DE3026881C2

DE3026881C2 - Drehzahlverstellvorrichtung für Drehstrom-Asynchronmotoren zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere in Grubenbauen

Info

Publication number: DE3026881C2
Application number: DE19803026881
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Ruhrkohle AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE3026881A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlverstellvorrichtung für Drehstrom-Asynchronmotoren zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere in Grubenbauen, mit einem im abgeschlossenen Innenraum eines druckfesten Gehäuses eingebauten elektrischen Leistungsteil aus einem Drehstrom gespeisten Gleichrichter und einem über einen Filter- bzw. Glättungsteil an die Gleichrichterausgänge angeschalteten Transistor- bzw. Thyristor-Wechselrichter zum Speisen des oder der Motoren, wobei im Leistungsteil entwickelte Wärme durch ein von außen zugeführtes flüssiges Kühlmittel abführbar ist, und mit einem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters steuernden Steuer- und Regelteil. Mit Hilfe einer solchen Drehzahlverstellvorrichtung können die Abbau- und Fördermaschinen in der Regel als Antriebsmotoren dienenden Käfigläufermotoren ein- und ausgeschaltet und in der Drehrichtung und Drehzahl beeinflußt werden.

Eine Drehzahlverstellvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 27 07 754 bekannt. Die Leistungshalbleiter des elektrischen Leistungskreises werden bei dieser bekannten Vorrichtung primär von Kühlkörpern einer Kühlvorrichtung gekühlt. Zur Sekundärkühlung dient eine Kühlschlange, die von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird und ausschließlich auf die Kühlvorrichtung, nicht aber direkt auf die Leistungshalbleiter wirkt. Eine solche indirekte Kühlung der Leistungshalbleiter über mechanische Kühlkörper bedingt zur Erzielung eines ausreichenden Wärmeübergangs eine möglichst großflächige und genaue Passung bzw. einen genauen An- und Einbau der einzelnen Leistungshalbleiter in die Kühlvorrichtung. Ohne eine genaue Anpassung aller Halbleiter an die mechanische Kühlvorrichtung besteht die Gefahr einer Überhitzung eines oder mehrerer Halbleiter selbst bei optimaler Wärmeabfuhr von der Kühlvorrichtung.

Aus der DE-AS 11 91 492 ist ferner eine Halbleitergleichrichteranordnung mit künstlicher Umlaufkühlung und Rückkühleinrichtung bekannt, bei der die Trockengleichrichtereinrichtung in einem Kühlschacht des Umlaufkühlweges liegt und zu dem Kühlschacht der Trockengleichrichtereinrichtung der Kühlschacht der Rückkühleinrichtung mit zugehörigem Förderorgan senkrecht verläuft. Zwar werden die Trockengleichrichter bei dieser bekannten Anordnung direkt mit Kühlflüssigkeit bespült; jedoch wird von mechanischen Kühlkörpern und anschließenden Wandungen Gebrauch gemacht, deren Aufgabe es ist, bei geeigneter Passung eine verbesserte Wärmeabfuhr sowohl zum Umlaufkühlweg (Primärkreislauf) als auch zum Rückkühlweg (Sekundärkreislauf) zu bewirken. Die bei der bekannten Gleichrichteranordnung vorgesehenen und genau zu passenden Kühlkörper gleichen die Tatsache aus, daß die Wärmeübergangsflächen zwischen dem primären Kühlkreislauf und dem sekundären Kühlkreislauf bei ausreichend kompaktem Bauvolumen des Gehäuses relativ klein sind.

Gemäß DE-OS 20 06 759 wird eine aus Elektronikbausteinen und mechanischen Kühlkörpern bestehende

Einheit durch Belüftung gekühlt und die Luft selbst wieder durch einen Wärmetauscher von der Außenseite t'^kühlt. Mit derartigen Luftkühlungen ist die an Drehzahlverstellvorrichtungen der hier nicht in Betracht stehenden Art auftretenden Wärmemenge jedoch nicht ohne weiteres abführbar.

Aus der GB-PS 14 31 560 ist eine Ölkühlung des Innenraums eines Transformatorgehäuses bekannt, wobei das Öl durch Thermowirkung langsam umgewälzt wird. Eine derartige Kühlung ist bei großen abzuführenden Wärmemengen nur in Verbindung mit einem erheblichen Kühlmittelvolumen und einer dementsprechend großen Gehäuseausführung verwendbar.

Die Erfindung verläßt das Prinzip der mechanischen Wärmeabfuhr mittels entsprechend genau gepaßter Kühlkörper. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, für eine solche Umspülung der Leistungshalbleiter im Leistungsteil mit einem flüssigen Kühlmittel zu sorgen, daß eine Zerstörung der Leistungshalbleiter durch übermässige Erhitzung auch ohne besonders abgestimmte /Cühlkörper ausgeschlossen ist

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der abgeschlossene Innenraum des Gehäuses mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist, in das der elektrische Leistungsteil unter allseitiger direkter Umspülung eingetaucht ist, daß eine Umwälzvorrichtung zum Umwälzen des flüssigen Kühlmittels im Innenraum des Gehäuses angeordnet ist, so daß im Innenraum ein Primärkreislauf gebildet wird und daß die den Innenraum begrenzende Gehäusewand wenig- ^3Ü stens teilweise als Wärmetauscherwand eines zu einem Sekundärkühlkreis, gebildet durch das von außen zugeführte flüssige Kühlmittel, gehörigen Wärmetauschers ausgebildet ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß das Gehäuse ein relativ geringes Bauvolumen haben kann. Trotz der damit verbundenen relativ geringen Menge an primärem Kühlmittel ist für eine zuverlässige und ausreichende Wärmeabfuhr aus dem primären Kühlmittelkreislauf gesorgt. Die Gehäusewand bietet nämlich in jedem Falle eine ausreichend große Wärmetauschfläche, um die Temperatur des primären Kühlmittels selbst bei mehrfach aufeinanderfolgenden Wiederholungen von Steuervorgängen im Leistungsteil und damit hohen Wärmebelastungen der Leistungshalbleiter zuverlässig und ausreichend zu kühlen.

Besonders große Wärmetauschflächen bei kompaktbauendem Gehäuse lassen sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß die Gehäusewand wenigstens teilweise als Hohlwand ausgebildet ist, in '" deren Hohlraum wenigstens ein durchgehender Kanal für ein Sekundärkühlmittel vorgesehen ist.

Eine besonders wirksame Zwangsumwälzung und Bespülung des Leistungsteil läßt sich be! einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch " erreichen, daß die Umwälzvorrichtung eine Umwälzpumpe aufweist, deren Druckseite mit dem unteren Bereich des Gehäuseinnenraums verbunden ist.

Leitbleche und/oder Führungsrippen können zur Konzentrierung des Kühlmittelstroms auf die zu ^b0 kühlenden Bauelemente des Leistungsteils im Gehäuseinnenraum angeordnet sein.

Eine noch weitergehende Wärmeabfuhr läßt sich dadurch erreichen, daß an der Gehäusewand die Kühlfläche vergrößernde Kühlrippen angeformt oder befestigt sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert, das i/i der einzigen Figur in einem schematischen Vertikalschnitt dargestellt ist

Bei dem in F i g. 1 als Vertikalschnitt schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der Drehzahlverstellvorrichtung ist der Leistungsteil 1 in einem abgeschlossenen Innenraum 10 eines als Ganzes mit 11 bezeichneten durckfesten Gehäuses angeordnet Die zum Leistungsteil 1 gehörigen Bauelemente 12 sind zur Vereinfachung der Darstellung übereinstimmend als riapfförmige Gebilde gezeigt, die auf einer Trägerplatte 13 angebracht und über strichpunktiert dargestellte Etolzen an der Gehäuseinnenwand befestigt sind.

Das Gehäuse 11 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 doppelwandig mit einer den Gehäuseinnenraum 10 begrenzenden Innenwand 14 und einem die Innenwand mit Abstand umspannenden Außenmantel 15 vorgesehen. In dem Raum zwischen den beiden Gehäusewänden 14 und 15 verläuft wenigstens ein durchgehender Kanal, der von einem flüssigen Kühlmittel, z. B. Industriebrauchwasser, eines Sekundärkühlkreislaufs 17,18 durchströmt wird.

Der Innenraum 10 des Gehäuses 11 ist mit einem isolierenden Primärkühlmittel, beispielsweise Transformatorenöl vollständig gefüllt, so daß der auf der Platte 13 befestigte Leistungsteil 1 der Drehzahlverstellvorrichtung vollständig in das Kühlmittel eingetaucht ist. Zur besseren Wärmeabfuhr und -verteilung ist im Innenraum 10 iine Umwälzvorrichtung eingebaut, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Pumpe 19 gebildet ist. Der Innenraum 10 ist dabei durch eine Trennwand 20 in eine den Leistungsteil 1 aufnehmende Hauptkammer und eine Nebenkammer 21 unterteilt. Die Pumpe 19 ist in der Nebenkammer 21 aufgenommen. Im oberen Bereich und im unteren Bereich der Trennwand 20 ist jeweils wenigstens eine öffnung 22 bzw. 23 vorgesehen, über die der Austausch des Primärkühlmittels zwischen den Kammern im Betrieb stattfindet. Die Pumpe 19 ist mit ihrer Druckseite über eine Verbindungsleitung 24 mit der unteren öffnung 23 verbunden; die Saugseite der Pumpe mündet über einen Ansaugstutzen 25 in die Nebenkammer 21.

Die Pumpe saugt das Primärkühlmittel aus der Nebenkammer 21 an und drückt es durch die öffnung 23 in den unteren Bereich der Hauptkammer, in der es durch geeignete Leitbleche, die schematisch bei 44 und 45 dargestellt sind, auf die vor allem zu kühlenden Bauelemente 12 des Leistungsteils 1 gerichtet wird. Aus dem oberen Bereich der Hauptkammer strömt das Primärkühlmittel nach Kühlung der Bauelemente 12 durch die obere öffnung 22 in der Trennwand 20 in die Nebenkammer 21 nach und wird von dort aus über den Ansaugstutzen 25 von der Pumpe 19 wieder im Kreislauf zurückgepumpt. Bei dieser Ausführungsform des druckseitigen Anschlusses der Pumpe 19 im unteren Bereich der Hauptkammer wird die Gefahr von Störungen aufgrund von Kavitationserscheinungen vermieden. Die gestrichelten Pfeile 26 veranschaulichen den allgemeinen Strömungsverlauf in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Drehzahlverstellvorrichtung.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Bauelemente 12 auf einer einzigen Platine bzw. Platte 13 angeordnet; in der Praxis werden die Bauelemente normalerweise auf mehreren Platten angeordnet, wobei dann vor allem die aus den Leitblechen 44 und 45 bestehende Anordnung so gestaltet wird, daß Teilströme des umgewälzten Kühlmittels alle auf den verschiedenen Platten angeordneten Bauelemente 12

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zur Kühlung erreichen können. eine relativ kompakte Bauform erhalten, und es findet Bei der beschriebenen Drehzahlverstellvorrichtung eine inventisive Wärmeabfuhr von den Bauelementen für den Einsatz in Grubenbauen bildet das Gehäuse II, 12 des Leistungsteils 1 stau, wodurch selbst höchste eine druckfeste Verkapselung in explosions- oder Leistungen von beispielsweise 500 kW mit der Drehschlagwettergeschützter Ausführung. Aufgrund der ϊ zahlverstellvorrichiung beherrschbar sind.
Flüssigkeitskühlung kann das Gehäuse in jedem Fall

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehzahlverstellvorrichtung für Drehstrom-Asynchronmotoren zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere in Grubenbauen, mit einem im abgeschlossenen Innenraum eines druckfesten Gehäuses eingebauten elektrischen Leistungsteil aus einem Drehstrom gespeisten Gleichrichter und einem über einen Filter- bzw. Glättungsteil an die Gleichrichterausgänge angeschalteten Transistor- bzw. Thyristor-Wechselrichter zum Speisen des oder der Motoren, wobei im Leistungsteil entwickelte Wärme durch ein von außen zugeführtes flüssiges Kühlmittel abführbar ist und mit einem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters steuernden Steuer- und Regelteil, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Innenraum (10) des Gehäuses (1) mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist, in das der elektrische Leistungsteil (1) unter allseitiger direkter Umspülung eingetaucht ist, daß eine Umwälzvorrichtung (9) zum Umwälzen des flüssigen Kühlmittels im Innenraum (10) des Gehäuses (11) angeordnet ist, so daß im Innenraum (10) ein Primärkreislauf gebildet wird und daß die den Innenraum (10) begrenzende Gehäusewand (14) wenigstens teilweise als Wärmetauscherwand eines zu einem Sekundärkühlkreis (17, 18), gebildet durch das von außen zugeführte flüssige Kühlmittel, gehörigen Wärmetauschers (16, 15) ausgebildet ist.

2. Drehzahlverstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand wenigstens teilweise als Hohlwand (14,15) ausgebildet ist, in deren Hohlraum (16) wenigstens ein durchgehender Kanal für <ias von außen zugeführte flüssige Kühlmittel vorgesehen ist

3. Drehzahlverstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Umwälzvorrichtung eine Umwälzpumpe (19) aufweist deren Druckseite (24) mit dem unteren Bereich des Gehäuseinnenraums (10) verbunden ist

4. Drehzahlstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der abgeschlossene Innenraum (10) durch eine Trennwand (20) in zwei Kammern unterteilt ist die durch wenigstens eine untere (23) und eine obere (22) öffnung verbunden sind, daß in der einen Kammer (32) der elektrische Leistungsteil (1) und in der anderen Kammer (21; 31) die Umwälzpumpe (19) angeordnet sind und daß die Druckseite der Pumpe über eine Rohrleitung (24) mit der unteren Tfennwandöffnung (23) verbunden ist und die Pumpensaugseite unterhalb der oberen Trennwandöffnung (22) in die andere Kammer (21) mündet.

5. Drehzahlverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß Leitbleche (44, 45) und/oder Führungsrippen zur Konzentrierung des Kühlmittelstroms (26) auf die zu kühlenden Bauelemente (12) des elektrischen Leistungsteils (1) im abgeschlossenen Innenraum (10) befestigt sind.

6. Drehzahlverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Gehäusewand (14) die Kühlfläche vergrößernde Kühlrippen angeformt oder befestigt sind.