DE2062666A1 - Aus Bausteinen aufgebaute Stromrichteranlage - Google Patents

Description

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\ Mn,-Mr. 688/70 Mannheim, den 17. Dez. 19 70

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Aus Bausteinen auf-T^baute Stromrichteranlage

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranlage, insbesondere '

für den Einbau in elektrische oder brennkraftgetriebene Triebfahrzeuge, die aus mehreren, aus Stromrichterelenent, Kühlkörper und Schaltungszubehör bestehfinden, in Halterungen einschiebbaren Stromrichterbausteinen aufgebaut ist. ·

Stationäre oder mobile Stromrichteranlagen, bei denen die > ümrichtung elektrischer Energie einer bestimmten Spannung und Frequenz in eine solche mit veränderter Spannung und ; Frequenz mittels einer größeren Anzahl von teils in Serie und parallel geschalteten Halbleiterbauelementen erfolgt, werden meist in Form von Schaltschränken oder Schaltgerüsten

ausgeführt. Zwecks Verminderung der Konstruktionsarbeit (|

und zur Vergrößerung der zu produzierenden Stückzahlen gleicher Bauteile werden die Diode oder der Thyristor, der Kühlkörper, ; die TSE-Beschaltung und eine Sicherung - und bei Verwendung von Thyristoren zusätzlich ein Xmpulsübertrager - zu eineon Baustein zusammengefaßt. Oft ist dabei noch eine überwachungs=* \ einrichtung mit Strömungsanzeige vorgesehen. Mehrere solcher ^!

Bausteine werden dann Starkstrom- und/oder steuerstromseitig zu entsprechenden Anlagen zusammengebaut (siehe BBC-Nachrichten 1961, Seite 674, sov/ie Thyristor-Handbuch von Dr. Hoffmann

und Stucker, Berlin 1965, Seite 379 usf.}. !

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Die erwähnten Bausteine sind so aufgebaut, daL sie in ein Gerüst eingeschoben werden können. Dadurch können Defekte leicht durch Austausch der Bausteine behoben werden. Die elektrische Stark- und Steuerstromanschlüsse sind schraub- oder steckbar vorgesehen. Die mechanische Befestigung ist verschieden gestaltbar. Durch diese Halbleiterbausteine konnte schon ein besträchtlicher Rationalisierungseffekt erzielt werden. Die zum Teil sehr umfangreichen Gerüste mußten aber weiterhin für jeden Einsatzfall neu konstruiert werden.

Ein weiterer Schritt zur Kosteneinsparung wurde dann dadurch erreicht, daß man in der Breite durch verschieden lange Verbindungsträger variierbare und in der Höhe stapelbare Etagen zu Gerüsten zusammenstellte, in die die Halbleiter= bausteine einzeln einzuschieben sind. Die Anwendung dieser "Normgestelle" scheidet jedoch immer dann aus, oder zwingt zu Veränderungen an ihnen, wenn sehr beengte Einbauräume vorhanden sind, wie dies in Bahnfahrzeugen meist der Fall ist. Dort stehen oft nur sehr kleine Frontflächen zur Ver= fügung, so daß die benötigte Zahl von Halbleiterbausteinen nicht untergebracht werden kann. Die erforderliche Front= fläche läßt sich durch Anordnung von zwei Einzelbausteinen in Einschubrichtung hintereinander, also durch Schaffung eines Donpelbausteines verkleinern. Das Problem einer Vari= ierbarkeit der Gestelle ist damit allerdings nicht gelöst.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Stromrichteranlage mit einem Gerüst zu schaffen, in das sowohl Einfachhalb= leiterbausteine als auch Doppelhalbleiterbausteine einschieb= bar sind und das eine Variierbarkeit mit den verschiedensten Geräteabmessungen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfin= dung besteht darin, die Kühlluftführung so zu gestalten, daß sämtliche Kühlkörper der Stromrichterbauelemente gleich

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gut gekühlt sind. Bekanntlich ist die ßtronbelastbarkeit der Halbleiterbauelemente vor nllon von der Grenztemperatur der SiliziuTischeibe abhängig und diese von einem guten Wärmeübergang "um Kühlkörper und einer guten Wärmeabfuhr vom Kühlkörper. Bei kühlluftmäßig in Reihe geschalteten Kühlkörpern ist die Belastungsfähigkeit der dem Luftstrom nachgeschalteten Halbleiterelement»:» stark gemindert. Bei einer längeren Peihe solcher in De?ug auf die Kühlluft in Reihe geschalteter Halbleiterbauelemente treten erhebliche Belastungsnindorungen auf.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei der eingangs erwähnten Stromrichteranordnung in einer Anzahl von mit mindestens auf einer Seite offenen, mit ihren Breitseiten miteinander verschraubbaren EinzeJgehäusen, in welche jeweils EinfachStromrichterbausteine und/oder DoppeIstromrichter= bausteine einschiebbar sind, wobei jedes Gehäuse aus mindestens einem rechteckigen Rahmen und einer Rückwand besteht, wobei auf zv/ei parallelen Seitenwänden des Rahmens mindestens eine sich über maximal die halbe Höhe eines Rahmens erstreckende Rippe vorgesehen ist, die mit einer durchgehenden in Längs= richtung verlaufenden Bohrung versehen ist und wobei die Rückwand für die Aufnahme von Steck- oder Schraubverbindungen für die Starkstrom- und Steuerstromleitungen des Strom= richterbausteines hergerichtet ist.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die Rippen der einen Rahrnenwand von der Mitte des Rahmens bis an das obere Ende und die Rippen der anderen Rahmen= wand sich von der Mitte der Rahmenwand bis zum unteren Ende der Rahmenwand erstrecken.

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In zweckmäßiger Weise sind mehrere Gehäuse neben- und/oder übereinander angeordnet, wobei eine Verbindung der Rahmen untereinander durch in die Bohrungen der Rippen eingesteckte Bolzen erfolgt, die in am Ende der Bohrungen eingeschnittene Gewinde eingeschraubt sind.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die der Verbindung zweier Gehäuse dienenden Schrauben in Sechskantmuttern eingedreht sind, die in Sechskantaxissparungen des unteren Teiles der Rippen eingelegt sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dienen die zwischen den einander zugekehrten Breitseiten der Rahmen und jeweils zwei Rippen zwischen zwei Gehäusen vorhandenen Hohlräume als Luftkanäle, durch die Kühlluftströme zu den einzelnen Bausteinen zuführbar sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weisen die Rahmen am Unterteil ihrer Breitseite z.B. aufbrechbare Öffnungen 'auf, durch die eine Verbindung zwischen den Luftkanälen und dem Gehäuseinnern herstellbar ist, durch die ein Kühl= luftstrom in bzw. aus dem Gehäuse zu- oder abführbar ist.

Schließlich sind bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die elektrischen Starkstromverbindungen direkt an den Herausführungen der an der Rückwand der Einzelgehäuse angeordneten Steckverbindungen vorgesehen.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeisoielen,

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Mp.-Nr. 688/70

Es zeigen die

Fig. 1 bis 4 ein Gehäuse für einen Einfachstromrichterbau=

stein,
Fig. 5 und 6 ein Gehäuse für einen Doppelstromrichter=

baustein,
Fig. 7 und 8 ein aus mehreren Gehäusen zusammengebautes

Gerüst,
Fig. 9 und 10 einen Ausschnitt aus einem Gerüst mit einge=

zeichneter Kühlluftführung, Fig. 11 und 12 einen Einfachstromrichterbaustein als Ein=

schub für ein Gehäuse und Fig. 13 einen aus zwei Einfachstromrichterbausteinen

gebildeten Doppelstromrichterbaustein.

Eine Seitenansicht eines Gehäuses für einen Einfachbaustein ist in der Fig. 1 dargestellt. Eine Ansicht auf die Front= seite - Einschubseite - zeigt die Fig. 2. In Fig. 3 ist ein Ausschnitt des Grundrisses dargestellt und in der Fig. 4 ein Ausschnitt der Gehäuserückwand. Alle Bezugszeichen für Teile der Gehäuse beginnen mit der Ziffer 1. Der aus Kunststoff bestehende Rahmen ist mit 1.01 bezeichnet. Er besteht aus Seitenwänden 1.02 und 1.03, in die je zwei gleichartige Aussparungen 1.04 eingebracht und durch Verstei= fungen 1.05 oben bzw. unten begrenzt sind. In diesen wird der weiter unten beschriebene Baustein beim Einschieben geführt. An jeder Seitenwand 1.02 bzw. 1.03 sind je zwei gleich lange Rippen 1.06 und 1.07 angebracht, die auf der linken Wand von oben bis zur Mitte, und auf der rechten Wand von der Mitte bis nach unten reichen. Die Rippen 1.06 sind mit runden Bohrungen 1.03 und 1.09, die Rippen 1.07 mit runden Bohrungen 1.10 und je einer Sechskantaussparung l.ll versehen. Docke und Boden sind gleich gestaltet und mit 1.12 bezeichnet. Sie weisen Öffnungen 1.13 auf.

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An der Vorderseite v/eist der Rahmen l-.Ol Seitenflansche 1.14 auf, die mit Bohrungen 1.15 versehen sind. Außerdem ist hier ein Falz 1.16 mit Bohrungen 1.17 zur Aufnahme und Befestigung eines Deckels 1.18 angebracht. An der Rückseite ist der Rahmen ebenfalls mit Seitenflanschen 1.19 mit nicht dargestellten Gewindebohruncren versehen. An dieser Stelle ist auf den Rahmen 1.01 eine Rückwand 1.20 geschraubt. Diese besteht aus einen Boden 1.21 und einem ringsumlaufenden Kragen 1.22. Auf den Seiten ragen über den Kragen 1.22 Flansche

1.23 hinaus. Über diese wird die Rückwand über Verschraubungen

1.24 mit dem Rahmen 1.Ol verbunden. Im Boden 1.21 befinden sich vier Bohrungen 1.25, die die gleiche Lage wie die Stecker= stifte des Bausteines besitzen. Sie sind mit zwei Kontakt= büchsen 1.26, die über Verschraubungen 1.27 gehalten sind, bestückt. Die zugehörige Buchsenleiste ist nicht dargestellt. Sie ist mit der Steckerleiste 2.38 des Bausteines (dargestellt in Fig. 12) gekuppelt.

Ein aus zwei Rahmen 1.01 und einem Boden 1.20 durch Ver= schrauben gebildeter Doppelrahmen ist in Fig. 5 in Seiten= ansicht und in Fig. 6 im Grundriß dargestellt. In diesem Falle sind statt zwei vier Kontaktbuchsen 1.26 vorhanden.

Der Zusammenbau eines Gerüstes aus den einzelnen Rahmen ist in der Fig. 7 dargestellt. Die Verbindungsstelle der einzelnen Bausteine zeigt die Fig. 8 in größerem Maßstab«, Zum Aufbau des Gerüstes wird zunächst die entsprechende Anzahl Kästen so nebeneinander gelegt, daß die Rippen 1.06 bzw. 1.07 der zu verbindenden Gehäuse miteinander fluchten» Nun werden von oben durch die Bohrungen 1.08 und 1.10 der Rippen 1.06 bzw. 1.O7 Spezialschrauben 1.30 mit Kopf 1.31 und Federscheiben 1.34 eingeschoben. Diese werden mit Muttern .1.35, die in die Sechskantaussparungen 1.11 eingelegt werden, verschraubt» Durch die Federscheiben 1.34 ist es möglich, den Schraubenkopf 1.31 in jene Lage zu bringen,

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die nach dem Aufsetzen der nächsten Kastenreihe die Schrau= ; ben 1.30 sichert. Da der Kopf 1.31 mit Gewinde 1.32 versehen
ist, können jetzt von oben wieder Schrauben 1.30 eingedreht

werden. Da sich an den links außen unten liegenden Rahmen ;

keine Rippen gegenüberstehen, sind an deren Stelle Distanz= |

rohre 1.36 vorgesehen. j

Die oben dargestellte Schraubenverbindung der Gehäuse gestattet ,

es, über die Versrhraubungen die Aufhängung des Gerüstes i

beim Transport vorzunehmen, wozu die aus elektrischen Isola= ,

tionsgründen aus Kunststoff bestehenden Rahmen wegen des j f

großen Gewichtes eines mit Bausteinen bestückten Gerüstes !

nicht in der Lage wären. An diesen »Schraubverbindungen kann, '

falls erforderlich, die Befestigung eines Lüfters für eine j

forcierte Kühlung vorgenommen werden. !

Die Kühlluftführung ergibt sich aus der Darstellung in den ! Fig. 9 und 10, die Schnitte durch über- und nebeneinander
liegende Gehäuse darstellen. Bei dem in der Fig. 9 gezeigten
Schema ziehen drei Kühlluftströme parallel, wobei zwei in

den zwischen den Rahmen befindlichen Hohlräumen 1.40 und ΐ

j einer durch die Rahmen strömen und damit die Kühlkörper j

2.20 und 2.21 der Bausteine kühlen. Zur Vermeidung einer ! g

Vermischung der drei Luftströme sind die Aussparungen 1.04 ]

der Wände 1.02 und 1.Ο3 durch beim Aneinanderreihen einge= j

legte Rähmchen 1.41 verschlossen. j

In der Fig. 10 ist gezeigt wie ein durch die Kühlkörper i

erwärmter Kühlluftstrom aus dem einen Rahmen abgeleitet ! und ein Frischluftstrom aus der Spalte 1.4Ο in den unteren

Rahmen eingeleitet wird. Bei dieser Ausführung sind beim j Aneinanderreihen der Rahmen außer den Rähmchen 1.41 weitere

Rähmchentypen 1.42 eingelegt. Dtirch ein Bodenstück 1.4 3 i

wird ein Abströmen der erwärmten Kühlluft in das untere ^!

Gehäuse verhindert. !

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In den Fig. 11 und 12 ist mit 2.01 ein Isolierkasten (siehe rechte Bildseite) für einen Einzelbaustein bezeichnet, der durch einen Deckel 2.02, der bis zu zwei Bohrungen 2.03 aufweist, verschließbar ist. In dem entstandenen Raum sind ein oder" zwei elektrische Sicherungen 2.O4 untergebracht, die über Verschraubungen 2.05 und 2.06 in den elektrischen Strompfad geschaltet sind. Am Boden 2.11 des Kastens 2.01 sind zwei Augen 2.12 vorgesehen, auf denen Leuchtmelder 2.07 für die Anzeige von Sicherungsdefekten angebracht sind. Die am Boden 2.11 befindlichen Bohrungen 2.13 dienen zur Durchführung von Starkstromanschlüssen, die in diesem Falle Steckerstifte sind, und von nicht dargestellten mechanischen Befestigungselementen. In der Wandung 2.14 des Isolierkastens 2.01 sind in den Ecken vier Bohrungen 2.15 angebracht, in denen der Deckel 2.02 mit nicht gezeigten Schnellverschlüssen befestigt ist. Die vier Ecken 2.16 der Gehäusewandung 2.14 sind abgeschrägt. Durch diese Abschrägungen wird der Baustein beim Einschieben in den Rahmen 1.01 des Gehäuses geführt. An dem Isolierkasten 2.01 ist eine Kombination aus zwei Kühlkörpern 2.20 und 2.21 mit dazwischen liegenden Thyristor oder Diode 2.22 in Scheibenform befestigt. Bei der Verwendung von Thyristoren oder Dioden in Flachbodenzellen-oder Schraub= Zellenbauart sind die Kühlkörper an die Form der Halbleiter= elemente angepaßt»

Am zweiten Kühlkörper ist ein weiterer Isolierkasten 2.30 angeschraubt, der die Steckstifte für die Starkstrompfade und Steckverbindungen für die Steuerleitungen trägt. Der Starkstrompfad verläuft über den mit einem Rohr 2.24 isolierten Steckerstift 2.23, eine Brücke 2.25, die Verschraubung 2.05, die Sicherungen 2.04, die Verschraubung 2.06 und den Bolzen 2.26 zum Kühlkörper 2.20 und von dort durch den Thyristor oder die Diode 2.22 zum zweiten Kühlkörper 2.21 mit Stecker= stift 2.28, der ebenfalls mit einem Isolierrohr 2.29 ver= sehen ist.

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In dem Isolierkasten 2.30 sind am Boden 2.31 ebenfalls vier Bohrungen 2.33 angeordnet. Durch zwei diener Bohrungen sind die Steckerstifte gesteckt und durch elastische Tüllen 2.34 geführt. Der zwischen der Wand 2.31 und dem Kühlkörper 2.21 vorhandenen Raum 2.35 ist für die Aufnahme von ohm¹sehen
Beschaltungswiderständen vorgesehen. In dem durch die Wände 2.36 des Isolierkastens 2.30 gebildeten Raum 2.37 sind die übrigen Schaltmittel, wie Impulsübertrager, Kondensator
und Sicherungsüberwachung, die in der Zeichnung nicht darge= stellt sind, untergebracht. Dort ist die schon erwähnte
Steuerstromsteckerleiste 2.38 für die Steuerleitungen ein= gebaut.

Der- in Fig. 13 dargestellte Doppelbaustein besteht aus
zwei Einzelbausteinen mit geringfügigen Abänderungen. Der
vorn in der Figur rechts liegene Baustein erhält verlängerte Steckerstifte 2.23¹ und 2.28¹. Außerdem sind seine Steuer=
leitungen über Steckverbindungen 2.38', 2.39' auf die im
hinteren Baustein befindliche Steckerleiste 2.38 geschleift. Der mechanische Verbund der Bausteine ist über Verschraubungen der beiden vordem Steckerstifte 2.23¹ und 2.28¹ hergestellt.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Stromrichteranlage, insbesondere für den Einbau in i

   elektrische oder brennkraftgetriebene Triebfahrzeuge, , die aus mehreren, aus Stromrichterelement _r Kühlkörper ; und Schaltungszubehör bestehenden, in Halterungen einschiebe ; baren Stromrichterbausteinen aufqebaut ist, gekennzeich=

   eine Anzahl von mit mindestens auf einer Seite ;

   offenen, mit ihren Breitseiten miteinander verschraubbaren Einzelgehäusen, in welche jeweils Einfach stromrichter= bausteine und/oder Doppelstromrichterhausteine einschiebbar sind, wobei jedes Gehäuse aus mindestens einem recht= eckigen Rahmen (1.01) und einer Rückwand (1.20) besteht, wobei auf zwei parallelen Seitenwänden des Rahmens (l.Ol) mindestens eine sich über maximal die halbe Höhe eines Rahmens erstreckende Rippe (1.06 bzw. 1.07) vorgesehen ist, die mit einer durchgehenden in Längsrichtung verlaufenden Bohrung (1.08 bzw. 1.10) versehen ist und wobei die Rückwand (1.20) für die Aufnahme von Steck= Verbindungen für die Starkstrom- und Steuerstromlei= tungen des Stromrichterbausteines hergerichtet ist.

   Stromrichteranlage nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen (1.06) der einen Rahmenwand von der Mitte des Rahmens bis an das obere Ende und die Rippen (1.07) der anderen Rahmenwand sich von der ilitte der Rahmenwand bis zum unteren Ende der Rahraenwand erstrecken.

   Stromrichteranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gehäuse neben- und/oder übereinander ange= ordnet sind, wobei eine Verbindung der Rahmen (1.01) untereinander durch in die Bohrungen (1,08 bzw» l.lO) der Rippen eingesteckte Bolzen erfolgt, die in am Ende der Bohrungen (1.08 bzw. 1.10·} eingeschnittene Gewinde eingeschraubt sind.

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   Stromrichteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn= zeichnet, daß die der Verbindung zweier Gehäuse dienende Schraube (1.30) in Sechskantmuttern (1.35) eingedreht ist, die in Sechskantaussparungen (1.11) des unteren Teiles der Rippen (1.O7) eingelegt ist.

   Stromrichteranlage nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zwischen den einander zugekehrten Breitseiten (1.O2, 1.03) der Rahmen und jeweils zwei Rippen (1.O6 bzw. 1.07) zwischen jeweils zwei Gehäusen vorhandenen Hohlräume (1.40) als Luftkanäle dienen, durch die Kühlluftströme zu den einzelnen Bausteinen zuführbar sind.

   Stromrichteranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich= net, daß die Rahmen am Unterteil ihrer Breitseiten (aufbrechbare) Öffnungen aufweisen, durch die eine Verbindung zwischen den Luftkanälen (1.4O) und dem Gehäuse= innern herstellbar ist, durch die ein Kühlluftstrora in bzw. aus dem Gehäuse zu- oder abführbar ist.

   Stromrichteranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Starkstrom= !

   verbindungen direkt an den Herausführungen der an der j

   Rückwand der Einzelgehäuse angeordneten Steckverbindungen ;

   vorgesehen sind. |

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