DE19845821A1

DE19845821A1 - Stromrichtereinheit in Modulbauweise, insbesondere für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE19845821A1
Application number: DE19845821A
Authority: DE
Inventors: Gunter Landgraf; Gerd Niemand; Juergen Nowack; Robert Rehberg; Joerg Saupe
Original assignee: FAHRZEUGAUSRUESTUNG BERLIN GMB
Current assignee: FAHRZEUGAUSRUESTUNG BERLIN GMB
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2018-09-26
Also published as: DE19845821B4

Abstract

Stromrichtereinheit in Modulbauweise, insbesondere für Schienenfahrzeuge, die eine Kombination von mechanischen und elektrischen Verbindungen, insbesondere des Kondensators mit den IGBT-Bauelementen beinhaltet und kürzeste elektrische Verbindungen zwischen Kondensator und IGBT-Modulen herstellt und als Einschub ausgebildet ist. Die Anschluß- und Verbindungsstellen sind so auszubilden, daß eine variable Aneinanderreihung einzelner Einheiten in beliebigen Ebenen möglich ist. Ein Gehäuserahmen (1) mit Kühlkörpern (3) und Abdeckplatte (10) eines Zwischenkreiskondensators (2) bilden eine konstruktive Einheit und zugleich Kanäle für die Durchströmung des Kühlmittels, wobei eine obere Öffnung (11) des Gehäuserahmens (1) mit der Abdeckplatte (10) des Zwischenkreiskondensators (2) abdichtend verschlossen ist und seitlich am Gehäuserahmen (1) Öffnungen (9) die Ein- und Ausgänge der Kanäle bilden und in diese Kanäle die Kühlflächen der Kühlkörper (3) hineinragen. Oberhalb der Abdeckplatte (10) ist eine Verschienung (5) angeordnet und ihre Anschlüsse sind mit dem Zwischenkreiskondensator (2) und den DC-Anschlüssen (19) der IGBT-Module (4) elektrisch verbunden. An den Kühlkörpern (3) sind IGBT-Module (4) und bei einseitigem Zugang zur Stromrichtereinheit eine Anschlußleiste (6) mit Isolatoren angeordnet, wobei diese Anschlüsse der Anschlußleiste (6) mit AC-Anschlüssen (20) der IGBT-Module (4) verbunden sind. Mit der Erfindung wird die modulare Ausgestaltung unterschiedlicher ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine IGBT-Stromrichtereinheit in modularer Bauweise für unterschiedliche Leistungsbereiche nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es sind IGBT-Stromrichtereinheiten nach "Der Nahverkehr 12/94, Rubrik Technik, Artikel IGBT-Technik für Traktionsstromrich ter, S. 25 bis 28" bekannt, die zum Einbau in Dachcontainer, Unterflurcontainer oder zum Schrankeinbau geeignet und für un terschiedliche Schaltungs- bzw. Einrichtungsstrukturen zusam mengefügt sind. Diese Einrichtungen sind als modulare Konstruk tionen bekannt und bestehen in der Regel aus Leistungshalblei tern (IGBT), Kühlkörpern und der jeweiligen Verschienung. Ein Nachteil dieser Einrichtungen besteht darin, daß die zur Ver bindung vorgesehenen Anschlüsse, insbesondere zu den Kondensa toren, eine niederinduktive Verschienung und eine kompakte Anordnung nicht zulassen. Bei den in der Praxis vorhandenen geringen Platzverhältnissen, sind diese Einheiten schwerlich unterzubringen und außerdem sind die Bauelemente dieser bekann ten Einheiten in einer Ebene angeordnet und damit nicht für alle Bauteile niederinduktiv miteinander verknüpft. Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, daß der Zugang zu den Anschlußstel len erschwert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromrichtereinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Einrichtungen beseitigt, wobei dies durch eine Kombi nation von mechanischen und elektrischen Verbindungen, insbe sondere des Kondensators mit den IGBT-Bauelementen erreicht wird. Außerdem sollen kürzeste elektrische Verbindungen zwi schen Kondensator und IGBT-Modulen sowie vorteilhafte wahlwei se einseitige Zugänglichkeit zu den elektrischen Anschlußstel len geschaffen und bei Ausführungen der Einheiten als Ein schub eine einfache Zentrierung der einzelnen Einheiten ermög licht werden. Durch die besondere Ausgestaltung des Kondensa tors und der Kühleinrichtung werden die elektrischen Bauteile in die Gestaltung der Einheit befestigend und abdichtend mit einbezogen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die An schluß- und Verbindungsstellen so auszubilden, daß eine varia ble Aneinanderreihung einzelner Einheiten in beliebigen Ebenen möglich ist. Mit der Erfindung wird eine vorteilhafte kompakte Ausführung erreicht, die für den Bahneinsatz besonders geeig net ist. Die Verschienung ist einfach ausgeführt und außerdem ist eine günstige Anschlußtechnik gewährleistet. Durch die Erfindung werden günstige thermische Verhältnisse bei der gewählten Luft- oder Wasserkühlung geschaffen. Die Stromrich tereinheit ist technologisch optimal herstellbar und damit sind auch die Herstellungskosten entsprechend gering. Im Ge brauch hat die Erfindung den Vorteil, daß für das Bedienperso nal die elektrischen, mechanischen und hydraulischen Verbin dungen gut zugänglich sind. Außerdem hat die Erfindung den Vorteil, daß einzelne Einheiten unkompliziert und übersicht lich austauschbar sind.

Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan spruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch die erfindungsge mäß aufgebaute Stromrichtereinheit werden kompakte Einheiten geschaffen, die z. B. als Phasenbausteine für Wechselrichter, für Vierquadrantensteller bzw. für Bremssteller auch in unter schiedlicher Kombination verwendet werden können. Mit einer Grundvariante wird die modulare Ausgestaltung unterschiedli cher Schaltungsarten und Leistungsbereiche ermöglicht, wobei unterschiedliche Kühlsysteme angewendet werden können. Bei Beibehaltung der einfachen und schnellen Montage und Demontage bekannter Einrichtungen ist ein weiterer Vorteil der Erfin dung, der servicefreundliche Aufbau und der einfache Gebrauch durch die Gewährleistung eines einseitigen Zugangs zu der bzw. zu den Einheiten und zu deren Anschlüsse der Module. Die Strom richtereinheit ist gewichts- und volumenreduziert und damit auch kostengünstig herstellbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnun gen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine perspektifische Gesamtansicht der Stromrichter einheit,

Fig. 2 eine perspektifische Explosivdarstellung der Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektifische Darstellung der Verschienung,

Fig. 4 den Schnitt A-A nach Fig. 3.

Nach Fig. 1 und 2 besteht eine Stromrichtereinheit aus einem rahmen- oder haubenförmigen Metallgehäuse, in der Art eines Ge häuserahmens 1, der zur Aufnahme der zu verwendenden Bauteile dient. An dem Gehäuserahmen 1 ist beidseitig je ein Kühlkörper (3) und zentral in dem Gehäuserahmen 1 ein Zwischenkreiskonden sator 2 vorgesehen. Beidseitig des Gehäuserahmens 1 sind IGBT-Module 4 montiert. Oberhalb des Gehäuserahmens 1 ist eine Verschienung 5 über Anschlußelemente 17 angeordnet, die An schlußpunkte 18 des Zwischenkreiskondensators 2 mit DC-An schlüssen 19 der IGBT-Module 4 elektrisch verbindet. Zwischen Verschienung 5 und Zwischenkreiskondensator 2 sind im Bereich von Kontaktstellen 25 Isolierungen 21 vorgesehen. Der Zwischen kreiskondensator 2 ist auf der Bodenfläche des Gehäuserahmens 1 in bekannter Weise montiert. AC-Anschlüsse 20 der Stromrich tereinheit sind an eine Anschlußleiste 6 geführt, die über Iso latoren mit den Kühlkörpern 3 und dem Gehäuserahmen 1 verbun den sind. Die Stromschienen 7, die vorzugsweise aus breiten isolierten Kupferbändern bestehen, sind an den IGBT-Ausgängen, den AC-Anschlüssen 20 und den Isolatoren befestigt und für eine einseitige Zugänglichkeit, vorzugsweise unterhalb der Gehäuserahmens 1, auf eine Seite geführt. Die einseitige Anord nung der Anschlüsse gewährleistet eine einfache und schnelle Montage- und Demontage der Stromrichtereinheit. Seitlich und nach oben hin gebildete Öffnungen 8 und 11 des Gehäuserahmens 1 werden durch eine Abdeckplatte 10 des Zwischenkreiskondensa tors 2 und durch die Kühlkörper 3 mit umlaufenden Abdichtungen 13 flächenmäßig abgedeckt. Die anderen beiden sich gegenüber liegenden Seiten des Gehäuserahmens 1 sind jeweils mit zwei Öffnungen 9 versehen und korrespondieren mit den im Gehäuserah men 1 befestigten Kühlkörpern 3, die ebenfalls mit umlaufenden Abdichtungen 13 versehen sind. Die Verschienung 5, die aus elektrisch isolierten deckungsgleich übereinander angeordneten Leitern 26, in der Art von Folien, besteht, wird über die Kon taktstellen 25 auf der Oberseite der Verschienung 5 mit den Anschlußpunkten 18 des Zwischenkreiskondensators 2 und über ab gewinkelte seitliche Laschen 16 mit den DC-Anschlüssen 19 der IGBT-Module 4 verschraubt. Mit dieser Anordnung ist ein symme trischer und extrem niederinduktiver Aufbau der Verschienung 5 gewährleistet, der erheblich höhere Zwischenkreisspannungen an den IGBT-Modulen 4 zuläßt. Über seitliche Kontaktflächen, den Anschlüssen 15, auf der Verschienung 5 ist über in der Zeich nung nicht näher dargestellten Verbindungslaschen der Anschluß weiterer Stromrichtereinheiten oder einer Parallelschaltung der Einheiten realisierbar. Bei der Verwendung von Aufbauten 22, die oberhalb der Verschienung 5 angeordnet werden, werden diese über Befestigungselemente 23, die durch Bohrungen 14 in der Verschienung hindurchragen, mit der Abdeckplatte 10 in bekannter Weise verbunden, wobei die Befestigungselemente 23 in Gewindeträgern 24 in der Abdeckplatte 10 eingeschraubt sind. An dem Gehäuserahmen 1 sind Befestigungsschienen 12 ange ordnet, die eine Montage der Einheiten in unterschiedlicher Einbaulage zulassen. Die Stromrichtereinheit kann mit diesen Befestigungsschienen 12 in einem Container montiert werden. Es ist jedoch auch möglich, die Stromrichtereinheit in ihrer Lage gedreht mit dieser Einschubtechnik anzuordnen, wobei die Befe stigungsschienen 12 Teil eines Führungssystems im Container sind.

Es ist im Sinne der Erfindung, die Kühlkörper 3 innerhalb des Gehäuserahmens 1 anzuordnen. Es ist auch denkbar, daß die Kühlkörper 3 Teile des Gehäuserahmens 1 übernehmen, so daß diese entsprechenden Teile des Gehäuserahmens 1 entfallen können.

Die Erfindung ist für Wasser- und für Luftkühlung auslegbar. Bei Luftkühlung, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, wird die Kühlfläche durch Kühlrippen in bekannter Form ausge bildet. Bei Wasserkühlung (in den Zeichnungen nicht dargestellt) werden entsprechende Wasseranschlüsse für Zu- und Ablauf in bekannter Weise vorgesehen. Vorteilhafterweise wer den diese Anschlüsse auf die Seite der Anschlußleiste 6 ge führt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Gehäuserahmen

2

Zwischenkreiskondensator

3

Kühlkörper

4

IGBT-Modul

5

Verschienung (niederinduktiv)

6

Anschlußleiste (mit Isolatoren)

7

Stromschienen

8

Öffnung

9

Öffnung

10

Abdeckplatte

11

Öffnung

12

Befestigungsschiene

13

Abdichtung

14

Bohrung

15

Anschluß (seitlich)

16

Lasche (seitlich)

17

Anschlußelement (zum Kondensator)

18

Anschlußpunkt (des Kondensators)

19

DC-Anschluß

20

AC-Anschluß

21

Isolierung

22

Aufbau

23

Befestigungselement

24

Gewindeträger

25

Kontaktstelle

26

Leiter

Claims

1. Stromrichtereinheit in Modulbauweise, insbesondere für Schienenfahrzeuge, bestehend aus einem Grundkörper zur Aufnah me von IGBT-Modulen, Verschienungen, Kondensator, Anschlußlei tungen und Kühlkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäu serahmen (1) mit Kühlkörpern (3) und Abdeckplatte (10) eines Zwischenkreiskondensators (2) eine konstruktive Einheit und zugleich Kanäle für die Durchströmung des Kühlmittels bilden, wobei eine obere Öffnung (11) des Gehäuserahmens (1) mit der Abdeckplatte (10) des Zwischenkreiskondensators (2) abdichtend verschlossen ist und seitlich am Gehäuserahmen (1) Öffnungen (9) die Ein- und Ausgänge der Kanäle bilden und in diese Kanä le die Kühlflächen der Kühlkörper (3) hineinragen, wobei die Kühlkörper (3) seitliche Öffnungen (8) im Gehäuserahmen (1) abdichtend verschließen, und der Gehäuserahmen (1) mit Füh rungs- und Befestigungsschienen (12) versehen ist, und ober halb der Abdeckplatte (10) eine Verschienung (5) mit Anschlüs sen angeordnet ist, die aus seitlichen Laschen (16) und seitli chen Anschlüssen (15) bestehen und diese Anschlüsse jeweils mit Anschlußpunkten (18) des Zwischenkondensators (2) elek trisch verbunden sind, und an den Kühlkörpern (3) IGBT-Module (4) bei einseitigem Zugang zur Stromrichtereinheit eine An schlußleiste (6) mit Isolatoren angeordnet ist, wobei diese Anschlüsse der Anschlußleiste (6) mit AC-Anschlüssen (20) der IGBT-Module (4) verbunden sind.

2. Stromrichtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zwischen Gehäuserahmen (1) und Kühlkörpern (3) sowie der Abdeckplatte (10) Abdichtungen (13) vorgesehen sind.

3. Stromrichtereinheit nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einheit stehend oder hängend angeordnet ist.

4. Stromrichtereinheit nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Führungs- und Befestigungsschienen (12) mit den im zugehörigenden Antriebscontainer des Fahrzeuges vorgese hen Führungs- und Befestigungselementen korrespondieren und zu gleich eine Zentrierung der eingeschobenen Einheiten für die unterschiedlichen Einbaulagen des Containers bilden.

5. Stromrichtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verschienung (5) mehrlagig und am abgewinkelten Teil mit den Laschen (16) ausgebildet und niederinduktiv und symmetrisch mit den Anschlüssen des Zwischenkondensators (2) und der IGBT-Module (4) verbunden ist.

6. Stromrichtereinheit nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die seitlichen Anschlüsse (15) der Verschienung (5) für eine Reihung der Stromrichtereinheiten ausgebildet sind.

7. Stromrichtereinheit nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß Stromschienen (7) von den IGBT-Modulen (4) zu den frontseitigen Anschlußleisten (6) geführt sind.

8. Stromrichtereinheit nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verschienung (5) über der Abdeckplatte (10) durch Isolierungen (21) voneinander getrennt, über die Laschen (16) der Verschienung (5), die mit DC-Anschlüssen (19) der IGBT-Module (4) verschraubt sind, selbsthaltend angeordnet ist.

9. Stromrichtereinheit nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Verschienung (5) isolierte Bohrungen (14) für hindurchragende Befestigungselemente (23) für Aufbauten (22) vorgesehen sind, wobei die Befestigungselemente (23) an Gewindeträgern (24) der Abdeckplatte (10) montiert sind.