DE202008012988U1

DE202008012988U1 - Kühlanordnung von einer Leistungselektronikvorrichtung

Info

Publication number: DE202008012988U1
Application number: DE202008012988U
Authority: DE
Original assignee: Vacon Oy
Current assignee: Vacon Oy
Priority date: 2007-10-08
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: DK200800181U3; FIU20070395U0; FI7848U1

Abstract

Kühlanordnung von Wirkkomponenten einer Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere eines Frequenzumrichters, in welcher Anordnung Komponenten der Vorrichtung in einem Schaltschrank (11) angeordnet sind, und in welcher Anordnung ein Lüfter, welcher in den Schaltschrank eingebaut ist, zur Umwälzung von Kühlluft genutzt wird, und der Lüfter, der sich im Inneren eines Luftkanals befindet, von diesem Luft über die Komponenten und die Kühler, die Kühlung benötigen, umwälzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühllüfter (8) in einem von der Vorderseite anfügbaren und abnehmbaren Modul (21) angeordnet ist,
welches Modul ein Rahmenteil aufweist, beispielsweise eine Abdeckplatte (31), an welchem der Lüfter angebracht sein kann, und
welches Modul so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der zu kühlenden Komponenten in dem Kühlluftkanal auf der Eingangsseite des Lüfters angeordnet sind.

Description

Gebiet der Technik
Diese Erfindung betrifft eine Kühlanordnung von Wirkkomponenten einer Leistungselektronikvorrichtung, vorzugsweise eines Frequenzumrichters, in welcher Leistungselektronikvorrichtung die Komponenten in einem Schaltschrank (Gehäuse) angeordnet sind, und in der Anordnung wird ein Lüfter, welcher in den Schaltschrank eingebaut ist, zur Umwälzung der Kühlluft genutzt.
Stand der Technik
Während des Betriebs einer Leistungselektronikvorrichtung, beispielsweise eines Frequenzumrichters, treten Leistungsverluste in den Wirkkomponenten des Hauptstromkreises auf, welche zu einer Erwärmung der Vorrichtung führen. Um eine Überhitzung der Komponenten zu vermeiden, ist es üblich, insbesondere bei Hochleistungsvorrichtungen, eine Umströmung der Hauptkomponenten und der damit verbundenen Kühler mit Kühlluft, die von einem Lüfter gefördert wird, zu nutzen.
Da die Kühlluft manchmal verschmutzt sein kann, z. B. durch Beinhalten von Staub, welcher, wenn er feucht wird, Strom leitet, ist es bestrebenswert, die Verbindungen der Wirkkomponenten und besonders der Steuerschaltkreise der Vorrichtung zu schützen oder sie so anzuordnen, dass die Kühlluft der Wirkkomponenten keinen Kontakt mit ihnen hat. Die Anordnung kann beispielsweise gemäß 1 ausgeführt sein, in welcher die Kühlluft sich nur in einem Kühlschacht bewegt, welcher im hinteren Teil der Vorrichtung untergebracht ist, in welchem Fall der vordere Teil der Vorrichtung gegenüber der Umgebung gemäß IEC529 Level IP54 abgedichtet sein kann.
Vom Gesichtspunkt der Lebensdauer des Lüfters ist eine Außentemperatur, die so kühl wie mögliche ist, vorteilhaft, aus welchem Grund der Lüfter normalerweise gemäß 1 im unteren Teil der Vorrichtung angeordnet ist, wo er der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist und von wo er Kühlluft nach oben bläst. Die naturgemäß am besten geeignete Lüfterform für diese Art der Einbaumethode ist ein Axiallüfter, bei welchem sich die Luft in Richtung der Rotationsachse des Lüfterrades bewegt. Ein Lüfter in Radialbauweise, welcher Luft seitwärts ansaugt und aus bläst, kann auch benutzt werden, wenn die Breite der Vorrichtung im Vergleich zum Durchmesser des Lüfters ausreichend ist.
Das größte Problem der Lösungen zur Luftkühlung gemäß dem Stand der Technik, welcher oben beschrieben ist, ist die Wartbarkeit der Vorrichtung. Typischerweise ist der Lüfter die einzige sich mechanisch bewegende Komponente einer modernen Leistungselektronikvorrichtung und folglich die, welche sich am meisten abnützt und die meiste Wartung benötigt. Wenn der Lüfter im unteren Teil der Vorrichtung angeordnet ist, verbleibt er leicht hinter den Verbindungskabeln der Vorrichtung, in welchem Fall seine Ersetzung bei einem Defekt sehr schwierig sein kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Zweck dieser Erfindung ist eine neue Art der Kühlanordnung von Wirkkomponenten zu erreichen, mit welcher die Probleme des Standes der Technik gelöst werden. Der Lüfter gemäß der Erfindung weist ein Modul auf, welches einfach von der Vorderseite anfügbar und abnehmbar ist und welches in bevorzugter Weise im oberen Teil der Vorrichtung angeordnet ist. Infolge der modularen Struktur kann die Lüftereinheit z. B. in ihrer eigenen Fertigungszelle zusammengebaut werden und dieselbe Einheit kann in einer Vielzahl von Vorrichtungen genutzt werden, was einen vorteilhaften Einfluss auf die Kosten hat.
Mit der Lösung gemäß der Erfindung muss die Verkabelung für den Strom der Vorrichtung nicht gestört werden, wenn das Modul und der darin befindliche Lüfter zum Service demontiert werden. Folglich können Servicearbeiten einfach und schnell durchgeführt werden.
Infolge der Anordnung im oberen Teil sind einige der Komponente an der Vorderseite (im Eingangsstrom) des Lüfters angeordnet. Gemäß der Erfindung können einige der zu kühlenden Komponenten im Luftstrom hinter dem Lüfter angeordnet werden, in welchem Fall nur ein Teil des Leistungsverlustes der Vorrichtung die Luft, welche in den Lüfter kommt, erwärmt und folglich wird die Umgebungstemperatur, welche der Lüfter erfährt, vermindert. Eine bevorzugte Anordnung der Komponenten gemäß der Erfindung ist eine, in welcher die zu kühlenden Kondensatoren und die Kühler der Leistungshalbleiter vor dem Lüfter angeordnet sind und auf der Seite danach, werden Drosseln genutzt, um den Netzstrom zu glätten. Bei einer solchen Anordnung werden die parallel zum Lüfter gelegenen Komponenten im Eingangsstrom angeordnet, was dafür bekannt ist, einen vorteilhaften Einfluss auf die gleichmäßige Verteilung des Luftstroms zu haben.
Ein charakteristisches Merkmal einer Lösung gemäß der Erfindung ist, dass der Lüfter in einer sogenannten Radialbauweise ausgeführt ist, von welcher eine Eigenschaft bekannt ist, dass sie die Fähigkeit zum Darzustellen eines höheren Druckes im Vergleich zu einem Axiallüfter hat. Die Luft tritt in den Radiallüfter in Richtung der Rotationsachse ein und verlässt ihn radial, rechtwinklig von der Rotationsachse weg. Die Ausgangsluft wird in die gewünschte Richtung mit einem den Lüfter umgebenden Gehäuse geleitet. Infolge seiner Leistungsfähigkeit passt ein Radiallüfter sehr gut für Kühlumstände, bei denen der Weg, auf welchem die Luft sich bewegt, eingeengt ist und deshalb der Gegendruck hoch ist.
In modernen Leistungselektronikvorrichtungen, wie beispielsweise in Frequenzumrichtern, führt die Entwicklung typischerweise zu Vorrichtungen, die zunehmend kleiner in der Größe sind und deshalb sind die Konstruktionen, vom Standpunkt der Kühlluft, eingeengter.
Die charakteristischen Merkmale der Lösung gemäß der Erfindung sind detailliert in den nachstehenden Ansprüchen beschrieben.
Mittels der Erfindung wird eine servicefreundliche, kompakte und effiziente Kühlanordnung für die Wirkkomponenten eines Frequenzumrichters erreicht.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung detaillierter mit Hilfe einer Ausführungsform mit Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
1 eine konventionelle Anordnung eines Kühllüfters gemäß dem Stand der Technik zeigt,
2 eine Anordnung eines Kühllüfters gemäß der Erfindung zeigt, und
3 ein leicht zu entfernendes Modul gemäß der Erfindung zeigt, in welchem der Kühllüfter angeordnet ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt die konventionelle Platzierung und Kühlanordnung von Komponentenn einer Hochleistungselektronikvorrichtung, insbesondere eines Frequenzumrichters, gemäß dem Stand der Technik. In der Figur ist die Vorrichtung in einem Gehäuse 1 montiert, in welchem die Steuereinheit 2 der Vorrichtung, das Leistungshalbleitermodul 4, welches mit einem Kühler 3 verbunden ist, die Leistungskondensatoren 5 und die Drossel 6 angeordnet sind. Eine Trennwand 7, trennt den Kühlluftkanal, durch welchen der Lüfter 8 Luft bläst, von dem vorderen Teil der Vorrichtung (der Teil links von der Trennwand 7), welcher beispielsweise vom Luftkanal gemäß der Schutzklasse IP 54, wie im Standard IEC 529 definiert, abgetrennt sein kann. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Stromverbindungseinheit 9 auf, mit welcher externe Stromkabel 10 verbunden sind. Das größte Problem bei einer solchen Anordnung ist, dass im Servicefall des Lüfters die Stromkabel 10 beim Ersetzen des Lüfters im Weg stehen und im schlimmsten Fall die Kabel, welche sehr dick und steif sein können, abgezogen und auf die andere Seite gebogen werden müssen, um den Lüfter erfolgreich auszutauschen.
2 zeigt die Platzierung und Kühlanordnung der Komponenten einer Hochleistungselektronikvorrichtung, insbesondere eines Frequenzumrichters, gemäß der Erfindung. In der Abbildung ist die Vorrichtung in einem Schaltschrank (Gehäuse) 11 eingebaut, in welchem die Steuereinheit 12 der Vorrichtung, das Leistungshalbleitermodul 14, welches mit einem Kühler 13 in Verbindung steht, die Leistungskondensatoren 15 und die Drossel 16 angeordnet sind. Die Trennwand 17 trennt den Kühlluftkanal, durch welchen der Lüfter 18 Luft bläst, von dem vorderen Teil der Vorrichtung (der Teil links von der Trennwand 17), welcher beispielsweise vom Luftkanal gemäß der Schutzklasse IP 54, wie im Standard IEC 529 definiert, abgetrennt sein kann. Die Trennwand 17a trennt die Eingangs- und die Ausgangsseite des Kühlluftkanals voneinander. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Stromverbindungseinheit 19 auf, mit welcher externe Stromkabel 20 verbunden sind. Der Kühllüfter 18 ist in einem leicht abnehmbaren Modul 21 angeordnet, vor welchem sich keine anderen Komponenten befinden und von welchem die Einbaurichtung von der Vorderseite der Vorrichtung ist (in 2 von links).
Der Kühllüfter 18 weist eine Radialbauweise auf und es ist gemäß der Erfindung in dem strukturellen Modul 21 so angeordnet, dass die Richtung der ausströmenden Luft sich von der Längsrichtung des Kühlkanals unterscheidet, wobei die Richtung in bevorzugter Weise einen Winkel von 15° bezüglich des Luftkanals aufweist. Mit dieser Art der Anordnung kann selbstverständlich sowohl der Durchgang der einströmende als auch der ausströmende Luft angeordnet sein und zugleich kann das Kühlmodul selbst von der Vorderseite ersetzt werden.
3 zeigt eine Ausführungsform der Baugruppe des Lüftermoduls 21 gemäß der Erfindung, welches eine Abdeckplatte 31, eine Steuereinheit 32 für die Rotationsgeschwindigkeit des Lüfters, Sicherungen 33, welche als Kurzschlussschutz für das Kühlmodul wirken, und ebenso den Lüfter 34 selbst aufweisen. In der Lösung gemäß dieser Ausführungsform ist das Lüftermodul offen, in welchem Fall die Komponenten, welche mit dem Kühlluftkanal und dem Berührschutz, welche den vorderen Teil des Moduls abdeckt, in Verbindung stehen, außerhalb der Rahmenstruktur des Frequenzumrichters angeordnet sind.
Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass andersartige Ausführungsformen der Erfindung nicht auf das oben beschriebene Beispiel limitiert sind, ohne dass sie vom Umfang der unten angeführten Patentansprüche abweichen.

Claims

Kühlanordnung von Wirkkomponenten einer Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere eines Frequenzumrichters, in welcher Anordnung Komponenten der Vorrichtung in einem Schaltschrank (11) angeordnet sind, und in welcher Anordnung ein Lüfter, welcher in den Schaltschrank eingebaut ist, zur Umwälzung von Kühlluft genutzt wird, und der Lüfter, der sich im Inneren eines Luftkanals befindet, von diesem Luft über die Komponenten und die Kühler, die Kühlung benötigen, umwälzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühllüfter (8) in einem von der Vorderseite anfügbaren und abnehmbaren Modul (21) angeordnet ist, welches Modul ein Rahmenteil aufweist, beispielsweise eine Abdeckplatte (31), an welchem der Lüfter angebracht sein kann, und welches Modul so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der zu kühlenden Komponenten in dem Kühlluftkanal auf der Eingangsseite des Lüfters angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühllüfter (8) eine Radialbauweise aufweist.
Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühllüfter (8) in dem Modul (11) in einem Winkel so angeordnet ist, dass sich die Auslassrichtung der Luft von der Längsrichtungen des Kühlkanals unterscheidet.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Platzierungswinkel des Kühllüfters (8) zwischen 10° und 30°, insbesondere ungefähr 15°, in einer geneigten Stellung in Bezug auf die Längsrichtung des Kühlkanals ist.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüftermodul (21) eine Steuereinheit (32) für die Rotationsgeschwindigkeit des Lüfters, einen Kurzschlussschutz (33) des Lüftermoduls und ebenso einen Lüfter (34), welcher auf einem gemeinsamen Rahmen angebracht ist, aufweist.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Lüftermodul ein komponentenfreier Raum ist.