CC BY
63
Реконструкция тяговых средств
129
а)
б)
Рис. 5. Временные диаграммы процесса отключения ФКУ: а - напряжение и ток ФКУ; б - напряжения на контактах вакуумных выключателей
УДК 621.382.2
КОМПАКТНЫЙ ОХЛА ДИТЕЛЬ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
А.Б. Буянов, И.Г. Киселев, С.И. Степанов
Аннотация
Повышение единичной мощности преобразователей асинхронного тягового электропривода требует создания эффективных и компактных устройств охлаждения силовых полупроводниковых приборов и модулей. Предложена конструкция компактного испарительно-воздушного охладителя, обеспечивающая сбережение материальных и энергетических ресурсов. Приведены результаты расчетно-
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
130
Реконструкция тяговых средств
экспериментального исследования характеристик нового охладителя для силового полупроводникового блока преобразователя с теплоотводом за счет набегающего воздушного потока.
Ключевые слова: преобразователь, силовой полупроводниковый блок, прибор, модуль, охладитель, двухфазный термосифон, тепловое сопротивление.
Введение
На железнодорожном транспорте к массе и габаритам силовых полупроводниковых блоков (СПБ) преобразователей для тягового асинхронного электропривода предъявляют особо жесткие требования, что ограничивает применение традиционных устройств жидкостного или воздушного охлаждения силовых полупроводниковых приборов (СПП) и модулей. Одним из направлений оптимизации конструкций СПБ по массогабаритным показателям является применение испарительновоздушных устройств охлаждения СПП и модулей, с использованием принципа «двухфазного термосифона» (ДТС) (Тепман И.А., 1983).
1. Компоновка силового полупроводникового блока
Для встречно-параллельной схемы включения СПП (рис.1) в преобразователях тяговых асинхронных двигателей предлагается конструкция ДТС в виде охлаждаемой токоведущей шины.
Компоновка СПБ представлена на рис. 2. Охладитель рассчитан на одновременный односторонний теплоотвод от четырех СПП или модулей. Конструкционным материалом этого группового охладителя служит медь, удовлетворяющая требованиям высокой электро-теплопроводности и химической нейтральности в отношении элементов СПБ, промежуточного теплоносителя и окружающей среды. В качестве промежуточного теплоносителя применена дистиллированная вода, превосходящая по теплофизическим и экологическим свойствам другие жидкости, используемые в аналогичных двухфазных термосифонах. Конструкции испарителя 1 (см. рис.2) и конденсатора 2 выбирались расчетноэкспериментальным методом с использованием методики расчета теплового состояния СПП с охладителем (Степанов С.И., Буянов А.Б., 1988).
Внутренняя полость испарителя 1 выполнена в виде перекрестных сообщающихся каналов соединенных по периметру общим коллектором между собой и с внутренней полостью трубчатого конденсатора 2. Для обеспечения прочностных характеристик конструкции испарителя все каналы выполнены цилиндрическими.
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Реконструкция тяговых средств
131
Охлаждаемая
шина
Рис. 1. Встречно-параллельная схема включения СПП
Где: Д1, Д2 - обратные диоды; Т1, Т2 - главные тиристоры.
Рис. 2. Компоновка СПП с охладителем: 1 - испаритель ДТС (охлаждаемая шина); 2 - трубчатый конденсатор ДТС; 3 - центральная стяжная шпилька; 4 - траверсы; 5 - стандартный электроизолятор; 6 - гайки стяжного устройства; 7 - токоведущая шина; 8 - пластинчатое оребрение конденсатора; 9 - прямоугольное отверстие в корпусе испарителя для
установки стяжной шпильки.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
132
Реконструкция тяговых средств
Пластинчатое оребрение трубок конденсатора 2 придает конструкции охладителя требуемую вибропрочность. Расстояние между соседними ребрами определено из расчета максимальной теплопередачи при естественной конвекции охлаждающего воздуха и при самовентиляции преобразователя во время движения электровоза.
Прижим СПП или модулей к испарителю, минимизирующий контактное тепловое сопротивление, обеспечивается с помощью центральной шпильки 3, двух траверс 4 и четырех прижимных электроизоляторов 5. Сила прижима приборов к испарителю определяется моментом затяжки гайки 6 и расстоянием от оси стяжной шпильки 3 до оси электроизолятора 5.
2. Характеристики компактного охладителя
Остаточное давление внутри охладителя, после заполнения его внутренней полости промежуточным теплоносителем и герметизации корпуса, составляет до 100 кПа. Оптимум величины относительного заполнения внутреннего объема охладителя промежуточным теплоносителем по теплопередающей способности составляет 50% (Рис.
3).
20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% Q %
-----выключены тиристоры, режим естественной конвекции охлаждающего воздуха
-----выключены диоды, режим естественной конвекции охлаждающего воздуха
Рис. 3. Зависимость теплового сопротивления «контактная поверхность - охлаждающая среда» от относительного заполнения внутреннего объема охладителя промежуточным теплоносителем (Q,%)
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Реконструкция тяговых средств
133
При исследовании теплового режима СПБ моделировались распределения нагрузки между диодной и тиристорной ветвями в соотношениях 100% и 0%, и наоборот, а также одновременный разогрев всех четырех приборов при распределении тепловыделений между диодами и тиристорами, 17% и 83%, соответственно.
В режиме естественной конвекции охлаждающего воздуха с температурой 20оС при выключенных тиристорах предельная нагрузка тепловых потерь двух диодов составляет 0,8 кВт, а для тиристоров, при выключенных диодах, - 0,65 кВт. Обобщенные данные исследования теплового сопротивления «контактная поверхность - охлаждающая среда» в зависимости от скорости и температуры охлаждающего воздуха в канале представлены на рис. 4. Как видно из графика (см. рис. 4) при вынужденной конвекции охлаждающего воздуха со скоростью в канале 3^5 м/с величина теплового сопротивления Rthh-cf снижается в 1,5^2 раза в сравнении с режимом естественной конвекции. Исследованный диапазон скорости охлаждающего воздуха обеспечивается набегающим воздушным потоком при движении подвижного состава (Киселев И.Г. и др., 1993). При этом имеет место разность температур между контактными поверхностями испарителя под тиристорами и под диодами, составляющая до 50 ^ 60°С, что позволяет, с одной стороны, скомпенсировать разницу предельно допустимых температур СПП - диодов и тиристров, а с другой стороны, стабилизировать их тепловое состояние в режимах тяги и рекуперативного торможения асинхронного тягового электропривода.
Исследование температурного поля трубок конденсатора, крайних по расположению на испарителе, находящихся в худших условиях с точки зрения гидравлического сопротивления парожидкостного тракта, показало, что их неизотермичность по длине может достигать до 20°С, в тех случаях, когда основная тепловая нагрузка приходится на противоположную часть испарителя. При этом неизотермичность трубок, ближайших к той части испарителя, где подводится теплота, составляет всего 3^5°С.
3. Заключение
В целом конструкция охладителя типа ДТС исключает возможность резких колебаний тепловых состояний СПП в блоке, при их попеременном включении под электрическую нагрузку, тем самым повышая надежность работы преобразовательной установки и увеличивая срок ее службы.
Масса силового диодно-тиристорного блока, содержащего четыре СПП, один охладитель типа ДТС, прижимное устройство и две гибкие токоведущие шины составляет до 10 кг, а габариты 200*380*240 мм. В сравнении с серийными охладителями, например ОА-033, новая конструкция охладителя снижает массу силового полупроводникового блока в 2,4 раза, а объем в 1,3 раза.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
134
Реконструкция тяговых средств
Vcf, м/с
Рис. 4. Зависимость теплового сопротивления «контактная поверхность - охлаждающая среда» от скорости и температуры охлаждающего воздуха при Q =50%
Где: Vcf, Tcf - скорость и температура охлаждающего воздуха в канале, (м/с) и (оС), соответственно (ГОСТ 25293 - 82, 1982).
4. Литература
Тепман И.А., Оптимизация теплоотвода от силовых полупроводниковых приборов -путь повышения технического уровня и экономии материалов при производстве преобразователей. - Электротехническая пром. Сер. Преобразовательная техника, 1983, вып.7 /153/, с.14-18.
Киселев И.Г., Ефимов П.В., Буянов А.Б., Степанов С.И., Сыркин Б.Л., Ершов Н.Е., Тепловые режимы силового электрооборудования опытного трехвагонного поезда с асинхронным приводом. Сборник научных трудов ПГУПС. Теплообмен в энергетических установках подвижного состава железных дорог и метрополитенов. СПб, 1993, с. 51-62.
ГОСТ 25293 - 82. Охладители воздушных систем охлаждения силовых
полупроводниковых приборов. Общие технические условия. - М., Издательство стандартов, Май, 1982.
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
