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Einrichtung für die Kühlung einer Gleichstromkraftquelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung für die Kühlung einer Gleichstromkraftquelle mit ei- ner Mehrzahl von Gleichrichterkreisen, die Gleichstrom hoher Stromstärke liefern, wobei jeder Parallel- kreis eine Mehrzahl in Reihe liegender Gleichrichter aufweist, die alle durch Hindurchleiten eines mit ih- nen in Kontakt tretenden Gasstromes gekühlt werden und wobei der Gasfluss in bezug auf jeden Gleich - richter parallel verläuft.
Ein im Betrieb eines solchen Gleichrichtersystems auftretendes Problem ist eine entsprechende Küh- lung der in dem System verwendeten einzelnen Gleichrichtereinheiten. Halbleiter-Gleichrichtereinhei- ten, wie Germanium- oder Silizium-Gleichrichterdioden, sind äusserst empfindlich auf Temperaturan - stiege, die auch durch Überlastung oder durch Fehlen genügender Kühlung verursacht werden, so dass nach kurzen Betriebszeiten Temperaturanstiege über gewisse Beträge den Ausfall oder die Zerstörung der Gleich - richter hervorrufen.
Der Sperrstrom einer Halbleiterdiode, z. B. eines Germaniumgleichrichters, ist bei normalen Tem- peraturen sehr klein. Steigt die Temperatur infolge Überlastung oder unzureichender Kühlung an, so wächst der Sperrspannungsstrom beträchtlich an, u. zw. auf einen Wert, bei welchem die Diode zerstört wird. Es ist daher beim Betrieb eines Gleichrichtersystems mit Halbleiter-Gleichrichterdioden äusserst wichtig, dass für eine ausreichende Kühlung der einzelnen Gleichrichterdioden gesorgt ist. Ausser der Not- wendigkeit, ein Kühlmedium mit einer Menge und Temperatur zuzuführen, die ausreichen, um die ein- zelnenGermaniumdioden innerhalb gewisser Temperaturbereiche zu halten, ist es aus im folgenden noch näher erläuterten Gründen ebenso wichtig, dass die Kühlung gleichförmig ist.
Einige zur Zeit verfügbare handelsübliche Halbleitergleichrichterdioden sind auf 150 Ampere Gleichstrom und 66 Volt Sperrwechselspannung bemessen. Germanium-Gleichrichterdioden dieser Art werden fabrikmässig geprüft und arbeiten einwandfrei bei inneren Gesamttemperaturen von 650C. Infolge der extremen Empfindlichkeit von Elementen dieser Art sollten diese 650C als Gesamtinnentemperatur während des Betriebes des Gleichrichtersystems nicht überschritten werden. Daher ist es wünschenswert, die inneren Gesamttemperaturen der einzelnen, in dem System verwendeten Germaniumdioden um 50-600, vor- zugsweise in der Gegend von 55 C, zu halten.
Um ein Maximum an Sicherheit und Wirksamkeit zu erhalten, ist es daher notwendig, dass das Kühlsystem so eingeregelt wird, dass die einzelnen Germanium dioden auf einer Gesamtinnentemperatur unter etwa 650C gehalten werden.
Ein hoher Wirkungsgrad ohne Überhitzung der Gleichrichtereinheiten wird erhalten, wenn die Temperatur aller Einheiten in einer Mehrzahl von Kreisen in einem beschränkten Temperaturbereich, der nicht grösser als 50C ist, gehalten wird. So sollte der Temperaturunterschied zwischen dem kühlsten und dem wärmsten arbeitenden Gleichrichter des Systems 50C nicht überschreiten und vorzugsweise geringer als 30C sein.
Um dies zu erreichen und die Temperatur aller Einheiten im wesentlichen gleich, d. h. bei einem Temperaturunterschied zwischen kalt und heiss nicht über etwa 5 C zu halten, sollten die Gleichrichtereinheiten parallel gekühlt werden. So sollte jede Einheit mit Kühlmedium gekühlt werden, das von einer gemeinsamen Quelle an nur einer einzigen Gleichrichterdiode oder Einheit vorbei und dann zu einer Kühlzone zur Abführung der von dem Kühlmittel absorbierten Wärme strömt.
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Endseiten 8,9 und die Oberseite 10 der Kammer 4 geschlossen sind. Der Gleichrichterkammer ist ein Schaltkasten 16 zugeordnet. Alle Verbindungen von dem Transformator 17 und dem Schaltkasten 16 zu den Einheiten sind weggelassen.
Fig. 2 stellt die Seitenwandung 6 einer Gleichrichterkammer 4, genauer gesagt, einer Unteranordnung 24 einer solchen mit einer Anordnung 19 aus Germanium 20 dar, in welcher sich die Luftöffnungen 15 befinden, welche den einzelnen, auf der Anordnung 19 angebrachtenGermaniumgleichrichterdioden zugeordnet sind. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, trägt die Anordnung 19 fünfzehn einzelne Germaniumdioden 20, die in drei Reihen mit fünf in Reihe geschalteten Kapseln in jeder der drei Reihen angeordnet sind. Jede von der Anordnung 19 getragene Germaniumdiode 20 ist, wenn sie auf der Kammer 4 angebracht ist, derart untergebracht, dass sie neben einer Luftöffnung 15 liegt. Die Kühlrippen 21 einer Germaniumgleichrichterdiode 20 liegen bei der Anordnung 19 derart, dass sie sich immer einer Lufteintrittsöffnung direkt gegenüber befinden.
Wie besser aus Fig. 3 zu ersehen ist, tritt die umlaufende, durch eine der Öffnungen 15 hindurchtretende Luft in Wärmeaustausch mit einer Gleichrich terdiode und strömt dann in einen gemeinsamen Luftkanal 22 aus, welchem sie durch die Öffnung 23 nach unten in den unter dem Gleichrichterraum 2 liegenden Luft- oder Sammelraum 3 wan-
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Bei dieser Konstruktion der Gleichrichterkammern 4 trägt jede Kammer in einer Seitenwandung 6 oder in beiden Seitenwandungen 6,7 eine Mehrzahl von Öffnungen 15 bestimmter Grösse, so dass jede Gleich- richterkammer in dem Gesamtgleichrichtersystem auf ihren Seitenwandungen Öffnungen von praktisch ge- nau gleicher Abmessung aufweist. Wie oben angedeutet, ist der Gleichrichterraum 2 mit Ausnahme der Öffnungen 20 gegenüber dem Boden der Gleichrichterkammern 4 und mit Ausnahme der Öffnung an der
Gebläselagerung zu dem Grundgeschoss 3 des Gebäudes hin abgeschlossen.
Der Zweck dieses geschlossenen
Luftumlaufsystems ist, Staub und Verunreinigung auf einem Mindestmass zu halten, sodassdieOber & ä- chen der Kühlrippen 21 auf den Germanium-Gleichrichtern 20 sauber bleiben und mit maximalen Wär- meübertragungsvermögen arbeiten. Im Betrieb des Systems nach Fig. 1 wird das Gebläse 5 eingeschaltet und erzeugt einen Überdruck im Raum 2, wobei ein Unterdruck im Raum 3 gebildet wird. Infolge des zwischen dem Gleichrichterraum 2 und dem darunterliegenden Raum 3 bestehenden Druckunterschiedes tritt Luft durch die festgelegten Öffnungen 12 durch den Mittelteil der Gleichrichterkammern in den Raum
3 hinunter und wird von dem Gebläse 5 über Kühlschlangen 18 zurück nach oben durch die Öffnung 14 wieder in den Gleichrichterraum 2 gesaugt.
Die Luft befindet sich also immer im Umlauf und kühlt dabei die Gleichrichter 20.
Das folgende Beispiel ist angeführt, um die Wirkungsweise des Kühlsystems zu zeigen, wie es in ei- ner typischen Anlage verwendet wird, die elektrische Gleichstromleistung bei 118800. Ampere und 250 Volt liefern kann.
Dabei ist die Lieferung von elektrischer Gleichstromleistung bei 118800 Ampère und 250 Volt vorgesehen. Mit 150 Ampere-Gleichrichtern liefert jede Dreiphasenbrückenschaltung 450 Amp, ère Aus- gangstrom. Auf diese Weise sind 264 parallelgeschaltete 450 Amperebrücken erforderlich, um einen Gesamtausgang von 118800 Ampère zu liefern.
Die Lieferung von 118800 Ampère bei 250 Volt erfordert eine Wechselstromeingangsleistung von 29700 kW plus Verluste. Diese Verluste werden der Einfachheit halber vernachlässigt. Die erforderliche Dreiphasen-chselstromeingangsspannung beträgt etwa 190 Volt, um die erwünschten 250 Volt Gleichstrom zu erhalten.
Jede Brücke erfordert 112, 5 kW Wechselstromeingangsleistungvon 190 Volt Dreiphasenspannung und 342 Ampere Wechselstrom. Die 264 Brücken erfordern einen Eingangswechselstrom von 90288 Ampere.
In diesem System werden 22 Kammern 4 verwendet, von denen jede 12 Brücken enthält. Jede Brücke weist sechs Arme mit fünf in Serie geschalteten Dioden pro Arm für eine Gleichstromausgangsspannung von 250 Volt auf. Auf diese Weise sind 30 Dioden für eine Sechselementbrücke erforderlich. Daraus ergibt sich, dass jede Gleichrichterkammer 360 Germaniumgleichrichterdioden enthält.
Praktischerweise sind bei der Anordnung einer so grossen Anzahl von Germaniumgleichrichtern pro Kammer Unteranordnungen 24 vorgesehen, die fünfzehn Germaniumdioden 20 pro Unteranordnung tragen. Jede Unteranordnung besitzt eine feste Konstruktion und ist mit 15 Schlitzen oder Nestern versehen, in welchen die Germaniumgleichrichter sitzen. Wenn sich die Germaniumgleichrichter 20 auf den Unteranordnungen 24 in richtiger Stellung befinden, sind sie so angeordnet, dass sich ihre Kühlrippen 21 von jeder Seite aus erstrecken und hiedurch die Kühlluft einen freien Umlauf von einer Oberfläche 6 der Unteranordnung zur andern Oberfläche über die Germaniumkühlrippen 21 hinweg ermöglicht.
Die Kammern, in welchen sich die Germaniumunteranordnungen 24 befinden, bestehen aus einer Oberseite 10, einem Boden 11, zwei Endabschnitten 8,9 und zwei seitlichen Wandungen 6,7. Die obe-
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ren Abschlussflächen 10 der Gleichrichterkammern 4 sind ebenso wie die Abschlussflächen der Seiten 8,9 geschlossen. Die Abschlussflächen der Seitenwandungen 6, 7 der Gleichrichterkammern 4 enthalten eine
Mehrzahl rechteckiger Öffnungen 15. In dieser besonderen Ausführungsform besitzt jede Seitenwandung 6.
7 180 Mündungen. so dass die Gesamtzahl der Mündungen in jedem Gehäuse 360 beträgt. Die Unteran- ordnungen 24 sind derart angebracht, dass jede Reihe aus fünf Gleichrichterzellen 20 parallel zur Länge der Kammerwandung und jede Reihe von drei Gleichrichterzellen parallel zur Höhe der Kammerwandun- gen liegt. Darüberhinaus sind die Unteranordnungen 24 derart ausgebildet, dass jede einzelne von einer
Unteranordnung getragene Gleichrichterzelle 20 neben einer Öffnung 15 in der Kammerwandungsoberflä- che liegt, so dass, wenn die Anordnung fertiggestellt ist, die 360 von jeder Kammer getragenen Gleich- richterzellen 20 je direkt gegenüber einer der Öffnungen 15 liegen, die auf der Oberfläche der Kammer- wandung angeordnet sind.
Die in dem System verwendeten 22 Gleichrichterkammern 4 sind in dem Gleichrichterraum über 22 im Boden des Raumes vorgesehenen Öffnungen 12, die in der Grösse jeweils etwa den Abmessungen des Bo- dens der betreffenden Gleichrichterkammer 4 entsprechen, angeordnet. Unter dem Gleichrichterraum 2 befindet sich ein Erdgeschossraum 3, der in der Grösse der Fläche des Gleichrichterraumes 2 entspricht. In dem Erdgeschoss 3 sind die Transformatoren 17 und die elektrischen Verbindungen, die von den Transfor- matoren 17 zu den in den Gleichrichterkammern 4 enthaltenen Elementen führen, angeordnet.
An einem
Ende des Erdgeschosses 3 sind in der Nähe der Gebläselagerung gerippte Kühlschlangen 18 angebracht, durch welche Wasser bei Temperaturen und Geschwindigkeiten umläuft, die ausreichend sind, um die
Temperatur der von den Schlangen abströmenden Luft bei 200C zu halten. Hinter den Kühlschlangen ist ein Umlaufgebläse 5 vorgesehen, das genügend gross ist, um die Luft vom Erdgeschoss 3 des Bauwerks in den Gleichrichterraum 2 mit einem Durchfluss von etwa 9060 mS pro Minute in Umlauf zu setzen. In ei- nem System dieser Grösse wird eine ausreichende Kühlung mit auf 200C abgekühlter Luft erreicht, wenn die Luft derart in Umlauf versetzt wird, dass jede Diode pro Minute etwa 1130 I Luft enthält.
DieKühlgeschwindigkeit ist ein wichtiger Faktor in der Einregelung der Innentemperatur der Gleichrichter des Systems und hängt in grossem Masse von den Eigenschaften der Gleichrichterkühlrippen 21 und der Konstruktion der Kühlmündungen der Kammern 4 ab. Gasgeschwindigkeiten in der Grössenordnung von etwa 305 bis 610 m pro Minute kühlen die Gleichrichter indem hier beschriebenen System befriedigend auf erwünschte Temperaturen.
Beim Betrieb des zuvor beschriebenen Kühlsystems wird das Gebläse 5 mit Energie versorgt und bringt die Luft im ganzen System mit etwa 9060 m3 pro Minute in Umlauf. Wasser wird durch die im Erdgeschoss 3 des Bauwerkes liegenden Kühlschlangen bei 15 - 170C durchgeleitet. Zwischen dem Gleichrichterraum 2 und dem Erdgeschoss 3 besteht ein Druckunterschied in der Grössenordnung zwischen etwa 6, 35 X 10-4 und 50, 8 X 10-4 Atmosphären.
Die Kühlluft wird mittelsdes Gebläses 5 von dem Erdgeschoss 3 des Bauwerks in den Gleichrichterraum 2 befördert ; infolge des zwischen der Luft auf der Aussenseite der Gleichrichterkammern und der Innenseite der Kammern, die mit dem Erdgeschoss des Baues in Verbindung stehen. bestehenden Druckunterschiedes wird die Luft durch die Mehrzahl der Öffnungen 15 in den Gleichrichterkammerwandungen in das Erdgeschoss getrieben. Die Luft läuft hiebei mit etwa 1130 l pro Minute'pro Öffnung und folglich pro Diode durch die Kammeröffnungen. Dieser gleichmässige Durchfluss von etwa 11301 pro Minute tritt für die 7920 Dioden dieses Ausführungsbeispieles infolge eines konstanten Luftdruckunterschiedes und einer bestimmten Öffnungsgrösse für jede Diode in dem System auf.
Auf diese Weise wird der Temperaturunterschied zwischen den Dioden in dem System auf etwa 20C gehalten.
Wie zuvor erörtert, ist ein sehr wichtiges praktisches Erfordernis einer grossen Gleichrichteranlage mit Halbleitergleichrichtern, dass alle Gleichrichter den gleichen Anteil der Last aufnehmen. Im normalen Betrieb besitzt eine Germaniumdiode einen Durchlassspannungsabfall von näherungsweise 0, 5 Volt, und weist während der umgekehrten oder negativen Halbperiode der Sinuswelle ein angelegtes Sperrspannungspotential von 60 Volt auf. In der Sperrichtung ist die Diode daher normalerweise ein Element mit hohem Widerstand. Temperaturunterschiede zwischen Dioden bewirken eine Änderung in ihrem Innenwiderstand und folglich eine ungleiche Lastaufnahmefähigkeit zwischen den verschiedenen Dioden. Darüberhinaus zerstört unter Umständen ein Temperaturanstieg über den maximalen Sicherheitswert, z. B. 650C, die Dioden.
Fällt eine Germaniumdiode aus, so wird sie zumeist ein Element mit niedrigem Widerstand gegen- über positiven und negativen Potentialen, so dass sie nicht weiter als Gleichrichter arbeitet. Durch das Kühlsystem nach der vorliegenden Erfindung wird jede einzelne Germaniumdiode in jeder Kammer praktisch auf dieselbe Temperatur abgekühlt, und es besteht zwischen jeweils zwei Dioden in einer Kammer
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kein nennenswerter Temperaturunterschied. Darüber hinaus ist die Kühlung so ausgeführt, dass keine der
Dioden in dem System die maximale Sicherheitstemperatur für die verwendete Diode überschreitet.
Die genaue Temperatur, bei welcher eine Diode ausfällt, ändert sich mit dem Typ und der Grösse der ver- wendeten Diode, und das Kühlsystem lässt sich leicht durch Einstellung der Temperatur des Kühlmittels und der Durchflussmenge angleichen, um die verwendeten Dioden innerhalb ihrer bestimmten Sicherheits- grenze zu halten.
Während in dieser Ausführungsform eine bestimmte Anzahl von Kammern 4 mit einer bestimmten
Anzahl von Germaniumgleichrichtern veranschaulicht ist, versteht es sich, dass die Anzahl der Kammern
4 oder die Anzahl der Einheiten, die sich in jeder Kammer befinden, geändert werden können, ohne vom
Erfindungsgedanken abzuweichen. Wichtig ist, dass die Kühlung parallel erfolgt, d. h. die Kühlluft durch- tritt jede Kapsel parallel, so dass jede Kapsel, praktisch in dem gleichen Ausmass gekühlt wird. Auf ähn- liche Weise kann die Gestalt der Kammern geändert oder es können die Dioden auf Tafeln oder Wandun- gen anstatt in Kammern angeordnet werden, insoweit die Schaffung der Parallelkühlung der Dioden bei- behalten wird.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Systems ist die neue Anordnung bei der Anbringung einer grossen
Anzahl von Halbleitergleichrichtern. Die Kammern 4 nach der vorliegenden Erfindung sind so angeord - net und aufgebaut, dass sie verschiedene notwendige Funktionen erfüllen.
Die in Fig. l veranschaulichten Zellen sind Hohlkonstruktionen mit fünf luftdichten Abschlussflächen
6,7, 8,9, 10 und einer offenen Abschlussfläche 11, vorzugsweise dem Boden. Durch Verbinden des Bo- dens einer solchen Kammer 4 mit einem Luftumlaufsystem, das einen Luftdruckunterschied zwischender
Innen- und Aussenseite der Zelle schafft, wird für die gewünschte Kühlung der in der Kammer angeordne- ten Gleichrichterdioden gesorgt, Dies wird erreicht durch die Schaffung einer Öffnung in den Wandungen der Kammern 4, entsprechend jedem Halbleitergleichrichter, der in der Kammer 4 angeordnet werden soll. Die Grösse der Öffnungen ist so festgelegt, dass durch geeignete Einstellung des Durchflusses von
Kühlmedien eine bestimmteM enge des Mediums mit jedem in einer Kammer 4 angeordneten Gleichrich- ter in Berührung tritt.
Die Öffnungen können rund, elliptisch, rechteckig oder von jeder beliebigen andern Form sein, die am besten dem Strömungsverlauf der speziellen Ausführungsform der Gleichrichter- kühlrippen entspricht.
Darüber hinaus können zur Schaffung einer Lagerung für die Gleichrichter 20 und einer Bemessung des Durchflusses von Kühlmedium durch die Gleichrichter 20 die Kammern aus einem elektrisch isolierenden Material wie Holzplanken, vulkanisiertem Fasermaterial und andern ähnlichen Materialien aufgebaut sein, Bei dieser Ausführung schaffen die Kammern darüberhinaus eine elektrische Isolierung für die Gleichrichter, die Wechselstromzuführungen, die Gleichstromlastleitungen und die Erdverbindungen.
Jede dieser oben genannten elektrischen Einheiten ist in wirtschaftlicher Weise von der andern isoliert, indem ein- fach der Zwischenraum zwischen jedem Teil auf der isolierten Zellenwandungsoberfläche so bemessen wird, dass er jeder zwischen entsprechenden Teilen auftretenden Potentialdifferenz durch Schaffung der erforderlichen Kriechstromentfernung zwischen diesen Teilen standhält.
Die Anbringung der Gleichrichter in den Kammern der beschriebenen Art kann auf der inneren oder äusseren Wandungsoberfläche geschehen. Wird die Lagerung auf der äusseren Oberfläche vorgenommen, so wird jede Diode neben einer der Kühlmediumöffnungen angeordnet, wie dies auch geschieht, wenn die Anordnung auf der Innenwandung vorgesehen wird. Vorzugsweise werden die Sammelschienen, Schmelzsicherungen und anderes elektrisches Zubehör als eine Installation ausserhalb der Zelle angeordnete wodurch im Falle von Reparaturen ein leichter Zutritt zu allen elektrischen Ausrüstungen ermöglicht wird.
Die in Fig. 4 veranschaulichte Germaniumdiode stellt einen zur Anwendung in dem System der vorliegenden Erfindung geeigneten Gleichrichter dar. Die Diode weist einen Grundkörper 25 aus Kupfer oder anderem geeigneten Metall mit einer hohen Wärmeübertragungsfähigkeit auf. Die Germaniumübergangs- zone 26 ist auf den Grundkörper aufgeschmolzen und weist eine Germaniumscheibe und ein Indiumkügel - chen auf, die miteinander innig verschmolzen sind. Eine Kupferelektrode 27 ist an die Germaniumscheibe angeschmolzen und in ihr ist das elektrische Kabel 28 eingebettet. Der Grundkörper 25 ist zwecKS elektrischen Anschlusses mit einer eingeschnittenen Bohrung 29 versehen.
Um die Elektrode und die Germaniumübergangszone herum ist ein Wachspfropfen 30 vorgesehen, um in diesem Abschnitt der Diodenanordnung für Plexibilität zu sorgen ; ferner ist die Diode mittels einer Epoxyharzdichtung 31 abgedich tet, um das Eindringen von Wasser in die Diode zu verhüten. Die Diode ist in ein Gehäuse 32 aus Kupfer oder anderem geeigneten Metall eingeschlossen, das auf seiner äusseren Oberfläche eine Mehrzahl gepresster oder gespritzter Kühlrippen 21 aufweist. Bei einer derartigen Konstruktion wird die Wärme schnell
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