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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 für eine
unkomplizierte und effizient kühlbare
Installation von Leistungselektronikmodulen in einem Geräteschrank,
einer Kabine oder einem anderen ähnlichen Geräteraum.
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Die
Erfindung betrifft auch ein die Anordnung verwendendes Installationsverfahren.
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Das
Design von Frequenzumformern und Wechselrichtern kann in Module
unterschiedlicher Größe getrennt
sein, die für
die Implementierung der Antriebssysteme elektrischer Geräte geeignet
sind. Eine wirklich große
Anzahl von Leistungsmodulen kann in industriellen Einrichtungen
und massiven Transportfahrzeugen wie beispielsweise Schiffen erforderlich
sein. Herkömmlich
werden solche Leistungselektronikmodule in Gruppen in Geräteschränken oder
anderen ähnlichen
Geräteräumen angeordnet,
die versehen sein können
mit solchen unterstützenden
Funktionen wie einem ausreichend steifen Aufbau der modularen Einheiten
als auch ihrer Kühlung,
einer Filterung oder Unterdrückung
von elektrischen Störungen
und den erforderlichen Schalt- und Kommunikationsanschlüssen. Es
ist offensichtlich, dass Leistungsmodule in mehreren Größenausführungen
für unterschiedliche
Leistungsstufen hergestellt werden müssen. Die größten Leistungsmodule können ein
Gewicht von über
20kg aufweisen. Herkömmlich
werden Frequenzumformer- und Wechselrichtermodule an einer gemeinsamen
Montageplatte befestigt, die an der Rückwand des Geräteschranks oder
der Kabine angebracht ist. Die aus dem inneren Leistungsverlust
der Module resultierende Wärme wird
mit Hilfe eines separaten Luftstromleitblechs zur Rückseite
des Schranks ventiliert. Die Module werden mittels Luft konvektionsgekühlt, und
jedes Modul ist mit einem Lüfter
ausgestattet, der einen ausreichenden Luftstrom einleitet.
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Diese
Art einer Anordnung gemäß dem Stand
der Technik erfordert die Verwendung einer Montageplatte, woran
die Leistungsmodule montiert sind, zuzüglich eines individuellen Luftstromleitblechs
für eine
jede der Einheiten. Da die Montageplatte für jede Gruppe von Modulen separat
hergestellt werden muss, kann die Konstruktion nicht aus individuellen
Modulen kleiner Größe zusammenmontiert
werden, sondern stattdessen ist die Systemgestaltung auf die Verwendung
standardisierter Layouts beschränkt,
um die Anzahl unterschiedlicher Montageplatten auf einem Minimum
zu halten. Insofern, als das Luftstromleitblech über den Modulen installiert ist,
wo es den Kühlluftstrom
so leitet, dass er hinter der Montageplatte auf der Rückseite
des Schranks verläuft,
wird die Luftzufuhrbahn gekrümmt
und erzeugt Übergangswirbelströme, die
einen Druckverlust im Luftstrom hervorrufen. Die Schaltverbindungen
an die Module müssen
tief im Schrankinneren hergestellt werden, wodurch ein nachträglicher
Zugriff auf die Schaltverbindungen kompliziert wird. Demzufolge
sind die Installation und besonders die Wartung des Systems schwierige
Tätigkeiten.
Die Module müssen
in vertikal aufrechter Position tief in den Schrank hinein gehoben
werden, was bedeutet, dass die Anhebehaltung unergonomisch ist,
und die Module müssen
in einer ermüdenden
Position gehalten werden, bis eine Abstützung an dem Modul mit Hilfe
von Montagezubehör
befestigt wurde. Demzufolge sind Schwierigkeiten insbesondere bei
der Installation von schwersten Modulen anzutreffen. Einen Zugriff
auf den Kühllüfter des
Moduls zu erlangen, ist sehr schwierig, da sich der Kühllüfter im
unteren Teil des fertig-installierten Moduls befindet und ferner
der Spalt zwischen zwei sich überlagernden Modulen
eng sein kann und auch das Luftstromleitblech einigen Raum zwischen
den Einheiten verbraucht. Da insofern jedoch der Kühllüfter einer
der wenigen sich abnutzenden Teile des Systems ist und daher Wartung
benötigt,
sollte die Instandhaltung und der Austausch des Lüfters einfach
gestaltet werden. Da für
eine leichte Installation und Wartung zwischen den Modulen ausreichend
Raum gelassen werden muss, bleibt die Montagedichte der Schränke gering,
und an Einsatzorten, die mit einer großen Anzahl Leistungselektronikmodulen
ausgestattet sind, ist das Raumerfordernis für Schränke groß.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen,
die geeignet ist, die Montage von Leistungselektronikmodulen in
einem Geräteraum
in einer Weise zuzulassen, die einfacher ist, als die im Stand der
Technik, und die eine effizientere Kühlung der Module ermöglicht.
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Das
Ziel der Erfindung wird erreicht durch Montieren der Leistungselektronikmodule
in einen Geräteraum
mit Hilfe von Montagebasen, wobei die Montagebasen Befestigungsmittel
zum Befestigen der Montagebasis in dem Geräteraum und ein ebenes Montagebasiselement
aufweisen, das so eingerichtet ist, dass es mittels der Befestigungsmittel
gehalten werden kann, und dessen erstes Ende sich in einem kürzeren Abstand
von den Befestigungsmittel des erstes Endes erstreckt als das gegenüberliegende,
wobei sich das zweite Ende des ebenen Elements von den Befestigungsmitteln
des zweiten Endes erstreckt und auf diese Weise das ebene Montagebasiselement
in einer schrägen
Lage in dem Geräteraum
ausrichtet.
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Genauer
ausgedrückt
ist die erfindungsgemäße Anordnung
durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegeben ist.
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Ferner
ist das erfindungsgemäße Verfahren durch
das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9
angegeben ist.
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Die
Erfindung bietet signifikante Vorteile.
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Zusätzlich zum
Wirken als Montagebasis konturiert die Montageplatte einen Lüftungskanal, der
die durch inneren Leistungsverlust der montierten Module resultierende
Wärme aus
dem Geräteraum
herausführt.
Die Montageplatte bildet eine in sich geschlossene Einzelmodul-Stützstruktur
aus, die folglich ermöglicht,
verschiedene zu installierende Module in dem gleichen Schrank in
einem gewünschten
Layout bis zu solch einer Anzahl übereinander anzuordnen, die
den gesamten verfügbaren Montageraum
ausfüllt.
Aufgrund ihrer schrägen
Montageposition kann eine größere Anzahl
von Modulen als im Vergleich zu den Montagelayouts des Standes der
Technik in einem vorgegebenen Gerätschrank übereinander angeordnet werden,
wodurch die Montagedichte eines Geräteraums erhöht wird. Anschlüsse an die
Module können
aufgrund des weniger komplizierten Zugriffs auf die Anschlussterminals
einfacher vorgenommen werden. Ferner wird das Hineinheben der Module
wesentlich vereinfacht. Während des
Installierens eines Moduls in eine Kabine oder in einen Schrank
wird zunächst
das obere Ende des Moduls an dem unteren Befestigungspunkt der Montageplatte
platziert und gleichzeitig wird das obere Ende des Moduls auf die
Führungsschienen,
die an den gegenüberliegenden
Rändern
der Montageplatte ausgebildet sind, ausgerichtet, wodurch das Modul sicher
abgestützt
ist und entlang der Führungsschienen
in seine korrekte Lage geschoben werden kann. Das Anheben des Moduls
kann von der Außenseite des
Schrankes her ausgeführt
werden und das Modul braucht nicht gehalten werden, nachdem es in
die Verbleibeposition geschoben wurde.
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Da
die Module auf der Tragfläche
des Schrankes mit ihrem nach außen
vorstehenden unteren Ende in schräger Lage aufliegen, ist der
Zugriff auf die sich am unteren Ende der Module befindenden Kühllüfter einfach
und erleichtert folglich eine schnelle Wartung oder einen Austausch
dieser. Demzufolge bleibt die Ausfallzeit aufgrund von Instandhaltung
der Lüfter
kurz, die Kühlluftleitung
ist gerade und die Luftunterströme
von den Modulen sind in die gleiche Richtung ausgerichtet wie der
Hauptstrom, folglich werden Druckverluste in der Kühlluftleitung auf
ein Minimum reduziert. Dieser Vorteil erhöht die Gesamtkühlkapazität oder ermöglicht umgekehrt
die Verwendung von kleineren Lüftern.
Aufgrund der optimalen Position der Module, kann innerhalb des Komponentenseitenraums
des Geräteschrankes/der Gerätekabine
keine heiße
Luft nach oben steigen, sondern vielmehr erhält jedes Modul seine Kühlluft im Wesentlichen
mit der gleichen Einlasstemperatur.
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Nachfolgend
wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter
behandelt, in denen
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1 eine
Seitenansicht eines Geräteschrankes
mit darin montierten Montageplatten gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2 eine
Frontansicht des Geräteschranks aus 1 ist,
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3 eine
Seitenansicht eines Geräteschrankes
mit Montageplatten gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung mit Leistungselektronikmodulen, die darin montiert
sind, ist,
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4 eine
Frontansicht des Geräteschranks aus 3 ist,
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5 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
der Montageplatte ist, und
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6 eine
Frontansicht einer Ausführungsform
der Montageplatte ist.
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In
den nachstehend beschriebenen schematischen Zeichnungen ist der
Gerätschrank
lediglich als Rahmenstruktur umrissen. Herkömmlich weist ein Gerätschrank
auch Wandpaneele auf, die der Rahmenstruktur einen gewünschten
Grad an Schutz vor der Umgebung verleihen. Die Erfindung ist aber
auch für
Installationen in einem offenen Raum geeignet, wie beispielsweise
das Montieren von Geräten
an einer Wand.
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Der
Rahmen des Gerätschranks
weist einen offenen Gestellrahmen 1 auf, welcher die Größe des Schranks
und der Tragständer 2 bestimmt,
welche an beiden Seiten des Rahmens in einem Abstand von der Rückwand des
Rahmens 1 eingepasst sind. Die Montageplatten 3 sind
mittels Schrauben 4, 5 am oberen Ende und am unteren
Ende der Montageplatte 3 an dem Tragständer 2 befestigt.
Die Montageplatten 3 sind stapelartig angeordnet, und während sie
in dieser beispielgebenden Ausführungsform
so illustriert sind, als wiesen sie die gleiche Größe auf, ist
es offenkundig auch möglich,
einen einzelnen Geräteschrank
in dem Fall mit Montageplatten 3 unterschiedlicher Größe auszustatten,
in dem es nötig
ist, Montagebasen für
Module unterschiedlicher Größe zur Verfügung zu
stellen. In 3 sind die Module 7 fertig-installiert.
Die Leistungselektronikmodule 7 sind in einer Öffnung 9 installiert,
die in einer jeden der Montageplatten hergestellt ist. Wie in 3 dargestellt
ist, befindet sich der elektronische Teil der Module im Inneren
des Schranks, wohingegen der die Kühlelemente aufweisende Kühlteil unter
die Montageplatte versenkt wird, so dass er der unverengten Kühlluftleitung 10 gegenüberliegt.
Der untere Teil der Montageöffnung 9 bildet
eine Einlassöffnung eines
modulspezifischen Kühlluftkanals,
der die Kühlluft
direkt in die Kühlluftleitung 10 weiterleitet.
Da die Rückseite
der Montageplatte 3 offen ist, ist der Strömungskanal
frei von Einengungen und folglich bleiben die Luftstrom-Druckverluste
niedrig. Die vorteilhafte Platzierung der Kühllüfter der Module 7 in
ihrer Montagelage am unteren Ende der Module ermöglicht eine leichte Wartung
der Lüfter,
da sich der untere Teil jedes Moduls von der Rückwand der Module mehr nach
außen
hin erstreckt, als das obere Ende des nächsten Moduls darunter, das
nahe der Rückwand
ist. 3 zeigt ferner, dass die bereits in Position montierten
Module keine Behinderung für die
Installation oder das Austauschen von anderen Modulen bewirken.
Der Kühlluftstrom
eines Moduls bewegt sich auch über
die Oberseite des nächsten Moduls
darunter und realisiert somit auch das Kühlen der Elektronikbauteilseite
dieses Moduls.
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Die
Montageplatte 3 ist in den 5 und 6 veranschaulicht.
An der Montageplatte sind zwei Montageanschlussränder 13 und 14 enthalten, die
sich in der gleichen Ebene befinden. Während der Installation werden
die Montageanschlussränder 13 und 14 an
einem Tragständer
oder einer anderen vertikalen Trägerfläche befestigt.
Ausgehend von dem unteren Montageanschlussrand 13 erstreckt
sich von der Ebene der Montageanschlussränder eine untere schräge Ebene 15 nach
außen
hin, wohingegen sich ausgehend von dem oberen Montageanschlussrand 14 eine
obere schräge
Ebene 16 in die gleiche Außenrichtung erstreckt. Der
Winkel α zwischen
der oberen schrägen
Ebene und der Ebene der Montageanschlussränder ist vorzugsweise 20°. Die äußeren Ränder der
oberen und der unteren schrägen Ebene
sind mittels einer geraden Ebene 17, die parallel zu der
Ebene der Montageanschlussränder 13, 14 ist,
miteinander verbunden.
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Die
Montageöffnung 9 ist
in der vertikalen geraden Ebene 17 und der oberen schrägen Ebene 16 so
hergestellt, dass sie sich von der Biegekante zwischen der unteren
schrägen
Ebene 15 und der vertikalen geraden Ebene 17 fast
so hoch wie bis zur gebogene Ecke zwischen der oberen schrägen Ebene 16 und
dem oberen Montageanschlussrand 14 erstreckt. Die Montageöffnung 9 hat
von der gebogenen Ecke zwischen der unteren schrägen Ebene 15 und der
vertikalen geraden Ebene 17 bis zu der oberen schrägen Ebene 16 eine
konstante Weite, die zum Aufnehmen der Breite der zu installierenden
Module angepasst ist. Ein Abschnitt der inneren Ränder der Öffnung,
die in der schrägen
Ebene 16 hergestellt ist, ist mit Führungsschienen 21 versehen,
die sich über
eine gegebene Länge
entlang der Öffnung
erstrecken. An der gebogenen Ecke zwischen der vertikalen geraden
Ebene 17 und der unteren schrägen Ebene 15 steht
vom Rand der Montageöffnung 9 eine Stützablage 18 vor,
die parallel zu der oberen schrägen
Ebene 16 ausgerichtet ist. Am Ende der Stützablage 18 ist
ein Rand 19 umgebogen. Der Abstand vom umgebogenen Rand 19 der
Stützablage
zu dem gegenüberliegenden
Rand 22 an dem anderen Ende der Montageöffnung ist entsprechend der
Länge der zu
montierenden Module ausgebildet. Der lotrechte Abstand zwischen
der Stützablage 18 und
der oberen schrägen
Ebene ist zum Aufnehmen der Höhe des
Kühlelements 8 des
Moduls angepasst. Die Stützablage
weist Montagelöcher 20 für die Montageansätze der
Module 7 auf.
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Die
Montageplatte ist mittels Seitenwänden 12 zu einem unten
offenen Gehäuse
ergänzt.
Nachdem die Montageplatte an den Tragstützen 2 des Schrankes
befestigt wurde und ein kompatibles Modul 7 daran montiert
ist, definieren die Seitenwände ein
Gehäuse,
das in Richtung zu der Kühlluftleitung 10 hin
offen ist. Das auf diese Weise ausgebildete Gehäuse stellt zum Herstellen von
Anschlüssen
an die Module ausreichend Raum bereit.
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Die
Installation der Module erfolgt zunächst durch in Position Befestigen
der Montageplatte 3 mit Hilfe von Befestigungsschrauben 4 und 5.
Als nächstes
wird das obere Ende des Moduls 7 hochgehoben und auf der
Stützablage 18 aufliegend
platziert und gleichzeitig wird das Modul 7 nach oben geschoben, um
die Nuten an den Seiten des Moduls zum Ineinandergreifen mit den
Führungsschienen 21 einzupassen.
Durch weiteres Nachobenschieben des Moduls 7 stößt es am
oberen Rand 22 der Montageöffnung an, wobei die Ecke des
unteren Endes 11 des Moduls den umgebogenen Rand 19 der
Stützablage 18 passiert
hat. Nun kann das Modul 7 freigegeben werden, um am umgebogenen
Rand 19 der Stützablage
anzuliegen, in welcher Position das Modul mittels der Führungsschienen 21 und
der Stützablage 18 fest
abgestützt
bleibt. Als nächstes
kann das Modul über
die Montagelöcher 20 mittels
Schrauben befestigt werden, wobei, falls notwendig, eine größere Anzahl
Montagelöcher
versehen sein kann. Da das Modul kein manuelles Abstützen während des
Einsetzens der Befestigungsschrauben erfordert, ist das Modul einfach
in Position zu befestigen.
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Zusätzlich zu
diesen oben beschriebenen hat die Erfindung alternative Ausführungsformen.
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Die
einfachste Realisierung der Erfindung weist eine Platte mit einer
Montageöffnung
auf, wobei die Platte zum Befestigen in einer ausgewählten Position
eines Schranks in solch einer Weise entsprechend ausgestaltet ist,
dass der erste Rand der Montageplatte näher an der Trägerfläche der
Platte bleibt als der zweite Rand der Platte am gegenüberliegenden
Ende der Platte. Die Module selbst können dann zum Beispiel an herkömmlichen
Montageansätzen befestigt
werden. Diese Ausführungsform
ist nachteilig durch die Notwendigkeit die Abstützung an den Modulen aufrecht
zu erhalten, bis ihre Befestigungsschrauben eingesetzt/in Position
befestigt wurden. Während
die oben genannte Ausführungsform
sogar so ausgeführt
werden kann, dass die Stützablage und
ihr umgebogener Rand weggelassen sind, macht gerade diese Anordnung
die Installation schwieriger. Alternativ können die Führungsschienen 21 durch
eine Nut oder eine andere Führung
ersetzt werden, falls das Modul entsprechend mit einer Führungsschiene
versehen ist. Jedoch ist die Führungsschiene
am einfachsten an einer aus einem Plattenmaterial hergestellten
Montageplatte auszubilden. Während
die Montageplatte vorzugsweise durch Biegeumformen/Pressen eines
Blechs hergestellt wird, ist das zum Herstellen der Montageplatte
verwendete Fertigungsverfahren nicht entscheidend für die Ausführung der
Erfindung. Es kann ferner in Erwägung gezogen
werden, dass insbesondere für
leichtgewichtige Module die Montageplatte nur an ihrem oberen Ende
befestigt wird, jedoch ist diese Anordnung nur möglich, wenn die Montageplattenstruktur
ausreichend steif ist, um das Modulgewicht zu tragen. Es ist ersichtlich,
dass kein zusammenhängender
Kühlluftkanal
hierin gestaltet ist. Darüber
hinaus kann in Erwägung
gezogen werden, dass ein Montagerahmen eines offenen Rahmen-Typs
an Stelle der Montageplatte verwendet wird, jedoch versäumt es auch
diese Anordnung, eine Kühlluftzirkulation
bereitzustellen, ohne auf separate Kühlluftleitbleche zurückzugreifen.