AT402123B - Pulslastwiderstand mit kühlkörper - Google Patents

Description

AT 402 123 B

Die Erfindung betrifft einen Pulslastwiderstand, insbesondere zum vorübergehenden Anschalten an einen Gleichstromzwischenkreis eines Umrichters.

Bekanntlich tritt bei vielen elektrischen Umformungsprozessen überschüssige elektrische Energie auf, die in Wärme umgewandelt und und in dieser Form abgeführt werden muß. Dies tritt z.B. bei Pulsumrichtern auf, die von einem Gleichstrom-Zwischenkreis versorgt werden, dem sie, wenn sie Verbraucher speisen, Energie entnehmen. Andererseits speisen die Pulsumrichter im regenerativen Betrieb Energie in den Gleichstrom-Zwischenkreis zurück, was zu einer Anhebung der Gleichspannung, wenn nicht die Rückspeiseenergie mittels einer eigenen Rückspeiseeinheit ins Netz zurückgespeist wird oder wenn nicht die Rückspeiseenergie im Zwischenkreis in einem hinreichend großen Batteriepuffer gespeichert wird oder wenn nicht die Rückspeiseenergie mit Hilfe von Belastungswiderständen in Wärme umgewandelt wird. Je nach Größe und Aufwendigkeit der Anlage muß man sich für eine der drei genannten Varianten entscheiden. Im letztgenannten Fall, nämlich bei Umwandlung der Rückspeiseenergie in Wärme, sind an den Belastungswiderstand besondere Anforderungen zu stellen, da dieser ein hohes Pulsbelastungsvermögen und eine besondere Dauerbelastbarkeit benötigt.

Durch die DE-OS 37 03 689 ist eine elektrische Widerstandseinheit mit einem Kühlkörper bekannt geworden, die speziell zur Verwendung in einem Schlagwetterschutzbereich vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Einheit sind mehrere handelsübliche Heizpatronen in Bohrungen eines Kühlkörpers angeordnet. Wegen der unvermeidlichen Fertigungstoleranzen der Heizpatrone müssen die Bohrungen für den Maximaldurchmesser der Heizpatronen bemessen sein. Im Falle des Einsatzes von Heizpatronen mit geringerem Durchmesser ergeben sich Spalten zwischen den Heizpatronen und dem Kühlkörper, die den Wärmeübergang zwischen den Heizpatronen und dem Kühlkörper beeinträchtigen. Dies führt weiters zu Wärmestauungen in den Heizpatronen, die bei Überlastungen zu gefährlichen Ausfällen Anlaß geben können.

Die DE-PS 899 982, die CH-PS 172 665 und die CH-PS 173 338 offenbaren besondere Merkmale einer gußeisernen Kochplatte, in die ein spiralförmiger Heizkörper eingebettet/eingegossen ist, der durch einen in einem Isolierstoff eingebetteten Heizdraht und einen Rohrmantel gebildet wird. Der Widerstand des Heizdrahtes ist so dimensioniert, daß die Platte im Dauerbetrieb unbedenklich lange eingeschaltet sein kann und somit auch kein Überwachungselement benötigt wird. Seitens der praktischen Beurteilung der Offenbarungen muß hier angemerkt werden, daß es äußerst schwierig ist, einen wohl auch aus Metall bestehenden Rohrmantel mit einem bei ähnlich hoher Temperatur schmelzenden Material wie Gußeisen einzugießen, ohne daß der Rohrmantel sich verformt oder schmilzt.

Weiters wird durch die GB-PS 249,858 ein Heizkörper geoffenbart, der einen von isolierendem Material, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid, umgebenen Heizdraht aufweist, und der so isolierte Heizdraht mäanderförmig angeordnet in elektrisch- und wärmeleitendes Material gepreßt wird, das die Form des Heizkörpers darstellt, wobei auch dieser Heizkörper ebenfalls im Dauerbetrieb eingesetzt wird.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung einen Widerstand zu schaffen, der kurzzeitig in einem Zwischenkreis eines Umrichters auftretende hohe Lastströme aufnehmen kann, die auf Grund der erfindungsgemäßen Bauart und Dimensionierung in Wärme umgewandelt werden. Zum Beispiel wird ein an 300V liegender 50mF-Kondensator eines Umrichtzwischenkreises über einen solchen Widerstand stoßartig entladen oder es kann Vorkommen, daß dieser 3 Ohm-Widerstand mit 300 V folglich mit 30 kW dauerbelastet wird. Durch die vorliegende Erfindung wird einerseits im Pulsbetrieb eine bei herkömmlichen Widerständen häufig auftretende explosionsartige Zerstörung des belasteten Widerstandselementes vermieden und andererseits kann dieses Widerstandselement bei einer, z. B. im oben angeführten Fall, auftretenden Überhitzung durch ein Überwachungselement bequem gesichert werden, sodaß eine Zerstörung ausgeschlossen ist. Falls das Widerstandselement -durch Versagen des Überwachungselementes- trotzdem Überhitzt wird, geschieht dies durch Abbrennen eines Lichtbogens innerhalb einer Isolierschicht, wodurch der Außenraum -vor allem der Gleichstromzwischenkreis- unbeeinträchtigt bleibt. Bauart und Dimensionierung beziehungsweise die oben angesprochene Materialwahl der nach der DE-PS und den CH-PS bekannten Kochplatten, sowie des nach der US-PS bekannten Heizelementes sind hiefür denkbar ungeeignet.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, den Wärmeübergang zwischen dem Widerstand und dem Kühlkörper zu verbessern und erzielt dies dadurch, daß ein in einem Aluminiumkühikörper eingegossenen Rohrmantelheizkörper vorgesehen ist, bei welchem zwischen seinem Widerstandsdraht und seinem Metallmantel eine Keramikisolierung angeordnet ist. Dadurch wird ein durch andere Maßnahmen nicht erreichbarer Wärmekontakt zwischen Widerstand und Kühlkörper erreicht, der demgemäß einen optimalen Wärmeübergang bewirkt. Dieser Effekt wird noch dadurch gesteigert, daß der Rohrmantelheizkörper mäanderförmig in mehreren Schleifen angeordnet ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn in dem Aluminiumkühlkörper zusätzlich ein Metallrohr für den Durchfluß einer Kühlflüssigkeit eingegossen ist. Es kann auch an oder in 2

Claims (1)

1. AT 402 123 B dem Aluminiumkühlkörper ein Thermoschalter oder eine Thermosicherung angebracht sein. Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung in zwei zueinander senkrechten Ansichten ein als Widerstand dienender Rohrmantelheizkörper 1 dargestellt, der in einem als Kühlkörper dienenden, mit 2 bezeichneten Metallblock, dessen Konturen mit stark ausgezogenen Linien angedeutet sind, eingegossen. Die betriebsmäßig im Rohrmantelheizkörper 1 erzeugte Wärme wird zufolge des durch das Eingießen bewirkten Form· und Kraftschlusses zwischen dem Rohrheizkörper 1 und dem Kühlkörper 2 optimal, d.h. mit geringstem Wärmeleitungswiderstand in den Kühlkörper 2 übergeführt. Zur Verbesserung der Kühlwirkung des Kühlkörpers kann in den Metallblock 2 zusätzlich noch ein Metallrohr, beispielsweise in Mäanderform, eingezogen werden, das von einer Kühlflüssigkeit durchflossen wird. Rohrmantelheizkörper erweisen sich nicht nur wegen ihrer großen Wärmeübergangsfläche und ihrer Potentialfreiheit des Rohrmantels für den Zweck der Erfindung besonders geeignet, sondern auch wegen ihrer Kostengünstigkeit, da sie wegen ihrer vielseitigen Verwendbarkeit in Waschmaschinen, Geschirrspülern od. dgl. in rationeller Serienfertigung erzeugt werden. Die Impuls-Belastbarkeit des Widerstandes ist optimal, da die maximale Temperaturbelastbarkeit des Widerstandsmaterials voll ausgenützt werden kann, ohne daß der Rohrmantel oder der ihn umgebende Metallguß unzulässig hoch erhitzt wird. Die Masse des Metallgusses bildet einen thermischen Kondensator, der den Mittelwert aller Impulswärmen aufnimmt. Diese Eigenschaft ermöglicht auch die einfache Anbringung potentialgetrennter betriebssicherer thermischer Überwachungselemente wie z.B. Thermosicherungen oder Thermoschalter. Der in Rohrheizkörpern üblicherweise verwendete Nickel-Chrom-Widerstandsdraht hat eine Betriebstemperatur bis 1200* C. Die durch spezielle Ausbildung des Kühlkörpers 2 intensivierbare Kühlung trägt überdies zur Erhöhung der Dauerbelastbarkeit des Widerstandes 1 bei. Hierzu können zusätzliche Kühlrippen, die im Betrieb einem Luftstrom ausgesetzt werden, beitragen. Es ist auch möglich, den Kühlkörper 2 auf einen noch größeren Kühlkörper aufzusetzen. Der Widerstand 1 soll relativ niederohmig sein, beispielsweise bei einer Zwischenkreisspannung von 210 V eines Pulsumrichters ist ein Widerstandswert von 3 Ohm angebracht. In einem Fehlerfall wird dann ein Dauergleichstrom von 70 A geführt. Bei einer solchen Dauer-Belastung würden übliche drahtgewickelte Widerstände explosionsartig zerstört werden. Der dabei entstehende offene Gleichstromlichtbogen stellt eine große Brandgefahr dar. Bei einer solch hohen Belastung ist auch die Anbringung thermischer Überwachungseinrichtungen an Widerständen allgemein problematisch, weil die Widerstände im allgemeinen dabei, ehe die Überwachungseinrichtung anspricht, durchbrennen bzw. explodieren. Bei z.B. drahtgewickelten Widerständen wird die Anbringung der Überwachungseinrichtungen noch dadurch erschwert, daß praktisch am gesamten Widerstandselement offenes Potential liegt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung von Rohrmantelheizkörper und Kühlkörper wird hingegen bei extremer Wärmeentwicklung oder gar im Fehlerfall (bei Dauerbelastung) der Metallmantel des Rohrmantelheizkörpers von der ihn umgebenden Metallmasse gekühlt, damit seine Festigkeit erhalten bleibt. So kann auch im Fehlerfall ein auftretender Lichtbogen im Inneren des Rohrmantelheizkörpers von der isolierenden Keramikmasse zentriert werden, ohne durch den inneren Druck zu platzen. Der Lichtbogen brennt somit in einem Keramikrohr. Würde der Rohrmantel an einer Stelle nur unzureichend gekühlt, so würde er an dieser Stelle durchbrennen, der Lichtbogen austreten und u.a. einen Masseschluß verursachen. Durch das integrierende Verhalten der Metallmasse bleibt auch in diesem extremen Fall einem thermischen Überwachungselement zum ordnungsgemäßen Ansprechen ausreichend Zeit. Durch das Ansprechen des thermischen Überwachungselementes in einem elektrischen Überwachungskreis kann z.B. die weitere Energiezufuhr unterbunden werden. Die erfindungsgemäße Anordnung von Rohrheizkörper 1 und Kühlkörper 2 weist überdies den Vorteil auf, daß sich eigene Befestigungsvorrichtungen und Gehäuse erübrigen. Die Widerstände können direkt über Bohrungen im Metallguß an Gehäusen, Kühlkörpern, Schrankwänden od. dgl. angeschraubt werden. Als Vergußmaterial für den Kühlkörper 2 eignet sich besonders Kupfer oder Messing mit anschließender Vernickelung, da diese Metalle im Gegensatz zu Leichtmetall mit dem Rohrmantel eine Art Lötverbindung eingehen, die den Wärmeübergang zusätzlich verbessert. Allerdings stellt der Leichtmetallguß eine billigere Variante dar, die die weiteren Vorteile einer billigen Verarbeitbarkeit, eines geringeren Gewichtes, einer guten Wärmeleitfähigkeit und eines hohen Wärmespeichervermögens besitzt. Der Schmelzpunkt von Aluminium liegt so günstig, daß beim Eingießen der Rohrmantelheizkörper nicht beschädigt werden kann. Patentansprüche 1. Pulslastwiderstand, insbesondere zum vorübergehenden Anschalten an einen Gleichstromzwischenkreis eines Umrichters, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem Aluminiumkühlkörper eingegossener Rohrmantelheizkörper (1) vorgesehen ist, bei welchem zwischen seinem Widerstandsdraht und seinem 3 AT 402 123 B Metallmantel eine Keramikisolierung angeordnet ist. Pulslastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB in dem Aluminiumkühlkörper (2) zusätzlich ein Metallrohr für den Durchfluß einer Kühlflüssigkeit eingegossen ist. Pulslastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB an oder im Aluminiumkühlkörper (2) ein Thermoschalter oder eine Thermosicherung angebracht ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 4