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Die
Erfindung betrifft eine Leistungselektronikbaugruppe, beispielsweise
Strom- oder Umrichter, insbesondere zum Einbau in einen Schaltschrank, wobei
der Schaltschrank Schranksammelschienen zur elektrischen Kontaktierung
der Leistungselektronikbaugruppe aufweist, wobei die Leistungselektronikbaugruppe
mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement und ein Verbindungselement
aufweist und wobei die Leistungselektronikbaugruppe und/oder das
mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement mittels des Verbindungselements
elektrisch kontaktiert ist bzw. sind, sowie einen Schaltschrank
mit der Leistungselektronikbaugruppe.
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Der
Bau von Schaltschränken
für Niederspannungsanlagen
hat sich in den letzten Jahrzehnten von einer individuellen Konfektionierung
für die jeweilige
Anwendung zu einer Modulbauweise unter Verwendung von verfügbaren Funktionsbaugruppen gewandelt.
So ist es in der Zwischenzeit üblich,
in vorgefertigte Schaltschränke
die benötigten
Funktionsmodule mit wenigen Handgriffen einzusetzen oder gegebenenfalls
zu tauschen. Die Schaltschränke
weisen für
diesen Zweck zum einen mechanische Schnittstellen zur Aufnahme der
Funktionsmodule und zum anderen elektrische Schnittstellen zur elektrischen
Kontaktierung der Funktionsmodule auf. Die elektrischen Schnittstellen
der Schaltschränke
sind hierbei üblicherweise
als Schranksammelschienen ausgebildet und fest in den Schaltschränken integriert.
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Beispielsweise
offenbart die Druckschrift
DE 3502864
A1 eine Vorrichtung zur stumpfen elektrischen Verbindung
von Stromschienen eines Sammelschienensystems, wie es in üblichen
Schaltschränken
Verwendung findet. In dieser Druckschrift wird auch erwähnt, dass
derartige Stromschienen als Aluminium-Stromschienen ausgebildet
sein können.
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Diese
Idee, für
Stromschienen in Niederspannungs-Schaltschränken den Werkstoff Aluminium
bzw. entsprechende Legierungen zu verwenden, wird in der oben genannten
Druckschrift nicht erstmalig geäußert. So
werden bereits in dem Artikel von H. Kock: "Stromschienen in Niederspannungs-Verteilungen
aus Aluminium" in
DE-Z: "Der Elektromeister" 18/70, S. 973–975 die
Vor- und Nachteile bei der Verwendung des Werkstoffs Aluminium bei
Stromschienen für Niederspannungs-Schaltschränken ausführlich diskutiert
und u.a. vorgeschlagen, die Aluminium-Stromschienen bei Steckverbindungen
galvanisch zu verzinnen.
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Als
für den
Einbau in die Schaltschränke
geeignete Funktionsmodule sind unter anderem Stromrichter üblich, die
meist eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen aufweisen, die mittels
Kupferverbindungen miteinander verschaltet sind. Derartige Stromrichter
bilden wohl den nächstkommenden Stand
der Technik.
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende Problem ist es, bekannte Leistungselektronikbaugruppen
bzw. Schaltschränke
so weiterzubilden, dass die Herstellungskosten gesenkt werden. Dieses
Problem wird durch eine Leistungselektronikbaugruppe mit den Merkmalen
des Schutzanspruchs 1 sowie mit einem Schaltschrank mit den Merkmalen
des Schutzanspruchs 11 gelöst,
die Unteransprüche
betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
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Die
Leistungselektronikbaugruppe ist bevorzugt als modulare Einheit
ausgebildet, die insbesondere im zusammengebauten Zustand in ihrer
Gesamtheit montierbar und/oder demontierbar ist. Die Leistungselektronikbaugruppe
ist für
den Einbau oder die Montage in einem Schaltschrank, insbesondere
in einen Niederspannungsschaltschrank, geeignet und/oder ausgebildet.
Der Schaltschrank umfasst Schranksammelschienen zur elektrischen
Kontaktierung der Leistungselektronikbaugruppe und stellt bevorzugt
mechanische Schnittstellen zur Aufnahme der Leistungselektronikbaugruppe
und/oder elektrische Schnittstellen zur Kontaktierung der Leistungselektronikbaugruppe
zur Verfügung.
Die Schranksammelschienen bilden somit ein Verteilungssystem, welches
dem Schaltschrank zugeordnet ist.
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Die
Leistungselektronikbaugruppe umfasst mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement,
wobei bevorzugt das oder die Leistungshalbleiterbauelemente zum
Schalten und/oder Richten von Niederspannungen von bis zu 600 V,
vorzugsweise bis zu 1.000 V, insbesondere bis zu 3.000 V und/oder
von Strömen
von bis zu 500 A, vorzugsweise bis zu 1300 A, insbesondere bis zu
6000 A ausgebildet sind. Zudem ist mindestens ein Verbindungselement
in der Leistungselektronikbaugruppe vorgesehen, welches das Leistungshalbleiterbauelement
und/oder die Leistungselektronikbaugruppe elektrisch kontaktiert.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Verbindungselement als Aluminiumschiene ausgebildet ist.
Unter dem Begriff Aluminiumschiene ist dabei bevorzugt eine Schiene
aus technischen Reinaluminium und/oder aus einer Aluminiumlegierung
zu verstehen, wobei der prozentuale Massenanteil des Aluminiums
in der Legierung mindestens 30 Prozent, vorzugsweise mindestens
50 Prozent, insbesondere mindestens 80 Prozent und/oder in dem technischen Reinaluminium
mehr als 95% beträgt.
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Wesentliche
Vorteile der Erfindung liegen dabei in dem Preisvorteil von Aluminiumschienen
gegenüber
Kupferschienen sowie in der einfacheren und preisgünstigeren
Bearbeitung der Aluminiumschienen. Ein weiterer Vorteil ist die
Gewichtsreduktion, da die spezifische Dichte des Werkstoffs bei
Aluminiumschienen deutlich geringer ist als bei Kupferschienen. Überraschenderweise
wurde auch festgestellt, dass die im Stand der Technik diskutierten Nachteile
wie das Fließen
des Aluminiums oder die Notwendigkeit des Einfettens der Kontaktstellen
gegenüber
den erzielten wirtschaftlichen und technischen Vorteilen in den
Hintergrund treten.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Aluminiumschiene verzinnt, insbesondere galvanisch verzinnt,
feuerverzinnt, wischverzinnt oder elektrolytisch verzinnt. Diese
Ausführungsform
führt zu
den Vorteilen, dass zum einen der elektrische Übergangswiderstand zu Anschlussstellen bei
der Kontaktierung der Aluminiumschiene geringer und definierter
als bei den bisher verwendeten Kupferschienen ist und zum zweiten
die auftretenden Toleranzen des elektrischen Übergangswiderstandes gegenüber der
Kupferschienenvariante reduziert sind. Durch diese bevorzugte Ausführungsform
wird somit eine Leistungselektronikbaugruppe mit Verbindungselementen
geschaffen, die höherwertiger
als die aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungselemente
sind. Bei weniger bevorzugten Ausführungsformen weist die Aluminiumschiene
eine andere zusätzlich
aufgebrachte Deckschicht aus einem beliebigen metallischen Material
auf und ist beispielsweise verzinkt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind in der Leistungselektronikbaugruppe mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente vorgesehen,
die mittels einer vorzugsweise einstückigen Sammelschiene elektrisch
leitend miteinander verbunden und/oder durch diese elektrisch gebrückt und/oder
parallel geschaltet sind, wobei die Sammelschiene als die erfindungsgemäße Aluminiumschiene
ausgebildet ist. Insbesondere bei einer Weiterbildung der Erfindung
ist die genannte Sammelschiene und/oder das Verbindungselement mit
einer der Schranksammelschienen elektrisch verbindbar und/oder verbunden.
Diese Ausbildungen unterstreichen nochmals die erfinderischen Idee,
Aluminiumschienen in einer Leistungselektronikbaugruppe integriert
zu verwenden und somit deren Einsatz nicht auf die Schaltschränke zu begrenzen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass eine Anschlussplatte mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement
oder einen dem Leistungshalbleiterbauelement zugeordneten Kühlkörper direkt
und/oder unmittelbar, das heißt
insbesondere ohne Zwischenschaltung von weiteren elektrischen Funktionsteilen
und/oder Leitungselementen, mechanisch und/oder elektrisch kontaktiert
und dass die Anschlussplatte als Aluminiumschiene ausgebildet ist.
Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass in der Leistungselektronikbaugruppe
für mehrere,
auch unterschiedliche Verbindungselemente eine erfindungsgemäße Aluminiumschiene
eingesetzt wird. Bevorzugt ist die Anschlussplatte über eine
beliebige oder die als Aluminiumschiene ausgebildete Sammelschiene mit
einer der Schranksammelschienen verbindbar und/oder verbunden.
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In
der körperlichen
Ausgestaltung ist die Aluminiumschiene bevorzugt als insbesondere
gebogenes und/oder gewinkeltes Blechprofil, vorzugsweise mit einer
Dicke von bis zu bis zu 3 mm, insbesondere von bis zu 6 mm, und/oder
als massive Schiene, bevorzugt mit einer Dicke von bis zu 10 mm
und/oder von bis zu 15 mm ausgebildet.
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Bevorzugt
ist die Aluminiumschiene vollflächig
und/oder im wesentlichen vollflächig
verzinnt und zwar insbesondere auf der oder den Oberseite bzw. Oberseiten,
die die im Betrieb genutzten elektrischen Kontaktflächen umfassen.
Alternativ ist die Aluminiumschiene nur lokal verzinnt und zwar
vorzugsweise an den genutzten Kontaktflächen.
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Die
Leistungselektronikbaugruppe ist bevorzugt als Stromrichter, insbesondere
als Gleichrichter, Wechselrichter oder Umrichter ausgebildet. Insbesondere
bei der Ausbildung als Stromrichter umfasst die Leistungselektronikbaugruppe
eine oder mehrere Wechselstromsammelschienen und/oder eine oder mehrere
Gleichstromsammelschienen, wobei eine, einige oder alle der genannten
Schienen als erfindungsgemäße Aluminiumschiene
ausgebildet ist bzw. sind. Die genannten Schiene sind jeweils angeordnet
und/oder ausgebildet, so dass eine Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente innerhalb
der Leistungselektronikbaugruppe elektrisch zusammengeschlossen
und/oder gebrückt
und/oder parallel geschaltet sind.
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Ferner
bezieht sich die Erfindung auf einen Schaltschrank, insbesondere
eine Schaltanlage vorzugsweise für
eine Druckmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Hierbei
ist vorzugsweise vorgesehen, dass die weiter oben beschriebene Leistungselektronikbaugruppe
in ihrer Gesamtheit als Modul in dem Schaltschrank, der vorzugsweise ebenfalls
wie weiter oben beschrieben realisiert ist, montierbar und/oder
demontierbar ausgebildet ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere
in Verbindung mit den beigefügten
Figuren. Dabei zeigen:
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1 einen
Stromrichter in schematischer 3D-Darstellung als ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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2 den
Stromrichter in 1 in schematischer 3D-Darstellung
mit einer alternativen Ausführung
der Sammelschienen.
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Gleiche
Bezugszeichen sind in den Figuren jeweils gleichen oder einander
entsprechenden Bauteilen zugeordnet.
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Die 1 zeigt
eine Leistungselektronikbaugruppe in Form eines Stromrichters 1,
der für
einen Strom von ca. 2000 bis 5.000 A ausgelegt ist. Bevorzugt ist
der Stromrichter 1 zum Einbau in einen Schaltschrank, insbesondere
eine Schaltanlage für Druckmaschinen
ausgebildet, in die der Stromrichter 1 als Modul in seiner
Gesamtheit montierbar und demontierbar ist. Der Stromrichter 1 umfasst
eine Mehrzahl von verdeckten Thyristoren 2, die abwechselnd mit
Kühlkörpern 3 in
zwei Türmen 4a und 4b angeordnet
sind, wobei die Thyristoren 2 als Scheibenthyristoren ausgebildet
sind. Zur Sicherstellung eines ausreichenden elektrischen Kontakts
zwischen den Kühlkörpern 3 und
den Thyristoren 2 ist für
jeden Turm 4a bzw. 4b jeweils eine Spannvorrichtung 5a bzw. 5b vorgesehen,
die den Turm 4a bzw. 4b in Längserstreckung zusammenpresst.
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Zur
elektrischen Parallelschaltung der gleichstromseitigen Kontakte
der Thyristoren 2 eines Turms 4a, b ist für jeden
Turm 4a bzw. 4b jeweils eine Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b vorgesehen. Die Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b ist
jeweils als verzinnte Aluminiumschiene ausgebildet, die in diesem
Ausführungsbeispiel
abwechselnd ebene Bereiche 7a bzw. b und bogenförmige Bereiche 8a bzw. 8b aufweist
und parallel zur Längserstreckung der
Türme 4a und 4b verläuft. Die
ebenen Bereiche 7a bzw. 7b weisen Durchgangsbohrungen 9a bzw. 9b auf,
mit Hilfe derer die Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b über eine
Schraubverbindung mit nicht dargestellten Anschlussplatten mechanisch
und elektrisch leitend verbunden werden können, wobei insbesondere die
Unterseiten der ebenen Bereiche 7a bzw. b als elektrische
Kontaktflächen
zu den Anschlussplatten ausgebildet sind. Die nicht dargestellten
Anschlussplatten dienen zur elektrischen Kontaktierung der Thyristoren 2 mit
der Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b und können ebenfalls
als Aluminiumschienen und/oder verzinnte Aluminiumschienen ausgebildet
sein. Die Anschlussplatten sind dabei vorzugsweise in direktem mechanischen
Kontakt mit den Thyristoren 2, alternativ ist jeweils zwischen Anschlussplatte
und Thyristor 2 ein Kühlkörper 3 als elektrisch
leitendes Element zwischengeschaltet.
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Senkrecht
zur Längserstreckung
der Türme 4a und 4b und
parallel zueinander versetzt sind drei Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 angeordnet.
Die Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 sind
als L-förmig
gebogene, verzinnte Aluminiumwinkel ausgebildet, wobei jeweils der
kurze Schenkel der Wechselstromsammelschiene 10, 11 oder 12 zur
Kontaktierung mit einer Schranksammelschiene oder einem anderen
schrankseitigen Kontaktelement ausgebildet und auskragend angeordnet ist.
Der jeweils lange Schenkel der Wechselstromsammelschiene 10, 11 oder 12 verbindet
und/oder brückt
zwei Sicherungselemente F11-F14, F13-F16 bzw. F15-F12, wobei über die
Sicherungselemente F11, F12, F13, F14, F15 und F16 die Wechselstromsammelschienen 10, 11 oder 12 mit
wechselstromseitigen Kontakten der Thyristoren 2 verschaltet
sind. Die Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 sind über Schraubverbindungen
mit den jeweiligen Sicherungselementen F11, F12, F13, F14, F15 oder F16
mechanisch und elektrisch leitend verbunden.
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Die 2 zeigt
den gleichen Stromrichter 1 wie in 1 mit dem
Unterschied, dass die Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 so
angebaut sind, dass die kurzen Schenkel nicht wie in 1 nach
rechts sondern nach links ausgerichtet sind.
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- 1
- Stromrichter
- 2
- Thyristor
- 3
- Kühkörper
- 4a,
b
- Türme
- 5a,
b
- Spannvorrichtungen
- 6a,
b
- Gleichstromsammelschienen
- 7a,
b
- ebene
Bereiche der Gleichstromsammelschienen
- 8a,
b
- bogenförmige Bereiche
der Gleichstromsammelschienen
- 9a,
b
- Durchgangsbohrungen
- 10,
11,
-
- 12
- Wechselstromsammelschienen