Niederspannungsschaltgerät mit einer asymmetrisch geführten LuftStromkühlung

Die Erfindung betrifft ein Niederspannungsschaltgerät mit ei nem Gehäuse, in welchem leistungselektronische Bauelemente im Lüftungsbereich eines Lüfters angeordnet sind.

In mehrphasigen Stromnetzen, in der ganz überwiegenden Zahl sind diese dreiphasig, werden leistungselektronische Geräte, wie z.B. SanftStarter, zur Steuerung des Energieflusses ein gesetzt. In jeder Netzphase befinden sich hierzu leistungs elektronische Einheiten, auch Leistungsteile genannt, die den Stromfluss geeignet beeinflussen. Bei SanftStartern besteht ein Leistungsteil aus zwei leistungselektronischen Bauelemen ten, dies sind Thyristoren in Antiparallelschaltung, welche mit Kühlmitteln wie Kühlkörpern versehen sind.

Die Kühlmittel werden benötigt, um die Verlustwärme, die durch die Stromsteuerung in den leistungselektronischen Bau elementen entsteht, von diesen wegzuführen und damit unzuläs sige Temperaturen in diesen zu vermeiden.

Ein weiteres Kühlmittel sind Lüfter zur Verbesserung der Wär meabfuhr von Kühlkörpern. Diese ermöglichen einen höheren Ge rätenennstrom oder auch höhere Schaltspielzahlen .

Bei SanftStartern in dreiphasigen Drehstromnetzen werden die drei Leistungsteile häufig nahezu symmetrisch belastet, so dass in diesen ähnlich hohe Verlustleistungen und Übertempe raturen entstehen. Unterschiede in den Verlustleistungen kön nen durch eine ungleiche Spannungshöhe der drei Netzphasen spannungen entstehen, welche ungleiche Netzphasenströme ver ursachen sowie durch Exemplarstreuungen beim Durchlassverhal ten der leistungselektronischen Bauelemente. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung besteht darin, jedes Leistungsteil mit einem Temperatursensor auszustatten um so jedes Leistungsteil, unabhängig von den anderen und un abhängig von der vorhandenen Verlustleistungsungleichheit, schützen zu können.

Eine weitere Lösung besteht darin, mittels thermischer Ver messung das am ungünstigsten gekühlte Leistungsteil zu ermit teln und nur dieses mit einem Temperatursensor zu versehen. Bei drei nebeneinander angeordneten Leistungsteilen und na türlicher Konvektion ist dies das mittlere, da es von seinen beiden Nachbarn mit erwärmt wird bzw. diese jeweils eine küh lere Außenseite haben. Bei erzwungener Konvektion mit Lüftern kann dies jedes der drei Leistungsteile sein, abhängig von der Rotordrehrichtung der Lüfter und der LuftStromrichtung durch die Leistungsteile hindurch.

Sollte bei Kühlung mit Lüftern eines der äußeren Leistungs teile am heißesten sein und dort der Temperatursensor ange bracht werden, muss eine gewisse Temperaturreserve für den Fall eines Lüfterdefekts vorgehalten werden, da dann das mittlere Leistungsteil das wärmste wird. Ergänzend muss eine Temperaturreserve bei der Auslegung mit eingerechnet werden, um die Verlustleistungsungleichheit zu berücksichtigen. Bei des hat eine gewisse Überdimensionierung der Leistungsteile zur Folge.

Eine andere Lösung ist die Anordnung aller leistungselektro nischen Bauelemente auf einem gemeinsamen Kühlkörper, so dass dieser dann mit einem einzigen Temperatursensor versehen wird. Dies setzt jedoch die elektrische Isolation der Leis tungsbauelemente einer Netzphase gegen die der anderen Netz phasen voraus, was thermisch nachteilig ist, so dass dies nur bis zu einer Gerätenennstromhöhe von ca. 150 - 200 A prakti kabel ist.

Die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösun gen bestehen darin, dass entweder mehrere Temperatursensoren verwendet werden oder konstruktiv zusätzlicher Bauraum für Kühlelemente eingeplant werden muss.

Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung da rin, ein Niederspannungsschaltgerät, insbesondere einen

SanftStarter, zu schaffen, welches auch bei Gerätenennströmen im Bereich bis 650 A eine zuverlässige Temperaturregulierung der leistungselektronischen Bauelemente ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Niederspannungs schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Niederspannungs schaltgerät mit einem Gehäuse gelöst, in welchem leistungs elektronische Bauelemente im Lüftungsbereich eines Lüfters angeordnet sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die leistungselektronischen Bauelemente von einem vom Lüfter ausgehend asymmetrisch geführten Luftstrom temperatur reguliert arbeiten, so dass das Niederspannungsschaltgerät mit einem Gerätenennstrombereich bis 650 A durch diesen asym metrisch geführten Luftstrom zu betreiben ist.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht die Verwendung nur eines einzigen Lüfters für die Kühlung aller leistungstungselek- tronischen Bauelemente vor. Jedem Leistungsteil wird kon struktiv ein separater Luftkanal zugeordnet. Der Querschnitt der einzelnen Luftkanäle wird individuell an geeigneter Stel le so angepasst, dass bei gleicher Verlustleistungsentstehung das mittlere Leistungsteil etwas schlechter durchströmt und damit etwas wärmer ist als die beiden äußeren Leistungsteile, wobei die beiden äußeren Leistungsteile in etwa gleich warm sind .

Der Luftkanal für das mittlere Leistungsteil weist am Luft austritt eine Verengung auf. Weitere Strömungshindernisse können im Lufteintrittsbereich dieses Luftkanals am Boden, seitlich und oberhalb der Leistungsteile angebracht sein. Diese Strömungskanalanpassungen bewirken die geringere Durch strömung des mittleren Kanals, der strömungstechnisch am günstigsten liegt.

Unterschiedlich große Öffnungen stellen eine in etwa gleiche Durchströmung bzw. Kühlwirkung für die beiden äußeren Leis tungsteile sicher. Hier ist das äußere Leistungsteil bzw. der außen liegende Luftkanal im Vorteil, bedingt durch die Rota tionsrichtung des Lüfterrotors. Deshalb ist der Luftdurch tritt im Mittelbereich kleiner als der Luftdurchtritt im äu ßeren Randbereich.

Ein Temperatursensor wird auf das mittlere, etwas wärmere Leistungsteil platziert. Die Asymmetrie in der Luftführung wird in etwa so hoch eingestellt, dass der Großteil der zu erwartenden Verlustleistungsungleichheiten dadurch aufgefan gen wird. Damit wird auch für den Fall, dass in den beiden äußeren Leistungsteilen mehr Verlustleistung entsteht, si chergestellt, dass diese nicht wärmer sind als das mittlere Leistungsteil und damit dessen Temperatursensor auch die bei den äußeren Leistungsteile schützt.

Der große Vorteil der hier vorgestellten Lösung besteht da rin, dass nur ein einziger Lüfter benötigt wird. Der Ferti gungsaufwand ist dadurch erheblich geringer, da nur ein Lüf ter montiert und mittels Stecker auf einer Flachbaugruppe an gesteckt werden muss. Auf der Flachbaugruppe entfällt so ein weiterer Stecker. Es wird zudem ein sehr robustes Gerätever halten erzielt. Sollte der Lüfter in seiner Funktion beein trächtigt sein oder sogar ausfallen, wird das mittlere, über wachte Leistungsteil am heißesten werden, so dass die beiden äußeren Leistungsteile automatisch geschützt sind.

Es wird außerdem nur ein einziger Temperatursensor benötigt. Da der Temperatursensor auf dem mittleren Leistungsteil in den allermeisten Fällen die höchste Temperatur aller drei Leistungsteile aufweist, sind auch die Leistungsteile ohne Temperatursensor geschützt. Es werden zwei Temperatursensoren gespart einschließlich des Anschraubens auf dem Leistungsteil und dem Anstecken auf der Flachbaugruppe. Ebenso entfallen die Stecker auf der Flachbaugruppe sowie die zugehörigen elektronischen Auswertebaugruppen .

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass im Niederspannungsschaltgerät nur ein luftstromanziehender Lüfter angeordnet ist und ein zweiter Lüfter durch definiert geführte asymmetrisch ausge bildete Teilluftströme ersetzt ist.

Eine erfindungsgemäße Weiterführung dieses Konzepts kann da rin bestehen, dass die leistungselektronischen Bauelemente parallel in Kammern nebeneinander angeordnet sind, so dass der vom Lüfter ausgehende Luftstrom in asymmetrisch geführte Teilluftströme aufgeteilt ist.

In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemä ßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass jedem leistungs elektronischen Bauelement ein separater Teilluftström zuge ordnet ist, wobei der Querschnitt der separaten Teilluftströ me unterschiedlich ausgebildet ist, so dass bei einer gleich ausgebildeten Verlustleistung der einzelnen leistungselektro nischen Bauelemente ein leistungselektronisches Bauelement schlechter vom dazugehörigen Teilluftström gekühlt wird und somit wärmer ist als die beiden anderen leistungselektroni schen Bauelemente.

Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, dass das wärmere leistungselektronische Bauelement mit einem Luftkanal für den dazugehörigen Teilluftström ausgebildet ist, in welchem durch Luftleitwände ein Strömungshindernis ausgebildet ist.

Eine erfindungsgemäße Weiterführung dieses Konzepts kann vor sehen, dass das wärmere leistungselektronische Bauelement mit einem Luftkanal für den dazugehörigen Teilluftström aus- gebildet ist, in welchem durch eine podestähnliche Erhebung am Gehäuseboden des Niederspannungsschaltgerät ein Strömungs hindernis ausgebildet ist.

Zudem entspricht es einer Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts, wenn das wärmere leistungselektronische Bauelement mit einem Luftkanal für den dazugehörigen Teilluftström aus gebildet ist, in welchem durch einen Versatz der parallel zum leistungselektronischen Bauelement ausgebildeten Teilungswän de im Gehäuse des Niederspannungsschaltgeräts ein Strömungs hindernis ausgebildet ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das wärmere leistungselek tronische Bauelement mit einem Luftkanal für den dazugehöri gen Teilluftström ausgebildet ist, in welchem durch einen Vorsprung an der Gehäuseoberseite ein Strömungshindernis aus gebildet ist.

Eine erfindungsgemäße Weiterführung dieses Konzepts kann da rin bestehen, dass das wärmere leistungselektronische Bau element zentral vor dem Lüfter angeordnet ist, wobei der zu diesem Bauelement gehörige Teilluftström durch sich gegen überliegende Teilwände am Anfang des Luftkanal geführt ist.

In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemä ßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die leistungs elektronischen Bauelemente neben dem zentral vor dem Lüfter angeordneten leistungselektronischen Bauelement positioniert sind, wobei der zu diesen Bauelementen gehörige Teilluftström durch Luftleitwände am Anfang des Luftkanals geführt ist.

Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, dass das wärmere leistungselektronische Bauelement mit einem Temperatursensor versehen ist.

Eine erfindungsgemäße Weiterführung dieses Konzepts kann vor sehen, dass die Asymmetrie in der Luftführung durch die leistungselektronischen Bauelemente derart ausgebildet ist, dass der Großteil der zu erwartenden Verlustleistungsun gleichheiten dadurch reguliert wird, so dass der einzige Tem peratursensor ein Kontrollmedium für alle leistungselektroni schen Bauelemente ist.

Zudem entspricht es einer Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts, wenn das Niederspannungsschaltgerät ein Sanft starter ist.

Das erfindungsgemäße Niederspannungsschaltgerät weist vor zugsweise ein quaderförmiges Gehäuse auf mit einer Gehäuse unterseite, auf welcher vier Seitenwände in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet und welche von einer Gehäuseober seite abgeschlossen werden. Das Niederspannungsschaltgerät kann innerhalb des Gehäuses in drei Gehäusebereiche unter teilt sein, insbesondere einem unteren, mittleren und einem oberen Bereich. Vorzugsweise im unteren Gehäusebereich kann ein Lüfter angeordnet sein, welcher innerhalb einer Seiten wand positioniert ist. Innenseitig ist der Bereich nach dem Lüfter im Gehäuse in vorzugsweise drei Kammern aufgeteilt. Diese Aufteilung ist vorzugsweise durch eingezogene Teilungs wände im Gehäuseinneren umgesetzt. Die sich dadurch bildenden Kammern sind zwischen zwei sich gegenüberliegenden Seitenwän den des Gehäuses ausgebildet und zwar derart, dass darin po sitionierte leistungselektronische Bauelemente parallel zuei nander und in Längsrichtung zur Strömungsrichtung der Luftka näle, welche durch den Lüfter mit kühlender Luft versorgt werden, ausgerichtet sind. Die leistungselektronischen Bau elemente sind vorzugsweise quaderförmig ausgebildet mit vier Seitenwänden, einer Oberseite sowie einer Unterseite.

Die mittlere Kammer ist direkt nach dem Lüfter, also zentral, in Luftströmungsrichtung positioniert. Die anderen beiden Kammern sind jeweils an den sich gegenüberliegenden äußeren Seitenwänden des Gehäuses des Niederspannungsschaltgeräts an geordnet. Im Anschluss an den Lüfter sind jeweils als Be standteil für die nachgeordneten Kammern Teilwände in Form von Luftleitwänden für die Luftdurchströmung angeordnet. Bei der mittleren Kammer sind dafür vorzugsweise zwei sich gegen überliegende Luftleitwände ausgebildet. Für die äußeren Kam mern wurde vorzugsweise jeweils eine Luftleitwand, welche von den jeweiligen Seitenwänden des Gehäuses nach innen gezogen ausgebildet ist, positioniert.

Die parallel ausgebildeten Teilungswände der mittleren Kammer sind vorzugsweise nach den Luftleitwänden in Luftströmungs richtung versetzt ausgebildet, derart, dass sie zwar weiter hin parallel zu den Seitenwänden des Gehäuses verlaufen, aber unter Beibehaltung des Abstands zueinander näher zu einer der beiden Seitenwänden ausgerichtet sind. Diese Teilungswände der mittleren Kammer sind an der gegenüberliegenden Seite zu den Luftleitwänden aufeinander zugerichtet ausgebildet, vor zugsweise mit einem Winkel von ca. 10 bis 20°.

Die Luftleitwände der äußeren Kammern definieren jeweils seitlich neben dem zentral positionierten Lüfter Luftschäch te, welche durch vorzugsweise parallel zueinander ausgerich tete nach innen gerichtete Luftleitwände an der Seitenwand, in welcher der Lüfter integriert ist, weiter unterteilt wer den und definierte Luftkanäle ausbilden.

Weitere Strömungshindernisse sind im Lufteintrittsbereich dieses mittleren Luftkanals am Boden, seitlich und oberhalb der leistungselektronischen Bauelemente angebracht. Diese Strömungskanalanpassungen bewirken die geringere Durchströ mung des mittleren Kanals, der strömungstechnisch am güns tigsten liegt.

Unterschiedlich große Öffnungen stellen eine in etwa gleiche Durchströmung bzw. Kühlwirkung für die beiden äußeren Leis tungsteile sicher. Hier ist das äußere Leistungsteil bzw. der außen liegende Luftkanal im Vorteil, bedingt durch die Rota tionsrichtung des Lüfterrotors. Deshalb ist der Luftdurch tritt im Mittelbereich kleiner als der Luftdurchtritt im äu ßeren Randbereich. Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nach folgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 in einer Draufsicht ein erfindungsgemäßer Gerätebe reich eines Niederspannungsschaltgeräts mit nur einem Lüfter und einer definierten Ausbildung der Luftdurch- strömungskanäle für nachgeschaltete leistungselektro nische Bauelemente;

Fig. 2 in einer Draufsicht die Darstellung nach Fig. 1 ohne leistungselektronische Bauelemente .

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gerätebereich eines Niederspannungsschaltgeräts mit nur einem Lüfter 1 und einer definierten Ausbildung der Luftdurchströmungskanäle für nach geschaltete leistungselektronische Bauelemente 2, 3, 4.

Das erfindungsgemäße Niederspannungsschaltgerät weist vor zugsweise ein quaderförmiges Gehäuse 5 auf mit einer Gehäuse unterseite, auf welcher vier Seitenwände 6, 7, 8, 9 in einem

Winkel von 90° zueinander angeordnet und welche von einer Gehäuseoberseite abgeschlossen werden. Das Niederspannungs schaltgerät kann innerhalb des Gehäuses 5 in drei Gehäuse bereiche unterteilt sein, insbesondere einem unteren, mittle ren und einem oberen Bereich. Vorzugsweise im unteren

Gehäusebereich kann der Lüfter 1 angeordnet sein, welcher in nerhalb der Seitenwand 6 positioniert ist. Innenseitig ist der Bereich nach dem Lüfter 1 im Gehäuse 5 in vorzugsweise drei Kammern 10, 11, 12 aufgeteilt. Diese Aufteilung ist durch eingezogene Teilungswände 13, 14 im Gehäuseinneren um gesetzt. Die sich dadurch bildenden Kammern 10, 11, 12 sind zwischen zwei sich gegenüberliegenden Seitenwänden 7, 9 des

Gehäuses 5 ausgebildet und zwar derart, dass darin positio nierte leistungselektronische Bauelemente 2, 3, 4 parallel zueinander und in Längsrichtung zur Strömungsrichtung der Luftkanäle, welche durch den Lüfter 1 mit kühlender Luft ver sorgt werden, ausgerichtet sind. Die leistungselektronischen Bauelemente 2, 3, 4 sind vorzugsweise quaderförmig ausgebil det mit vier Seitenwänden 15, 16, 17, 18 einer Oberseite so wie einer Unterseite.

Die mittlere Kammer 11 ist direkt nach dem Lüfter 1, also zentral, in Luftströmungsrichtung positioniert. Die anderen beiden Kammern 10, 12 sind jeweils an den sich gegenüberlie genden äußeren Seitenwänden 7, 9 des Gehäuses 5 des Nieder spannungsschaltgeräts angeordnet. Im Anschluss an den Lüfter 1 sind jeweils als Bestandteil für die nachgeordneten Kammern

10, 11, 12 Teilwände 19, 20, 21, 22 in Form von Luftleitwän den für die Luftdurchströmung angeordnet. Bei der mittleren Kammer 11 sind dafür vorzugsweise zwei sich gegenüberliegende Luftleitwände 19, 20 ausgebildet. Für die äußeren Kammern 10, 12 wurde vorzugsweise jeweils eine Luftleitwand 21, 22, wel che von den jeweiligen Seitenwänden 7, 9 des Gehäuses nach innen gezogen sind, positioniert.

Die parallel ausgebildeten Teilungswände 13, 14 der mittle ren Kammer 11 sind vorzugsweise nach den Luftleitwänden in Luftströmungsrichtung versetzt ausgebildet, derart, dass sie zwar weiterhin parallel zu den Seitenwänden 7, 9 des Gehäuses

5 verlaufen, aber unter Beibehaltung des Abstand zueinander näher zu einer der beiden Seitenwänden 7, 9 ausgerichtet sind. Diese Teilungswände 13, 14 der mittleren Kammer 11 sind an der gegenüberliegenden Seite zu den Luftleitwänden aufei nander zugerichtet ausgebildet, vorzugsweise mit einem Winkel von ca. 10 bis 20°, so dass sich eine Verengung 23 ausbildet.

Weitere Strömungshindernisse sind im Lufteintrittsbereich dieses Luftkanals am Boden, seitlich und oberhalb der Leis tungsteile 2, 3, 4 angebracht. Diese Strömungskanalanpassun gen bewirken die geringere Durchströmung des mittleren Kanals

11, der strömungstechnisch am günstigsten liegt. Unterschiedlich große Öffnungen stellen eine in etwa gleiche Durchströmung bzw. Kühlwirkung für die beiden äußeren leis tungselektronische Bauelemente 2, 4 sicher. Hier ist das äu ßere leistungselektronische Bauelement 2, 4 bzw. der außen liegende Luftkanal im Vorteil, bedingt durch die Rotations richtung des Lüfterrotors. Deshalb ist der Luftdurchtritt im Mittelbereich kleiner als der Luftdurchtritt im äußeren Rand bereich .

In Fig. 2 ist der Gerätebereich nach Fig. 1 ohne die leis tungselektronischen Bauelemente 2, 3, 4 dargestellt. Die in Pfeilrichtung dargestellten Teilluftströme 27, 28, 29 in den drei Kammern 10, 11, 12 sind hinsichtlich ihrer Intensität unterschiedlich ausgebildet.

Ein Temperatursensor wird auf das mittlere, etwas wärmere leistungselektronische Bauelement 3 platziert. Die Asymmetrie in der Luftführung wird in etwa so hoch eingestellt, dass der Großteil der zu erwartenden Verlustleistungsungleichheiten dadurch aufgefangen wird. Damit wird auch für den Fall, dass in den beiden äußeren leistungselektronische Bauelemente 2, 4 mehr Verlustleistung entsteht, sichergestellt, dass diese nicht wärmer sind als das mittlere leistungselektronische Bauelement 3 und damit dessen Temperatursensor auch die bei den äußeren leistungselektronische Bauelemente 2, 4 schützt.

Der große Vorteil der hier vorgestellten Lösung besteht da rin, dass nur ein einziger Lüfter 1 benötigt wird. Der Ferti gungsaufwand ist geringer, da nur ein Lüfter 1 montiert und mittels Stecker auf einer Flachbaugruppe angesteckt werden muss. Auf der Flachbaugruppe entfällt so ein weiterer Ste cker. Es wird zudem ein sehr robustes Geräteverhalten er zielt. Sollte der Lüfter 1 in seiner Funktion beeinträchtigt sein oder sogar ausfallen, wird das mittlere, überwachte leistungselektronische Bauelement 3 am heißesten werden, so dass die beiden äußeren leistungselektronischen Bauelemente 2, 4 automatisch geschützt sind. Es wird außerdem nur ein einziger Temperatursensor benötigt. Da der Temperatursensor auf dem mittleren leistungselektroni sche Bauelement 3 in den allermeisten Fällen die höchste Tem peratur aller drei leistungselektronischen Bauelemente 2, 3,

4 aufweist, sind auch die leistungselektronische Bauelemente 2, 4 ohne Temperatursensor geschützt. Es werden zwei Tempera tursensoren gespart einschließlich des Anschraubens auf dem Leistungsteil und dem Anstecken auf der Flachbaugruppe. Eben so entfallen die Stecker auf der Flachbaugruppe sowie die zu gehörigen elektronischen Auswertebaugruppen.

Der erfindungsgemäße Niederspannungsschaltgerät zeichnet sich dadurch aus, dass auch bei Gerätenennströmen im Bereich bis 650 A eine zuverlässige Temperaturregulierung der leistungs elektronischen Bauelemente realisierbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Lüfter

2 leistungselektronisches Bauelement

3 leistungselektronisches Bauelement

4 leistungselektronisches Bauelement

5 Gehäuse

6 Seitenwand

7 Seitenwand

8 Seitenwand

9 Seitenwand

10 Kammer

11 Kammer

12 Kammer

13 Teilungswand

14 Teilungswand

15 Seitenwand

16 Seitenwand

17 Seitenwand

18 Seitenwand

19 Luftleitwand

20 Luftleitwand

21 Luftleitwand

22 Luftleitwand

23 Verengung

27 Teilluftström

28 Teilluftström

29 Teilluftström