Влияние схемных и конструктивных решений и элементной базы преобразователей на величину потерь и отвод тепла в его элементах

1. Влияние схемных и конструктивных решений и элементной базы преобразователей на величину потерь и отвод тепла в его элементах.

2. Требования ПУЭ. ПТЭ и ПТБ к конструктивному исполнению и размещению преобразователя.

3. Методика расчета интегрального охладителя по величине выделяемых в нем потерь и способу охлаждения.

4. Принципы компоновки элементов преобразователя в конструктиве.

Изложенный ранее материал показывает, что достаточно большое количество факторов влияет на выбор схемного решения преобразователя для конкретного типа тягового привода. Остановимся ещё раз на некоторых из них более подробно.

Первый из этих факторов – элементная база преобразователей. Основными моментами, определяющими выбор того или иного полупроводникового прибора, является:

– соответствие его технических характеристик возможности применения в разрабатываемом варианте преобразователя (например, по рабочей частоте, быстродействию и т.д.);

– простота реализации схемного решения сильноточных цепей преобразователя (применение индивидуальных полупроводниковых элементов или модулей, содержащих не только несколько полупроводниковых приборов в одном корпусе, но и гальванически связанных между собой полностью или частично, и оснащённые встроенными узлами управления их состоянием – driver);

Рекомендуемые материалы

– стоимость преобразователя для эксплуетационника, включающая в себя не только первоначальные затраты на приобретение, но и последующие эксплуатационные расходы, связанные с его обслуживанием и ремонтом.

Как отмечалось ранее, наиболее распространёнными в преобразователях для нужд электрической тяги, собственных нужд подвижного состава и др. являются тиристоры и (в последнее время) транзисторы. Технические характеристики их и стоимость сопоставимы. Однако в силу физических особенностей устройства транзисторы обладают более высоким быстродействием, и поэтому их применению в цепях преобразователей отдаётся предпочтение. Вместе с тем, в ряде случаев и тиристоры могут применяться с не меньшим успехом.

Второй фактор – схемное решение цепей преобразователя. Идеальным с точки зрения реализации заложенных в тяговых двигателях всех возможностей является питание каждого из них от индивидуального источника, которым на подвижном составе может являться фаза преобразователя. Вместе с тем, не следует забывать, что на рельсовом подвижном составе используются электродвигатели, номинальное напряжения которых не равно напряжению источника питания, что ставит перед проектировщиком преобразователя дилемму: отдать предпочтение традиционной схеме последовательного электрического соединения двигателей между собой в ущерб тяговым характеристикам подвижного состава (сэкономив при этом на количестве фаз преобразователя) или применить индивидуальное питание двигателей. В зависимости от принятого решения меняется и схемное решение цепей преобразователя со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Третий фактор – конструктивное исполнение преобразователя. Общеизвестно, что одним из основных показателей перспективности применения любого технического изделия при прочих равных условиях является удельная энергоёмкость, измеряемая обычно в Вт/кг и в Вт/дм³. Более высокие удельные показатели при прочих равных условиях характеризуют прежде всего более высокий КПД преобразователя и привлекательность его к использованию на подвижном составе, где масса и габариты преобразователя играют далеко не последнюю роль при размещении его в салоне, кабине или на крыше.

Преобразователь (для питания сильноточных цепей или собственных нужд подвижного состава), как и любое электрооборудование, должен отвечать ряду требований, о которых говорилось выше. Вместе с тем, к нему предъявляются и специфические требования, обусловленные как его схемным решением, так и особенностью эксплуатации.

В соответствии с «Правилами устройства электроустановок», «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителе» и «Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей» преобразовательные агрегаты подвижного состава должны отвечать следующим основным специфическим требованиям:

- изоляция токоведущих частей преобразователя должна иметь как минимум две ступени (токоведущие части относительно корпуса преобразователя и корпус преобразователя относительно корпуса подвижного состава);

- накопители электрической энергии (конденсаторы) внутри преобразователя и внешние, обеспечивающие его работу, должны оснащаться цепями принудительного разряда, обнуляющие напряжения на них в течение ограниченного временного интервала. В преобразователях выше 1000В цепи разряда присоединяются напрямую (без коммутационных аппаратов);

- преобразователь должен быть оснащён быстродействующей защитой, отключающей его при возникновении перегрузок, превышений напряжений выше регламентированных значений, внутренних и внешних перенапряжений, превышения температуры его элементов и т.д.;

- отключать преобразователь при повреждении (снижении уровня) изоляции;

- отключать преобразователь (снимать импульсы управления) в строго определённой последовательности;

- иметь контрольно-диагностическую совмещённую с сигнализацией аппаратуру для текущего контроля состояния цепей (элементов) преобразователя;

- корпус преобразователя должен оснащать дверцами (люками), снабжёнными блокировками, отключающими преобразователь при открывании;

- на корпусе преобразователя должны быть нанесены предупреждающие знаки с указанием напряжения преобразователя на холостом ходу;

- преобразователи с естественной вентиляцией (или обдувом набегающим воздухом) должны оснащаться системой очистки воздуха. В преобразователях с принудительной вентиляцией скорость протекания воздуха должна соответствовать предусмотренной заводом-изготовителем.

 Способ охлаждения полупроводниковых элементов, а также размещение их в блоке преобразователя, оказывают подчас решающее влияние на компоновку преобразователя в целом.

Необходимость охлаждения полупроводниковых элементов вызвана стремлением понизить температуру его р-п структуры, подогреваемую протекающим через неё током. Тепловые потери, определяемые вольтамперной характеристикой полупроводникового прибора, приводят к разогреву самого прибора и отдаче теплоты в окружающую среду. Как правило, окружающей средой преобразователей на подвижном составе является воздух. Передача теплоты  осуществляется конвекцией и излучением. Поскольку допустимая температура р-п структуры не превышает 125⁰…140⁰С в зависимости от типа полупроводникового прибора и на пути её передачи существуют потери, то максимально допустимая температура охладителя в месте контактирования его с прибором не должна превышать 80⁰…90⁰С.

На рис.68 приведены: кривая перегрева Θ охладителя (пластины) и эквитермальные кривые на поверхности пластины. Охладители пластинчатого типа применяются, как правило, при рассеивании небольших (порядка нескольких Вт) потерь в полупроводниковых приборах. В сильноточных приборах потери составляют десятки…сотни ватт. Поэтому в качестве охладителей используются пластины с оребрением одной или даже двух сторон. В качестве рёбер используются пластины или иглы переменной толщины по высоте зуба. Каждой конфигурации пластины и зуба соответствует некоторая оптимальная величина мощности рассеиваемой теплоты. Каждый из выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборов устанавливается на специально для него рассчитанный охладитель. Перегрев охладителя, а, следовательно, и р-п структуры полупроводникового прибора, могут быть снижены, если применить принудительное охлаждение. На подвижном составе в качестве принудительного охлаждения используется обдув воздухом.

Из приведённой на рис. 69 зависимости рассеиваемой охладителем мощности потерь в функции скорости обдува его воздухом следует, что при увеличении скорости потока воздуха от нуля до 3 м/с мощность выделяемых в охладителе потерь может быть увеличена вдвое. Почти трёхкратное увеличение рассеивания потерь достигается при увеличении скорости обдува до 12 м/с и более. Дальнейшее увеличение скорости движении воздуха не даёт ощутимого результата и поэтому на практике не применяется.

Иногда применяется так называемый точечный обдув, при котором воздух не скользит вдоль рёбер, а направлен с большой скоростью перпендикулярно охладителю. В этом случае необходимость оребрения отпадает.

Из эквитермальной диаграммы рис. 68 следует, что не все области охладителя работают эффективно. Если при этом учесть, что в преобразователи полупроводниковые элементы также работают не весь период регулирования, то возникает соблазн использовать единый охладитель, на котором разместить рядом полупроводниковые элементы, работающие в противофазе в течение периода регулирования. Кроме того, охладитель выступит и в качестве конструктива (основания) для монтажа и других элементов преобразователя.

Вариант размещения полупроводниковых приборов однофазного тиристорного широтно-импульсного преобразователя, включающего в себя главный VS1 и гасящий VS2 тиристоры, а также обратный диод VD, с учётом времени их работы в периоде регулирования приведён на рис. 70.      

Приведённые на рис. 70а временные диаграммы проводящих состояний полупроводниковых приборов цепей преобразователя рис. 24 (за исключением диода разрядного контура, тепловыми потерями в котором пренебрегаем в силу их незначительности) соответствуют некоторой промежуточной точке пусковой диаграммы тягового двигателя рис. 18, когда он ещё не вышел на автоматическую характеристику.

Методика определения геометрических размеров охладителя заключается в следующем. Задавшись типом охладителя, и определив величину потерь в каждом полупроводниковом приборе для различных точек пусковой  и тормозной диаграмм, строится зависимость температуры перегрева охладителя в функции расстояния расчётной точки от источника (полупроводникового прибора), аналогичная зависимости рис. 70б. Затем, определив эквитермальные линии для каждого прибора, размещают их на плоскости (рис. 70в) с таким расчётом, чтобы суммарные перегревы охладителя (см. рис. 70г) не превышали заданного значения. При построении предварительно задаются некоторыми расстояниями между полупроводниковыми приборами по осям х-х, у-у и z-z. В нашем случае по оси х-х это расстояние l_x-x, а по оси y-y – расстояние l_y-y. Изменяя величины этих расстояний, добиваются такой зависимости суммарного перегрева Θ_Σ по всем направлениям, при котором он не превышает заданного значения (например, 80⁰С). Полученные величины расстояний l1, l2 и l3 используют для проведения геометрических построений с целью определения длины и ширины охладителя.

Принципы компоновки элементов электрических цепей преобразователя в конструктиве основаны на реализации целого ряда требований: компактности, безопасности эксплуатации, помехозащищённости, технологичности изготовления и обслуживания, экономичности, экологичности и т.д. Кроме того, должны быть удовлетворены требования по размещению преобразователя на подвижном составе. В связи с этим основные принципы компоновки могут быть сведены к следующим:

- канализация сильноточных цепей в конструктиве должна осуществляться отдельно от слаботочных (цепей управления). Последние, в свою очередь, целесообразно экранировать от воздействия электромагнитных полей и наводок;

- элементы системы управления, непосредственно воздействующие на ключи, необходимо размещать как можно ближе к ним;

- внутри блока преобразователя необходимо организовывать вентиляционные каналы для отвода теплоты, выделяемой, как элементами силовых цепей, так и цепей управления;

Рекомендуем посмотреть лекцию "Санитарная экспертиза пчелиного меда".

- последовательность расположения элементов на пути движения охлаждающего агента должна быть такова, что в начале канала размещены элементы, выделяющие больше теплоты, а конце – меньше;

- вводы в блок сильноточных цепей и цепей управления необходимо производить через разные (не объединенные) разъёмы;

- съёмные или открывающиеся люки и дверцы блока преобразователя должны предусматриваться таким образом, чтобы обеспечивался по возможности всесторонний доступ к размещённым в блоке элементам, а сами люки снабжены запорами, предупреждающими самопроизвольное отпирание их вследствие вибраций и доступ внутрь при поданном на преобразователь напряжении;

- окраска сильноточных шин, клемм, шпилек внутри блока, если таковая производится, должна выполняться в различной цветовой гамме (например, шина положительного потенциала – красного цвета, отрицательного потенциала – синего и т.д.);

- при блочно-модульной компоновке преобразователя длина соединений между модулями должна быть минимальной;

- внешние габариты и дизайн блока должны отвечать требованиям удобства транспортировки и монтажа его на подвижном составе.