WO2006066784A1 - Verfahren und vorrichtung zum kühlen einer leistungselektronik der antriebsaggregate einer textilmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kühlen einer leistungselektronik der antriebsaggregate einer textilmaschine Download PDF

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Günter Neuburger
Thomas Benkert
Peter Mann
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20909—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components
    • H05K7/20918—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components the components being isolated from air flow, e.g. hollow heat sinks, wind tunnels or funnels

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling the power electronics of drive units of textile machines. Specifically, it relates to a frequency converter or frequency converter for driving a
  • Textile machine comprising a rectifier for rectifying AC, a DC link for smoothing the pulsating DC, a DC converter for generating AC of a different frequency, and a control device for controlling these components.
  • Frequency converter for converting an alternating current of the first frequency into one
  • AC second, other, usually variable frequency usually include a rectifier for converting the AC frequency of first frequency into a DC, a DC circuit for smoothing the pulsating DC, an inverter for generating AC of the target second frequency and a control device for functional control said components.
  • a DC link not only the electrical function is meant here, but also the physical component that performs this function.
  • Such frequency converter or frequency find, for example Application in textile machines, in particular spinning machines and roving machines.
  • Such machines already have for cooling the drive units and / or suction of textile fluff on a channel which is usually traversed by cool air from the spinning room.
  • EP 0478993 A1 proposes a method and a device for cooling the drive units of a ring spinning or twisting machine in which the heat loss of power electronics is dissipated via a heat exchanger. For this purpose, on
  • Heat exchanger passed from a collecting duct via a fan branched partial flow of the exhaust air and in turn merged with the main air flow of an exhaust air duct.
  • the ventilation device comprises a shaft with openings for supply and exhaust air, which lies on the back of the controller and on one side by a heat sink, which carries on the side facing away from the shaft side control modules, is limited.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device which in a simple manner as safe and low-maintenance operation of a
  • the basic idea of the solution according to the invention is to keep the frequency converter as cool as possible and / or at least partially remove it from the warm areas of the Machine out.
  • the term "individual” is intended to remove, remotely order, relocate, remove, relocate, dissolve, and the like.
  • the invention proposes to efficiently remove heat developed in the intermediate circuit of a frequency converter, to prevent the transfer of the heat developed in the intermediate circuit to other components of the frequency converter, and to simplify the replacement of the component "intermediate circuit".
  • Frequency converter developing heat is transferred to these other components. It must therefore be dissipated less heat from these components, which simplifies their refrigeration.
  • the spatial separation of the intermediate circuit simplifies and also makes it possible to arrange it on an air duct in which an air flow is guided, which can be used to dissipate the heat developed in the intermediate circuit.
  • the other components of the frequency converter can remain at the appropriate place for them, such as in the cabinet of the machine.
  • the spatially separate arrangement of the DC link and its execution as a separate module also facilitates its easy replacement, if this should be required.
  • the intermediate circuit can be arranged protruding into an already existing channel.
  • the cooling flow preferably an air flow, in a preferred embodiment of the invention is cleaned by means of a filter prior to cooling the intermediate circuit.
  • the intermediate circuit is formed as a separate module, which may preferably be encapsulated dustproof.
  • a frequency converter 1 usually consists of a control circuit 2, a rectifier 3, an intermediate circuit 4 and an inverter 5.
  • the rectifier 3 is the input side, a AC / three-phase network 6, wherein the AC voltage is rectified and the output side via connection 7, 8 the DC link 4th is provided as DC voltage.
  • Essential to the invention is the detachment or the separate formation of the intermediate circuit 4 and the DC link capacity from the frequency converter, the remaining components, namely control circuit 2, rectifier 3 and inverter 5 as well as the intermediate circuit 4 to be designed as a separate module 13 and 14 respectively can.
  • the other components of the frequency converter can thus advantageously remain locally separated from the highly heat-generating intermediate circuit 4 at its preferred position, for example in the control cabinet or in the region of the drive unit.
  • Lines 7, 8, 9, 10 and the power line 12 to be connected to the other components of the frequency converter. He is this connected by means of stretched joints 15 with the module 13 of the organs 3/4/5. It is understood that the frequency converter is secured by means not shown screw or other vibration-proof connection on the machine frame.
  • This intermediate circuit serves, for example, as a suction channel for textile fluff and / or at the same time as a cooling channel for the drive unit itself.
  • the inverter 4 may also have a heat exchanger, in particular in the form of cooling fins 17, wherein it may be sufficient for cooling that the cooling fins protrude into the exhaust air duct 16.
  • a filter (not shown here) may be arranged in the exhaust duct 16.
  • the detachable unit of the power electronics so for example, the illustrated intermediate circuit 4 be executed closed as a dust-tight unit, so that a
  • Power electronics are dissolved and placed in or on an existing exhaust, suction or cooling duct.
  • a cooling medium not only air, but any medium in particular liquid cooling media such as water, etc. may be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Frequenzumrichters für ein Antriebsaggregat einer Maschine, insbesondere für einen Antrieb einer Spinnereimaschine, wobei wenigstens ein Teil der Leistungselektronik, insbesondere der Zwischenkreis 7 aus dem Frequenzumrichter heraus gelöst und getrennt von dessen übrigen Bauteilen 1, 3, 5 an einem bereits vorhandenen Kühlkanal 11 angeordnet und durch den vorhandenen Kühlstrom der Maschine gekühlt wird. Damit wird der Vorteil erreicht, dass sich die in der Regel hohe Wärmeentwicklung des Zwischenkreises 7 nicht auf die anderen Bauteile überträgt und der Zwischenkreis leicht ausgewechselt werden kann, falls dies erforderlich werden sollte. Bevorzugt ist vorgesehen, den Zwischenkreis mittels eines CAN-Buses und mittels Steckverbindungen mit den übrigen Bauteilen 1/3/5 des Frequenzumrichters zu verbinden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen einer Leistungselektronik der Antriebsaggregate einer Textilmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen der Leistungselektronik von Antriebsaggregaten von Textilmaschinen. Speziell betrifft sie einen Frequenzumrichter bzw. Frequenzumformer für den Antrieb einer
Textilmaschine, mit einem Gleichrichter zum Gleichrichten von Wechselstrom, einem Zwischenkreis zum Glätten des pulsierenden Gleichstroms, einem Wechselsrichter zum Erzeugen von Wechselstrom anderer Frequenz und mit einer Steuervorrichtung zum Steuern dieser Bauteile.
Frequenzumformer zum Umformen eines Wechselstromes erster Frequenz in einen
Wechselstrom zweiter, anderer, in aller Regel veränderbarer Frequenz umfassen in aller Regel einen Gleichrichter zum Umsetzen des Wechselstromes erster Frequenz in einen Gleichstrom, einen Zwischenkreis zu Glätten des pulsierenden Gleichstroms, einen Wechselrichter zum Erzeugen von Wechselstrom der angestrebten zweiten Frequenz und eine Steuervorrichtung zum funktionsgerechten Steuern der genannten Bauteile. Mit Zwischenkreis ist hier nicht nur die elektrische Funktion gemeint, sondern auch die körperliche Baugruppe, die diese Funktion ausübt.
Alle Bauteile des Frequenzumformers entwickeln im Betrieb Wärme. Besonders hoch ist diese Wärmeentwicklung in dem mit Kondensatoren bestückten Zwischenkreis. Dieser Zwischenkreis ist auch gegen Überhitzung besonders anfällig. Er muss daher auch bisweilen ausgetauscht werden.
Derartige Frequenzumformer bzw. Frequenzumrichter finden beispielsweise Anwendung bei Textilmaschinen, insbesondere Spinnmaschinen und Vorspinnmaschinen. Solche Maschinen weisen bereits zum Kühlen der Antriebsaggregate und/oder Absaugen von Textilfusseln einen Kanal auf, welcher üblicherweise von kühler Luft aus dem Spinnsaal durchströmt wird.
Um ein Überhitzen stark Wärme erzeugender Leistungselektroniken zu vermeiden, werden bei derartigen Maschinen Maßnahmen getroffen, um diese Leistungselektroniken zu kühlen. So ist in der EP 0478993 Al beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen der Antriebsaggregate einer Ringspinnoder Zwirnmaschine vorgeschlagen, bei der die Verlustwärme einer Leistungselektronik über einen Wärmetauscher abgeführt wird. Hierzu wird am
Wärmetauscher ein aus einem Sammelkanal über ein Gebläse abgezweigter Teilstrom der Abluft vorbeigeführt und wiederum mit dem Hauptluftstrom einer Abluftführung zusammengeführt.
In der DE 19915235 Al ist weiterhin eine Belüftungseinrichtung für eine
Textilmaschine vorgeschlagen, welche einen Schaltschrank mit Steuerungen zum geordneten Betreiben von Antrieben der Textilmaschine kühlt. Hierzu umfasst die Belüftungseinrichtung einen Schacht mit Öffnungen für Zu- und Abluft, welcher auf der Rückseite der Steuerung liegt und einseitig durch einen Kühlkörper, welcher auf der vom Schacht abgewandten Seite Steuermodule trägt, begrenzt wird.
In der DE 196 12 707 Al ist eine langgestreckte Spinnmaschine offenbart, die über ihre Länge verteilt mehrere Spindelmotoren aufweist. Solche Spindelmotoren bedürfen der Kühlung. Zu diesem Zweck sind sie vollständig im Abluftkanal der Fadenbruchabsaugung angeordnet. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um
Leistungselektronik oder einen abtrennbaren Teil derselben. Diese Art der Kühlung ist baulich aufwendig und kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die auf einfache Weise einen möglichst sicheren und wartungsarmen Betrieb einer
Textilmaschine gewährleistet.
Sie löst diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale
Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist, Frequenzumrichter so kühl wie möglich zu halten und/oder sie wenigstens teilweise aus den warmen Bereichen der Maschine auszueinzeln. Unter „Auseinzeln" soll hier entfernen, entfernt anordnen, verlagern, wegschaffen, umsiedeln, herauslösen und dergleichen verstanden werden.
ie Erfindung schlägt insbesondere vor, im Zwischenkreis eines Frequenzumformers entwickelte Wärme wirksam abzuführen, die Übertragung der im Zwischenkreis entwickelten Wärme auf andere Bauteile des Frequenzumformers zu verhindern und ein Auswechseln des Bauteiles „Zwischenkreis"zu vereinfachen.
Durch eine räumliche Trennung des Zwischenkreises von den anderen Bauteilen des Frequenzumformers wird zunächst verhindert, dass die im
Frequenzumformer entwickelnde Wärme auf diese anderen Bauteile übertragen wird. Es muss daher weniger Wärme von diesen Bauteilen abgeführt werden, was ihre Kühlhaltung vereinfacht. Die räumliche Trennung des Zwischenkreises vereinfacht und ermöglicht es auch, ihn an einem Luftkanal anzuordnen, in dem ein Luftstrom geführt wird, der zur Abfuhr der im Zwischenkreis entwickelten Wärme genutzt werden kann.
Die übrigen Bauteile des Frequenzumformers können dabei an dem für sie zweckmäßigen Platz, etwa im Schaltschrank der Maschine verbleiben. Schließlich erleichtert die räumlich getrennte Anordnung des Zwischenkreises und seine Ausführung als gesonderter Modul auch seine leichte Austauschbarkeit, wenn diese erforderlich werden sollte.
Durch das direkte Anordnen des Zwischenkreises in einem bereits vorhandenen Kühl- und/oder Absaugkanal einer Maschine, wird in vorteilhafter Weise eine Kühlung dieses Wärme abgebenden bzw. auf überhöhte Wärme empfindlich reagierenden Bauteils auf einfache und kostengünstige Art und Weise ermöglicht.
Hierbei kann der Zwischenkreis hineinragend in einen bereits vorhandenen Kanal angeordnet werden. Beispielsweise können am Zwischenkreis thermisch mit ihm verbundene Kühlrippen angeordnet sein, um die Kühlwirkung zu erhöhen, insbesondere wenn auch die Kühlrippen in den Kanal hineinragen.
Bevorzugt ist vorgesehen, den im oder am Kanal angeordneten Zwischenkreis mittels Steckverbindung und daher leicht auswechselbar elektrisch mit den übrigen Bauteilen der Frequenzumrichters zu verbinden.
Um eine Verschlechterung des Wärmeübergangs durch Verschmutzen, beispielsweise durch Entstehen einer Staub- oder Schmutzschicht an einer entsprechenden Fläche, durch ein Zusetzen der Kühlrippen durch Textilfussel etc. zu vermeiden, wird der Kühlstrom, vorzugsweise ein Luftstrom, in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor dem Kühlen des Zwischenkreises mittels Filter gereinigt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Zwischenkreis als separates Modul ausgebildet, welches vorzugsweise staubdicht gekapselt sein kann. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise Beschädigung, Zerstörung und Verminderung der Kühlwirkung infolge einer Verschmutzung der Umgebungsluft vorgebeugt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Die Darstellung zeigt ein Blockschaltbild der wesentlichen
Komponenten eines Frequenzumrichters für Antriebsaggregate einer Textilmaschine, insbesondere einer Ringspinnmaschine oder Vorspinnmaschine. Ein Frequenzumrichter 1 besteht üblicherweise aus einem Steuerkreis 2, einem Gleichrichter 3, einem Zwischenkreis 4 und einem Wechselrichter 5. Am Gleichrichter 3 liegt eingangsseitig ein Wechsel-/Drehstromnetz 6 an, wobei die Wechselspannung gleichgerichtet wird und ausgangsseitig über Verbindung 7, 8 dem Zwischenkreis 4 als Gleichspannung zur Verfügung gestellt wird.
Als Zwischenkreis sind mehrere Varianten bekannt, nämlich Umformung der Spannung des Gleichrichters sowie Stabilisieren der pulsierenden Gleichspannung bzw. deren
Glätten mittels einer Zwischenkreiskapazität. In dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel wird auf Glättung und Stabilisierung mittels einer Zwischenkreiskapazität Bezug genommen (Darstellung des Kapazitätszeichens in Zwischenkreis 4), obwohl die Erfindung grundsätzlich nicht nur auf eine Zwischenkreiskapazität, sondern auf jede Wärme abgebende und/oder (gegen überhöhte Temperatur) wärmeempfindliche elektrische Komponente anwendbar ist.
Während der Stromfluss eingangsseitig vom Gleichrichter 3 über Leitungen 7, 8 zum Zwischenkreis 4 und ausgangsseitig über Leitungen 9,10 zum Wechselrichter 5 und von diesem zum Antriebsaggregat bzw. Motor 11 erfolgt, werden die vorgenannten Einzelkomponenten eines Frequenzumrichters über Steuerleitungen 12 vom Steuerkreis 2 beeinflusst bzw. gesteuert.
Erfindungswesentlich ist das Herauslösen bzw. die separate Ausbildung des Zwischenkreises 4 bzw. der Zwischenkreiskapazität aus dem Frequenzumrichter, wobei dessen übrige Komponenten, nämlich Steuerkreis 2, Gleichrichter 3 und Wechselrichter 5 ebenso wie der Zwischenkreis 4 als jeweils ein gesondertes Modul 13 bzw. 14 ausgeführt sein können. Die übrigen Komponenten des Frequenzumrichters können so vorteilhafter Weise örtlich getrennt von dem stark Wärme entwickelnden Zwischenkreis 4 an ihrer bevorzugten Position, beispielsweise im Schaltschrank oder im Bereich des Antriebsaggregates verbleiben.
Selbstverständlich muss der so heraus gelöste Zwischenkreis 4 nach wie vor über seine
Leitungen 7, 8, 9, 10 sowie die Stromleitung 12 mit den anderen Komponenten des Frequenzumrichters verbunden sein. Er ist hierzu mittels Streckverbindungen 15 mit dem Modul 13 der Organe 3/4/5 verbunden. Es versteht sich, dass der Frequenzumrichters mittels nicht näher dargestellter Schraubverbindung oder anderweitiger rüttelsicherer Verbindung am Maschinengestelle befestigt ist.
Durch diese Herauslösbarkeit bzw. separate Ausbildung des Zwischenkreismoduls 14 ist es aber nunmehr möglich, diesen Zwischenkreis an oder in einem bereits vorhandenen, in dem im Querschnitt dargestellten Abluftkanal 16 anzuordnen. Dieser Abluftkanal dient beispielsweise als Absaugkanal für Textilfusseln und/oder gleichzeitig als Kühlkanal für das Antriebsaggregat selbst.
Wie dargestellt, kann der Wechselrichter 4 auch einen Wärmetauscher, insbesondere in Form von Kühlrippen 17, aufweisen, wobei es zur Kühlung ausreichen kann, dass die Kühlrippen in den Abluftkanal 16 hineinragen.
Wie anhand des vorstehenden Ausführungsbeispiels erläutert, ist es durch die separate Ausbildung eines Teils der Leistungselektronik, insbesondere des stark Wärme abgebenden Zwischenkreises ohne großen baulichen Aufwand, wie beispielsweise Ausbildung eines Extrakanals etc. nunmehr möglich, diesen Teil auf einfache und kostengünstige Art und Weise ausreichend zu kühlen. Zudem sind durch die erfindungsgemäße separate Ausbildung und der hieraus folgen den leichteren Zugänglichkeit (Zwischenkreis 4 statt in der Nähe des Antriebsaggregates nunmehr im leichter zugänglichen Absaug- und/oder Kühlkanal 16 angeordnet) stark Wärme abgebende Teile von Leistungselektroniken im Falle eines Defekts leichter austauschbar. Dies insbesondere dann, wenn die Verbindungen zwischen den übrigen Komponenten 2, 3 und 5 des Frequenzumrichters und dem Zwischenkreises 4 über die Leitungen 7, 8, 9, 10 und 12 als Steckverbindungen 15 ausgebildet sind, die zu ihrem Lösen oder Verbinden keines Eingriffes bedürfen.
Befinden sich in dem Ablufitkanal Verunreinigungen wie beispielsweise Staub, gebrochene Fadenenden, Fussel etc. so kann der Luftstrom, um Verunreinigungen und das Zusetzen der Kühlrippen 17 zu vermeiden, vor der Anordnung des Zwischenkreises 4 bzw. der Kühlrippen gefiltert werden. Hierzu kann im Abluftkanal 16 ein hier nicht näher dargestellter Filter angeordnet sein. Zudem kann die herauslösbare Einheit der Leistungselektronik, also beispielsweise der dargestellte Zwischenkreis 4, als staubdichte Einheit geschlossen ausgeführt werden, so dass ein
Eindringen von Staub etc. in diese Einheit mit entsprechend nachteiligen Wirkungen vermieden werden kann.
Obwohl die Erfindung anhand des vorstehenden Ausführungsbeispiels eines Frequenzumrichters erläutert wurde, ist die Erfindung selbstverständlich auch auf andere, Wärme abgebende elektrische Komponenten anwendbar, indem sie aus einer
Leistungselektronik herausgelöst werden und in oder an einem vorhandenen Abluft-, Absaug- oder Kühlkanal angeordnet werden. Selbstverständlich kann als Kühlmedium nicht nur Luft, sondern ein beliebiges Medium insbesondere auch flüssige Kühlmedien wie beispielsweise Wasser etc. verwendet werden.
Abschließend sei daraufhingewiesen, dass zuvor beschriebene Lösung, den Zwischenkreis mittels Steckverbindungen mit den übrigen Bauteilen 1/3/5 des Frequenzumrichters zu verbinden, als CAN-Bus-Lösung anzusehen ist. Bezugzahlenliste
I Frequenzumrichter 1 Steuerkreis
3 Gleichrichter
4 Zwischenkreis
5 Wechselrichter
6 Wechsel-/Drehstromnetz 7, 8 Leitungen
9, 10 Leitungen
I 1 Antriebsaggregat
12 Steuerleitungen
13 Aggregatmodul 14 Zwischenkreismodul
15 Steckverbindungen
16 Abluftkanal
17 Kühlrippen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren für den Antrieb einer Textilmaschine, die wenigstens einen Gleichrichter zum Gleichrichten von Wechselstrom, wenigstens einen Zwischenkreis zum Glätten des pulsierenden Gleichstroms, wenigstens einen Wechselsrichter zum Erzeugen von Wechselstrom anderer Frequenz und wenigstens eine Steuervorrichtung zum Steuern der Aggregate aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (1) so kühl wie möglich gehalten und/oder wenigstens teilweise aus dem warmen Bereich der Maschine ausgeeinzelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (4) ausgeeinzelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (4) vom Frequenzumrichter (1) räumlich getrennt und an einem vorzugsweise bereits in der
Textilmaschine vorhandenen, durch einen kühlen Luftstrom durchströmten Kanal (16) angeordnet wird.
4. Frequenzumrichter, die zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet sind.
5. Vorrichtung mit einem Frequenzumrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (4) über Steckverbindungen (15) mit den übrigen Bauteilen (2, 3, 5) des Frequenzumrichters verbunden ist.
6. Vorrichtung mit einem Frequenzumrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwirkung durch das Vorsehen von wenigstens teilweise vom Kühlstrom durchflossene Kühlrippen (17) am Zwischenkreis (4) erhöht wird.
7. Vorrichtung mit einem Frequenzumrichter nach Ansprache 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlstrom vor dem Kühlen des Zwischenkreises (4) mittels Filter gereinigt wird.
8. Textilmaschine mit einem Frequenzumrichter nach Anspruch 4.
9. Textilmaschine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7.
PCT/EP2005/013470 2004-12-17 2005-12-14 Verfahren und vorrichtung zum kühlen einer leistungselektronik der antriebsaggregate einer textilmaschine WO2006066784A1 (de)

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