deren Hauptanschlüsse aus der Oberseite
des Modulgehäuses herausgeführt sind und mit jeweils
einer thermisch leitfähigen, elektrisch isolierenden
Bodenplatte, weiterhin bestehend aus einer gemeinsamen,
die Bodenplatte thermisch kontaktierenden Kühlkörper
für alle Module, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bildung eines einphasigen Doppelstromrichters vier
Stromrichtermodule (M 1 bis M 4) nebeneinander und bezüglich
der Hauptanschlüsse (A 1 bis A 4, K 1 bis K 4, B 1 bis B 4) der Module (M 1 bis M 4) in
gleicher Weise orientiert auf der Kühleinrichtung angeordnet
sind, daß die Hauptanschlüsse (A 1 bis A 4, K 1 bis K 4, B 1 bis B 4)
der Module (M 1 bis M 4) direkt mit auf einer Leiterplatte
(1) ausgebildeten Leiterbahnen verbunden sind,
wobei diese Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der
einzelnen Stromrichterventile (V 11 bis V 14, V 21 bis V 24) untereinander und
zur Bildung von vier Hauptanschlüssen (AK 1, AK 2, Am 1,
Km 1) des Stromrichtergerätes dienen, daß die Leiterbahnen
in geometrisch identisch gleicher Weise auf beiden
Seiten der Leiterplatte (1) kreuzungsfrei verlaufen und
mittels Durchmetallisierungen miteinander verbunden
sind, wobei die Leiterbahnen so ausgeführt sind, daß
stets je ein Ventil (V 11 bis V 14) der ersten Stromrichterbrücke
und je ein Ventil (V 21 bis V 24) der zweiten Stromrichterbrücke
in einem Modul (M 1 bis M 4) vereint sind, daß die vier
Hauptanschlüsse (AK 1, AK 2, Am 1, Km 1) des Stromrichtergerätes
in einer Reihe längs einer Kante der Leiterplatte
(1) unterhalb der Module liegen, und daß Bohrungen zur
Durchführung von Steueranschlüssen (G 11 bis G 14, G 21 bis G 24) für
die Module (M 1 bis M 4) in einer Reihe längs der gegenüberliegenden
Kante der Leiterplatte (1) oberhalb der Module
angeordnet sind.
2. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß am Ort der Durchmetallisierungen Metalleinsätze
(3) bestehend aus einer Hülse (4) mit überstehendem
Kragen (5) eingelegt und mit den Durchmetallisierungen
verlötet sind.
3. Stromrichtergerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß durch die kreuzungsfreie
Leiterbahnführung, gegebenenfalls erforderliche Brücken
jeweils durch Strom-Meßwiderstände (2) realisiert sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19823214233 DE3214233A1 (de) | 1982-04-17 | 1982-04-17 | Stromrichtergeraet |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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DE3214233A1 DE3214233A1 (de) | 1983-10-20 |
DE3214233C2 true DE3214233C2 (de) | 1989-05-11 |
Family
ID=6161174
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
|
8120 | Willingness to grant licenses paragraph 23 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ASEA BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |