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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Gleichrichtereinheiten, insbesondere auf eine Gleichrichtereinheit mit Zwei-Phasen-Kühlung.
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Technischer Hintergrund
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Gleichrichtereinheiten werden in verschiedenen Bereichen der Technik verwendet, um eine Wechselspannung (AC-Spannung) oder einen Wechselstrom (AC-Strom) in eine Gleichspannung (DC-Spannung) bzw. einen Gleichstrom (DC-Strom) zu wandeln.
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Je nach zu wandelndem Strom oder zu wandelnder Spannung werden unterschiedliche Gleichrichtereinheiten verwendet. Die Tabelle 1 und die
1 zeigen einen Überblick über gängige Gleichrichtersysteme.
| | Typische Gleichrichterauslegung |
| Gleichrichteranwendung | Strom (Ampere) | DC-Spannung (Volt) |
| Chemische Elektrolyse | 5.000–150.000 | 40–1.000 |
| Aluminium-Potline | 10.000–300.000 | < 1.300 |
| DC-Lichtbogenofen | 50.000–130.000 | 600–1.150 |
| Graphitisierungsofen | 20.000–120.000 | 50–250 |
| Zink-/Blei-Elektrolyse | 5.000–100.000 | 100–1.000 |
| Kupferveredelung | 10.000–50.000 | 40–350 |
| Bahnstromumformwerk | 1.000–50.000 | 500–1.500 |
| LV-Frequenzumrichter (DC-Sammelschiene) | 0–10.000 | 250–1.000 |
| MV-Frequenzumrichter (DC-Sammelschiene) | 0–5.000 | 3.400–6.000 |
Tabelle 1: Übersicht über Gleichrichterauslegungen
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Die in Tabelle 1 wiedergegebenen Anwendungsbereiche zeichnen sich durch niedrige Spannungen und hohe Ströme aus. Die 1 zeigt eine Unterteilung der Anwendungsbereich je nach Strom- und Spannungserfordernissen. Hier liegt ein niedriger Strombereich (LCR – low-current rectifier; Niedrigstromgleichrichter) in einem Bereich von Idc = 0–2.000 A, eine mittlere Strombereich (MCR – medium-current rectifier; Mittelstromgleichrichter) in einem Bereich von Idc = 20.000–50.000 A und ein hoher Strombereich (HCR – high-current rectifier; Hochstromgleichrichter) in einem Bereich von Idc = 36.000–220.000 A.
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Elektronische Komponenten in Gleichrichtereinheiten, die für hohe Ströme ausgelegt sind, sind typischerweise anfällig für thermische Störungen, die von dem durch die elektronischen Komponenten fließenden Strom hervorgerufen werden. Die elektronischen Komponenten werden für immer größere Leistung ausgelegt, wodurch durch den Strom auch immer mehr Wärme erzeugt wird. Dadurch steigen auch die Anforderungen, die an Kühlsysteme gestellt werden, um die elektronischen Komponenten effizient zu kühlen.
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Eine Möglichkeit zur Kühlung von elektronischen Komponenten, insbesondere von elektronischen Komponenten, die von einem durchfließenden Strom auf einem Potential gehalten werden, stellen Wasserkühlungssysteme dar, die entionisiertes Wasser verwenden. Allerdings erfordern solche Systeme eine Entionisierungseinheit, wodurch diese schwer und sperrig werden. Luftkühlung stellt eine weitere Möglichkeit zur einfachen und günstigen Kühlung dar. Allerdings wird diese von den thermophysikalischen Eigenschaften von Luft, insbesondere dessen schlechten Wärmeübertrag, begrenzt.
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Eine effiziente Möglichkeit der Kühlung von elektronischen (Leistungs-)Komponenten stellen Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen mit einem geschlossenen Kühlkreislauf dar. Bei einer derartigen Kühlvorrichtung wird in einem Verdampfer ein flüssiges Kühlmittel in thermischen Kontakt mit einem wärmeerzeugenden Element gebracht. Die Flüssigkeit wird durch die Wärmeabgabe und den Wärmeübertrag so weit erhitzt, dass in der Kühlflüssigkeit ein Phasenübergang statt findet. Die dampfförmige Phase des Kühlmittels wird durch eine erste Leitung an einen Kondensator geleitet. In dem Kondensator wird der Dampf über Wärmeabgabe wieder in die flüssige Phase überführt. Beispielsweise wird in dem Kondensator die Wärme oder ein Teil derselben auf ein Kühlmedium übertragen, wie z.B. Umgebungsluft. Der kondensierte Dampf wird als Flüssigkeit über eine zweite Leitung, die den Kondensator mit dem Verdampfer verbindet, in den Verdampfer zurückgeführt.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gleichrichtereinheit mit einer Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine kompakte Bauweise aufweist und besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird von der Gleichrichtereinheit nach Anspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Gleichrichtereinheit zur Verfügung gestellt, die umfasst: einen Transformator mit einer Vielzahl von Transformatorschenkeln, deren Längsachsen im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer zweiten Richtung verlaufen, wobei die Transformatorschenkel nebeneinander entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, die im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Richtung ist; eine erste und eine zweite Gleichstromsammelschiene, die im Wesentlichen parallel zur ersten Richtung ausgerichtet sind; pro Transformatorschenkel eine Gleichrichterphasen-Gruppe, die jeweils mindestens eine Gleichrichterphase aufweisen; und eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung mit jeweils mindestens einem Verdampfer pro Transformatorschenkel, wobei die Verdampfer jeweils eine Vielzahl von Verdampferkanälen aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur zweiten Richtung ausgerichtet sind. Die mindestens eine Gleichrichterphase weist jeweils einen mit der ersten Gleichstromsammelschiene verbundenen ersten Endanschluss, ein erstes Halbleiterelement, einen Mittenanschluss, ein zweites Halbleiterelement und einen mit der zweiten Gleichstromsammelschiene verbundenen zweiten Endanschluss auf. Die Halbleiterelemente der jeweiligen Gleichrichterphase sind in einem Stapel angeordnet, wobei die Verdampferkanäle zwischen den einzelnen Schichten des Stapels zum Kühlen der Halbleiterelemente angeordnet sind.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Untergliederung von Anwendungsbereichen von Gleichrichtereinheiten;
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2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit;
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3A eine perspektivische Schemazeichnung eines Transformators einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit;
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3B eine Schemazeichnung eines Transformators einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit;
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4 einen Ausschnitt aus einer Gleichrichterphase einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit;
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5 eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit gemäß einer Ausführungsform;
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6 eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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7 eine Schemazeichnung eines Kühlsystems einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit;
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8A ein Schaltdiagramm einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit gemäß einer Ausführungsform; und
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8B ein Schaltdiagramm einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die 2 zeigt eine Gleichrichtereinheit, die einen Transformator 10 mit mehreren Transformatorschenkeln 12a, 12b, 12c auf der Wechselstromseite (AC-Seite) des Gleichrichters und mehreren Gleichrichterphasen-Gruppen mit mindestens einer Gleichrichterphase 30 (in der 2 ist nur eine Gleichrichterphase 30 gekennzeichnet) auf der Gleichstromseite (DC-Seite) des Gleichrichters aufweist. In der 2 ist eine Drei-Phasen-Gleichrichtereinheit mit dreiphasigem Wechselstrom, drei Transformatorschenkeln und drei Gleichrichterphasen-Gruppen gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Drei-Phasen-Gleichrichtereinheiten mit dreiphasigem Wechselstrom beschränkt. Dieselben Prinzipien können auf Gleichrichtereinheit zum Gleichrichten von Wechselspannungen und -strömen mit einer beliebigen Anzahl an Phasen angewendet werden. Für jede Phase sind vorzugsweise ein Transformatorschenkel und eine Gleichrichterphasen-Gruppe vorgesehen.
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Insbesondere weist der Transformator eine Primärseite und eine Sekundärseite auf. Auf der Primärseite sind die einzelnen Phasen des Wechselstroms mit einem jeweiligen Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c des Transformators 10 verbunden. Auf der Sekundärseite sind die einzelnen Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c mit jeweils einer Gleichrichterphase 30 verbunden, die zum Gleichrichten der Wechselspannung ausgelegt ist. In der 2 weisen die Gleichrichterphasen-Gruppen jeweils eine Gleichrichterphase 30 auf, wobei jede beliebige Anzahl von Gleichrichterphasen pro Gleichrichterphasen-Gruppe vorgesehen sein kann. Die Gleichrichterphasen 30 sind typischerweise parallel zueinander angeordnet und an einer Seite mit einer ersten Gleichstromsammelschiene (erste DC-Sammelschiene) 20a und an der anderen Seite mit einer zweiten Gleichstromsammelschiene (zweite DC-Sammelschiene) 20b verbunden. Jede der in der 2 gezeigten Gleichrichterphasen 30 ist in einem mittigen Bereich über einen Mittenanschluss 34 mit dem jeweiligen Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c verbunden.
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Zwischen dem jeweiligen Mittenanschluss 34 und der ersten DC-Sammelschiene 20a ist ein erstes Gleichrichterelement 31a und eine erster Sicherung 33a angeordnet. Zwischen dem jeweiligen Mittenanschluss 34 und der zweiten DC-Sammelschiene 20b ist ein zweites Gleichrichterelement 31b und eine zweite Sicherung 33b angeordnet. Dabei ist die erste bzw. zweite Sicherung 33a, 33b zwischen dem ersten bzw. zweiten Gleichrichterelement 31a, 31b und der ersten bzw. zweiten DC-Sammelschiene 20a, 20b angeordnet. Das erste und das zweite Gleichrichterelement 31a, 31b sind innerhalb der Gleichrichterphase 30 ihrer Durchlassrichtung nach gleich ausgerichtet. Folglich ist der Mittenanschluss 34 mit einer Anode und einer Kathode des ersten bzw. zweiten Gleichrichterelements 31a, 31b verbunden. Dabei gibt insbesondere die Ausrichtung des ersten und zweiten Gleichrichterelements 31a, 31b das Vorzeichen des Potentials der ersten und zweiten DC-Sammelschiene 20a, 20b vor.
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Die mit der Anode verbundene zweite DC-Sammelschiene 20b liegt auf einem negativen Potential und die mit der Kathode verbundene erste DC-Sammelschiene 20a liegt auf einem positiven Potential. Vorzugsweise sind die ersten und/oder zweiten Gleichrichterelemente Halbleiter oder Halbleiter-Gleichrichterelemente. Insbesondere können das erstes und/oder zweites Gleichrichterelement und/oder die Halbleiter-Gleichrichterelemente und/oder die Halbleiter Dioden und/oder Thyristoren sein. Je höher der in der DC-Sammelschiene fließende Strom ist, umso größer sollte der Querschnitt der DC-Sammelschiene ausgebildet werden, um Ohm’sche Verluste und die Wärmeentwicklung zu begrenzen. Um Gewicht und Material einzusparen ist es daher von Vorteil, die DC-Sammelschienen so kurz wie möglich auszubilden. Folglich sollten miteinander verbundene Komponenten vorzugsweise so nah zueinander wie möglich angeordnet werden.
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Die 3A und 3B zeigen einen typischen Transformator 10. Der Transformator 10 weist den ersten, zweiten und dritten Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c auf, die einen magnetischen Kreis – meist einen Ferrit- oder Eisenkern, insbesondere einen Kern aus einer Eisen-Silizium-Legierung – ausbilden. Um jeden Schenkel des Transformators sind die Leiter zweier verschiedener Stromkreise so gewickelt, dass der Strom jedes Stromkreises mehrfach um den jeweiligen Schenkel des Transformators herumgeführt wird, um insbesondere den ersten, zweiten und dritten Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c auszubilden. Dabei wird der mit dem AC-Eingang verbundene Stromkreis als Primärwicklung und der mit der mindestens einen Gleichrichterphase verbundene Stromkreis als Sekundärwicklung bezeichnet. In den 8A und 8B sind beispielhafte Vershaltungsmöglichkeiten der Primärwicklungen und der Sekundärwicklungen gezeigt.
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Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist der Transformator 10 eine Vielzahl von Transformatorschenkeln 12a, 12b, 12c auf, deren Längsachse L im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer ersten Richtung A angeordnet sind und entlang einer zweiten Richtung B verlaufen, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung A ist. Vorzugseise weisen die Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c also eine Länge L entlang der zweiten Richtung B, eine Breite entlang der ersten Richtung A und eine Tiefe entlang einer dritten Richtung C auf. Insbesondere sind die einzelnen Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c parallel zueinander auf gleicher Höhe angeordnet. Transformatoren mit solch einer Konfiguration lassen sich besonders kostengünstig herstellen. Da die Kosten des Transformators einen wesentlichen Einfluss auf die Produktionskosten hat, spielt dies auch bei der Abwägung der Konfiguration der gesamten Gleichrichtereinheit eine entscheidende Rolle, insbesondere bei dem Bestreben, den Abstand zwischen den Transformatorwicklungen und den DC-Sammelschienen und/oder den Gleichrichterphasen-Gruppen zu minimieren.
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In der 3A ist nur eine Wicklung pro Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c dargestellt, obwohl pro Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c vorzugsweise zwei Wicklungen, eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, vorgesehen ist. In der 3B sind jeweils eine Primärwicklung 14a, 14b, 14c und eine Sekundärwicklung 16a, 16b, 16c pro Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c gezeigt, die entlang der Längsachse L nebeneinander angeordnet sind. Jedoch können die entsprechende Primärwicklung 14a, 14b, 14c und die entsprechende Sekundärwicklung 16a, 16b, 16c bezogen auf den entsprechenden Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c auch anders angeordnet sein. Beispielsweise kann, wie in den 5 und 6 gezeigt, die Primärwicklung auch die Sekundärwicklung umgeben, also um diese herum gewickelt sein. Alternativ kann auch die Sekundärwicklung die Primärwicklung umgeben.
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Die 4 zeigt einen Stapelaufbau einer Gleichrichterphase 30. Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die mindestens eine Gleichrichterphase 30 jeweils einen mit der ersten DC-Sammelschiene 20a verbundenen ersten Endanschluss 32a, ein erstes Halbleiterelement 34a, einen Mittenanschluss 36 (in der Schnittansicht der 4 nicht dargestellt), ein zweites Halbleiterelement 34b und einen mit der zweiten DC-Sammelschiene 20b verbundenen zweiten Endanschluss 32b auf. Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist der Halbleiterstapel eine Achse S auf, die parallel zu einer dritten Richtung C ausgerichtet ist und entlang derer die einzelnen Elemente des Stapelaufbaus aufgestapelt sind, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten und zur zweiten Richtung A, B ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist der Halbleiterstapel eine Achse S auf, die parallel zur ersten Richtung A ausgerichtet ist. Insbesondere kann der der Halbleiterstapel als Gleichrichterelement ausgelegt sein.
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Ferner ist zwischen dem ersten Endanschluss 32a und dem ersten Halbleiterelement 34a vorzugsweise eine erste Sicherung 38a vorgesehen. Und zwischen dem zweiten Endanschluss 32b und dem zweiten Halbleiterelement 34b ist vorzugsweise eine zweite Sicherung 38b vorgesehen.
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Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Gleichrichtereinheit ferner eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung 40 mit jeweils mindestens einem Verdampfer pro Gleichrichterphasen-Gruppe zum Kühlen der mindestens einen Gleichrichterphase 30 auf. Vorzugsweise weist jeder Verdampfer eine Vielzahl von Verdampferkanälen 42 auf.
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Die Verdampferkanäle 42 des mindestens einen Verdampfers sind vorzugsweise benachbart zu dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement 34a, 34b angeordnet, um die Halbleiterelemente 34a, 34b zu kühlen. Typischerweise sind die Verdampferkanäle 42 zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterelement 34a, 34b angeordnet sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement 34a, 34b und den jeweiligen benachbarten Strukturen des Stapelaufbaus. Die Verdampferkanäle 42 sind also vorzugsweise zwischen den Halbleiterelementen 34a, 34b als auch zwischen dem ersten Halbleiterelement 34a und dem ersten Endanschluss 32a sowie zwischen dem zweiten Halbleiterelement 34b und dem zweiten Endanschluss 32b angeordnet. Wenn die erste und die zweite Sicherung 38a, 38b zwischen dem ersten Halbleiterelement 34a und dem ersten Endanschluss 32a sowie zwischen dem zweiten Halbleiterelement 34b und dem zweiten Endanschluss 32b vorhanden sind, sind die Verdampferkanäle insbesondere zwischen dem ersten Halbleiterelement 34a und der ersten Sicherung 38a sowie zwischen dem zweiten Halbleiterelement 34b und der zweiten Sicherung 38b angeordnet. Insbesondere stehen die Verdampferkanäle 42 in thermischen Kontakt mit den ersten und/oder zweiten Halbleiterelementen 34a, 34b.
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Dabei wird zumindest ein Teil der in den Halbleiterelementen erzeugten Wärme an ein Kühlmittel 41 in den Verdampferkanälen 42 abgegeben. Das Kühlmittel 41 befindet sich in überwiegend flüssigem Zustand in den Verdampferkanälen 42, kann im thermischen Kontaktbereich mit den Halbleiterelementen 34a, 34b jedoch bis zum Siedepunkt erhitzt werden, so dass ein Teil des Kühlmittels in die dampfförmige Phase übergeht. Der dampfförmige Teil des Kühlmittels weist eine geringere Dichte als der flüssige Teil auf. Vorzugsweise sind die Verdampferkanäle 42 so angeordnet, dass der dampfförmige Teil des Kühlmittels 41 nach oben, also der Gravitationskraft entgegen, aufsteigen kann. Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind die Verdampferkanäle 42 im Wesentlichen parallel zur zweiten Richtung B ausgerichtet. Die zweite Richtung B entspricht also im Wesentlichen der Richtung der Gravitationskraft. Die Verdampferkanäle können auch einen Winkel von bis zu 60°, insbesondere bis zu 30°, vorzugsweise 15° mit der Richtung B einschließen.
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Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die Kühlvorrichtung 40 einen Kondensator auf, der mit den Verdampferkanälen 42 zu einem geschlossenen Kühlkreislauf verbunden ist. Im Kondensator wird der dampfförmige Teil des Kühlmittels durch Wärmeabgabe wieder in die flüssige Phase überführt. Die Wärmeabgabe erfolgt vorzugsweise über ein Wärmetauscherelement mit der Umgebungsluft. Allerdings kann die Wärmeabgabe auch an ein weiteres Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, erfolgen.
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Insbesondere kann die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung eine passive Kühlvorrichtung sein, bei der das Kühlmittel 41 nur aufgrund des hydrostatischen Auftriebs der dampfförmigen Phase getrieben wird. Die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung kann also vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass das Kühlmittel 41 aufgrund des Wärmeübertrags in den Verdampferkanälen 42 und in dem Kondensator 44 sowie aufgrund des Unterschieds in der Dichte der dampfförmigen und der flüssigen Phase durch die Kühlvorrichtung 40 zirkuliert. Dieser Typ bietet die Vorteile, dass er besonders kosteneffizient, zuverlässig und wartungsarm ist. Gleichzeitig bietet er eine höhere Kühlleistung als eine Luftkühlung. Alternative kann zusätzlich eine Pumpe oder ähnliches vorgesehen zu sein, um das Kühlmittel 41 aktiv durch die Kühlvorrichtung 40 zirkulieren zu lassen.
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Die 5 zeigt eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit gemäß einer Ausführungsform. Die in der 5 gezeigte Gleichrichtereinheit weist einen Transformator 10 mit drei Transformatorschenkeln 12a, 12b, 12c, pro Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c eine Gleichrichterphasen-Gruppe mit mindestens einer Gleichrichterphase 30, eine erste und eine zweite Gleichstromsammelschiene 20a, 20b und eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (nicht gezeigt) auf. Die Transformatorschenkel sind entlang der ersten Richtung A parallel zueinander angeordnet, wobei ihre Längsachsen L parallel zur zweiten Richtung B verlaufen. Die zweite Richtung B verläuft senkrecht zur ersten Richtung A. Die erste und die zweite DC-Sammelschiene 20a, 20b verlaufen im Wesentlichen parallel zur ersten Richtung A. Insbesondere können diese mit der ersten Richtung einen Winkel von kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 30°, typischerweise kleiner als 15° einschließen. Die nicht gezeigte Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung weist jeweils mindestens einen Verdampfer pro Gleichrichterphasen-Gruppe auf, wobei die Verdampfer jeweils eine Vielzahl von Verdampferkanälen aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur zweiten Richtung B ausgerichtet sind. Die mindestens eine Gleichrichterphase 30 weist jeweils einen mit der ersten DC-Sammelschiene 20a verbundenen ersten Endanschluss (nicht gezeigt), ein erstes Halbleiterelement (nicht gezeigt), einen Mittenanschluss (nicht gezeigt), ein zweites Halbleiterelement (nicht gezeigt) und einen mit der zweiten DC-Sammelschiene 20b verbundenen zweiten Endanschluss (nicht gezeigt) auf. Insbesondere kann die mindestens eine Gleichrichterphase 30 zwischen der ersten und der zweiten DC-Sammelschiene 20a, 20b angeordnet sein. Die Halbleiterelemente der jeweiligen Gleichrichterphase 30 sind in einem Stapel angeordnet, wobei zwischen einzelnen Schichten des Stapels die Verdampferkanäle zum Kühlen der Halbleiterelemente angeordnet sind, wie oben beschrieben.
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Die Gleichrichterphasen 30 einer Gleichrichterphasen-Gruppe können mit demselben Transformatorschenkel verbunden sein. Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können in einer Gleichrichterphasen-Gruppe die Mittenanschlüsse der Gleichrichterphasen 30 mit demselben Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c verbunden sein. In der 5 sind drei Gleichrichterphasen 30 pro Phase gezeigt, die einer Gleichrichterphase 30 aus der 2 funktional entsprechen. Mit den drei Transformatorschenkeln (dreiphasiger Wechselstrom) sind in der 5 also insgesamt neun Gleichrichterphasen 30 gezeigt. Allgemeine kann jede Anzahl von Gleichrichterphasen pro Phase und jede Anzahl von Phasen vorhanden sein, je nach Anwendungsbereich der Gleichrichtereinheit. Insbesondere können für Anwendungsbereiche mit hoher Stromstärke mehr Gleichrichterphasen pro Phase vorhanden sein, oder für Anwendungsbereich mit vergleichsweise kleiner Stromstärke auch ein oder zwei Gleichrichterphasen pro Phase vorhanden sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können die Sekundärwicklungen auch über eine Dreieckschaltung oder eine Sternschaltung mit den Gleichrichterphasen verbunden sein, wie unten unter Bezug auf die 8A und 8B dargestellt.
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Die Primärwicklung 14a, 14b, 14c eines Transformatorschenkels 12a, 12b, 12c ist vorzugsweise mit jeweils einer Phase einer Wechselstromquelle verbunden. Ferner ist typischerweise die Sekundärwicklung 16a, 16b, 16c jeweils mit einem Mittenanschluss einer Gleichrichterphase 30 verbunden. Die jeweilige Sekundärwicklung 16a, 16b, 16c kann also über einen Verbinder 22 mit den Mittenanschlüssen 34 der Gleichrichterphasen 30 einer entsprechenden Gleichrichterphasen-Gruppe verbunden sein. Vorzugsweise sind die Gleichrichterphasen einer Gleichrichterphasen-Gruppe also in der Nähe des jeweiligen Transformatorschenkels 12a, 12b, 12c angeordnet, weisen insbesondere einen geringen Abstand zu diesem auf. Der Verbinder 22 umfasst in einer Ausführungsform Kupfer und ist für hohe Ströme ausgelegt. Durch obige Maßnahme kann die Länge des Verbinders 22 klein gehalten werden, wodurch Produktionskosten eingespart werden können. Gemäß weiteren Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen auch in Dreieckschaltung oder Sternschaltung verbunden sein, wie unten unter Bezug auf die 8A und 8B dargestellt. In diesem Fall ist der Verbinder 22 mit Vorteil zwischen der Dreieckschaltung bzw. Sternschaltung und der entsprechenden Gleichrichterphasen-Gruppe vorgesehen.
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Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind die Sekundärwicklungen für einen Strom IDC = 1000–500000 A bei einer Spannung von UDC = 40–2000 V ausgelegt. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Gleichrichtereinheit insbesondere für Anwendungsbereich mit hohen Strömen, wie beispielsweise Aluminium-Potline, chemische Elektrolyse und DC-Lichtbogenöfen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist der Transformator 10 ferner einen Transformatorkern 18 auf, um den die Sekundärwicklung 16 mit einer Dicke d1 gewickelt ist, und ein Abstand d2 zwischen der Sekundärwicklung 16 und der ersten Gleichstromsammelschiene 20a kann kleiner als die Dicke d1 sein.
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Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können die Gleichrichterphasen 30 entlang der zweiten Richtung B in einem Bereich angeordnet sein, in dem die Sekundärwicklungen 16 angeordnet sind. Die Gleichrichterphasen 30 können also entlang der zweiten Richtung B auf der gleichen Höhe wie die Sekundärwicklungen 16 angeordnet sein. Ferner sind die Gleichrichterphasen 30 vorzugsweise entlang der dritten Richtung C vor den Sekundärwicklungen mit einem Abstand d2 zwischen der Sekundärwicklung 16 und der ersten Gleichstromsammelschiene 20a angeordnet. Darüber hinaus sind die Gleichrichterphasen 30 vorzugsweise entlang der ersten Richtung A in einem Bereich angeordnet, in dem die Sekundärwicklungen 16 angeordnet sind.
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Bei der in der 5 gezeigten Gleichrichtereinheit ist die Achse der Halbleiterstapel im Wesentlichen parallel zu einer dritten Richtung C ausgerichtet, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten und zur zweiten Richtung A, B ist. Die Achse der Halbleiterstapel kann insbesondere einen Winkel von kleiner 60°, vorzugsweise kleiner 30°, typischerweise kleiner 15° mit der dritten Richtung C einschließen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die erste und die zweite DC-Sammelschiene 20a, 20b entlang der zweiten Richtung B auf gleicher Höhe angeordnet sind, so dass eine die DC-Sammelschienen 20a, 20b und eine Gleichrichterphase 30 verbindenden Linie parallel zur dritten Richtung verläuft.
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6 zeigt eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausführungsform gemäß der 6 ist der Ausführungsform gemäß 5 ähnlich. Die Ausführungsform gemäß der 6 weist im Wesentlichen die gleichen Bauteile und Anordnungen wie die Ausführungsform gemäß der 5 auf, bis auf die Ausrichtung der Gleichrichterphasen.
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Wie in der 6 gezeigt, kann gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, der Halbleiterstapel der mindestens einen Gleichrichterphase 30 pro Transformatorschenkel 12a, 12b, 12c eine Achse S aufweisen, die parallel zur ersten Richtung A ausgerichtet ist. Mit dieser Anordnung kann der Abstand zwischen der ersten und der zweiten DC-Sammelschiene 20a, 20b verringert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine vergleichsweise kleine Anzahl von Gleichrichterphasen pro Gleichrichterphasen-Gruppe vorgesehen ist. Andererseits wird die Ausführungsform gemäß der 5 dann bevorzugt, wenn eine größere Anzahl von Gleichrichterphasen pro Gleichrichterphasen-Gruppe vorgesehen ist, da hier eine größere Anzahl von Gleichrichterphasen pro Einheitslänge der DC-Sammelschienen 20a, 20b angebracht werden kann.
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Die 7 zeigt eine Schemazeichnung eines Kühlsystems einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit. Bei der in der 7 gezeigten Ausführungsform sind die Achsen S der Gleichrichterphasen 30 gemäß der Ausführungsform aus der 5 ausgerichtet, also parallel zur dritten Richtung C, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die Achse S der Gleichrichterphasen 30 kann eine beliebige Orientierung einnehmen, solange insbesondere die in den Gleichrichterphasen 30 angeordneten Verdampferkanäle 42 der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung 40 im Wesentlichen parallel zur zweiten Richtung B angeordnet sind.
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Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Kühlvorrichtung 40 ferner einen Kondensator 44 aufweisen, der mit den Verdampferkanälen 42 zu einem geschlossenen Kühlkreislauf 46 verbunden ist. Vorzugsweise ist der Kondensator 44 entlang der zweiten Richtung B oberhalb von den Gleichrichterphasen 30 angeordnet. Also in einem Bereich entlang der zweiten Richtung B, in den die dampfförmige Phase des Kühlmittels alleine aufgrund des Dichteunterschieds zur flüssigen Phase von selbst aufsteigt oder hinströmt.
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Darüber hinaus kann ein Ventilator 48 vorgesehen sein, um Umgebungsluft durch einen Wärmetauscherbereich des Kondensators zu saugen oder zu blasen, um den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel 41, insbesondere dessen dampfförmige Phase, und der Umgebungsluft weiter zu fördern.
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Ferner kann ein Gehäuse 50 vorgesehen sein, in dem die Gleichrichterphasen 30, die DC-Sammelschienen 20a, 20b und die Kühlvorrichtung 40 angeordnet sind. Insbesondere kann gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, der Halbleiterstapel der mindestens einen Gleichrichterphase 30 mit den Verdampfern in einem gegenüber Verschmutzung versiegeltem Bereich 52 angeordnet sein und der Kondensator 44 in einem nicht versiegelten Bereich 54 angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, dass Staub oder Verschmutzung zu den empfindlichen elektronischen Komponenten gelangen kann.
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Die 8A zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit für dreiphasigen Wechselstrom, bei der die Primärwicklungen 14a, 14b, 14c einerseits und die Sekundärwicklungen 16a, 16b, 16c andererseits jeweils in einer Dreieckschaltung verbunden oder verschalten sind. Bei einer Dreieckschaltung werden die drei Phasen oder Phasenstränge eines Wechselstroms oder Drehstroms in Reihe geschaltet. Ein Ende eines Phasenstrangs wird also mit dem Anfang des nächsten Phasenstrangs verbunden. Hierdurch werden pro Dreieckschaltung drei Eckpunkte gebildet, an denen die Außenleiter für die Wechselstromphasen bzw. für die Gleichrichterphasen 30 (in der 8A ist nur eine der mehreren Gleichrichterphasen 30 gekennzeichnet) angeschlossen werden. In der 8A sind Dioden als Gleichrichterelemente 31a, 31b in den einzelnen Gleichrichterphasen 30 dargestellt. Allerdings können auch, wie oben in Bezug auf die 2 dargelegt, andere Gleichrichterelemente, wie beispielsweise Thyristoren (nicht gezeigt), vorgesehen sein.
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Vorzugsweise sind die Gleichrichterelemente Halbleiter oder Halbleiter-Gleichrichterelemente. Die Verwendung einer Dreieckschaltung bietet den Vorteil, dass bei dieser Schaltung kein Neutralleiter benötigt wird.
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Die 8B zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit für dreiphasigen Wechselstrom, die der Gleichrichtereinheit aus der 8A ähnlich ist, bei der jedoch die Primärwicklungen 14a, 14b, 14c einerseits und die Sekundärwicklungen 16a, 16b, 16c andererseits jeweils in einer Sternschaltung verbunden oder verschalten sind. Allgemeine ist eine Sternschaltung die Zusammenschaltung von beliebig vielen Anschlüssen über einen Widerstand, hier die Primärwicklungen 14a, 14b, 14c bzw. die Sekundärwicklungen 16a, 16b, 16c, an einen gemeinsamen Punkt, der als Sternpunkt bezeichnet wird. Der Sternpunkt kann vorteilhafterweise geerdet werden, um im Fehlerfall dafür sorgen, dass ein Strom fließt, der hoch genug ist, Schutzgeräte der Wechselstromquelle ansprechen zu lassen. Ferner kann verhindert werden, dass der Strom einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, um Schäden auszuschließen.
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In den 8A und 8B sind sowohl die Primärwicklungen 14a, 14b, 14c als auch die Sekundärwicklungen 16a, 16b, 16c in je einer Dreieckschaltung bzw. je einer Sternschaltung verbunden. Allerdings können auch die Primärwicklungen 14a, 14b, 14c in einer Dreiecksschaltung und die Sekundärwicklungen 16a, 16b, 16c in einer Sternschaltung verbunden sein. Ferner können auch die Primärwicklungen 14a, 14b, 14c in einer Sternschaltung und die Sekundärwicklungen 16a, 16b, 16c in einer Dreiecksschaltung verbunden sein.
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Die vorliegende Erfindung zeigt eine Gleichrichtereinheit mit einem Transformator mit einer Anzahl von Transformatorschenkeln, zwei DC-Sammelschienen, einer Gleichrichterphasen-Gruppe pro Transformatorschenkel und einer Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung. Bei dem erfindungsgemäßen Gleichrichter wird insbesondere der Abstand zwischen der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators und dem Halbleiterstapel der mindestens einen Gleichrichterphase minimiert, wodurch Material für die für hohe Ströme größer als 1000 A, insbesondere bis zu 500000A, ausgelegten Verbindungselemente eingespart werden kann.
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Ferner kann die Länge der DC-Sammelschienen insbesondere durch Gruppieren der mindestens einen Gleichrichterphase pro Gleichrichterphasen-Gruppen und räumliches Zuordnen der Gleichrichterphasen-Gruppe zu dem entsprechenden Transformatorschenkel minimiert werden.
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Darüber hinaus kann ein herkömmlicher Transformator mit parallel ausgerichteten Transformatorschenkeln verwendet werden, was eine kostengünstige Produktion der Gleichrichtereinheit fördert.
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Ferner können die Achsen der Halbleiterstapel der Gleichrichterphasen in einer Ebene angeordnet werden, die von der ersten und dritten Richtung aufgespannt wird, also insbesondere horizontal ist. Dadurch können die Verdampferkanäle parallel zur zweiten Richtung ausgerichtete werden, die insbesondere senkrecht auf der Ebene der Achsen der Halbleiterstapel steht, also vertikal verläuft. Folglich kann das durch Wärmeaustausch in den Gleichrichterphasen in die dampfförmige Phase überführte Kühlmittel aufgrund der geringeren Dichte der dampfförmigen Phase im Vergleich zur flüssigen Phase des Kühlmittels in den Verdampferkanälen entgegen der Gewichtskraft vorzugsweise zu einem oberhalb der Gleichrichterphasen vorgesehenen Kondensator aufsteigen und dort wieder verflüssigt werden.
