DE102009053583B3

DE102009053583B3 - Modular aufgebaute Stromrichteranordnung

Info

Publication number: DE102009053583B3
Application number: DE102009053583A
Authority: DE
Inventors: Alfredo Santos
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: US8488319B2; US20110122669A1; BRPI1004726A2; CN102064674A; CN102064674B

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine modular aufgebaute Stromrichteranordnung mit einem ersten und einem zweiten Stirnseitenelement und mindestens einem hierzwischen angeordnetem Stromrichtermodul. Das erste Stirnseitenelement weist hier einen Ventilator einer Luftkühleinrichtung auf, während das zweite Stirnseitenelement in der Flucht mit diesem Ventilator eine Mehrzahl von als Luftdurchlässe wirkenden Ausnehmungen aufweist. Weiterhin weist mindestens ein Stirnseitenelement eine elektrische Verbindungseinrichtung auf. Das mindestens eine Stromrichtermodul weist als Teil der Kühleinrichtung einen von dem ersten zum zweiten Stirnseitenelement durchströmbaren Kühlkörper auf, auf dem schaltungs- und leistungsgerecht mindestens ein Leistungshalbleiterung und mit einer Kondensatoreinrichtung verbunden ist. Hierzu weist das mindestens eine Stromrichtermodul ein stirnseitig offenes Gehäuse auf, das jeweils stirnseitig mit einem Stirnseitenelement oder einem weiteren Stromrichtermodul verbindbar ist.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Stromrichteranordnung, wie sie beispielhaft an Werkzeugmaschinen zum drehzahlgeregelten Antrieb dort eingesetzter Elektromotoren dienen kann. Allgemein kann mit der erfindungsgemäßen modular aufgebauten Stromrichteranordnung eine Vielzahl verschiedener Arten von Stromrichtern aufgebaut werden. Hierzu zählen insbesondere Gleichrichter, Wechselrichter und Frequenzumrichter. Auch ist die Anzahl der Phasen der jeweiligen Stromrichter nicht grundsätzlich. Besonders bevorzugt ist deren Einsatz dieser Stromrichteranordnungen für Leistungen in der Größenordnung von 10 kW und 100 kW.
Allgemein bekannt sind als Stromrichteranordnungen für diese Leistungsklasse einerseits komplett konfektionierte Stromrichteranordnungen oder andererseits speziell auf die Aufgabe zugeschnittene Einzellösungen.
Beispielhaft ist aus der US 2002/0026996 A1 eine derartige Stromrichteranordnung bekannt, die ein Stromrichtermodul mit eine durchströmbaren Kühlkörper, zu dessen Durchströmung einen Ventilator, diesem zugeordnete Luftdurchlässe im Gehäuse sowie elektrische Verbindungseinrichtungen aufweist.
Aus der DE 295 07 119 U1 ist es grundsätzlich bekannt Stromrichtermodule modular aufzubauen und hierzu diese stirnseitig verbunden in Reihe anzuordnen. Es ist weiterhin üblich und beispielhaft aus der DE 40 23 687 A1 bekannt in derartigen Stromrichtermodulen Kondensatoren vorzusehen und eine Mehrzahl hiervon auf einer gemeinsamen Platine spiegelbildlich vorzusehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Stromrichteranordnung vorzustellen, die modular aufgebaut und somit leicht an die benötigte Funktion und/oder Leistung anpassbar ist, ohne dass eine Vielzahl unterschiedlicher Grundelemente notwendig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Den Ausgangspunkt der Erfindung bildet ein Stromrichtermodul mit einem an beiden Stirnseiten offenen Gehäuse, sowie zwei Stirnseitenelemente zwischen denen mindestens eines dieser Stromrichtermodule angeordnet ist. Hierbei weist das mindestens eine Stromrichtermodul, als Teil der Kühleinrichtung der Stromrichteranordnung einen von der ersten, zum zweiten Stirnseitenelement des Stromrichtermoduls durchströmbarem Kühlkörper auf.
Auf diesem Kühlkörper ist schaltungs- und leistungsgerecht mindestens ein Leistungshalbleitermodul angeordnet. Hierbei kann die Anordnung beispielhaft aus einer Mehrzahl gleichartiger Halbbrücken ausbildender Leistungshalbleitermodule bestehen, die entsprechend verbunden, einen dreiphasigen Wechselrichter ausbilden.
Das mindestens eine Leistungshalbleitermodul ist mit einer ebenfalls im Inneren des Gehäuses angeordneten Steuereinrichtung, sowie mit einer Kondensatoreinrichtung verbunden. Diese Kondensatoreinrichtung besteht vorzugsweise aus zwei Kondensatorbänken, die spiegelbildlich zueinander jeweils auf einer eigenen Leiterplatte angeordnet sind. Diese Kondensatoreinrichtung ist schaltungsgerecht mit den Leistungshalbleitermodulen verbunden. Es ist weiterhin bevorzugt aus stirnseitiger Betrachtung, eine Kondensatorbank neben dem Kühlkörper, und die weitere Kondensatorbank neben dem mindestens einen Leistungshalbleitermodul anzuordnen, wodurch sich insgesamt ein sehr kompakter Aufbau ergibt. Hierbei ist es ebenso möglich und schaltungstechnisch sinnvoll die Steuereinrichtung unmittelbar oberhalb des mindestens einen Leistungshalbleitermoduls anzuordnen.
Das stirnseitig offene Gehäuse ist an seiner jeweiligen Stirnseite mit einem Stirnseitenelement, oder einem weiteren Stromrichtermodul verbindbar. Hierzu ist das Gehäuse vorzugsweise als ein U-förmiges Grundgehäuse mit einem angepassten Deckel ausgebildet. Zur Verbindung mit einem Stirnseitenelement, oder mit einem weiteren Gehäuse, weist das U-förmige Grundgehäuse stirnseitig an den Seitenwänden gleichartige Verbindungsmittel auf.
Hierdurch entsteht die modular aufgebaute Stromrichteranordnung mit einem ersten Stirnseitenelement und einem oder einer Mehrzahl vorzugsweise unterschiedlicher Stromrichtermodule. Diese Stromrichtermodule unterscheiden sich in der internen Beschaltung, wodurch beispielsweise Gleichrichter, oder Wechselrichter ausgebildet werden, und alternativ, oder gleichzeitig, auch in der Länge des jeweiligen Gehäuses. Diese Länge des Gehäuses skaliert vorzugsweise auf Grund der notwendigen Kühlleistung oder auf Grund der notwendigen Kapazität der Kondensatoreinrichtung. Hierbei ist es bevorzugt, wenn eine begrenzte Auswahl von Gehäusen mit unterschiedlichen Längen vorgesehen ist.
Weiterhin sind zwei Stirnseitenelemente vorgesehen, die jeweils eigene Teile der Kühleinrichtung der Stromrichteranordnung aufweisen. Ein erstes Stirnseitenelement weist hierzu mindestens einen Ventilator für die als Luftkühleinrichtung ausgebildete Kühleinrichtung auf. Das zweite Stirnseitenelement weist in der Flucht mit diesem mindestens einen Ventilator, eine Mehrzahl von als Luftdurchlässe wirkenden Ausnehmungen auf. Somit kann Kühlluft mittels der Ventilatoren durch die Stromrichteranordnung von Stirnseite zu Stirnseite strömen, und mittels der Kühlkörper die Leistungshalbleitermodule kühlen.
Besonders bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in der jeweiligen Beschreibung der Ausführungsbeispiele genannt. Die erfinderische Lösung wird zudem an Hand der Ausführungsbeispiele und der 1 bis 4 weiter erläutert.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung in dreidimensionaler Explosionsansicht.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung in dreidimensionaler Ansicht.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung in Draufsicht auf ein Stirnseitenelement.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung in seitlicher Draufsicht.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung (1) in dreidimensionaler Explosionsansicht. Dargestellt ist ein erstes Stirnseitenelement (10) mit Ausnehmungen (16) zur allgemeinen Kühlung der Stromrichteranordnung, speziell der Steuerschaltung. Weiterhin weist dieses Stirnseitenelement zwei Ventilatoren (12) und eine elektrische Verbindungseinrichtung (14) auf. Diese Verbindungseinrichtung weist hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit drei Schraubverbindungseinrichtungen zum externen Anschluss beispielhafte eines Drei-Phasen-Wechselstrommotors auf.
Die Ventilatoren (12) dienen der Kühlluftzufuhr zum Inneren der Stromrichteranordnung (1). Diese wird hier weiterhin ausgebildet mit einem sich diesem ersten Stirnseitenelement (10) anschließenden Stromrichtermodul (30) und einem zweiten Stirnseitenelement (20), wobei dieses eine Mehrzahl von Ausnehmungen (22) aufweist, die mit der Lage der Ventilatoren im ersten Stirnseitenelement (10) fluchten.
Das dargestellte Stromrichtermodul (30) weist einen Kühlkörper (32) als Teil der Kühleinrichtung der Stromrichteranordnung (1), die im übrigen durch die Ventilatoren (12) des ersten, und die als Luftdurchlässe wirkenden Ausnehmungen (22) des zweiten Stirnseitenelements gebildet wird, auf. Die Kühlrippen (320) des Kühlkörpers (32) sind hierbei derart angeordnet, dass die Kühlluft von dem ersten Stirnseitenelement (10) zum zweiten Stirnseitenelement (20) hindurchströmen kann. Hierzu ist der Kühlkörper (32) in dem Gehäuse (300) des Stromrichtermoduls (30) fluchtend mit den Ventilatoren (12) und den Ausnehmungen (22) angeordnet.
Das Gehäuse (300) des Stromrichtermoduls (30) ist stirnseitig offen und besteht im übrigen aus einem U-förmigen Grundgehäuse (302) mit einer Grundfläche (310) und aus einem angepassten Deckel (304). Hierbei weist das Grundgehäuse (302) Befestigungselemente zur Befestigung der Komponenten (32, 34, 38) der Stromrichterschaltung, und Verbindungsmittel (308) zur jeweiligen stirnseitigen Verbindung mit einem Stirnseitenelement (10, 20), oder mit einem weiteren Grundgehäuse (302) eines weiteren Stromrichtermoduls (30) auf. Diese Verbindungsmittel (308) sind als Laschen mit Ausnehmungen ausgebildet, die in Flächen oder Laschen des zu verbindenden Stirnseitenelementes (10, 20), oder weiteren Grundgehäuses (302) eingreifen und dort mittels Schraub- oder Nietverbindungen fixiert sind.
Die Stirnseitenelemente (10, 20) bilden mit dem Gehäuse (300) des Stromrichtermoduls (30) somit das Gesamtgehäuse der Stromrichteranordnung (1) aus, die vorzugsweise noch an Ihren unteren Außenkanten auf zwei Winkelschienen (2) angeordnet sind. Mittels dieser Winkelschienen (2) ist die Stromrichteranordnung (1) auf einfache Weise mit einer größeren Einheit, beispielhaft mit einem Schaltschrank, verbindbar.
In dem Grundgehäuse (302) des Stromrichtermoduls (30) ist der Kühlkörper (32) auf der Grundfläche (310) derart angeordnet, dass aus Blickrichtung der Stirnseitenelemente (10, 20) seitlich noch ein Bereich für eine Kondensatoreinrichtung (38) frei bleibt. Dieser Kondensatoreinrichtung (38) zugeordnet und auf dem Kühlkörper (32) angeordnet ist, das mindestens einen Leistungshalbleitermodul (34). Die Art und Verschaltung diese einen oder der Mehrzahl von Leistungshalbleitermodulen (34) bestimmen die Funktionalität des jeweiligen Stromrichtermoduls (30). Für den bekannten und bevorzugten dreiphasigen Betrieb ist es vorteilhaft drei gleichartige Leistungshalbleitermodule (34) anzuordnen und mittels einer Verbindungseinrichtung (340) schaltungsgerecht miteinander und mit der Kondensatoreinrichtung (38) zu verbinden. Auf dieser Verbindungseinrichtung (340) ist hier in bevorzugter Weise direkt die Steuereinrichtung (36) zur Ansteuerung der Leistungshalbleitermodule (34) angeordnet und schaltungsgerecht und mit kurzen Leitungswegen verbunden.
Diese Kondensatoreinrichtung (38) selbst besteht aus zwei Kondensatorbänken (380a/b). Die erste Kondensatorbank (380a) ist neben dem Kühlkörper (32) in dem Grundgehäuse (302) angeordnet. Die einzelnen Kondensatoren (382a) sind mittels einer Leiterplatte (384a) miteinander verbunden. Weiterhin ist diese Leiterplatte (384a) ein- oder mehrstückig mit der Verbindungseinrichtung (340) oder direkt mit den Leistungshalbleitermodulen (34) niederinduktiv verbunden. Die zweite Kondensatorbank (380b) ist vorteilhafterweise spiegelbildlich zur ersten angeordnet, wobei dann die jeweiligen Leiterplatten (384a/b) einander zugewandt sind.
Oberhalb der Leistungshalbleitermodule (34) und deren Steuereinrichtung (36) zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungshalbleitermodule kann weiterhin eine kundenspezifische Zusatzplatine (360) angeordnet sein, die dem Stromrichtermodul zusätzliche Funktionalität verleiht.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung (1) in dreidimensionaler Ansicht. Hierzu sind zwei Stromrichtermodule (30a/b) unterschiedlicher Länge zusammen mit einem ersten und einem zweiten Stirnseitenelement (10, 20) verbunden. Hierzu dienen die oben beschriebenen Verbindungsmittel (308).
Die unterschiedlichen Längen der beiden Stromrichtermodule (30a/b) ergeben sich hier durch die unterschiedliche Leistung und damit den unterschiedlichen Kühlbedarf der jeweils verbauten Leistungshalbleitermodule, die zu unterschiedlichen Schaltungen verbunden sind. Durch diese unterschiedlichen Längen der jeweiligen Stromrichtermodule (30a/b) sind diese besonders vorteilhaft angepasst an die benötigte Leistung, wodurch nur dasjenige Bauvolumen benötigt wird, das auch schaltungstechnisch erforderlich ist. Es ist ebenso vorteilhaft für den modularen Aufbau eine Mehrzahl, aber eine begrenzte Anzahl von verschieden langen Gehäusen vorzusehen, insbesondere, da eine doppelte Leistung einfach durch Kombination zweier gleicher Stromrichtermodule (30a/b) erzielbar ist.
Hierbei kann es auch allerdings auch vorteilhaft, sein funktionale Einheiten, wie beispielhafte eine Dreiphasenbrückenschaltung, auf zwei Stromrichtermodule (30) zu verteilen. Dies kann dadurch erfolgen, dass zwei gleiche Stromrichtermodule (30) jeweils zwei Leistungshalbleitermodule beinhalten, wobei drei für die genannte Dreiphasenbrückenschaltung und das vierte für eine weitere Funktionalität verwendet wird. Somit können die Vorteile des modularen Aufbaus noch weiter erhöht werden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung (1) in Draufsicht auf ein Stirnseitenelement (10), wie es bereits in 1 und 2 dargestellt ist. In 3a sind als Kühllufteinlässe ausgebildete Ausnehmungen (16), Ventilatoren (12) und Verbindungseinrichtungen (14) dargestellt, während in 3b ein virtueller Blick ins Innere dargestellt ist, der schematisch die Lage des Kühlkörpers (32), der beiden Kondensatorbänke (380a/b) der Kondensatoreinrichtung (38) und die drei Leistungshalbleitermodule (34) zeigt.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung (1) wie sie auch in 2 dargestellt ist, in seitlicher Draufsicht. Hier ist ebenfalls ein virtueller Blick ins Innere der beiden Stromrichtermodule (30a/b) angedeutet. Schematisch ist hier aus seitlicher Ansicht die Lage der beiden Kühlkörper (32) mit den Leistungshalbleitermodulen (34) und die Lage der zwei Kondensatorbänke (380a/b) der Kondensatoreinrichtung (38) dargestellt.
Benachbarte Stromrichtermodule (30a/b) werden vorteilhafterweise mittels eng benachbart angeordneter nicht dargestellter Kabelverbindungen miteinander verbunden. In ebensolcher Weise ist die Verbindung zu den Verbindungseinrichtungen (14) der Stirnseitenelemente (10, 20) ausgebildet.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung (1) ist, dass durch deren modularen Aufbau mit einer geringen Anzahl von Gehäusen (300) für Stromrichtermodule (30), mit verschiedenen Längen, bei gleichzeitig flexibler und trotzdem kompakter innerer Gestaltung, jeweils eine Stromrichteranordnung optimaler Leistung bei gewünschter Funktionalität ausgebildet werden kann.

Claims

Modular aufgebaute Stromrichteranordnung (1) mit einem ersten (10) und einem zweiten (20) Stirnseitenelement und mindestens einem hierzwischen angeordneten Stromrichtermodul (30), wobei das erste Stirnseitenelement (10) mindestens einen Ventilator (12) einer Luftkühleinrichtung aufweist, das zweite Stirnseitenelement (20) in der Flucht mit diesem Ventilator (12) eine Mehrzahl von als Luftdurchlässe wirkende Ausnehmungen (22) aufweist und mindestens ein Stirnseitenelement (10, 20) eine elektrische Verbindungseinrichtung (14) aufweist, wobei das mindestens eine Stromrichtermodul (30) als Teil der Kühleinrichtung einen von dem ersten zum zweiten Stirnseitenelement durchströmbaren Kühlkörper (32) aufweist, auf dem schaltungs- und leistungsgerecht mindestens ein Leistungshalbleitermodul (34) angeordnet ist, das mit einer Steuereinrichtung (36) und mit einer Kondensatoreinrichtung (38) verbunden ist und wobei das mindestens eine Stromrichtermodul (30) ein stirnseitig offenes Gehäuse (300) aufweist, das jeweils stirnseitig mit einem Stirnseitenelement (10, 20) oder einem weiteren Stromrichtermodul (30) verbindbar ist, wobei die Kondensatoreinrichtung (38) aus zwei Kondensatorbänken (380a/b) besteht, die spiegelbildlich zueinander angeordnet sind und wobei eine Kondensatorbank (380a) aus stirnseitiger Betrachtung seitlich neben dem Kühlkörper (32) und die weitere Kondensatorbank (380b) neben dem Leistungshalbleitermodul (34) angeordnet ist.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoren (382a/b) einer Kondensatorbank (380a/b) jeweils auf einer zugeordneten Leiterplatte (384a/b) angeordnet und mittels derer schaltungsgerecht verbunden sind.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei eine funktionale Einheit auf zwei Stromrichtermodule (30a/b) verteilt ist.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (300) jedes Stromrichtermoduls (30) aus einem U-förmigen Grundgehäuse (302) und einem angepassten Deckel (304) besteht.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (300) eine Länge aufweist, die von der notwendigen Kühlleistung der Leistungshalbleitermodule (34) oder der Kapazität der Kondensatoreinrichtung (38) abhängt und bei mehreren Stromrichtermodulen (30) diese Länge somit unterschiedlich ist.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 4, wobei das U-förmige Grundgehäuse (302) stirnseitig an Seitenwänden (306) gleichartige Verbindungsmittel (308) zur jeweiligen Verbindung mit einem Stirnseitenelement (10, 20) oder einem weiteren U-fömigen Grundgehäuse (302) aufweisen.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 4, wobei der Kühlkörper (32) eines Stromrichtermoduls (30) auf einer Grundfläche (310) des Grundgehäuses (302) angeordnet ist und die Kühlrippen (320) von Stirnseite zu Stirnseite verlaufen.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (36) unmittelbar oberhalb der Leistungshalbleitermodule (34) angeordnet ist.