DE19524115A1 - Stromrichtergerät mit unterteilten Funktionsräumen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtergerät mit unterteilten Funktionsräumen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eignet sich insbesondere als Dachauf­ baugerät für Stadtbahnfahrzeuge, Straßenbahnen U-Bahnen und S-Bahnen.

Ein derartiges Stromrichtergerät mit unterteilten Funktionsräumen ist aus der ABB Technik 4/1994, Seite 26 bis 32 bekannt. Dort wird ein Niederflur-Stadtbahnfahrzeug mit Stromrichter-Dachaufbaugerät beschrieben, welches einen wassergekühlten Tran­ sistorwechselrichter, einen Bremssteller, ein Antriebsleitgerät, einen Bremswiderstand und Kühlkomponenten zur Rückkühlung des durch die Stromrichterventile erhitzten Kühlwassers und des Bremswiderstandes enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromrichtergerät mit unterteilten Funkti­ onsräumen der eingangsgenannten Art anzugeben, das eine optimale Kühlung aller Baukomponenten bei gleichzeitig gewichts- und kostenreduzierter Bauweise sicher­ stellt.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die als hohles Kastenprofil ausgebildete Trennwand zwischen den Funktionsräumen eine physikalisch-technische Mehrfachfunktion hat. Einerseits fungiert sie als Luft/Luft-Kühler zur Rückkühlung der während des internen Luftkreislaufes durch die elektrischen und/oder elektronischen Baukomponenten erwärmten Luft sowie zur Luft­ führung von einem zum anderen Funktionsraum. Andererseits erfüllt sie wichtige Sta­ tik- und Gehäuseteilfunktionen des Gerätes. Die hohe Festigkeit des Kastenprofils er­ laubt die Verwendung dünnerer Gehäusebleche, so daß sich insbesondere eine Mate­ rialreduktion und damit eine Gewichtsreduktion und Kostenreduktion bei erhöhter Ge­ häusestabilität ergibt. Die Trennwand erhöht die Verwindungssteifigkeit und die Schwingungsdämpfung.

Der Teilezahlaufwand ist deutlich reduziert, da beispielsweise ein einziger Zentrallüfter sowohl für die gehäuseinterne Luftumwälzung als auch für die Ansaugung atmosphäri­ scher Zuluft einsetzbar ist. Gleichzeitig wird der Energie- und Kühlmedienfluß optimiert, was zu einem sehr kompakten Gerät führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Sicht auf ein vollständig geöffnetes Stromrichtergehäuse,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines geöffneten Stromrichtergehäuses ohne Baukomponenten,

Fig. 3 eine Sicht auf ein schematisch dargestelltes Stromrichtergehäuse in der Grundbauform,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Trennwand.

In Fig. 1 ist eine Sicht auf ein vollständig geöffnetes Stromrichtergehäuse dargestellt. Das Stromrichtergehäuse ist in drei Funktionsräume unterteilt, in einen äußeren Stromrichterventil- und Anschlußraum 1 (Funktionsraum 1), einen mittleren Kühler- und Kühlflüssigkeitsbaugruppenraum 2 (Funktionsraum 2) und einen äußeren Lüfter-Leit­ technik- und Bremswiderstandsraum 3 (Funktionsraum 3). Diese drei Funktionsräume sind in Fig. 2 bezeichnet.

Im Funktionsraum 1 befinden sich mehrere flüssigkeitsgekühlte Stromrichterventile 4 eines Stromrichters (z. B. eines Wechselrichters und eines Bremsstellers), mehrere Eingangsdrosseln 5, eine Anschluß- und Sicherungseinheit 6 und eine Schützenbau­ gruppe 7.

Im Funktionsraum 2 sind ein Kühlflüssigkeits/Luft-Kühler 8 (Wärmetauscher, z. B. Was­ ser/Luft-Kühler) sowie eine Kühlflüssigkeitsbaugruppe 9 mit Kühlflüssigkeitseinfüllstut­ zen, Entlüftungseinrichtung, Kühlflüssigkeitspumpe und Kühlflüssigkeitsablaß unterge­ bracht. Die Kühlflüssigkeitsbaugruppe 9 speist den Kühlkreislauf der Stromrichterventi­ le 4 über die Flüssigkeitsleitungen 10 (Schläuche) und den Kühlkreislauf von Antriebs­ motoren über aus dem Stromrichtergehäuse führende Kühlflüssigkeitsleitungen 11. Die erwärmte Kühlflüssigkeit gelangt über Kühlflüssigkeitsleitungen 12 zum Kühler 8 und wird dort rückgekühlt. Vorteilhaft sind außer den Flüssigkeitsleitungen 10 keine weite­ ren Leitungen im Funktionsraum 1 sowie im Funktionsraum 3 erforderlich.

Im Funktionsraum 3 befindet sich eine Elektronikeinheit 13, eine Regel/Steuereinheit 14 für die Ansteuerung der Stromrichterventile, ein Zentrallüfter 15 und Bremswider­ stände 16. Durch eine Einschiebe-Schottwand 17 wird der Raum 3 unterteilt und es entstehen zwei Ansaugräume 18, 20. Der erste Ansaugraum 18 mit Luftleitwerk und vom Zentrallüfter 15 angetriebenem Lüfterkranz 19 (Axiallüfter) ist über Luftschlitze mit dem Funktionsraum 2 verbunden. Der Zentrallüfter 15 treibt einen weiteren Lüfterkranz 25 (Radiallüfter) an, der Luft vom zweiten Ansaugraum 20 in einen Druckraum 21 be­ fördert. Vom Druckraum 21 führt ein Zwischenkanal 22 - ein Luft/Luft-Kühler mit offener äußerer Profilseite - vom Funktionsraum 3 über den Funktionsraum 2 zum Funktions­ raum 1. Zur Ausbildung dieses Zwischenkanals 22 sind die Trennwände zwischen den Funktionsräumen 2 und 3 sowie zwischen den Funktionsräumen 2 und 1 als hohle Ka­ stenprofile gestaltet. Über zahlreiche Luftschlitze 23 kann die Luft aus dem Zwischen­ kanal 22 in den Funktionsraum 1 eintreten. Zur Rückführung der im Funktionsraum 1 von Baukomponenten erwärmten Luft dient ein Ansaugkanal 24. Die Luft tritt über Luft­ schlitze des Ansaugkanals 24 vom Funktionsraum 1 in den Kanal ein und tritt über Luftschlitze aus dem Kanal in den zweiten Ansaugraum 20 en.

In Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines geöffneten Stromrichtergehäuses ohne Baukomponenten dargestellt. Von Wichtigkeit ist insbesondere die Ausbildung der Trennwand 26 zwischen dem Stromrichterventil- und Anschlußraum 1 und dem Kühler- und Kühlflüssigkeitsbaugruppenraum 2 sowie der Trennwand 27 zwischen dem Kühler- und Kühlflüssigkeitsbaugruppenraum 2 und dem Lüfter-Leittechnik- und Brems­ widerstandsraum 3. Beide Trennwände 26, 27 sind als Hohlprofil ausgestaltet, bilden hierdurch den Zwischenkanal 22 und weisen als äußere offene Profilseite zum Funkti­ onsraum 2 hin gerichtet eine Vielzahl von Kühlerlamellen 30 (offene Kühlrippen) auf.

Zur stabilen und rüttelsicheren Befestigung des Stromrichtergehäuses sind innerhalb des Gehäuseinnenraums Eckversteifungen 28 angebracht, die u. a. zur Befestigung von Flanschfüßen 29 dienen. Hierdurch werden auftretende Trag- und Rüttelkräfte gleichmäßig verteilt in das Stromrichtergehäuse eingeleitet und das Gehäuse wird an seinen Ecken sehr stoßfest.

Wie bereits aus der vorstehenden Beschreibung der Fig. 1, 2 hervorgeht, sind inner­ halb des Stromrichtergehäuses drei verschiedene Kühlsysteme realisiert. Das erste Kühlsystem betrifft den Kühlflüssigkeitskreislauf für die Stromrichterventile 4 und die Antriebsmotoren. Die Pumpe der Kühlflüssigkeitsbaugruppe 9 bewirkt eine permanente Umwälzung der Kühlflüssigkeit, so daß die in den Stromrichterventilen 4 und Antrieben produzierte Wärmeenergie über die Kühlflüssigkeit zum Kühler 8 transportiert und dort nach außen abgeführt werden kann.

Die Abführung dieser Wärmeenergie vom Kühler 8 an die Außenatmosphäre erfolgt mittels des zweiten Kühlsystems. Hierzu saugt der Lüfterkranz 19 des Zentrallüfters 15 Zuluft aus der Außenatmosphäre an. Diese Zuluft tritt an der Unter- oder den Stirnsei­ ten des Stromrichtergehauses in den Raum 2 ein (siehe Pfeile in Fig. 1), durchströmt die Kühlerlamellen des Kühlers 8, gelangt über Luftschlitze vom Funktionsraum 2 in den Ansaugraum 18, verläßt diesen über das Luftleitwerk - letzteres bewirkt eine Ver­ gleichmäßigung der Luftströmung - und durchströmt die Kühllamellen der Bremswider­ stände 16. Die aufgeheizte Abluft verläßt das Stromrichtergehäuse über deckelseitige Lamellenöffnungen (siehe Pfeile in Fig. 1).

Das dritte Kühlsystem betrifft den internen Luftkühlkreislauf innerhalb des Stromrich­ tergehäuses, wobei der Zwischenkanal 22 als Luft/Luft-Kühler bzw. -Wärmetauscher eine wesentliche Rolle spielt und kein Luftaustausch mit der Außenatmosphäre erfolgt. Das hat den Vorteil, daß Staub, Feuchtigkeit, Aerosole, Metallabriebteilchen usw. von den empfindlichen Stromrichterventilen und elektrischen sowie elektronischen Bau­ komponenten ferngehalten werden. Zur Aufrechterhaltung dieses internen Luftkühl­ kreislaufs dient der Lüfterkranz 25 des Zentrallüfters 15, der permanent interne Umluft aus dem Ansaugraum 20 in den Druckraum 21 transportiert. Diese Umluft durchströmt den von den Trennwänden 26, 27 gebildeten Zwischenkanal 22, wobei die Wärmee­ nergie der Umluft über die in den Funktionsraum 2 ragenden Kühlerlamellen 30 der Trennwände an die vorbeiströmende Zuluft des zweiten Kühlsystems abgeführt wird. Die abgekühlte Umluft tritt in den Raum 1 ein, kühlt dort Baukomponenten wie Ein­ gangsdrosseln 5 und Schützenbaugruppe 7 und verläßt den Raum 1 über den Ansaug­ kanal 24, welche die Umluft zum Ansaugraum 20 leitet. Beim Durchströmen dieses An­ saugraumes 20 werden Baukomponenten wie Elektronikeinheit 13 und Regelsteuer­ einheit 14 gekühlt. Anschließend tritt die erwärmte Umluft wieder in den Zwischenkanal 22 ein (siehe auch Pfeile). Über das dritte Kühlsystem werden auch Leitungsverluste und Sonnen-Einstrahlwärme von den Deckel- und Seitenwänden abgeführt.

Wie bereits aus der vorstehenden Beschreibung der Funktionsweise der drei einerseits unabhängigen, andererseits miteinander verknüpften Kühlsysteme hervorgeht, ist es von besonderem Vorteil, daß lediglich ein einziger Zentrallüfter 15 erforderlich ist, der über zwei getrennte Lüfterkränze 19 und 25 die Luftumwälzung des zweiten und des dritten Kühlsystems bewirkt.

Ein weiterer Vorteil des Konzepts mit Mittenkühler ist darin zu sehen, daß die sich stark aufheizenden Bremswiderstände konzeptionell von allen elektronischen Baukomponen­ ten abgekoppelt sind, d. h. die Wärmeenergie der Bremswiderstände kann keinesfalls auf andere elektronische Baukomponenten übertragen werden. Die die Kühllamellen der Bremswiderstände durchströmende Kühlluft tritt direkt in die Außenatmosphäre ein. Zudem werden die Bremswiderstände intensiv gekühlt, was die auftretende Temperatur herabsetzt und die Ausnutzung erhöht. Es können deshalb kostengünstige und leichte Bremswiderstände verwendet werden.

Zur Minimierung der Sonnen-Einstrahlwärme und zur Abschwächung von atmosphäri­ schen Temperaturstürzen mit der Gefahr einer Betauung der Baukomponenten sind Isoliermatten unter die Deckel gelegt. Die Betauung wird verhindert, da die Isoliermat­ ten als vorübergehender adsorptiver Feuchtigkeitsspeicher bis zur nächsten Tempera­ turerhöhung fungieren. Die Feuchteabgabe an die Innenluft erfolgt während der näch­ sten Temperaturerhöhung, so daß der Feuchtigkeitsgehalt stets unterhalb der Sätti­ gungsgrenze liegt. Die Isoliermatten bewirken darüber hinaus vorteilhaft eine Ge­ räuschdämmung.

In Fig. 3 ist eine Sicht auf ein schematisch dargestelltes Stromrichtergehäuse in der Grundbauform gezeigt. Dieses Stromrichtergehäuse ist lediglich in zwei Funktionsräu­ me unterteilt und zwar in einen ersten Funktionsraum, in dem die Stromrichterventile 4 und die elektrischen und/oder elektronischen Baukomponenten, wie Eingangsdrossel 5, Anschluß- und Sicherungseinheit 6, Elektronikeinheit 13 und Regel/Steuereinheit 14 angeordnet sind, und in einen zweiten Funktionsraum, in dem sich ein Kühlflüssig­ keits/Luft-Kühler 8 zur Rückkühlung der durch die Stromrichterventile erhitzten Kühl­ flüssigkeit und ein Zentrallüfter mit Luftleitwerk und Lüfterkranz 19 sowie zusätzlichem Lüfterkranz 25 befinden.

Die als hohles Kastenprofil ausgestaltete Trennwand zwischen den Funktionsräumen bildet den Zwischenkanal 22, der mit Kühlerlamellen 30 zum zweiten Funktionsraum hin versehen ist, so daß sich ein Luft/Luft-Kühler bzw. -Wärmetauscher ergibt. Die vom Lüfterkranz 19 des Zentrallüfters 15 angesaugte atmosphärische Zuluft gelangt über den Ansaugraum 18 durch das Luftleitwerk sowohl zum Kühlflüssigkeits/Luft-Kühler 8 als auch zur offenen Profilseite dem Zwischenkanals 22, durchströmt diese Kühler und verläßt als aufgeheizte Abluft das Stromrichtergerät.

Eine Einschiebe-Schottwand 17 trennt den Ansaugraum 18 vom Ansaugraum 20 der internen Luftumwälzung, die vom Lüfterkranz 25 des Zentrallüfters 15 bewirkt bzw. un­ terstützt wird. Die angesaugte Umluft (siehe Pfeile) wird in den Zwischenkanal 22 ge­ drückt, kühlt dort ab, strömt über Luftschlitze 23 in den ersten Funktionsraum, kühlt dort elektrische und elektronische Baukomponenten 5, 6, 13, 14, verläßt diesen ersten Funktionsraum über einen Ansaugkanal 24 und gelangt wiederum in den Ansaugraum 20.

Die Kühlflüssigkeitsbaugruppe 9 ist beim schematisierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 im ersten Funktionsraum untergebracht, kann jedoch auch im zweiten Funktions­ raum angeordnet sein. Diese Grundbauform des Stromrichtergehäuses eignet sich ins­ besondere für Bauformen, bei denen keine Bremswiderstände erforderlich sind.

Für alle Bauformen gilt, daß die als Kastenprofil ausgebildete Zwischenkanäle 22 und auch die Ansaugkanäle 25 zusätzlich als Kabelführungsräume dienen können, um z. B. elektrische Leitungen oder Steuerleitungen zwischen den Funktionsräumen zu führen. Hierbei sind Kabeldurchführungen vorteilhaft nicht erforderlich. Die Kabelbäume kön­ nen komplett vorkonfektioniert und aufgrund der relativ großen Öffnungen einfach ein­ gelegt bzw. eingezogen werden. Dies erleichtert die Montage und reduziert die Monta­ gekosten. Wesentlich ist, daß die den Zwischenkanal 22 bildenden Trennwände zwi­ schen Funktionsräumen wichtige Statikfunktionen (Tragfunktionen) des Gehäuses übernehmen. Infolge der Kastenprofilierung wird insbesondere eine hohe Verwin­ dungssteifigkeit und Schwingungsdämpfung des Stromrichtergehäuses bei gleichzeitig relativ geringem Gewicht erzielt.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Trennwand dargestellt. Die Trennwand 26 ist als Aluminium-Strangpreßteil hergestellt und besitzt eine Vielzahl von geschlossenen und halboffenen Kammern, was die Stabilität der Trennwand gewährleistet. Die geschlosse­ nen Kammern werden zum großen Teil als Zwischenkanäle 22 benutzt, um die umge­ wälzte Innenluft zu führen. Die an die Außenwände der Kammern der Zwischenkanäle 22 abgegebene Wärmeenergie wird zu den Kühlerlamellen 30 geleitet, welche von der atmosphärischen Luft des zweiten Kühlsystems umspült werden. Halboffene Kammern der Trennwand dienen als Kabelführungskanäle 31 zur Führung von Kabelbäumen, welche elektrische Verbindungen zwischen Baukomponenten innerhalb des Stromrich­ tergerätes sowie Außenverbindungen herstellen. Weitere geschlossene Kammern der Trennwand können als Ausgleichsgefäße 32 (Ausdehnungsgefäß) für das flüssige Kühlmittel der Kühlflüssigkeitsbaugruppe 9 herangezogen werden. Diese Maßnahme führt vorteilhaft zu einer Raum- und Gewichtsreduktion. Stirnseitige Bohrungen 33 in den Zwischenwänden der Trennwand dienen für Stirnverschraubungen, um die Trenn­ wand mit Gehäusewänden des Stromrichtergerätes zu verbinden oder um zusätzliche Befestigungsteile zu montieren.

Die Herstellung der Trennwand erfolgt vorteilhaft in zwei Schritten. In einem ersten Schritt werden die einzelnen Baukomponenten der Trennwand miteinander ver­ schraubt. Hierzu sind Verschraubungsbohrungen 34 an einzelnen Baukomponenten vorgesehen (z. B. für die Verschraubung der Stirnwände). In einem zweiten Schritt er­ folgt die Verschweißung der einzelnen Baukomponenten zu einer luftdichten Einheit. Da die Baukomponenten durch die Verschraubungen bereits fixiert sind, ist eine Schweißung ohne Schweißeinrichtungen möglich, was die Herstellung verbilligt.

Claims (10)

1. Stromrichtergerät mit flüssigkeitsgekühlten Stromrichterventilen (4) und elektrischen und/oder elektronischen Baukomponenten (5, 6, 7, 13, 14), wobei das Stromrichtergerät in mehrere Funktionsräume unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem ersten Funktionsraum zumindest teilweise die elektrischen und/oder elektronischen Baukomponenten (5, 6, 7, 13, 14) befinden, daß in einem zweiten Funkti­ onsraum ein Kühlflüssigkeits/Luft-Kühler (8) zur Rückkühlung der durch die Stromrich­ terventile erhitzten Kühlflüssigkeit angeordnet ist und daß die Trennwand (26, 27) zwi­ schen den Funktionsräumen als hohles Kastenprofil ausgebildet und mit Kühlerlamel­ len (30) zum zweiten Funktionsraum hin versehen ist, so daß sich ein als Luft/Luft-Küh­ ler fungierender Zwischenkanal (22) ergibt, der eine Abkühlung der intern umgewälzten und durch den Zwischenkanal geführten Luft des ersten Funktionsraumes bewirkt, wo­ bei atmosphärische Zuluft sowohl die Kühlerlamellen (30) des Zwischenkanals (22) als auch den Kühlflüssigkeits/Luft-Kühler (8) durchströmt.

2. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Funktionsraum die Stromrichterventile (4) enthält.

3. Stromrichtergerät nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Funktionsraum eine zur Verteilung und Sammlung der Kühlflüssigkeit dienende Kühlflüssigkeitsbaugruppe (9) enthält.

4. Stromrichtergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein die Kühlung des Kühlflüssigkeits/Luft-Kühlers (8) und des Luft/Luft-Kühlers bewirkender Zentrallüfter (15, 19) im zweiten Funktionsraum angeordnet ist.

5. Stromrichtergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein die Kühlung des Kühlflüssigkeits/Luft-Kühlers (8) und des Luft/Luft-Kühlers bewirkender Zentrallüfter (15, 19) in einem dritten Funktionsraum angeordnet ist.

6. Stromrichtergerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrallüfter (15, 19) einen zusätzlichen Lüfterkranz (25) aufweist, der die interne Luft­ umwälzung der Umluft des ersten Funktionsraumes bewirkt.

7. Stromrichtergerät nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Funktionsraum durch eine Schottwand (17) unterteilt ist, wodurch ein mit elektri­ schen und/oder elektronischen Baukomponenten (13, 14) bestückbarer Ansaugraum (20) für die interne Luftumwälzung gebildet wird.

8. Stromrichtergerät nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Bremswiderstände (16) im dritten Funktionsraum angeordnet sind, wobei die Bremswi­ derstände von derselben atmosphärischen Zuluft gekühlt werden, welche zuvor die Kühllamellen (30) des Zwischenkanals (22) und den Kühlflüssigkeits/Luft-Kühler (8) durchströmt.

9. Stromrichtergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens eine Hohlkammer der Trennwand (26, 27) als Ausgleichsgefäß (32) des Kühlflüssigkeits/Luft-Kühlers (8) mit Kühlflüssigkeitsbaugruppe (9) heran­ gezogen wird.

10. Stromrichtergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine halboffene oder geschlossene Kammer der Trennwand (26, 27) als Kabelführungskanal (31) herangezogen wird.