EP0066902A1 - Flüssigkeitsgekühlter Leistungswiderstand und dessen Verwendung - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlter Leistungswiderstand und dessen Verwendung Download PDF

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EP0066902A1
EP0066902A1 EP82200502A EP82200502A EP0066902A1 EP 0066902 A1 EP0066902 A1 EP 0066902A1 EP 82200502 A EP82200502 A EP 82200502A EP 82200502 A EP82200502 A EP 82200502A EP 0066902 A1 EP0066902 A1 EP 0066902A1
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power resistor
housing
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resistance
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Konrad Beriger
Ladislav Kucera
Paul Schneider
Günther Spittaler
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
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    • H01C3/02—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids arranged or constructed for reducing self-induction, capacitance or variation with frequency
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    • H01C3/00—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids
    • H01C3/10—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element having zig-zag or sinusoidal configuration

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled power resistor with at least one resistance conductor arranged in the housing and to a use of the liquid-cooled power resistor.
  • Liquid-cooled resistors are known per se.
  • a resistor of the type mentioned is undated, described and shown in the prospectus "Liquid-cooled resistor type HS600" from the company CGS, England.
  • the resistance conductor consists of a copper-nickel or chrome-nickel alloy and is wound on a ceramic core.
  • the roller-shaped ceramic core is mounted in an aluminum housing in which a stainless steel cooling coil is cast. This resistance therefore has an indirect heat dissipation. In order to keep the natural time constant as low as possible, the number of windings of the resistance wire is kept to a minimum.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, solves the problem of creating a liquid-cooled power resistor which has good heat dissipation and thus a high load capacity and which is structurally simple.
  • the arrangement of the resistance conductor should be low in inductance.
  • the advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that the direct arrangement of the resistance conductor in the cooling liquid, preferably in the deionized water, ensures effective and uniform heat dissipation, the heat capacity being relatively high. Because the resistance conductor is no longer rigid e.g. must attach to a ceramic body, the choice of material is also much easier. In the solution according to the invention, large differences in the thermal expansion coefficients of the resistance conductor and its holders cannot cause mechanical damage during the heating. Another advantage is the fact that e.g. can achieve a low-inductance solution through serpentine or meandering arrangement of the resistance conductor.
  • a housing 1 consists of a cylinder 2, which is provided with two flanges 2 ', and an upper cover plate 3 and a lower cover plate 4.
  • the flanges 2' are of square shape, so that their corners form the cylinder 2 protrude and serve for connection to the cover plates 3, 4 by means of fastening screws 5.
  • the closed housing 1 is provided with two connections 6 for deionized water, an inlet bore 7 being provided in the lower connection 6 and an outlet bore 8 being provided in the upper connection 6.
  • the arrows show the direction of flow.
  • four screens 9 are attached. They alternately leave a flow cross-section 10 on the left and right and serve to deflect the deionized water. They are provided with holes 15, which are shown in Fig. 2.
  • a resistance conductor 11 is guided through these bores 15 in a serpentine manner, so that the screens 9 are simultaneously used as holders for the resistance conductor 11.
  • An upper connecting pin 12 is inserted in the upper cover plate 3 and a lower connecting pin 13 is inserted in the lower cover plate 4. Both pins 12, 13 are fixed with nuts 14 and their outer parts form the electrical connections.
  • the inner part of the upper pin 12 is with the upper end 16 of the resistance conductor 11 and the inner part of the lower connecting pin 13 is electrically and mechanically connected to the lower end 17 of the resistance conductor 11.
  • the ends 16, 17 of the resistance conductor 11 are pressed into the inner parts of the connection pins 12, 13.
  • Another type of connection known per se can of course also be used, for example soldering, welding or screwing.
  • the cylinder 2 with the flanges 2 ' is made of aluminum.
  • the cover plates 3, 4 are made of polypropylene.
  • the connection pins 12 and 13 are therefore electrically insulated from one another.
  • the resistance conductor 11 consists of a chromium-nickel alloy, the connecting pins 12, 13 made of copper, the screens 9 made of polypropylene.
  • the deionized water used as coolant runs through the power resistor and is continuously treated in bypass operation. Other cooling liquids known per se can also be used, for example oil. Of course, other metals, alloys and plastics can also be used for the construction of the power resistor.
  • the cover plates 3, 4 should be made of an electrically insulating material. If the housing 1 is made entirely of metal, the connecting pins 12, 13 must be inserted into the cover plates 3, 4 in an insulating manner.
  • FIG. 2 shows the section II-II from FIG. 1.
  • the loops of the resistance conductor 11 prevent any mechanical damage during thermal expansion.
  • the holes 15 in the diaphragms 9 are larger than the cross section of the resistance conductor 11. This solution has several advantages.
  • the assembly of the resistance conductor 11 is simpler, the resistance conductor 11 can slide in the bores 15 during the thermal expansion and is also well-cooled in these places, because small parts of the cooling liquid can flow through these bores 15.
  • FIG. 3 shows the section III-III from FIG. 2.
  • the guide of the resistance conductor 11 is shown perpendicular to the guide, as shown in FIG. 1.
  • the resistance conductor 11 is drawn in one plane in FIGS. 1 and 3. The spatial distribution can be seen from FIG. 2.
  • the top cover plate 3 of another exemplary embodiment of the invention is illustrated.
  • This construction corresponds essentially to that according to FIGS. 1 to 3 with the difference that in addition to the upper connecting pin 12 already described, a second upper connecting pin 12 'is inserted in the upper cover plate 3.
  • Both ends of the resistance conductor 11 are connected to these connection pins 12, 12 ′, the center of the resistance conductor 11 being connected to the lower connection pin 13, which has also already been described and is not visible in FIG. 4.
  • two parts of the resistance conductor 11 are present in the housing 1, which one either in series between the connecting pins 12 and 12 'or in parallel between the lower connecting pin 13 and the short can switch closed pins 12 and 12 '.
  • This variant gives you the option of choosing between two different resistance values.
  • the liquid-cooled power resistor according to the invention is particularly suitable for connecting power thyristors in converter systems.

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Abstract

Ein flüssigkeitsgekühlter Leistungswiderstand enthält wenigstens einen Widerstandsleiter (11), der in einem geschlossenen Gehäuse (1) direkt in als Kühlflüssigkeit verwendetem entionisiertem Wasser angeordnet ist. Der Widerstandsleiter (1) ist zweckmässig in Blenden (9) befestigt, die nicht nur als Halterungen des Widerstandsleiters (11) dienen, sondern auch die Kühlflüssigkeit umlenken. Der Widerstandsleiter (11) ist normalerweise an zwei Anschlussstifte (12, 13) angeschlossen. Man kann auch einen dritten Anschlussstift verwenden, der die Mitte des Widerstandsleiters anzapft, so dass man zwei ohmsche Werte des Leistungswiderstandes zur Verfügung hat. Der Leistungswiderstand sichert eine wirksame und gleichmässige Wärmeabfuhr und weist eine hohe Wärmekapazität auf. Die Anordnung ist induktivitätsarm. Der Leistungswiderstand ist insbesondere zur Beschaltung von Thyristoren in Stromrichteranlagen geeignet.

Description

  • 1 Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssgkeitsgekühlten Leistungswiderstand mit wenigstens einem im Gehäuse angeordneten Widerstandsleiter und auf eine Verwendung des flüssigkeitsgekühlten Leistungswiderstandes.
  • Flüssigkeitsgekühlte Widerstände sind an sich bekannt. Ein Widerstand der eingangs genannten Art ist im Prospekt "Flüssigkeitsgekühlter Widerstand Typ HS600" der Firma CGS, England, undatiert, beschrieben und dargestellt. Der Widerstandsleiter besteht aus einer Kupfer-Nickel- oder Chrom-Nickel-Legierung und ist auf einem Keramikkern gewickelt. Der walzenförmige Keramikkern ist in einem Aluminiumgehäuse gelagert, in welchen eine Edelstahlkühlschlange eingegossen ist. Dieser Widerstand weist also eine indirekte Wärmeabfuhr auf. Um die Eigenzeitkonstante so gering wie möglich zu halten, wird die Anzahl der Wicklungen des Widerstandsdrahtes auf ein Minimum beschränkt.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen flüssigkeitsgekühlten Leistungswiderstand zu schaffen, der eine gute Wärmeabfuhr und somit eine hohe Belastbarkeit aufweist und der konstruktiv einfach ist. Die Anordnung des Widerstandsleiters soll induktivitätsarm sein.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass die direkte Anordnung des Widerstandsleiters in der Kühlflüssigkeit, vorzugsweise im entionisierten Wasser, eine wirksame und gleichmässige Wärmeabfuhr sichert, wobei die Wärmekapazität verhältnismässig hoch ist. Weil man den Widerstandsleiter nicht mehr starr z.B. auf einen Keramikkörper befestigen muss, ist auch die Materialwahl wesentlich erleichtert. Bei der erfindungsgemässen Lösung können auch grosse Unterschiede der Wärmedehnungskoeffizienten des Widerstandsleiters und dessen Halterungen keine mechanische Beschädigungen während der Erwärmung verursachen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass man z.B. durch serpentinartige oder mäandrische Anordnung des Widerstandsleiters eine induktivitätsarme Lösung erreichen kann.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsmöglichkeiten näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 einen vereinfacht gezeichneten Längsschnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen flüssigkeitsgekühlten Leistungswiderstandes mit einem an zwei Anschlussstifte angeschlossenen Widerstandsleiter,
    • Fig. 2 den Schnitt II-II aus Fig. l,
    • Fig. 3 den Schnitt III-III aus Fig. 2 und
    • Fig. 4 eine zweite beispielsweise erfindungsgemässe Ausführungsform, bei welcher die Mitte des Widerstandsleiters an einen Anschlussstift und die Enden des Widerstandsleiters an zwei weitere, in dieser Figur 4 dargestellte Anschlussstifte angeschlossen sind.
  • Gemäss Fig. 1 besteht ein Gehäuse 1 aus einem Zylinder 2, der mit zwei Flanschen 2' versehen ist, und aus einer oberen Deckplatte 3 und einer.unteren Deckplatte 4. Die Flansche 2' sind in Quadratform ausgebildet, so dass ihre Ecken den Zylinder 2 überragen und zur Verbindung mit den Deckplatten 3, 4 mittels Befestigungsschrauben 5 dienen. Das geschlossene Gehäuse 1 ist mit zwei Anschlüssen 6 für entionisiertes Wasser versehen, wobei im unteren Anschluss 6 eine Eintrittsbohrung 7 und im oberen Anschluss 6 eine Austrittsbohrung 8 vorgesehen sind. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung. Im Inneren des Gehäuses 1 sind vier Blenden 9 befestigt. Sie lassen wechselweise links und rechts je einen Durchflussquerschnitt 10 frei und dienen zur Ablenkung des entionisierten Wassers. Sie sind mit Bohrungen 15 versehen, die in Fig. 2 dargestellt sind. Durch diese Bohrungen 15 ist serpentinartig ein Widerstansleiter 11 geführt, so dass die Blenden 9 gleichzeitig als Halterungen für den Widerstandsleiter 11 verwendet sind. In der oberen Deckplatte 3 ist ein oberer Anschlussstift 12 und in der unteren Deckplatte 4 ein unterer Anschlussstift 13 eingesetzt. Beide Anschlussstifte 12, 13 sind mit Muttern 14 fixiert und ihre äusseren Teile bilden die elektrischen Anschlüsse. Der innere Teil des oberen Anschlussstiftes 12 ist mit oberem Ende 16 des Widerstandsleiters 11 und der innere Teil des unteren Anschlussstiftes 13 ist mit unterem Ende 17 des Widerstandsleiters 11 elektrisch und mechanisch verbunden. In diesem Beispiel sind die Enden 16, 17 des Widerstandsleiters 11 in die inneren Teile der Anschlussstifte 12, 13 eingepresst. Man kann selbstverständlich auch eine andere an sich bekannte Art der Verbindung verwenden, z.B. Löten, Schweissen oder Verschrauben. Im gezeigten Beispiel besteht der Zylinder 2 mit den Flanschen 2' aus Aluminium. Die Deckplatten 3, 4 sind aus Polypropylen hergestellt. Die Anschlussstifte 12 und 13 sind also gegenseitig elektrisch isoliert. Der Widerstandsleiter 11 besteht aus einer Chrom-Nickel-Legierung, die Anschlussstifte 12, 13 aus Kupfer, die Blenden 9 aus Polypropylen. Das als Kühlflüssigkeit verwendete entionisierte Wasser läuft durch den Leistungswiderstand und wird im Bypassbetrieb dauernd aufbereitet. Es können auch andere an sich bekannte Kühlflüssigkeiten Verwendung finden, z.B. Oel. Selbstverständlich kann man auch andere Metalle, Legierungen und Kunststoffe für die Konstruktion des Leistungswiderstandes verwenden. Wenn der Zylinder 2 aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt wird, sollten die Deckplatten 3, 4 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt werden. Wenn das Gehäuse 1 voll aus Metall besteht, muss man die Anschlussstifte 12, 13 in die Deckplatten 3, 4 isolierend einsetzen.
  • Die Bezugszahlen von Fig. 1 gelten für gleiche Teile auch in den weiteren Figuren.
  • In Fig. 2 ist der Schnitt II-II aus Fig. 1 gezeigt. Man sieht die obere Blende 9 und rechts von dieser Blende 9 den freien Durchflussquerschnitt 10. Es ist dargestellt, wie die Schlingen des Widerstandsleiters 11 oberhalb der Blende 9 verlaufen. Rechts oben befindet sich der Teil (17) des Widerstandsleiters 11, der direkt mit dem unteren Ende 17 des Widerstandsleiters 11 verbunden ist, links unten ist ein Schnitt durch das obere Ende 16 des Widerstandsleiters 11 gezeigt. Die Schlingen des Widerstandsleiters 11 verhindern eventuelle mechanische Beschädigungen während der Wärmedehnungen. Die Bohrungen 15 in den Blenden 9 sind grösser als der Querschnitt des Widerstandsleiters 11. Diese Lösung weist mehrere Vorteile auf. Die Montage des Widerstandsleiters 11 ist einfacher, der Widerstandsleiter 11 kann während der Wärmedehüngen in den Bohrungen 15 gleiten und ist auch - in diesen Stellen gut gekühlt, weil kleine Teile der Kühlflüssigkeit durch diese Bohrungen 15 strömen können.
  • Fig. 3 stellt den Schnitt III-III aus Fig. 2 dar. In dieser Figur 3 ist die Führung des Widerstandsleiters 11 senkrecht zu der Führung dargestellt, wie sie in der Fig. 1 gezeigt ist. Wegen der Anschaulichkeit ist der Widerstandsleiter 11 in den Figuren 1 und 3 in einer Ebene gezeichnet. Die räumliche Verteilung ist aus der Figur 2 sichtbar.
  • In Fig. 4 ist die obere Deckplatte 3 einer anderen beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Diese Konstruktion entspricht im wesentlichen derjenigen gemäss Fig. 1 bis 3 mit dem Unterschied, dass in der oberen Deckplatte 3 zusätzlich zu dem schon beschriebenen oberen Anschlussstift 12 ein zweiter oberer Anschlussstift 12' eingesetzt ist. Mit diesen Anschlussstiften 12, 12' sind beide Enden des Widerstandsleiters 11 verbunden, wobei die Mitte des Widerstandsleiters 11 mit dem schon ebenfalls beschriebenen, in dieser Figur 4 nicht sichtbaren, unteren Anschlussstift 13 verbunden ist. Auf diese Weise sind im Gehäuse 1 zwei Teile des Widerstandsleiters 11 vorhanden, die man entweder in Serie zwischen den Anschlussstiften 12 und 12' oder parallel zwischen dem unteren Anschlussstift 13 und den kurzgeschlossenen Anschlussstiften 12 und 12' schalten kann. Diese Variante gibt die Möglichkeit, zwischen zwei verschiedenen Widerstandswerten zu wählen.
  • Der erfindungsgemässe flüssigkeitsgekühlte Leistungswiderstand ist insbesondere zur Beschaltung von Leistungsthyristoren in Stromrichteranlagen geeignet.
    • B e z e i c h n u g s l i s t e
    • 1 Gehäuse
    • 2 Zylinder
    • 2' Flansche des Zylinders 2
    • 3 obere Deckplatte
    • 4 untere Deckplatte
    • 5 Befestigungsschrauben
    • 6 Anschlüsse für Kühlflüssigkeit
    • 7 Eintrittsbohrung
    • 8 Austrittsbohrung
    • 9 Blenden
    • 10 Durchflussquerschnitt
    • 11 Widerstandsleiter
    • 12 oberer Anschlussstift
    • 12' zweiter oberer Anschlussstift
    • 13 unterer Anschlussstift
    • 14 Muttern
    • 15 Bohrungen in den Blenden 9
    • 16 oberes Ende des Widerstandsdrahtes 11
    • 17 unteres Ende des Widerstandsdrahtes 11

Claims (9)

1. Flüssigkeitsgekühlter Leistungswiderstand mit wenigstens einem im Gehäuse (1) angeordneten Widerstandsleiter (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsleiter (11) innerhalb eines geschlossenen Gehäuses (1) direkt in einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist.
2. Leistungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsleiter (11) induktivitätsarm in wenigstens zwei Abschnitten mit wechselnder Stromflussrichtung angeordnet ist.
3. Leistungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch. gekennzeichnnet, dass im Gehäuse (1) wenigstens zwei Blenden (9) befestigt sind, die Bohrungen (15) zum Durchziehen des Widerstandsleiters (11) aufweisen und somit Halterungen des Widerstandsleiters (11) bilden.
4. Leistungswiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (15) in den Blenden (9) grösser sind als der Querschnitt des Widerstandsleiters (11).
5. Leistungswiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuse (1) befestigten Blenden (9) nur einen Teil des Querschnittes des Gehäuses (1) absperren, wobei die freien Durchflussquerschnitte (10) des Gehäuses (1) für die Kühlflüssigkeit zur Ablenkung der Kühlflüssigkeit gegenseitig versetzt sind.
6. Leistungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsleiter (11) mit seiner Mitte an einen Anschlussstift (13) und mit seinen Enden (16) je an einen weiteren Anschlussstift (12, 12') angeschlossen ist.
7. Leistungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) wenigstens einen elektrisch isolierenden Teil enthält.
8. Leistungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit durch entionisiertes Wasser gebildet ist.
9. Verwendung des Leistungswiderstandes nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Beschaltung von Thyristoren in Stromrichteranlagen.
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