DE19815645C1 - Umrichteranordnung mit Kühleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Umrichteranordnung ent­ sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter einer Umrichteranordnung soll eine Anordnung von einem oder mehreren gleichrichtenden und/oder wechselrichtenden Um­ richtern verstanden werden, die gegebenenfalls zusammen mit weiteren Elektronikbauteilen für den jeweiligen Anwendungs­ fall in einem geeigneten Gehäuse eingebaut sind.

Insbesondere bei Industrieumrichtern, wo die Umrichter meist in einem Schrank eingebaut sind, besteht das Problem, die hauptsächlich von den Umrichtern bzw. Umrichtermodulen er­ zeugte Wärme auf effiziente Weise aus dem Gehäuse abzuführen. Bekannt sind folgende Möglichkeiten einer Kühlung:

Bei der direkten Luftkühlung, die bei vielen industriellen Anwendungen eingesetzt wird, wird der gesamte Innenraum des Gehäuses des Industrieumrichters, insbesondere die Leistungs­ halbleiter, Kondensatoren und die Steuerungselektronik, mit der Umgebungsluft gekühlt.

Die direkte Luftkühlung ist im wesentlichen nur für Anwen­ dungsfälle mit relativ sauberer, trockener und nicht aggres­ siver Umgebungsluft geeignet. Ansonsten müßten erhebliche Aufwendungen getroffen werden, um den Staub aus der Zuluft herauszufiltern und eine Betauung der Teile im Gehäuse zu vermeiden. Die vorgenannte direkte Luftkühlung ist deshalb nicht ohne weiteres geeignet, Industrieumrichter in aggressi­ ver Atmosphäre einzusetzen. Die Gehäuse (Schränke) können auch nicht in IP 54 oder IP 65 ausgeführt werden. Sie müßten dazu in klimatisierten Reinlufträumen oder Containern aufge­ stellt werden, was die Kosten und den Platzbedarf erheblich erhöhen würden.

Bei der indirekten Luftkühlung ist ein Innenluftkreis und ein Außenluftkreis vorgesehen. Der Innenkreislauf kühlt den gesamten Innenraum, wie bei der direkten Kühlung. Die Abwärme wird über einen Wärmetauscher an den Außenluftkreis abgege­ ben. Diese Variante kann, da der Innenluftkreislauf von dem Außenluftkreis unabhängig ist, auch bei staubhaltiger, feuchter und aggressiver Atmosphäre eingesetzt werden. Nach­ teilig ist jedoch der vergleichsweise schlechte Wirkungsgrad des Luft/Luft-Wärmetauschers. Diesen Nachteil könnte man zwar durch Erhöhung des Luftdurchsatzes beseitigen; In Kauf nehmen müßte man dann aber einen größeren Wärmetauscher mit höherer Geräuschemission durch die notwendigerweise stärker dimen­ sionierten Lüfter.

Mit einer Wasserkühlung, bei der, wie beispielsweise in DE- 42 25 675 aufgezeigt, die Leistungsbausteine eines Umrichter­ moduls auf einen entsprechend ausgebildeten Kühlkörper auf­ gesetzt sind, der von Kühlwasser durchströmt wird, lassen sich zwar die vorgenannten Nachteile vermeiden; die derzeitig bekannten Lösungen erfordern aber bei Geräten die sowohl Leistungs- als auch Steuerungskomponenten enthalten relativ tiefe Kühlwasser­ temperaturen, welche bei den üblichen Umgebungstemperaturen von etwa 40°C nicht ohne Einsatz von zusätzlichen Kältegerä­ ten oder nach dem Verdunstungsprinzip arbeitende Kühleinrich­ tungen erreicht werden können. Der Einsatz von wassergekühl­ ten Industrieumrichtern ist deshalb heute hauptsächlich auf jene Anwendungen begrenzt, wo zentrale Kühlsysteme mit Kühl­ wassertemperaturen von ca. 15 bis 20°C für die Umrichterküh­ lung vorhanden sind oder mit benutzt werden können.

Überall dort, wo ein solches Kühlsystem nicht vorhanden ist, ist eine entsprechend aufwendige Nachrüstung mit zusätzlichen Kältegeräten bzw. Kühleinrichtungen für die Rückkühlung notwendig, oder es müssen die Umrichter sehr viel größer di­ mensioniert werden als technisch eigentlich notwendig. All diese Maßnahmen verteuern die Projekte bzw. Erschweren deren Realisierung oder machen sie gar unmöglich.

Eine kombinierte Wasser/Luft-Kühlung, wie sie beispielsweise in der DE-41 25 528 zur Kühlung von wärmeerzeugenden elektro­ nischen Teilen bei Großcomputern beschrieben ist, bei der zur Wärmeabfuhr bzw. Kühlung der Teile ein Wärmetauscher im Was­ serkühlkreislauf über mehrere Ventilatoren von Luft über­ strömt wird, hat den Nachteil, daß die Anlage nicht in staub­ haltiger Umgebungsluft eingesetzt werden kann. Die über die Ventilatoren von außen angesaugte schmutzbelastete Kühlluft würde nämlich die Funktion der im Schrank befindlichen Elek­ tronikbauteile beeinträchtigen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, demgegenüber eine Verbesserung zu erzielen. Insbeson­ dere soll eine Industrieumrichteranordnung vorgestellt wer­ den, bei der unter Beibehaltung der bisherigen Konzeption, die keine räumliche Trennung der Steuerelektronik und der zusätzlichen elektronischen Bauteile, wie Kondensatoren, von den Umrichtermodulen vorzusehen ist, die mit möglichst niedrigen Kosten und geringem Platzbedarf erstellt werden kann und die insbesondere für die vorgenannten Sonderanwen­ dungsfälle in staubhaltiger und aggressiver Umgebungsluft eingesetzt werden kann, ohne daß ein nennenswerter Eingriff in die vorhandene Konzep­ tion der Anordnung notwendig ist.

Mit der Erfindung wird das Vorurteil überwunden, daß eine Wasserkühlung bei den ursprünglich für Luftkühlung ausgeleg­ ten Industrieumrichtern nur mit tiefen Wassertemperaturen, wie eingangs geschildert, funktioniere. Wie nachfolgend an­ hand mehrerer Ausführungsbeispiele aufgezeigt, kann die Was­ serkühlung durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kombina­ tion mit einem zweiten Kühlkreislauf bei normaler Umgebungs­ luft eingesetzt werden. Die Abfuhr der Wärme aus der Innen­ luft im Gehäuse durch einen unabhängigen Luftkühlkreislauf erfolgt vorzugsweise mittels eines Luft/Luft-Wärmetauschers.

Zusätzliche Kältegeräte oder separate Kühleinrichtungen wer­ den somit nicht mehr benötigt; außerdem brauchen keine größe­ ren Umrichterbaugrößen als technisch notwendig vorgesehen zu werden.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Industrieumrichtermodul von 200 KW, das in einem schrankartigen Umrichtergehäuse angeordnet ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kombination eines Flüssigkeitshauptkühlkreislaufs mit einer Luft-Rückkühleinheit mit einer zusätzlichen Hilfskühleinrichtung,

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Anordnung mit einer anderen Version der Hilfskühleinrichtung,

Fig. 3 eine Variante bei der der Flüssigkeitshauptkühlkreislauf mit einer Luft/Flüssigkeits-Hilfskühleinrichtung kombiniert ist,

Fig. 4 die in Fig. 3 gezeigte Variante mit einer Anordnung der Hilfskühleinrichtung entsprechend Fig. 2,

Fig. 5 eine weitere Variante mit im Umrichtergehäuse integrierter Hilfs­ kühleinrichtung.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine er­ ste Ausführungsform einer Kombination eines Flüssigkeitshauptkühl­ kreislaufs mit Rückkühleinheit mit einer zusätzlichen Hilfskühlein­ richtung.

In einem schrankartigen Umrichtergehäuse 1 ist eine Umrich­ termoduleinheit 2 angeordnet, die je nach Anwendungsfall eine Vielzahl von Umrichtermodulen (IGBT) enthalten kann. Die Um­ richtermoduleinheit ist nach bekannter Konzeption aufgebaut und enthält einen Kühlkörper 3, auf dem die Module aufgesetzt sind. Entsprechend der üblichen Konzeption sind im Umrichter­ gehäuse 1 weiterhin eine nicht näher erläuterte Steuerelek­ tronik 4 sowie diverse weitere Elektronikbauteile 5 (Kondensatoren, Widerstände, etc.) untergebracht. Die in Be­ trieb des Industrieumrichters entstehende Wärme wird im we­ sentlichen durch eine Rückkühleinheit 6 sowie zusätzlich durch eine Hilfskühleinrichtung 7 abgeführt. Die Rückkühlein­ heit 6 ist als Flüssigkeits/Luft-Rückkühleinheit ausgebildet und enthält einen Wärmetauscher 8, der in einen als Haupt­ kühlkreislauf definierten Flüssigkeitskühlkreislauf 9 einge­ bunden ist. Der Flüssigkeitskühlkreislauf 9 umfaßt eine Pumpe 10, die Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, durch den Kühlkörper 3 und den Wärmetauscher 8 pumpt. Wie durch Pfeile angedeutet, wird mit Hilfe eines Lüfters 11 Umgebungsluft von ca. 40°C angesaugt und nach Umströmen des Wärmetauschers wieder in die Atmosphäre abgeleitet. Der Luftstrom, der durch den Wär­ metauscher führt, beträgt im aufgezeigten Anwendungsfall etwa 1830 m³/Stunde; der Wasserstrom im Flüssigkeitskühlkreislauf 9 beträgt etwa 36 l/Minute. In der Praxis ergibt sich hieraus im Flüssigkeitskühlkreislauf eine Temperaturabsenkung von etwa 2°C. Die Anlage ist so konzeptioniert, daß sich in Be­ trieb eine Vorlauftemperatur von etwa 55°C einstellt. Bei ei­ ner Absenkung um 2° ergibt sich somit eine Rücklauftemperatur von 53°C. Ein wesentliches Merkmal der vorgestellten Konzep­ tion ist, daß die unterste Temperatur des Flüssigkeitskühl­ kreislaufes, auf die die Kühlflüssigkeit rückgekühlt wird, (hier 53°C) weit über der Außenlufttemperatur (hier 40°C) liegt.

Um die im Umrichtergehäuse 1 entstehende Warmluft abzuführen, ist an der Oberseite des Gehäuses die bereits erwähnte Hilfs­ kühleinrichtung 7 angeordnet, die einen Luft/Luft-Wärmetau­ scher 12 und zwei Lüfter 13 enthält. Der Wärmetauscher 12 kann eine Leistung von etwa 72 W/K abführen; der umgewälzte Luftstrom beträgt etwa 600 m³/Stunde. Bei einer angenommenen Umgebungsluft von 40°C und einer Innentemperatur von 55°C kann so im Umrichtergehäuse eine Verlustleistung von etwa 1 kW abgeführt werden.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die angegebe­ nen Werte lediglich Anhaltswerte sind, die keineswegs als bindend anzusehen sind, da sich je nach Anwendungsfall, und zwar sowohl hinsichtlich des Leistungsbedarfs als auch hin­ sichtlich der verwendeten Kühlmedien, andere Werte ergeben können.

Die Rückkühleinheit 6 ist vorteilhafterweise als autarkes, d. h. vom Umrichtergehäuse 1 baulich unabhängiges und gegebe­ nenfalls räumlich getrenntes Gerät ausgebildet, welches über Anschlüsse 14 und nicht näher bezeichnete Zu- und Rücklauf­ leitungen funktionell mit dem Umrichtergehäuse 1 verbunden ist. Die Wärme kann somit auch entfernt vom Umrichtergehäuse an die Umgebungsluft abgeführt werden, wodurch auch die Geräuschquelle für die Rückkühlung in unsensible Bereiche verlegt ist.

Die aufgezeigte Kombination hat den besonderen Vorteil, daß die im Umrichtergehäuse 1 entstehende Warmluft über die Hilfskühleinrichtung 7, und zwar durch indirekte Luftkühlung über den Luft/Luft-Wärmetauscher an die Umgebungsluft, abge­ führt werden kann. Es entfällt so die Notwendigkeit, relativ tiefe Kühlwassertemperaturen bereitzustellen. Da der größte Teil der Abwärme in der Umrichtermoduleinheit 2 entsteht, und diese direkt vom Wasserkreislauf über die Rückkühleinheit 6 nach außen abgeführt wird, brauchen über die Hilfskühl­ einrichtung 7 weniger als 20% der Abwärme abgeführt zu werden. Dieser vergleichsweise geringe Anteil kann über relativ kleine, preiswerte, gegebenenfalls handelsübliche Wärmetauscher abgeführt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine Variante, bei der im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 1 die Hilfskühleinrichtung 7 mit dem Wärmetauscher 12 und den Lüftern 13 seitlich des Umrichterge­ häuses 1 angeordnet ist, z. B. in Form einer Schranktür. Auch bei dieser Ausführungsform kann auf handelsübliche, relativ preiswerte Standard-Wärmetauscher zurückgegriffen werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 enthält der Flüssig­ keitskühlkreislauf 9 einen zusätzlichen Wärmetauscher 15, der Teil einer ebenfalls auf dem Dach des Umrichtergehäuses 1 aufgesetzten Hilfskühleinrichtung 16 ist. Diese Hilfskühlein­ richtung 16 bildet einen Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher, der in sich geschlossen ist. Über den Lüfter 17 wird lediglich die Luft aus dem Schrankinneren über den Wärmetauscher 15 um­ gewälzt.

Die Fig. 4 zeigt eine Variante bei der der Wärmetauscher 15, wie in Fig. 2, seitlich neben dem Umrichtergehäuse z. B. in Form einer Schranktür angeordnet ist.

Bei der Variante nach Fig. 5 ist die Hilfskühleinrichtung mit dem Wärmetauscher 15 und dem Ventilator 20 im In­ neren des Umrichtergehäuses 1 angeordnet, und zwar vorteil­ hafterweise im Vorlauf, also in der Zuleitung. Bei dieser An­ ordnung kann der meist ohnehin vorhandene Lüfter im Umrich­ tergehäuse mitgenutzt werden.

Die beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen es, Großse­ rien-Standard-Industrieumrichter selbst mit vergleichsweise großen Leistungen ohne Änderung des Grundkonzepts auch in ei­ nem schwierigen Umfeld einzusetzen. Damit kann das Anwen­ dungsgebiet erheblich erweitert werden. So sind Anwendungen in Stahl- und Hüttenwerken, im Bergbau oder der Einsatz auf Schiffen oder in Häfen sowie in den Tropen denkbar, wo Son­ derausführungen erforderlich wären. Weitere Anwendungen sind denkbar in Gruben, wo staubhaltige aggressive feuchte und warme Luft sowie wenig Platz zum Einbau der Geräte vorhanden ist. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind im Fahrzeugbau, ins­ besondere im Schienenfahrzeugbau, z. B. bei Arbeitslokomotiven oder ähnlichen Sonderfahrzeugen, denkbar.

Claims (8)

1. Umrichteranordnung mit einer in einem Gehäuse (1) angeord­ neten Umrichtermoduleinheit (2), deren Abwärme mittels einer Kühleinrichtung mit einem von einem flüssigen Wärmeträger durchströmten Hauptkühlkreislauf (9) abgeführt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß der Haupt­ kühlkreislauf (9) unter Bildung eines Wärmetauschers (8) mit einer Rückkühleinheit (6) mit gasförmigem Kühlmedium kombi­ niert ist, wobei die Kühlflüssigkeit aus dem Hauptkühlkreis­ lauf (9) in der Rückkühleinheit (6) auf eine Temperatur rück­ gekühlt wird, die höher liegt als die Eingangstemperatur, des gasförmigen Kühlmediums und daß dem Umrichtergehäuse (1) eine Hilfskühleinrichtung (7, 16, 18) mit Wärmetauscher (12, 15) zugeordnet ist, die die Luft im Umrichtergehäuse (1) ohne Luftzufuhr von außen rückkühlt.

2. Umrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückkühleinheit (6) als autarkes Gerät ausgebildet ist, welches mit dem Um­ richtergehäuse (1) über Zu- und Rücklaufleitungen funktionell verbindbar ist.

3. Umrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückkühleinheit (6) als Flüssigkeit/Luft-Kühleinheit ausgeführt ist.

4. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskühleinrichtung (7) im Inneren des Umrichtergehäuses (1) vorgesehen ist.

5. Umrichteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskühleinrichtung (7) einen im Hauptkühlkreislauf (9) angeordneten weiteren, von Luft umströmten Wär­ metauscher (15) enthält.

6. Umrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hilfskühleinrichtung (7) mit dem Wärmetauscher (15) am Umrichtergehäuse (1) an- oder aufge­ setzt ist.

7. Umrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem schrankartig ausgebildeten Umrichtergehäuse (1) die Hilfskühleinrichtung (7) als Schranktür ausgebildet ist.

8. Umrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem schrankartig ausgebildeten Umrichtergehäuse (1) die Hilfskühleinrichtung (7) auf der Oberseite des Umrichtergehäuses (1) angeordnet ist.