DE69300704T2

DE69300704T2 - Kühlung für hochleistung-wechselstromumrichter bei fahrzeug-antrieben.

Info

Publication number: DE69300704T2
Application number: DE69300704T
Authority: DE
Inventors: Ronald Bailey; Ronald Griebel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2013-04-23
Also published as: BR9305497A; JPH06508260A; CN1036057C; DE69300704D1; US5253613A; AU661809B2; CA2109522C; ES2079980T3; CN1085854A; CA2109522A1; WO1993022894A1; EP0592661A1; AU4292093A; EP0592661B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch angetriebene Traktionsfahrzeuge und insbesondere auf Kühlsysteme für Hochleistungs-Halbleiter, die in derartigen Traktionsfahrzeugen verwendet werden.
Traktionsfahrzeuge, wie beispielsweise Lokomotiven, verwenden elektrische Traktionsmotoren zum Antreiben von Rädern der Fahrzeuge. In einigen dieser Fahrzeuge sind die Motoren Wechselstrommotoren, deren Drehzahl und Leistung durch Verändern der Frequenz und des Stromes der den Motoren zugeführten elektrischen Wechseistromleistung verändert werden. Üblicherweise wird die elektrische Leistung an einem bestimmten Punkt in dem Fahrzeugsystem als Gleichstromleistung zugeführt und danach in Wechselstromleistung mit gesteuerter Frequenz und Amplitude umgewandelt. Die elektrische Leistung kann von einer an Bord befindlichen Wechstrommaschine abgeleitet werden, die von einer internen Verbrennungsmaschine angetrieben wird, oder sie kann von einer an der Strecke befindlichen Leistungsquelle erhalten werden, wie beispielsweise einer dritten Schiene oder einer Oberleitung.
Typisch wird die Leistung in einem Festköroer-Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt, der mehrere Halbleitervorrichtungen enthält, wie beispielsweise Dioden oder Abschalt-Thyristoren (GTO's). In einer Lokomotive, einem großen Fahrzeug, das sich außerhalb von Straßen bewegt, oder einer Transportanwendung können die Traktionsmotoren 1000 PS pro Motor entwickeln und erfordern somit ein sehr hohes Leistungshandhabungsvermögen durch den zugeordneten Wechseirichter. Dies wiederum erfordert Halbleiter-Schaltvorrichtungen, die eine derartig hohe Leistung steuern und die signifikante Wärme abführen können, die in den Halbleitervorrichtungen aufgrund von Innenwiderständen entwickelt wird.
In konventionellen Systemen sind die Halbleitervorrichtungen auf Wärmeübertragungsvorrichtungen angebracht, wie beispielsweise Wärmesenken, die die Abfuhr von Wärme von den Halbleitervorrichtungen weg unterstützen und somit ein thermisches Versagen der Vorrichtungen verhindern. Für diese sehr hohe Leistungen aufweisende Halbleitervorrich tungen ist es wünschenswert, Wärmesenken zu verwenden, die im allgemeinen hohle Innenräume aufweisen, durch die Kühlluft zwangsumgewälzt werden kann, um angesammelte Wärme abzuführen. Jede Wärmesenke ist an einer Luftkammer angebracht, und es wird Kuhlluft durch die Wärmesenken hindurch und in den Bereich der elektrischen Schaltungsanordnung geblasen, in dem die Halbleiter angeordnet sind. Der Bereich der elektrischen Schaltungsanordnung kann verschiedene Steuer- und Zeitsteuerschaltungen enthalten, zu denen voluminöse Halbleiter mit kleiner Leistung gehören, die zum Steuern der Umschaltung der Leistungshalbleiter verwendet werden.
Bei Lokomotiven-Anwendungen wird die Kühlluft typischerweise von Gebläsen abgeleitet, die Luft aus dem Überkopfbereich der Lokomotiven abziehen. Die eintretende Luft enthält gewöhnlich Verunreingungen, zu denen Dieselqualm und Staub gehören. Es wird ein Spinfilter oder Trägheitsfilter verwendet, um diese Kühlluft wenigstens teilweise zu reinigen. Jedoch werden gewöhnlich nicht alle diese Verunreinigungen beseitigt, was einen Aufbau von Verunreinigungen in dem Bereich der elektrischen Schaltungsanordnung zur Folge hat-. Derartige Verunreinigungen behindern die Wärmeübertragung und können auch zu einem elektrischen Überschlag von Isolationsstrecken in der Schaltungsanordnung führen. Es ist somit wünschenswert, den Aufbau von Verunreinigungen in einer oerartigen Schaltungsanordnung zu minimieren.
Ein Wechselrichter für Anwendungen mit großen Wechselstrommotoren enthält typischerweise sechs Hochieistungs-Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise GTO's, die Wärmesenken und eine Zwangsluftkühlung erfordern. Jede dieser Vorrichtungen sind im allgemeinen Preßpackungen, die eine doppelseitige Kühlung für diese Hochleistungsanwendungen erfordern. Eine übliche Anordnung erfordert somit zwolf Wärmesenken pro Wechserichter. Bei einer sechsachsigen Lokomotive werden die Wechselrichter alleine 72 Wärmesenken umfassen, die Kühlluft erfordern. Diese Anzahl von Wärmesenken erfordert ein großes Volumen an Kühlluftströmung mit einer gleichzeitigen Steigerung in der Trägheitsfilterkapazität. Es St somit wünschenswert, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verkleinerung des Kühlluftströmungsbedarfes zu schaffen, während eine angemessene Kühlung der Halbleitervorrichtungen beibehalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird eine Gleichstrom/Wechselstrom-Leistungswandlereinrichtung für ein Traktionsfahrzeug geschaffen, enthaltend eine Quelle für elektrische Gleichstrom(DC)-Leistung; einen Wechselrichter mit einer Anzahl Halbleitervorrichtungen mit relativ hoher Leistung, die mit der Gleichstromquelle verbunden sind, und die die elektrische Gleichstromleistung in elektrische Wechselstrom(AC)- Leistung umwandeln; eine Gebläseeinrichtung zum Liefern einer Kühlluftströmung; eine elektrische Geräte enthaltende Kammer, die durch wenigstens eine Wand, die in dem Fahrzeug vertikal orientiert ist, eine Abluftkammer und eine Luftversorgungskammer gebildet ist, die auf einer gegenüberliegenden Seite der Wand von der elektrische Geräte enthaltenden Kammer gebildet ist, wobei die Wand mehrere Öffnungen aufweist, die von ]eder Abluftkammer und Luftversorgungskammer hindurchführen; mehrere hohle, luftgekühlte Wärmesenken, von denen jeweils das eine Ende an der Wand in einer auskragenden Weise befestigt ist, wobei die Wärmesenken in Paaren derart angeordnet sind, daß ein erstes Ende von einer von einem Paar mit der Wand verbunden ist, die über einer hindurchführenden Öffnung zu der Luftversorgungskammer liegt, und ein erstes Ende von der anderen des Paares mit der Wand verbunden ist, die über einer hindurchführenden Öffnung zu der Abluf tkammer liegt; wobei die Luftversorgungskammer Kühlluft von der Gebläseeinrichtung in die Wärmesenken richtet; Leitungsmittel, die wenigstens zwei der Wärmesenken zu einer Reihenluftströmungsbahn verbinden, damit Luft der Reihe nach durch die wenigstens zwei Wärmesenken strömt; wobei die Abluftkammer mit wenigstens einer stromabwärtigen der wenigstens zwei Wärmesenken verbunden ist zur Ableitung von Kühlluft von den Halbleitervorrichtungen weg; und wobei gewählte Halbleitervorrichtungen Presspackungen aufweisen, die unter einem vorbestimmten Druck zwischen gegenüberliegenden Flächen von den wenigstens zwei Wärmesenken gehalten sind.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren, wie es in Anspruch 4 angegeben ist.
Auf diese Weise wird die Kühlluft in einer geschlossenen Bahn gehalten, die sich in den Bereich elektrischer Schaltungen erstreckt, so daß Verunreinigungen nicht auf den elektrischen Komponenten abgelagert werden. Das Volumen der erforderlichen Kühlluft kann in signifikanter Weise verkleinert werden, da eine Hälfte der Kühlluftbahnen eliminiert ist. Der Druckabfall durch die in Reihe verbundenen Wärmesenken kann höher sein und kann dadurch die Druckerfordernisse erhöhen, damit sie mit den rotierenden Einrichtungen in dem Fahrzeug besser kompatibel sind. Die auskragende Anbringung ermöglicht die Verwendung einer einzigen Wandfläche für sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Verbindung und minimiert Ausrichtungsprobleme und 3 kann eine einfache Kompression von Dichtungspackungen gestatten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
Für ein besseres Verständnis wird nun auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Figur 1 eine vereinfachte, teilweise schematische Darstellung von einer Lokomotive ist, die die Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet;
Figur 2 eine vereinfachte schematische Darstellung von einer Leistungsschaltung tur ein Traktionsfahrzeug ist;
Figur 3 eine vergrößerte, vereinfachte Darstellung von einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und Figur 4 eine Ansicht ähnlich Figur 3 ist, aber eine alternative Anordnung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist eine vereinfachte, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht von einem elektrischen Traktionsfahrzeug gezeigt, das als eine Lokomotive dargestellt ist, die die vorliegenden Erfindung enthält. Die Lokomotive 10 weist mehrere Trakiionsmotoren auf, die in der Figur nicht sichtbar sind, aber hinter den Antriebsrädern 12 angeordnet und in einer antreibenden Relation mit Achsen 4 verbunden sind. DIE Motoren sind vorzugsweise elektrische Wechselstrom(AC)-Motoren, und die Lokomotive enthält mehrere elektrische Wechselrichterschaltungen zum Steuern der elektrischen Leistung für die Motoren. Selbstverständlich kann diese Erfindung zur Kühlung von Preßpackungs-Halbleitern in jedem Leistungswandler verwendet werden, der mit zwangsumgewälzter Luft gekühlt wird. Sie kann auf effektive Weise auf andere Typen von Fahrzeugen oder typischen industriellen Antrieben angewendet werden.
Es wird nun kurz auf Figur 2 Bezug genommen. Gemäß der vereinfachten schematischen Darstellung enthält das elektrische System für die Lokomotive 10 eine Wechselstrommaschine 16, die durch einen an Bord befindlichen internen Verbrennungsmotor angetrieben wird, wie beispielsweise einen Dieselmotor (nicht gezeigt). Die Ausgangsleistung der Wechselstrommaschine 16 wird in bekannter Weise geregelt durch eine Felderregungsregelung, wie es durch den GTO-Block 18 angedeutet ist. Die elektrische Leistung aus der Wechselstrommaschine 16 wird gleichgerichtet, Block 20, und Wechselrichtern 22 zugeführt. Die Wechselrichter 22 wandeln die gleichgerichtete Leistung in eine Leistung mit variabler Frequenz und variabler Amplitude um für eine Zufuhr zu den Wechselstrommotoren 24.
Gemäß Figur 1 sind die elektrischen Leistungsschaltungen wenigstens teilweise in der Gerätekammer 26 angeordnet. Die Steuerelektronik für die Wechselrichter 22 und die Feldsteuerung 18 und auch andere elektronische Komponenten sind in üblicher Weise auf Schalttafeln verpackt, die in Gestellen in der Kammer 26 gehalten sind. Oberhalb der Kammer 26 sind zwei Gebläse 28A, 28B angebracht, die Luft aus dem Raum oberhalb der Lokomotive ziehen und sie auf gewählte Geräte blasen, die eine Zwangsluf tkühlung erfordern. Bezüglich der vorliegenden Erfindung bläst das Gebläse 28A nach unten in die Verteilungszone oder Kammer 30. Die eine Seite der Kammer 30 ist durch eine Wand 32 für elektrische Geräte 23 gebildet, die im allgemeinen vertikal orientiert ist und die die Kammer 26 von der Kammer 30 trennt. Die Wand 32 ist mit mehreren in vorbestimmter Weise angeordneten Öffnungen versehen, um Kühlluft zwischen der Kammer 30 und der Kammer 26 hindurchzulassen. Die Luft von dem Gebläse 28A wird durch ein Spin- oder Trägheitsfilter 34 geleitet, wenn sie in die Kammer 30 eintritt.
Innerhalb der Kammer 26 sind die elektrischen Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen aufluftgekühlten Wärmesenken 36 angebracht. Die Wärmesenken 36 sind in auskragender Weise an der Gerätewand 32 befestigt. Die Wärmesenken 36 sind so aufgebaut, daß sie im allgemeinen hohl sind und mehrere Rippen aufweisen, die sich zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden erstrecken und longitudinal verlaufende Luftkanäle von einem Ende zum anderen bilden. Die Wärmesenken 36 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Paaren angeordnet, wobei die entfernten Enden von jedem Paar durch eine Luftleitung 38 miteinander verbunden sind. An der Wand 32 sind die Enden der Wärmesenken abgedichtet an vorgewählten Öffnungen angebracht, die sich durch die Wand 32 erstrecken. Auf der Kammerseite der Wand sind gewählte Offnungen mit Abluftleitungen 40 verbunden, die von der Kammer 30 nach außen führen. Die Anordnung ist so, daß Kühlluft aus der Kammer 30 in das eine Ende von einem Paar von Wärmesenken strömt und dann durch das andere Ende von dem Wärmesenkenpaar austritt.
Figur 3 ist eine vergrößerte schematischen Darstellung von einem der Wärmesenkenpaare 36, wobei ein Paar von Halbleitervorrichtungen 42, die als eine Diode und ein GTO dargestellt sind, unter Druck zwischen gegenüberliegenden Flächen 44, 46 der Wärmesenken angebracht sind. Die Vorrichtungen 42 sind typisch Preßpackungspakete, und es ist eine Klemmeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Wärmesenken 36 mit einer vorbestimmten Druckkraft gegeneinander zu drücken. Es sind verschiedene Formen des Klemmens für diesen Typ der Vorrichtungsanbringung in der Technik gut bekannt. Bei der als Beispiel dargestellten auskragenden Anbringune können nie äußeren Oberflächen 48, 50 der zwei Wärmesenken an strukturellen Halterungen 52, 54 befestigt sein oder diese aufweisen, die mit der Wand 32 für ein dichtendes Zusammendrücken der Enden der Wärmesenken 36 verschraub sein kömien, die über Offnungen in der Wand 32 liegen. Die Leitung 38 kann mit den Enden der Wärmesenken 36 in der Kammer 26 verschraubt oder auf andere Weise daran befestigt sein. Der bei 58 angegebene Bereich stellt einen Ausschnitt oder eine bearbeitete Fläche der Wärmesenke 36a dar zum Aufnehmen einer Änderung in der Höhe von einer Preßpackung für unterschiedliche Halbleitervorrichtungen. Die Dioden-Preßpackung ist im allgemeinen kürzer als diejenige des GTO und erfordert gewöhnlich nur eine Kühlung auf der einen Anschlußoberfläche. Der Bereich 58 erlaubt Raum für eine Klemme (nicht gezeigt), um die Diode 42 gegen die Wärmesenke 35b zu drücken und den Kontakt mi der Wärmesenke 36a zu isolieren.
Wie gezeigt ist, wird die Luft aus der Kammer 30 durch eine erste Wärmesenke 36a gedrückt, strömt durch die Leitung 38 und dann durch die Wärmesenke 36b, woraufhin sie durch die Abluftleitung 40 austritt. Alle elektrischen Verbindungen für das Leistungsystem einschließlich der Leistungs-Halbleitervorrichtung 42 können innerhalb der Kammer 26 gemacht und an der Wand 32 befestigt werden. Jedoch ist die verunreinigte Kühlluft innerhalb der Wärmesenken 36 eingeschlossen. Durch Verwendung der seriell verbundenen Wärmesenken kann die Luft zunächst dem Anoden-Anschluß der GTO-Vorrichtung zugeführt werden, der mehr Wärme überträgt und mehr Kühlung erfordert, und anschließend dem GTO-Kathoden-Anschluß und dern einen Anschluß der Diode zugeführt werden. Der ein Ende aufweisende Lufteintritt erleichtert die Mon tage und Wartung von einer sauberen Luftkammer 26. Weiterhin ist der hohe Druck- und kleine Strömungsbedarf zum Kühlen der seriell verbundenen Wärmesenken besser kompatibel mit den Kühlungsbedürfnissen der Motoren und Wechselstrommaschinen des Systems. Die Wärmesenken können durch ver schiedene bekannte Mittel elektrisch isoliert sein. Typisch würde die Leitung 38 aus einem nicht-leitenden Material für eine elektrische Isolation gebildet sein.
Eine alternative Anordnung ist in Figur 4 gezeigt, wo ein Einlaßende der Wärmesenke 36a mit einer Druckluftkammer 60 und ein Ausgangsende der Wärmesenke 36b mit einer Abluftkammer 62 verbunden ist. Es wird deutlich, daß viele Wärmesenken in einer parallelen Anordnung zwischen der Kammer 60 und der Kammer 62 verbunden sein könnten.

Claims

1. Gleichstrom/Wechselstrom-Leistungswandlereinrichtung für ein Traktionsfahrzeug (10), enthaltend:

eine Quelle (20) für elektrische Gleichstrom(DC)- Leistung,

einen Wechselrichter (22) mit einer Anzahl Halbleitervorrichtungen (42) mit relativ hoher Leistung, die mit der Gleichstromquelle (20) verbunden sind und die die elektrische Gleichstromleistung in elektrische Wechselstromleistung umwandeln,

eine Gebläseeinrichtung (28) zum Liefern einer Kühlluftströmung,

eine elektrische Geräte enthaltende Kammer (26), die durch wenigstens eine Wand (32) gebildet ist, die in dem Fahrzeug (10) vertikal orientiert ist, eine Abluftkammer (62, 40) und eine Luftversorgungskammer (30, 60), die auf einer gegendberliegenden Seite der Wand (32) von der elektrische Geräte enthaltenden Kammer (26) gebildet ist, wobei die Wand (32) mehrere Öffnungen aufweist, die von jeder der Abluftkammer (62, 46) und der Luftversorgungs kammer (30, 60) hindurchführen,

mehrere hohle, luftgekühlte Wärmesenken (36), von denen jeweils das eine Ende an der Wand (32) in einer auskragenden Weise befestigt ist, wobei die Wärmesenken (32) in Paaren derart angeordnet sind, daß ein erstes Ende (36a) von einer von einem Paar mit der Wand (32) verbunden ist, die über einer hindurchführenden Öffnung zu der Luftversorgungskammer (30, 60) liegt, und ein erstes Ende von einer anderen (36b) des Paares mit der Wand (32) verbunden ist, die über einer hindurchführenden Öffnung zu der Abluftkammer (62,40) liegt,

wobei die Luftversorgungskammer (30, 60) Kühlluft von der Gebläseeinrichtung (28) in die Wärmesenken (36) richtet,

Leitungsmittel (38), die wenigstens zwei der Wärmesenken (36) zu einer Reihenluftströmungsbahn verbinden, damit Luft der Reihe nach durch die wenigstens zwei Wärmesenken (36) strömt,

wobei die Ablufkammer (62, 40) mit einer stromabwärtigen der wenigstens zwei Wärmesenken (36) verbunden ist zur Ableitung von Kühlluft von den Halbleitervorrichtungen weg, und

wobei gewählte Halbleitervorrichtungen (42) Druckpackungen aufweisen, die unter einem vorbestimmten Druck zwischen gegenüberliegenden Flächen von den wenigstens zwei Wärmesenken (36) gehalten sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug (10) eine Lokomotive ist und die Leitung (38) ein elektrischer Isolator ist, wobei die Einrichtung ferner enthält:

mehrere elektrische Wechselstrommotoren (24) , die jeweils in Antriebsrelation mit einem entsprechenden Paar von mehreren Radpaaren (12) auf der Lokomotive verbunden sind,

eine Klemmeinrichtung, die operativ jedem Paar der Wärmesenken zugeordnet ist und den vobestimmten Druck für jede Wärmesenke von jedem Paar in Richtung auf die andere Wärmesenke des Paares liefert, wenn gewählte Halbleitervorrichtungen zwischen den Wärmesenken von jedem Paar von Wärmesenken angeordnet sind, wobei die Klemmeinrichtung die Wärmesenken in einen thermischen Kontakt mit gegenüberliegenden Leistungsanschlüssen der Halbleitervorrichtungen drückt.

3. Lokomotive nach Anspruch 2, wobei die elektrische Gleichstromquelle einen Wechselstrommotor (16) , der auf der Lokomotive angebracht ist, und einen Dieselantrieb aufweist, der mit dem Wechselstrommotor in Antriebsrelation verbunden ist.

4. Kühlverfahren in einer dieselelektrischen Lokomotive (10) mit einem Dieselantrieb, der in Antriebsrelation mit einem Wechselstrommotor (16) verbunden ist, zur Versorgung von Elektromotoren, die mit Rädern der Lokomotive in Antriebsrelation stehen, wobei der Wechselstrommotor über einen Gleichrichterblock (20) elektrische Gleichstrom(DC)- Leistung erzeugt und ein elektronischer Wechselrichter (22) die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung für die Elektrommotoren umwandelt, wobei der Wechselrichter mehrere Halbleitervorrichtungen (42) relativ hoher Leistung aufweist, die eine externe Kühlung erfordern, wobei das Verfahren die Schritte enthält:

Anbringen von jeder der Halbleitervorrichtungen zwischen entsprechenden Paaren von hohlen, luftgekühlten Wärmesenken (36)

Klemmen von jedem der Paare der Wärmesenken in einen thermischen Kontakt mit entsprechenden Halbleitervorrichtungen,

Verbinden eines ersten Endes von einer ersten Wärmesenke (36a) in jedem Paar von Wärmesenken mit einer Luftversorgungskammer (30, 60)

Verbinden von einem ersten Ende von einer zweiten Wärmesenke (36b) in jedem Paar von Wärmesenken mit einer Abluftkammer (40, 62),

Verbinden einer isolierenden Luftleitung (38) zwischen zweiten Enden von jeder Wärmesenke in jedem Paar von Wärmesenken, um eine kontinuierliche Kühlluftbahn durch jedes Paar der Wärmesenken zu bilden, wodurch die Kühlluft in einer geschlossenen Bahn gehalten wird, die sich in den Bereich der elektrischen Schaltungen erstreckt, so daß auf den elektrischen Komponenten keine Verunreinigungen abgelagert werden,

Verbinden eines Luftgebläses (28) mit der Luftversorgungskammer, damit gleichzeitig und parallel Luft durch jedes Paar von Wärmesenken strömt.