CC BY
227
УДК 621.382.026.017.72
АНАЛИЗ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ЭЛЕКТРОВОЗОВ
И.Г.Киселев, А.Б.Буянов, И.В.Митрофанова
Аннотация
В процессе эксплуатации транспортных или стационарных полупроводниковых преобразователей (1111) всегда имеют место потери электрической энергии, приводящие к нагреву силовых полупроводниковых приборов (СПП) или модулей на их основе. Это вызывает необходимость охлаждения элементов 1111 с целью обеспечения их нормального теплового режима и повышения надежности. Совершенствование 1111 и методов их охлаждения является актуальной задачей и составным звеном совершенствования тягового электрооборудования электровозов в целом.
Ключевые слова: полупроводниковый преобразователь, силовые полупроводниковые приборы; охладитель; система охлаждения
Введение
Статистические исследования причин отказов 11 показывают, что они вызваны в подавляющем большинстве случаев именно тепловыми причинами (Исаев ИЛ. и др., 1984): из-за чрезмерного нагрева С11 вследствие возросшего внутреннего теплового сопротивления прибора, плохого теплового контакта с охлаждающим устройством при плохом качестве сборки, а чаще всего вследствие недостаточного охлаждения. Так, например, выпрямительная установка ЫБ-бООО-УЗ тягового агрегата промышленного железнодорожного транспорта О1Э-1А имеет по перечисленным причинам 15% отказов об общего числа отказов электрической аппаратуры, которые в свою очередь составляют 40% всех отказов агрегатов в целом (Курасов Д.С. и др., 1984).
1. Одноконтурные системы воздушного охлаждения ПП
На отечественном и зарубежном транспорте наиболее распространены одноконтурные системы воздушного охлаждения И для агрегатов малых и средних мощностей, так как они требуют наименьших затрат при изготовлении. 1ри однократном воздушном охлаждении такой 11 становится большим по массе и габаритным размерам, которые фактически определяются охладителями С11, и при этом требуется значительный расход охлаждающего воздуха, наличие вентиляторов и фильтров для очистки воздуха от пыли. Существенными недостатками таких систем охлаждения являются шум и вибрация от вентиляторов.
Фильтры требуют проведения периодических осмотров, обслуживания и ремонта, т. е. дополнительных эксплуатационных расходов.
Одной из тенденций развития транспортных ПП является переход от мощных СПП таблеточной конструкции (Т353-800, ТБ 153-800, ТБ253-1000, Д252-1000 и др.) к полупроводниковым модулям GTO, IGCT и IGBT, что связано со следующими факторами: 1) возможностью резкого
снижения числа СПП в ПП; 2) увеличением надежности агрегата вследствие повышения термоциклостойкости СПП; 3) обеспечением двухстороннего охлаждения прибора; 4) снижением контактного теплового сопротивления «С1111-охладитель». Однако такой переход на СПП таблеточной конструкции и модули при сохранении одноконтурной системы воздушного охлаждения происходит на железнодорожном транспорте затруднительно.
2. Двухконтурные масляно-воздушные погружные системы охлаждения ПП
Следующей ступенью развития систем охлаждения СПП явились двухконтурные масляно-воздушные погружные системы охлаждения, позволяющие изолировать СПП от пыли и использовать масло, как охлаждающую и электроизолирующую среду путем герметизации СПП в масляном баке. Высокие диэлектрические свойства масла позволили уменьшить диэлектрические зазоры между элементами ПП до минимума, что благоприятно сказалось на массе и габаритных размерах преобразователей.
Однако, несмотря на множество достоинств двухконтурных масляновоздушных систем охлаждения, эксплуатация железнодорожным транспортом таких систем за рубежом выявила следующие недостатки: а) наличие опасности воспламенения масла от электрической дуги при авариях; б) трудность герметизации протяженной и разветвленной масляной системы, т.е. наличие подтечек масла; в) расход электроэнергии на привод масляного насоса; г) значительные массогабаритные размеры маслоохладителя; д) накопление статического электричества на электроизоляторах ПП при протоке жидкости, причем его величина линейно зависит от плотности текущей среды; е) оседание конденсата на охлаждающихся поверхностях, для исключения которого требуется регулирование температуры масла выше температуры точки росы атмосферного воздуха, что особенно важно в летний период при повышенной влажности.
3. Двухконтурные испарительно-воздушные системы охлаждения ПП
Указанные недостатки определили переход к следующему этапу развития систем охлаждения ПП - к двухконтурному испарительновоздушному погружному охлаждению с двухфазным промежуточным
теплоносителем. Имела место замена масла фреоном (в основном фреоном 113) с использованием испарительно-конденсационного цикла. Вязкость фреона 113 составляет 5-7% вязкости масла, а электрическая прочность его даже выше (20 кВ/мм). Он невоспламеняем, химически инертен к металлам и керамике, однако воздействует на резину, полимеры и органические вещества при длительном контакте. Преимущества двухконтурных испарительно-воздушных погружных систем охлаждения подтверждают результаты сравнения технических характеристик серийных выпрямительных установок тяговых подстанций электрифицированных железных дорог Японии мощностью 4000 кВт и напряжением 1500 В с двухконтурной масляно-воздушной и испарительно-воздушной системами охлаждения с естественным воздушным охлаждением оребренного бака при наружной установке 1111 ( табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. Технические характеристики выпрямительных установок
Показатель Система охлаждения
Масляно-воздушная Испарительно- воздушная
Относительная площадь поверхности теплообмена 1,0 0,55
Относительный объем 1,0 0,5
Относительная масса 1,0 0,4
К недостаткам двухконтурных испарительно-воздушных погружных систем охлаждения можно отнести конструктивную сложность охлаждающих устройств и повышенную стоимость, а также трудность герметизации погружных устройств из-за большого числа электрических выводов из герметичного бака. Отрицательным фактором является также наличие фреона, применение которого постепенно сокращается.
В настоящее время наиболее перспективным направлением является использование двухконтурных испарительно-воздушных охлаждающих устройств на основе двухфазных термосифонов (ДТС) или тепловых труб
(тт).
Наибольшие результаты за рубежом в этом направлении получены в ФРГ и Японии (Икаи А. и др., 1979; Мурасэ Т. и др., 1985). Установлено, что удельный массовый показатель (масса преобразовательной установки локомотива, приходящаяся на один силовой полупроводниковый прибор) в 1,4 раза меньше при испарительно-воздушной системе охлаждения на основе ТТ по сравнению с погружной масляно-воздушной системой.
В нашей стране поисковые работы по разработке и исследованию охладителей на основе ДТС для транспорта ведутся в ПГУПС, ОАО «ВЭлНИИ», ВНИИЖТе и ОАО «Электровыпрямитель». В результате проведения таких работ в ПГУПСе были теоретически обоснованы и
разработаны конструкции ДТС, осуществлены их разносторонние исследования (Киселев И.Г. и др., 2001). Выполнено несколько типов преобразовательных устройств с охладителями ДТС, в том числе для опытных электровозов ВЛ80Т-1499, ВЛ65 и ЭП-200. Применение охладителей на основе ДТС из алюминиевых сплавов позволяет в 2-2,5 раза уменьшить удельные массогабаритные показатели ПП, приходящиеся на один СИП, по сравнению с такими же показателями ПП, имеющего одноконтурную воздушную систему охлаждения с охладителями типа ОА.
Использование силовых полупроводниковых модулей серии IGBT МВ№120 Д33 и МВ№1200 С33 (Япония) в преобразователях
вспомогательного электропривода электровоза ВЛ-65 потребовало разработки и изготовления новых компактных и эффективных испарительно-воздушных охладителей. По заказу ОАО «ВЭлНИИ» для тяжелых условий работы охладителей модулей IGBT внутри кузова электровоза ВЛ-65, где температура охлаждающего воздуха в летнее время достигает +65 °С, была разработана новая конструкция охладителя (Буянов А.Б. и др., 2001) и технология его изготовления в промышленных условиях.
Конструкция охладителя (поз.2-4) с модулем IGBT (поз.1) представлена на рис.1. Испарительно-воздушный охладитель состоит из трех основных деталей: испарителя (поз.2), коллектора (поз.3) и
оребренного конденсатора (поз.4). Эти детали из алюминиевого сплава АД31 соединены между собой аргонно-дуговой сваркой. Масса охладителя составляет 4,2 кг, а его габаритные размеры - 197х285х70 мм. Тепловое сопротивление этого охладителя при средней скорости охлаждающего воздуха между ребрами конденсатора равной 6 м/с, его температуре перед охладителем - +65 °С и отводимой мощности тепловых потерь - 1000 Вт составляет всего 0,05 К/Вт.
4. Заключение
Таким образом, применение двухконтурных испарительно-воздушных систем охлаждения на основе эффективных алюминиевых охладителей СПП - двухфазных термосифонов - позволяет решить задачи существенного снижения массы, габаритных размеров, повышения надежности ПП и уменьшения эксплуатационных расходов.
5. Литература
Исаев И.П., Матвеичев А.П., Козлов Л.Г. Ускоренные испытания и прогнозирование
надежности электрооборудования локомотива. - М.:Транспорт.- 1984. - 284с. Курасов Д.С. Ремонт подвижного состава промышленного железнодорожного
транспорта.- Киев-Донецк: Высш. школа.-1984.- 200с.
Икаи А., Иман К. Способы охлаждения статических преобразователей // Дэнки гаккиа
дзасси. - 1979. т 99. №5. - С.430-436.
Мурасэ Т., Эндо С., Кодзумк Т. Система охлаждения тепловыми трубами «павакикка» для мощных полупроводниковых устройств // Фурукава дэнки дзихо.-1985. №75.-С.115-124.
Киселев И.Г., Буянов А.Б. Расчеты нагрева и охлаждения полупроводниковых преобразовательных установок железнодорожного транспорта. С-Пб, ПГУПС, 2001. -79с.
Буянов А.Б., Киселев И.Г., Тимофеев А.А. и др. Силовой полупроводниковый блок. Патент РФ на полезную модель № 30464.-2001. - 3с.
Рис. 1. Конструкция охладителя с модулем IGBT:
1 - модуль IGBT, 2-4 - охладитель, 3 - коллектор, 4 - конденсатор
