CC BY
45
Содержание__________________
УДК 621.314.572:621.582.233
3
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОХЛАДИТЕЛЕЙ ТИПА ДТС ЭЛЕКТРОВОЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
А.Б.Буянов, И.В.Митрофанова
Аннотация
Нагрузочная способность, надежность работы и долговечность силовых полупроводниковых преобразователей электровоза в значительной степени определяются качеством охладителей силовых полупроводниковых приборов и модулей. Разработана методика оценки качественных показателей охладителей типа двухфазный термосифон (ДТС) при их изготовлении и в процессе проведения технических осмотров и ремонтов преобразователей. Проведены испытания устройства для контроля качества ДТС.
Ключевые слова: полупроводниковый прибор, модуль, преобразователь, охлаждающее устройство, контроль качества.
Введение
Широкое внедрение эффективных охлаждающих устройств типа ДТС в электровозных полупроводниковых преобразователях сдерживается из-за отсутствия надежной методики и устройства контроля их качества при изготовлении и в процессе эксплуатации. Под качеством ДТС понимается нормированное заполнение их внутренней полости промежуточным теплоносителем, ее вакуумирование и герметизация. Нарушение хотя бы одной из трех перечисленных операций приводит к снижению эффективности работы охлаждающего устройства в 1,5—1,7 раза, к перегреву дорогостоящего полупроводникового прибора или модуля и в конечном счете - к потере работоспособности полупроводникового преобразователя [1].
1 Методика оценки качественных показателей ДТС при изготовлении и в процессе эксплуатации
На кафедре «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС разработана и практически использована при изготовлении ДТС для полупроводниковых преобразователей электровозов ВЛ65 и ЭП200 методика оценки качества готовых охладителей (а. с. № 1737247). Данная методика заключается в следующем. К испарителю ДТС прижимают любой источник теплоты (электронагреватель, газовую или спиртовую горелку и т. п.). Затем, после 2-3 мин нагрева, одновременно измеряют термоЭДС термопар в двух точках конденсаторной части, наиболее удаленных друг от друга. Этими точками на охладителе, например для модулей IGBT, будут следующие места:
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
Содержание
3
■ второе ребро конденсаторной части (или корпус между первым и вторым ребрами) в зоне поступления паров промежуточного теплоносителя из коллектора в конденсаторную часть;
■ последнее наиболее удаленное от коллектора ребро конденсаторной части по диагонали от зоны поступления паров промежуточного теплоносителя (или корпус между предпоследним и последним ребрами).
Для измерения термоЭДС целесообразно использовать стандартные термопары градуировки ХК или ХА. Для быстрого крепления термопар к ребрам конденсаторной части при контроле качества ДТС лучше всего использовать анатомические хирургические каранцанги (щипцы) в количестве двух штук. Каранцанги необходимо переделать следующим образом для удобства применения для контроля качества ДТС: губки прогнуть под углом (в пламени ацетиленовой горелки) и заузить так, чтобы было удобно захватывать ребро в зоне его соединения с «телом» конденсатора, или так, чтобы захват с фиксацией каранцанги осуществлялся за неоребренную часть конденсатора, а фиксация производилась защелками на ручках; на одной из губок каждого каранцанга просверлить отверстие, через которое ввести термопару, а ее горячий спай припаять с наплывом мягкого олова (ПОС-60) к внутренней стороне губки.
После одновременного измерения термоЭДС в течение 2-3 с определяется показатель качества охладителя:
макс мин
Р — р
А = ------—100%
е
макс
(1)
где емакс - термоЭДС у первого ребра конденсатора;
мин г г
е - то же, у наиболее удаленного ребра.
Для исправных ДТС показатель качества А не должен превышать 6%. По показателю качества можно судить об исправности охладителя.
Показатель качества А можно определить как по термоЭДС, так и по самой температуре, определенной по этим значениям термоЭДС, т. е.
тумаке гр мин
А =-------1------100%.
т
макс
(2)
При этом не имеет значения, в какой момент времени определяется
показатель качества ДТС А - при нагреве охладителя (нестационарный тепловой режим), после выхода на стационарный тепловой режим или при остывании охладителя после прекращения теплового воздействия (нестационарный тепловой режим).
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
Содержание
3
2 Проведение испытаний устройства для контроля качественных показателей ДТС
Так как крепление термопар к измеряемой поверхности охладителя с помощью каранцангов отличается от традиционного, были проведены исследования величины погрешности измерения температуры. Эта погрешность возникает вследствие наличия перепада температур в зоне контакта олова с горячим спаем и конденсатора ДТС из-за незначительного теплового потока через тело каранцангов. Результаты исследований с использованием термопар градуировки ХА и цифрового комбинированного прибора Ф30 представлены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Погрешность измерения температуры с помощью устройства для крепления и фиксации датчиков температуры
Тип охладителя Я О о ГГ* О/"Ч 1 К ’ ^ О О И Е-ч < 5, % Вид теплового воздействия
Неисправный алюминиевый 82,3 81,1 1,2 1,4 Нагрев ДТС
ДТС (сплав АЛ-4) 89,2 88,7 0,05 0,05
100,2 98,0 2,2 2,2
105,5 103,1 2,4 2,2
106,5 104,1 2,4 2,2
88,3 86,6 1,7 1,9 Остывание ДТС
76,8 75,1 1,7 2,2
74,3 73,9 0,4 0,5
43,6 43,1 0,5 1,1
Исправный алюминиевый 97,8 95,8 2,0 2,0 Нагрев ДТС
ДТС (сплав АД-31) 112,1 109,8 2,3 2,0
127,5 123,7 3,8 2,9
101,0 99,5 2,0 1,0 Остывание ДТС
82,3 82,1 0,2 0,2
72,0 71,8 0,2 0,3
Примечания: 1. Тк - температура наружной поверхности конденсатора ДТС, измеренная при традиционном способе закрепления термопары.
. 1 к - то же, с помощью устройства для контроля качества в этой же точке конденсатора.
3. А Г =Г -Г. 4. 5 = ^400%.
JX. JX. JX. гг7
Т к
Полученные данные показывают, что погрешность измерения
температуры 5 является незначительной (не превышает 3%) и зависит от величины измеряемой температуры: с увеличением температуры она возрастает. Учитывая тот факт, что абсолютная погрешность измерения температуры наружной поверхности конденсатора и эквивалентная ей термоЭДС входят в числитель и знаменатель уравнения показателя
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
Содержание__________________________________________________________3
качества и могут быть сокращены, можно сделать вывод об отсутствии ее
влияния на величину показателя качества ДТС - А.
Испытания устройства для контроля качества проводились на различных конструкциях ДТС, при этом использовались как качественные, так и некачественные изделия. Охладители зажимались за испарительную часть в тиски с электрическими нагревателями, и определение показателя качества ДТС выполнялось с помощью устройства как при нагревании, так и при остывании охладителя совместно с тисками. Результаты испытаний представлены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Результаты испытаний устройства для контроля качества ДТС
Тип охладителя Нагрев ДТС Остывание ДТС
А, % у-макс А, % у-макс
Неисправный ДТС из сплава АЛ-4 33,5 74,1 14,8 86,6
24,9 82,3 13,9 75,1
22,6 89,2 14,3 74,3
20,2 98,0 14,3 43,1
20,1 103,1 15,1 30,4
Неисправный ДТС Т-образной 35,6 52,7 - -
формы из сплава АМц 30,4 59,6 - -
28,0 63,8 - -
Исправный ДТС из сплава АД-31 5,1 97,8 4,4 98,5
5,2 112,1 1,7 72,3
5,5 123,5 - -
3 Заключение
Полученные данные испытаний охладителей подтвердили ожидаемые результаты. Для исправных ДТС показатель качества не превышает 6%, для неисправных ДТС этот показатель значительно выше - 10%. Разработанное устройство для контроля качества ДТС является простым в эксплуатации, позволяет производить экспресс-контроль и отбраковывать изделия при изготовлении и проведении ТО или ремонта преобразователя.
Библиографический список
1. Буянов А.Б., Носков А.В., Исакеев А.И. Влияние степени заполнения двухфазных термосифонов теплоносителем на эффективность охлаждения силовых полупроводниковых приборов. - М.: Известия вузов. Энергетика. - 1984. - № 2. -
С. 77-81.
2. А. с. № 1737247. Буянов А.Б., Киселев И.Г., Митрофанова И.В., Суслова К.Н., Жуков П.Л. и др. Способ контроля качества тепловой трубы.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/2
