-
Stromrichterbaueinheit
-
Die Erfindung betrifft eine Stromrichterbaueinheit mit mindestens
zwei Halbleiterventilen je Wechselstromphase und einem allen Halbleiterventilen
gemeinsamen Kühlkörper.
-
Eine derartige Stromrichterbaueinheit ist aus der DT-PS 1 514 463
nur für Gleichrichteranlagen mit gesteuerten Ventilen bekannt, bei denen je Phase
mindestens zwei Ventile antiparallel geschaltet sind und bei denen jeweils immer
nur die Ventile einer Durchlaßrichtung geöffnet sind. Bei üblichen Stromrichterbaueinheiten
wird fiir jedes Halbleiterventil ein eigener Kühlkörper vorgesehen. Mehrere solcher
Einheiten werden zusammen mit anderen Funktionselementen im Inneren eines Gehäuses,
sei es eines Elektronikschranks oder eines Baugruppenträgers, weitgehend separat
montiert. So müssen die Drehstromleitungen beispielsweise mit Stromwandlern versehen
werden, eine Stromistwerterfassungsschaltung, Ansteuerbaugruppen mit Verstärkern
und Beschaltungsbaugruppen sowie Stromschienen sind als weitere Funktionselemente
in das Gehäuse einzubringen und schließlich muß ein Lüfter so angebracht werden,
daß eine hinreichende Kühlung von thermisch hoch belasteten Bauelementen oder Baugruppen
erreicht wird. Die elektronischen Bsugruppen sowie die Stromrichterbaueinheit müssen
schließlich noch funktionsgerecht verdrahtet werden. Hinzu kommt noch, daß für die
Stromrichterbaueinheit und die notwendigen Funktionselemente mechanische Trag- und
Führungssysteme vorzusehen sind.
-
Es besteht die Aufgabe, eine Stromrichterbaueinheit der eingangs genannten
Art so auszugestalten, daß sie bei kompakter
Bauweise und großer
Fertigungs- und Montagefreundlichkeit alle funktionell zusammengehörigen Elemente
vereint.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halbleiterventile
eine thermisch gut leitende, elektrisch isolierende Auflagefläche aufweisen und
die elektrischen Anschlüsse der Halbleiterventile der Auflagefläche abgewandt sind,
daß alle Halbleiterventile mit ihren Auflageflächen an einer ebenen Kühlfläche des
Kühlkörpers anliegen, daß die Anschlüsse der Halbleiterventile mit starren, länglichen
Leiterelementen verbunden sind und daß die Leiterelemente als Träger von in einer
oder mehreren parallelen Montageebenen angeordncteri ciektrischen Funktionselementen
dienen.
-
Damit werden Halbleiterventile, Kühlkcrper sowie die für einen Stromrichter
funktionanotwendigen Funktionselemnte zu einer selbsttragenden, stabilen Einheit
mit hoher Packungsdichte vf-rbunden, mit der sich Stromrichter aller Art, beispielsweise
auch gesteuerte Gleichrichter realisieren lassen. Durch die Anordnung der elektrischen
Funktionselemente in einer oder mebreren Ebenen bleiben diese gut einsehbar und
leicht zugänglich.
-
Dies trägt zu einer erhöhten Fertigungs-, Montage- und Wartungfreundlichkeit
bei. Der Einsatz von Halbleiterventilen, deren Kühl- und Anschlußflächen einander
diametral gegenüberliegen, ermöglicht eine klare räumliche Trennung von Kühlfunktion
und elektrischer Leitungsfunktion. Durch eine lösbare, mechanisch stabile Verbindung
der Anschlüsse der Halbleiterventile mit starren, länglichen, dem Kühlkörper abgewandten
Leiterelementen wird durch diese letzteren eine Art "Gerüst" vorgegeben, an dem
zugeordnete elektrische Funktionselemente befestigt werden können. Da dieses Gerüt
aber gleichzeitig in die elektrische Leitungsführung integriert ist, können, woimmer
in den verschiedenen Montageebenen nötig, unmittelbar elektrische Verbindungen zu
den in den Montageebenen angeordneten Funktionselementen hergestellt werden. Die
Leiterelemente haben somit eine Doppelfunktion, die einerseits in mechanischer Abstützung
und andererseits
in der Führung des elektrischen Heuptatromes besteht.
Die zielgerichtete Nutzung dieser Doppçlfunktion trägt neben einer erheblich besseren
Raumnutzung zu einer Erhöhung der Funktionssicherheit bei, da damit erhebliche Teile
einer umständlichen, möglicherweise mit Fehlern behafteten Verdrahtung entfallen
und die Gefahr undefinierter Leitungseinstreuungen vermieden wird.
-
Mehrere vorgefertigte, werkseitig vollständig durchgeprüfte Stromrichterbaueinheiten
können am Einsatzort mühelos, beispielsweise als modulare Einheiten zum Aufbau einer
Stromversorgung für Gleichstrommotoren, durch wenige Steckverbindungen und Stromschienenanschliisse
in ein größeres Gerät integriert werden.
-
Es ist günstig, wenn die Montageebenen im wesentlichen senkrecht zu
den Leiterelementen verlaufen. Dies gewährleistet einen einfachen und doch robusten
Aufbau.
-
In einer vorteilhaften Ausfahrungsform sind die in einer der Montageebenen
liegenden elektrischen Funktionselemente auf einer Leiterplatte untergebracht, die
von den Leiterelementen durchstoßen wird. Dabei kann an den Durchstoßungsstellen
ein mechanisch belastbarer und elektrischer Kontakt zwischen Leiterpiatte und Leiterelement
hergestellt sein. Solche Funktionselemente können beispielsweise für einen gesteuerten
Stromrichter Beschaltungabaugruppen zum Schutz der IIalbleiterventile gegen überströmte
und Überspannungen und Ansteuerbaugruppen zur Übertragung der Steuerimpulse auf
die Halbleiterventile sein. Eine mit solchen Funktionselementen versehene Leiterplatte
kann vorgefertigt und voll geprüft werden, ehe sie in die Stromrichterbaueinheit
eingebracht wird. Um eine handliche und gegen mechanische Beschädigungen weitgehend
sichere Bauform zu erreichen, wird man die Leiterplatte in ihren Abmessungen auf
die Abmessungen des Kühlkörper2 abstimmen, so daß sie den Kühlkörper seitlich nicht
wesentlich überragt. Durch die Herstellung des Kontaktes zwischen Leiterplatte und
Leiterelement wird die Leiterplatte mechanisch zuverlässig gehaltert, wobei gleichzeitig
die auf der Leiterplatte untergebrachten elektrischen Funktionselemente
über
die Leiterelemente mit den Anschlüssen der Halbleiterventile kontaktsicher verbunden
sind. Die Verbindung zwischen Leiterplatte und leiterelement kann derart erfolgen,
daß die Leiterplatte an der Durchstoßungsstelle eine ringförmige Leiterbahn aufweist.
Bei dem nach der Bestückung der Leiterplatte ohnehin erforderlichen Schwallvorgang
kann dann das Leiterelement an dieser Stelle sofort mit eingelötet werden.
-
Es tst vorteilhaft, wenn als Funktionselemente in einer der Montageebenen
die Leiterelemente funktionsgerecht verbindende Stromschienen sowie Stromwandler
angeordnet sind. In dieser Ebene erfolgt somit in übersichtlicher Form und gut zugänglich
die funktionsgerechte elektrische Verbindung der Malbleiterventilanschlüsse sowie
die Stromerfassung. In dieser Ebene erfolgt die elektrische Einspeisung sowie die
Entnahme der durch die Wirkung des Stromrichters modifizierten Ströme.
-
Die Leiterelemente können als Metallhülsen ausgebildet sein, die durch
Verschraubung auf die elektrischen Anschlüsse der Halbleiterventile angepreßt sind.
Die mit einer oder mehreren Leiterplatten fest verbundenen Metallhülsen, können
mit geringem mechanischen Aufwand durch Schrauben, die durch die einzelnen Metallhülsen
hindurchgesteckt werden, auf die Anschlüsse der Halbleiterventile aufgepreßt werden,
wenn diese Anschlüsse ein Innengewinde aufweisen. Durch diese Schrauben können die
am kühlkörperfernen Ende der MetallhUlsen in einer Ebene angeordreten Stromschienen
gleichzeitig mit den Metallhülsen leicht demontierbar verbunden werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind als Halbleiterventile
Bauelemente eingesetzt, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterventile
umfassen, wobei die beiden dem Eingang und dem Ausgang der Serienschaltung zugeordneten
Anschlüsse sowie ein dritter, dem Verbindungsleiter zwischen den Halbleiterventilen
zugeordneter Anschluß auf dem Bauelement in einer Reihe angecrdnet sind. Diese Bauelemente
können mit geringem Montageaufwand auf dem Kühlkörper befestigt werden und verringern
wegen
der Maßhaltigkeit ihrer Anschlüsse Toleranzprobleme bei der
Befestigung mehrerer in einer Leiterplatte befestigter Leiterelemente.
-
Bei einer Stromrichterbaueinheit für ein Drehstromsystem jst es günstig,
wenn drei derartige Bauelemente parallel zueinander angeordnet sind. Dies ergibt
einen einfachen Aufbau und einen übersichtlichen, geradlinigen Stromachienenverlauf.
-
In einer vorteilhaften Auegeatltuneform dient als Kühlfläche eine
Außenfläche eines Kühlkörpers, dessen vun der Außenfläche abgewandte Kühlfahnen
durch Luftleitwände unter Bildung eines rechteckigen Strömungskanals abgedeckt sind,
wobei die Rühlfahnen durch einen stirnseitig angebrachten hxiallufter zwangabelUftet
sind. Die kompakte Lüfter-Kühlkörpereinheit sorgt ftir eine wirksame Kühlung der
thermisch hochbelasteten Halbleiterventile und stellt in Form einer gut zugänglichen,
ebenen Außenfläche eine günstige Befestigungsebene für die IIalbleiterventile dar.
-
Die Stromrichterbaueinheit eignet sich je nach Einsatzzweck sowohl
für die Bestückung mit gesteuerten wie auch ungesteuerten Halbleiterventilen. So
können als Halbleiterventile auch Thyristoren eingesetzt sein. In diesem Fall kann
die Leiterplatte als Funktionselemente Impulsübertrager, Trägerstaueffekt-Beschaltung
und Bauelemente für die Stromistwerterfassung sowie Kontakteinheiten für den Anschluß
äußerer Verbindungsleiter aufweisen.
-
Speziell bei dem höheren Beschaltungsaufwand für gesteuerte Halbleiterventile
kommt der äußerst raumökonomische Aufbau der Stromrichterbaueinheit zur Geltung.
Durch die Integration aller funktionswichtigen Elemente, durch die räumliche Anordnung
dieser Elemente und durch die Kombination mechanischer und elektrischer Verbindungen
in Form der Leiterelemente konnte in Bezug auf konventionelle, d.h. aus getrennten
Funktionseinheiten bestehenden, leistungsgleiche Stromrichterbaueinheiten das Bauvolumen
um 90% und das Gewicht um 80% reduziert werden.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfahrungsbeispiels
in den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 das Blockschaltbild
einer Thyristorbaueinheit, Fig. 2 den räumlichen Aufbau einer erfindungsgemäß gestalteten
Stromrichterbaueinheit in pers#ektivischer Darstellung und Fig. 3 einen Schnitt
durch die Stromrichterbaueinheit entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2.
-
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt schematisch den Aufbau
einer Stromrichterbaueinheit mit den zugehörigen elektrischen Funktionselementen.
gm Zentrum des Schaltbildes ist mit dem Bezugszeichen 1 die Halbleiterventileinheit
des Stromrichter2 bezeichnet. Sie umfaßt sechs Thyristoren T1 bis T6 in einer sechspoligen
Drehstrom-Brückenschaltung. Die Sinspeisung der Drehspannung erfolgt am Eingang
E über Stromwandler 2. Die Ausgangsklemmen der Stromrichterbaueinheit sind mit Al,
A2 bezeichnet.
-
Die Stromrichterbaueinheit umfaßt ferner Impulsöbertrager 3, gegebenenfalls
mit nachgeschalteten Impulaverstärkern zur Einkoplung der Steuerimpulse auf die
Zündelektroden der Thyristoren T1 bis T6, die Trägerstaueffekt-Beschaltung 4, eine
Stromiatwerterfassungsachaltung 5 als elektrische Funktionselemente sowie einen
Lüfter 6 zur Kühlung der thermisch hochbelasteten Thyristoren T1 bis T6.
-
Wie eingangs bereits erwähnt, wurde bislang die Halbleiterventileinheit
sowie die zugeordneten elektrischen Funktionselemente getrennt aufgebaut und angeordnet.
-
Dieser Weg wird in der vorliegenden Erfindung zugunsten eines integrierten
Aufbaus verlassen. Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße
Ausführungsform der Stromrichterbaueinheit. Mit 7 ist ein durch Luftleitwände zur
Quaderform ergänzter Kühlkörper bezeichnet, dessen eine Stirnfläche mit einem Axiallüfter
6 versehen und dessen gegenüberliegende Stirnfläche
offen ist.
Die kanalähnliche Gestaltung des Kühlkörpers 7 führt zu einer einwandfreien und
gleichmäßigen Xülllgasströmung an den im Kanalinneren befindlichen Kuhlfahnen 8.
-
Der Innenaufbau des Kühlkörpers 7 ist aus Fig. 3 ersichtlich.
-
Fig. 3 stellt einen Schnitt entlang der Schnittlinie 111-111 in Fig.
2 dar. Die ins Innere des quaderförmigen Kühlkörperz 7 gewandten Kühlfahnen 8 geben
die an der Kühlfläche 9 von den zu kühlenden IIalbleiterventilen T1 bis T6 Ubernommene
Wärme an den laminaren Kühlluftstrom ab.
-
Die Stromrichterbaueinheit wird im Einsatzf31l gegenüber der in Fig.
2 dargestellten Lage um 900 verdreht, also säulentartig stehend montiert. Der Axialltifter
6 liegt über der Eintrittsöffnung des Kühlkörpers 7 und unterstftzt durch Sosirkung
die Konvektionsatrömung des Kühlgases.
-
Anstelle einzelner Halbleiterventile T1 bis T6 sind untereinander
baugleiche Bauelemente 10 eingesetzt, die jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterventile
in einem länglichen Gehäuse vereinen. Diese Bauelemente sind in den Fig. 2 und 3
dargestellt.
-
Die Wärmeabfuhr von den Halbleiterventilen dieser Bauelemente 10 erfolgt
elektrisch isoliert über thermisch gut leitende Oxidkeramik an die metallische Auflagefläche
11 der Bauelemente 10. Die elektrischen Anschlüsse dieser Bauelemente 10 liegen
der Auflagefläche 11 gegenüber und sind in einer Reihe hintereinander angeordnet.
Dabei sind die dem Eingang und die dem Ausgang der Serienschaltung zugeordneten
Anschlüsse 12, 13 benachbart. An sie schließt sich als dritter, der dem Verbindungsleiter
zwischen den Halbleiterventilen zugeordnete Anschluß 14 an. Die Anschlüsse 12, 13
und 14 weisen jeweils ein Innengewinde auf. Die Schaltung der Thyristoren, beispielsweise
T1 und 22, und die Kontaktzuordnung in einem solchen Bauelement 10, ist in Fig.
3 dargestellt.
-
Endseitig weisen die Bauelemente 10 jeweils eine Ausnehmung 15 auf,
in der eine durch die Auflagefläche hindurchgehende Befestigungsbohrung 16 mündet.
Derartige Bauelemente 10 sind beispielsweise aus dem DT-Gbm 75 12 573 bekannt.
-
Zur Realisierung der im Blockschaltbild der Fig. 1 aufgezeigten Drehstrombrückenschaltung
mit den sechs Thyristoren T1 bis T6 sind drei solche Bauelemente 10 parallel zueinander
auf der Kühlfläche 9 des Kühlkörpers 7 angeordnet und durch Schrauben 25 an diese
Kühlfläche 9 angepreßt. FEr jede der drei Drehstromphasen ist dabei ein derartiges
Bauelement 10 vorgesehen, so daß beispielsweise die Thyristoren T1 und T2 ebenso
wie die Thyristoren T3 und T4 oder die Thyristoren T5 und T6 in jeweils einem Bauelement
10 enthalten sind.
-
An die Anschlüsse 12, 13 und 14 der Bauelemente 10 werden langgestreckte
Leiterelemente in Form von MetallhUlsen 17 angepreßt, indem durch die Metallhülsen
je eine Schraube 23 von oben her hindurchgeführt und mit dem Innengewinde der Anschlüsse
12, 13 und 14 verschraubt ist. Die Metallhülsen 17 sind in einer Leiterplatte 18
befestigt, die senkrecht zur Achse der Metallhülsen 17 angeordnet ist und die über
die durch die Kombination von Kühlkörper 7 und Axiallüfter 6 vorgegebenen Grundrißabmessungen
nicht hinausragt. Auf der Leiterplatte 18 sind als Funktionselemente beispielhaft
Impulsübertrager, Trägerstaueffekt-Beschaltung und eine Stromistwerterfassungsschsltung
5 untergebracht. Diese Schaltungen sind nur in Fig. 2 in Form einiger weniger elektronischer
Bauelemente 19 angedeutet. Die auf der Leiterplatte 18 durch das gestrichelte Rechteck
umachlossenen Bauelemente 19 stellen als Beispiel die Schaltung 5 zur Stromistwerterfassung
dar. Ferner weist die Leiterplatte 18 eine Kontakteinheit 20 zum Anschluß peripherer
Einheiten, beispielsweise des Steuersatzes auf. Allerdings kann - abweichend vom
AusfUhrungsbeispiel - der Steuersatz auch in einer weiteren Montageebene angeordnet
und auf einer Leiterplatte untergebracht sein. Diese Leiterplatte kann ebenfalls
von Metallhülsen getragen und über diese funktionsgerecht mit den Steueranschltissen
der Thyristoren verbunden sein. Die mit den Anschlüssen 12, 13, 14 der in den Bauelementen
10 untergebrachten Halbleiterventile T1, T2, T3, T4, T5, T6 in Kontakt stehenden
Metallhlllaen 17 dienen nicht nur als Träger ftir die Leiterplatte 18, sondern gleichzeitig
als verlängerte Anschlüsse der Halbleiterventile
T1 bis T6, von
denen in der Ebene der Leiterplatte 18 - soweit für die auf der Leiterplatte 18
untergebrachten Funktionselemente nötig - Strom- oder Spannungswerte abgegriffen
werden.
-
Die Befestigung der Leiterplatte 18 an den Metallhülsen 17 ist daher
gleichzeitig als Kontakt ausgebildet. Zu diesem Zweck weist die Leiterplatte 18
an den Durchstoßungsstellen 24 der Metallhülsen 17 jeweils ringförmige Leiterbahnen
auf, die die Metallhülsen 17 umschließen. Im Fertigungsprozeß für die Leiterplatte
18 werden nach der BestUckung die elektronischen Bauelemente im Schwallbad mit den
Leiterbahnen der Leiterplatte 18 verlötet.
-
Dabei werden gleichzeitig auch die in die Leiterplatte 18 eingesetzten
Metallhülsen 17 mit den ringfcrmigen Leiterbahnen elektrisch und mechanisch zuverlässig
verbunden. Die Leiterplatte 18 stellt somit eine erste Montageebene El dar.
-
Über dieser ersten Montageebene El sind in einer weiteren Montageebene
E2 Stromschienen 21 und 22 sowie Stromwandler 2 angeordnet.
-
Die Stromschiene 21 verbindet die Anoden der Thyristoren T1, T3 und
T5, die Stromschiene 22 die Kathoden der Thyristoren T2, T4 und T6. Die Metallhülsen
17 dienen in diesem Fall einerseits als Träger und Abstandshalter, andererseits
selbst als stromführende Elemente. Die Befestigung der Stromschienen 21 und 22 an
den Metallhülsen 17 erfolgt durch die Schraube 23, die die Metallhülsen 17 selbst
mit den nnschlüssen 12, 13, 14 der Bauelemente 10 verbinden. Die Stromschienen 21
und 22 weisen endseitig Anschlußbohrungen Al und A2 als Ausgang der Stromrichterbaueinheit
auf, an die die Last angeschlossen werden kann.
-
Die in Fig. 2 hinten liegenden Metallhülaen 17, die einerseits den
Drehstromanschluß E, andererseits dem Verbindungsleiter je zweier seriengeschalteter
Thyristoren, beispielsweise T1 und T2 zugeordnet sind, dienen als Tragelemente für
einen Durchsteckstromwandler 2, der gegenüber der Stromsohienenebene E2 leicht erhöht
angeordnet ist.
-
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß durch die Erfindung eine
kompakte Stromrichterbaueinheit zur Verfügung steht, die
selbsttragend
alle wesentlichen elektrischen und mechanischen Funktionselemente vereinigt. Eine
derartige Stromrichterbaueinheit kann komplett vorgefertigt werden und am Einsatzort
mit geringem Aufwand zum Aufbau von kompletten Stromrichtern, beispielsweise Stromversorgungseinheiten
für elektrische Antriebe, eingesetzt werden. Die Stromrichterbaueinheit bleibt bei
aller Kompaktheit montage- und wartungsfreundlich. Als Folge des kompakten Aufbaus
wird gegenüber konventionellen getrennten Aufbauten die elektrische Verdrahtung
verkürzt, wesentlich vereinfacht und wesentlich weniger störungsanfällig. Durch
die räumliche Anordnung und den selbsttragenden Aufbau können Gewicht und Volumen
einer derartigen Stromrichterbaueinheit gegenüber konventionellen Anordnungen um
80- bis 90% reduziert werden.
-
11 Patentansprüche 3 Figuren
L e e r s e i t e