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Die Erfindung betrifft einen leistungselektronischen Umrichter mit mindestens einem Ventilator zur Erzeugung eines Kühlluftstromes. Ferner betrifft sie ein Verfahren zur Kühlung eines leistungselektronischen Umrichters.
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In allen elektrischen Einrichtungen entsteht während ihres Betriebs Wärme durch die Dissipation elektrischer Energie. Diese Abwärme muss schnell genug abgeführt werden, um die Temperatur der elektrischen Bauteile in einem zulässigen Arbeitsbereich zu halten. Das Problem der Wärmeerzeugung ist umso gravierender, je höher der Leistungsdurchsatz des jeweiligen Gerätes ist. In Unterbrechungsfreien Stromversorgungen, die einen Leistungsdurchsatz bis in den Megawattbereich aufweisen können, sind daher in aller Regel Kühlsysteme vorzusehen, mit denen Abwärme in ausreichender Rate von den Bauteilen abgeführt werden kann.
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Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur effizienten Kühlung von Leistungsverarbeitenden elektrischen Einrichtungen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen leistungselektronischen Umrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Bei einem leistungselektronischen Umrichter gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Einrichtung zur Umwandlung des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Stromes. Insbesondere kann der Umrichter die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC), von DC in AC, von DC in DC oder von AC in AC durchführen. Der Umrichter soll dabei mindestens einen Ventilator zur Erzeugung eines Kühlluftstromes enthalten, wobei der Begriff ”Ventilator” hier jedes geeignete Gerät unabhängig von seiner konkreten Bauweise umfassen soll, also nicht nur Ventilatoren mit einem rotierenden Laufrad. Der genannte Kühlluftstrom wird in dem Umrichter in mindestens zwei parallel gerichtete Nebenzweige geteilt, wobei Komponenten des Umrichters gemäß ihrer Temperatursensibilität und/oder Verlustleistung auf die Nebenzweige verteilt sind. Bei den erwähnten Komponenten handelt es sich insbesondere um die aktiven und passiven elektronischen Bauteile des Umrichters.
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Insbesondere können in einem ersten Nebenzweig temperatursensible Komponenten mit geringer Verlustleistung angeordnet sein und in einem zweiten Nebenzweig Komponenten mit hoher Verlustleistung. Die Begriffe ”temperatursensibel” sowie ”geringe” bzw. ”hohe” Verlustleistung sind dabei relativ in Bezug auf die in dem Umrichter eingesetzten Komponenten zu verstehen. ”Temperatursensibel” sind demnach z. B. die Komponenten, welche hinsichtlich ihrer zulässigen Betriebstemperatur den kleinsten Toleranzbereich aller Komponenten aufweisen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines leistungselektronischen Umrichters, wobei ein Kühlluftstrom in einem ersten Nebenzweig über temperatursensible Komponenten mit geringer Verlustleistung und parallel dazu in einem zweiten Nebenzweig über Komponenten hoher Verlustleistung geführt wird.
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Das Verfahren beschreibt in allgemeiner Form die in dem zuvor beschriebenen leistungselektronischen Umrichter ausführbaren Kühlprozesse. Zur weiteren Erläuterung von Einzelheiten des Verfahrens wird daher auf die Beschreibung des Umrichters verwiesen.
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Der erfindungsgemäße leistungselektronische Umrichter und das Verfahren zur Kühlung haben den Vorteil, dass sie durch eine intelligente Anordnung von Komponenten in parallelen Zweigen eines Kühlluftstromes eine effiziente forcierte Luftkühlung erreichen, bei welcher jedes Bauteil entsprechend seinem Aufkommen an Abfallwärme gekühlt wird und bei dem gleichzeitig die Kühlsicherheit für temperatursensible Komponenten optimiert ist.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben, welche sich sowohl für den Umrichter als auch das Verfahren realisieren lassen.
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So kann der Kühlluftstrom beispielsweise aus der Umgebungsluft erzeugt werden, was eine besonders einfache und in der Regel immer realisierbare Lösung darstellt. Alternativ kann der Kühlluftstrom beispielsweise aus speziellen Einrichtungen wie Kühlaggregaten entnommen werden.
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Die Ströme an Kühlluft durch die Nebenzweige sind typischerweise unterschiedlich groß, damit sie dem (gesamten) Kühlbedarf der Komponenten im jeweiligen Zweig bedarfsgerecht angepasst sind. Insbesondere kann der Kühlluftstrom im ersten Nebenzweig, welcher die temperatursensiblen Komponenten geringer Verlustleistung enthält, kleiner sein als derjenige im zweiten Nebenzweig.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die Komponenten in mindestens einem Nebenzweig gemäß ihrer Temperatursensibilität und/oder ihrer Verlustleistung in Serie angeordnet. Die erfindungsgemäße intelligente Verteilung von Komponenten auf parallele Nebenzweige, welche sich an der Temperatursensibilität und Verlustleistung orientiert, wird demnach auch innerhalb des genannten Nebenzweiges auf die serielle Anordnung der Komponenten angewendet. Die konkrete Umsetzung hängt dabei von den Einzelheiten der jeweiligen Anwendung ab. Typischerweise werden im Nebenzweig stärker temperatursensible Komponenten bezogen auf den Luftstrom VOR weniger temperatursensiblen Komponenten angeordnet, so dass sie zuerst vom Luftstrom erreicht werden. Des Weiteren werden im Nebenzweig typischerweise Komponenten geringerer Verlustleistung VOR Komponenten höherer Verlustleistung angeordnet. Da die beiden genannten Anordnungsprinzipien in bestimmten Fällen miteinander in Konflikt stehen können (z. B. bei der Anordnung von temperatursensiblen Komponenten hoher Verlustleistung und temperaturrobusten Komponenten geringer Verlustleistung), muss gegebenenfalls ein geeigneter Kompromiss gefunden werden.
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Bei den im ersten Nebenzweig angeordneten Komponenten kann es sich beispielsweise um eine Stromschiene, um Platinen, und/oder um Kondensatoren handeln. Die Kondensatoren können insbesondere Wechselstromkondensatoren sein, welche eine Beschaltung in wechselnden Polaritäten zulassen.
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Bei den im zweiten Nebenzweig angeordneten Komponenten kann es sich insbesondere um Leistungskondensatoren (z. B. Gleichstrom-Elektrolytkondensatoren), Halbleiterbausteine mit Kühlkörpern, und/oder Induktivitäten handeln.
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Da die erwähnten Komponenten im zweiten Nebenzweig eine (relativ) hohe Verlustleistung aufweisen, wird auf sie vorzugsweise die oben beschriebene serielle Anordnung gemäß ihrer Temperatursensibilität und/oder Verlustleistung angewendet.
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Besonders bevorzugt ist es demnach, wenn im zweiten Nebenzweig die vorderen Komponenten (welche zuerst vom Luftstrom erreicht werden) durch temperatursensible Komponenten mit relativ geringer Verlustleistung gebildet werden, insbesondere durch Leistungskondensatoren. Die Begriffe der ”Temperatursensibilität” und der ”geringen” Verlustleistung sind hierbei relativ zu den anderen Komponenten des zweiten Nebenzweiges zu verstehen.
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Des Weiteren werden im zweiten Nebenzweig vorzugsweise die mittleren Komponenten, welche weder zuerst noch zuletzt vom Luftstrom erreicht werden, durch sensible Halbleiterbausteine gebildet, insbesondere Halbleiterbausteine mit Kühlkörpern. Derartige Halbleiterbausteine können beispielsweise dazu dienen, die Gleichrichtung von Wechselspannung (oder die Wechselrichtung von Gleichspannung) vorzunehmen, wozu sie von der gesamten elektrischen Leistung des Umformers durchströmt werden müssen, so dass sie eine entsprechend hohe Verlustwärme produzieren.
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Ferner können im zweiten Nebenzweig die hinteren Komponenten, welche zuletzt von der Kühlluft erreicht werden, durch weniger temperatursensible Komponenten gebildet werden, beispielsweise durch Induktivitäten (Drosseln). Da die Temperatur der Kühlluft in hinteren Bereichen aufgrund schwankender Wärmeabgaben vorgelagerter Komponenten am stärksten variieren kann, erweist es sich als vorteilhaft, in dieser Zone weniger temperatursensible Komponenten unterzubringen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Teilung des Kühlluftstromes in die Nebenzweige nach einem Hauptzweig, durch welchen einheitlich der gesamte Kühlluftstrom fließt. Besonders temperatursensible Komponenten können dann in diesem Hauptzweig angeordnet werden, welcher eine sehr sichere Kühlleistung gewährleistet. Des Weiteren können Komponenten aus den Anfangszonen der Nebenzweige auch noch in den Hauptzweig hineinragen, so dass sie teils im Hauptzweig, teils in einem der Nebenzweige liegen.
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Bei dem leistungselektronischen Umrichter kann es sich insbesondere um eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), um einen Ladegleichrichter für Batterien oder dergleichen, um einen Frequenzumformer, oder einen Wechselrichter (insbesondere für Fotovoltaikzwecke) handeln.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der beigefügten Figur näher erläutert. Die 1 zeigt in einer Seitenansicht die Komponenten einer USV, welche erfindungsgemäß angeordnet und gekühlt werden.
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Obgleich die Erfindung am Beispiel einer USV 100 näher erläutert wird, sei darauf hingewiesen, dass sich die beschriebenen Prinzipien allgemein für die forcierte Kühlung von leistungselektronischen Umrichtern einsetzen lassen.
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Die in der Figur dargestellte USV 100 weist eine Reihe von in einem Gehäuse fest angeordneten elektronischen Bauteilen bzw. Komponenten auf, wobei die Außenhülle des Gehäuses in der Darstellung weggelassen ist. Durch das Gehäuse wird ein forcierter Luftstrom K geführt, in welchem die genannten Komponenten parallel und seriell in der nachfolgend erläuterten, kühlungstechnisch intelligenten Weise angeordnet sind.
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Zur Erzeugung des Kühlluftstromes K weist die USV 100 (mindestens) einen Ventilator 30 auf, welcher Luft aus der Umgebung mit der Umgebungs-, temperatur TU ansaugt und durch einen Hauptzweig Z0 fördert. Hinter diesem Hauptzweig Z0 wird die Kühlluft in zwei parallele Nebenzweige Z1 und Z2 aufgeteilt, welche im Wesentlichen ohne Durchmischung die weitere USV 100 durchlaufen.
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In dem ersten Nebenzweig Z1 (oberer Zweig in der Figur) wird in der Regel ein kleinerer Luftstrom geführt. In diesem Zweig sind der Reihe nach die folgenden Komponenten angeordnet:
- – Stromschienen 11 eines Leistungsbusses;
- – Snubber-Kondensatoren 13;
- – Wechselstrom-Leistungskondensatoren 14.
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Optional kann der erste Nebenzweig Z1 auch noch zur Kühlung von Platinen 12 beitragen, auf welchen typischerweise Steuerungselektronik für die USV 100 untergebracht ist.
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Im zweiten Nebenzweig Z2 sind die folgenden Komponenten der Reihe nach angeordnet:
- – Gleichstrom-Leistungskondensatoren 21;
- – die Kühlkörper 22 von Halbleiterbauteilen;
- – Schalt-Induktivitäten (Drosseln) 23.
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Die jeweils ersten Komponenten der Nebenzweige, d. h. die Stromschienen 11 und die DC-Leistungskondensatoren 21, können teilweise noch im gemeinsamen Hauptzweig Z0 des Kühlluftstromes angeordnet sein.
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Bei der beschriebenen Anordnung wird somit der Kühlluftstrom K in unterschiedliche Teile geteilt, zum einen für temperatursensible Komponenten mit geringer Verlustleistung wie z. B. Elektronikbaugruppen und zum anderen für Komponenten mit höhere Verlustleistung. Bei Letzteren wird eine Anordnung getroffen, dass die temperatursensiblen Komponenten mit geringerer Verlustleistung wie z. B. Leistungskondensatoren zuerst mit der einströmenden Luft in Berührung kommen, danach die sensiblen Halbleiter über den Kühlkörper noch mit einem relativ geringen Temperaturniveau versorgt werden, danach dann die weniger temperaturkritischen Komponenten wie Induktivitäten angeordnet werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Gleichstrom- und Wechselstromkondensatoren 21, 13, 14 von einem Luftstrom mit etwa Umgebungsluft-Temperatur TU gekühlt werden. Ebenso werden die Kühlkörper 22 mit Luft bei Umgebungstemperatur TU gekühlt, während die Drosseln 23 (bei Volllast) einen Luftstrom von etwa 10°C höherer Temperatur erhalten.
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Durch die beschriebene Lösung wird die forcierte Luftkühlung von leistungselektronischen Umrichtern optimiert. Der Ansatz ist dabei kompatibel mit einem breiten (Leistungs-)Spektrum von Umrichtern und Unteranordnungen von Umrichtern. Neben Unterbrechungsfreien Stromversorgungen kann die Erfindung bei Ladegleichrichtern für Batterien (z. B. Elektromobilität), Frequenzumformern oder auch Photovoltaik-Wechselrichtern und ähnlichen Geräten eingesetzt werden.
