Динамо-машины  Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

Рис. 114. Схема установки объемной рамы в преобразователе

Рис. 115. Шкаф преобразователя, составленный из модульных элементов на основе объемных рам

горизонтальные стальные рейки, на которых подвешиваются панели и блоки. Чтобы использовать всю глубину шкафа, в нем устанавливаются поворотные рамы, на которых точно так же укрепляются горизонтальные рейки для подвешивания панелей и блоков. Эти рамы могут представлять собой целые конструктивные или функциональные единицы.

Использование объема шкафа помогает улучшить объемная рама, изображенная на рис. 113. Рама зарегистрирована как промышленный образец под номером 13227 (ЧССР). Если такую раму поместить в шкаф на шарнирах, это позволит полностью вывести на ней из шкафа конструктивный узел большого объема и обеспечить доступ к устройствам этого узла, установленным с задней стороны рамы. Использование объемной рамы схематически показано на рис. 114. Из таких объемных рам с установленными электрическими узлами можно составить целый преобразователь (рис. 115).

В шкафу преобразователя типа Jistrol501 французской фирмы Jeumont - Schneider разводка проводов идет в горизонтальном и вертикальном направлениях. Двери этого шкафа запираются с помощью двух простых поворотных запоров.

Легкий сборный шкаф типа MNS выпускает фирма ВВС - Secheron (Швейцария). Весь преобразователь собран на общей стальной панели, которая вставлена в шкаф. Силовая электрическая цепь идет снизу через предохранители к автоматическому выключателю, который управляется через дверь,

затем через пары соединенных параллельнобыстродействующих предохранителей к контактору и наконец через трансформаторы тока и трехфазный дроссель, размещенный в необычном месте - в верхней части шкафа, к собственно тиристорному выпрямителю в левой верхней части. На двери имеется ящик для документации на этот преобразователь (выпрямитель типа Verimot).

В ГДР освоен выпуск шкафов унифицированной системы DJ2 для преобразователя тина Thyresch с застекленным окном в верхней части.

Для захвата стропами такой шкаф снабжен рым-болтами, укрепленными на верхней раме шкафа. Эта рама должна быть достаточно жесткой, чтобы шкаф при транспортировке на стропах не деформировался. Если же верхняя рама ненагружена, ее можно было бы изготавливать из более тонких профилей, чем нижнюю раму, что дало бы экономию материала. Поэтому более выгодно решать проблему транспортировки шкафа путем закрепления пеньковых строп на нижней раме, снабженной отверстиями для зацепления крюков или для задвигания толстого металлического прута.

Несущая способность шкафа преобразователей обычно достигает 500 кг. Шкафы шириной 1200 мм могут быть заполнены оборудованием с массой до 1000 кг. На дверях шкафа можно разместить нагрузку 30 кг (проект стандарта СЭВ). Рама шкафа должна иметь заземляющий зажим со знаком заземления. Шкаф должен допускать эксплуатацию при температурах от - 10 до -1-40 С. Допустимые перегревы частей шкафа 30 К. Те части шкафа, до которых при работе не нужно прикасаться, могут иметь перегрев до 40 К.

Металлические части преобразователей должны иметь антикоррозийное поверхностное покрытие. В современных сборных шкафах, детали и узлы которых окрашиваются заранее перед монтажом, используются краски, устойчивые к истиранию. Гладкую блестящую поверхность обеспечивают краски S-2000, S-2012 и S-2013, которые наносятся последовательно друг за другом. Они устойчивы к наружным атмосферным факторам и пригодны также для тропиков (если нанести 2-3 верхних слоя). Очень прочное покрытие получается при применении эпоксидных красок с отвердйтелем. Популярные прежде laquo;молотковые raquo; эмали, которые закрывали мелкие неровности и повреждения поверхности, в настоящее время применяются редко. Одним из новейших и самых стойких материалов для поверхностных покрытий являются полиуретановые эмали U-2050, смешиваемые с отвердйтелем U-7000. Покрытие имеет блеск, устойчиво к атмосферным факторам. Эмаль U-2051 устойчива также ко многим агрессивным химическим веществам.

6-3956

Глава 4

ОХЛАЖДЕНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

4.1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТЕПЛА В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Тепло в силовых полупроводниковых преобразователях возникает как вторичный продукт преобразования электрической энергии. Источниками тепла являются все элементы, через которые протекает электрический ток. Причем не только рабочий ток, но и нежелательные токи, индуцированные переменными магнитными полями в элементах конструкции, токи смещения в диэлектриках и обратные токи в полупроводниковых приборах. Если при конструировании преобразователя не учитывают побочные эффекты различных магнитных полей, часто возникают неожиданные явления, когда источником тепла становится, например, стенка шкафа вблизи воздушного дросселя или проходной изолятор с высокочастотной составляющей тока.

Главными источниками тепла в преобразователях являются силовые полупроводниковые приборы, дроссели, трансформаторы и резисторы. По сравнению с ними можно практически всегда пренебречь такими источниками тепла, как конденсаторы, коммутационные устройства, измерительные устройства и провода. Не всегда можно не учитывать предохранители, особенно быстродействующие силовые, которые часто существенно влияют на тепловые процессы в преобразователе.

В силовых полупроводниковых приборах тепло возникает по нескольким причинам. Главной причиной является прохождение рабочего тока через полупроводниковый переход, на котором неизбежно имеется некоторое напряжение. Произведение мгновенных значений тока и этого напряжения дает в каждый момент времени мощность потерь в полупроводниковом приборе. Среднее значение мощности потерь от протекания прямого тока определяется из выражения

где Р - среднее значение мощности потерь; [/д и - пороговое напряжение и динамическое сопротивление при линейной аппроксимации прямой вольт-амперной характеристики диода;

- коэффициент формы тока вентиля; / lt;.р - среднее значение тока вентиля.

На практике для определения потерь в полупроводниковых приборах чаще всего используются диаграммы, приводимые в каталогах изготовителей. Мощность потерь в них указывается в зависимости от прямого тока. Пример такой зависимости для

Рис. 116. Зависимости мощности потерь от среднего значения тока тиристора Т955-63 при прямоугольной и синусоидальной формах тока для различных углов проводимости \/

тириОуора Т955-63 приведен на рис. 116 (в верхней части для токов прямоугольной формы, в нижней - для токов синусоидальной формы). Минимальные потери бывают при постоянном токе, а при уменьшении угла включения они быстро увеличиваются.

Потери в полупроводниковом приборе от других причин, например при включении, отключении, от обратного тока, от тока в закрытом состоянии и в управляющем электроде, обычно пренебрежимо малы. Они заметно проявляются лишь при высоких частотах и относительно малых нагрузках приборов.

Потери в дросселях и трансформаторах с сердечниками складываются из потерь в обмотке и в сердечнике. С точки зрения минимизации размеров преобразователя нужно стремиться, чтобы трансформаторы и дроссели, размещаемые в шкафу преобразователя, имели минимальные размеры. Однако чем меньше размеры обмоток и сердечников, тем больше потери, возникающие в них при данной нагрузке. Большие потери не только требуют увеличения эффективности охлажде-

ния, но и непосредственно снижают КПД преобразователя, высокое значение которого является одной из характерных черт полупроводниковых преобразователей. Правильный компромисс между размерами и уровнем потерь можно установить лишь серьезным экономическим анализом с учетом предполагаемого срока службы преобразователя и характера его нагрузки. Трансформаторы и дроссели с массой более 100 кг обычно выго.днее размещать вне шкафа преобразователя.

Уменьшение нагрузки магнитных сердечников одновременно сопровождается благоприятным явлением, как уменьшение шума.

При определении потерь в обмотках и токопроводах, по которым протекает переменный ток, необходимо исходить из эффективного сопротивления, т. е. такого значения сопротивления, которое дают измерения при данных частоте и форме тока. Эффективное сопротивление всегда больше сопротивления, измеренного при постоянном токе.

Резисторы используются в преобразователях, главным образом в цепях защиты от перенапряжений, цепях разряда конденсаторов и цепях коммутации. Они нагреваются до довольно больших температур и тепло концентрируется в них в очень малом объеме. Это неблагоприятное явление можно смягчить недоиспользованием резисторов по мощности и их правильным размещением в шкафу.

Тепло, возникающее в предохранителе, определяется произведением среднего значения тока и падения напряжения на предохранителе. Мощность потерь в сверхбыстродействующих предохранителях на номинальные тока от 125 до 400 А достигает 30-60 Вт, приближаясь к мощности потерь в защищаемых полупроводниковых приборах. О неблагоприятном тепловом влиянии предохранителей, перегрев которых достигает 150 К, указывалось в п. 3.4.1.

4.2. отвод ТЕПЛА

Отвод тепла (охлаждение) является обязательным условием того, чтобы температура тела, в котором возникает тепло, достигла установившегося значения, чтобы она не повышалась непрерывно. В установившемся состоянии отводится все тепло, которое возникает. При этом температура элементов преобразователя не должна превьпиать допустимых значений.

В общем случае тепло отводится тремя путями: излучением, конвекцией и теплопередачей.

Тепловым излучением согласно закону Стефана - Больцмана отводится мощность

/=A-5(9t-9S),

(12)

где А-- постоянная излучения, Втм~-К 5-площадь поверхности, м; 9,-абсолютная температура тела. К; Sq -абсолютная температура окружающей среды, К.

Значение постоянной к зависит от качества и цвета поверхности. Для абсолютно черного тела А: = 5,67 10 Вт м~ К *. Для реальных технических тел эта постоянная колеблется от 1 10 (полированная медь) до 5,5 10 (грубое литье или гладкая черная поверхность).

На практике для тепловых расчетов более удобно линеаризированное выражение

P=a,S{b,-\) = (i,Sb, (13)

где otj - коэффициент теплоотдачи через излучение, Втм х хК ; S-площадь охлаждающей поверхности, м; 9 - разность температур тела и окружающей среды, К.

Приравнивая правые части предыдущих выражений, получаем:

а =А-

Э,- raquo;о

(14)

Для температур от 10 до 100 С элу зависимость можно заменить линейным уравнением

lt;х, = А + В,

(15)

где А и Д - постоянные, зависящие от качества и цвета поверхности.

Дл) гладкой поверхности меди и алюминия без поверхностных покрытий А = 1,7 2; В=0,01.

Для черненой и шероховатой поверхности A=4,S5-В=0,03.

При конвекцитшой теплоотдаче хладоноситель перемещается около охлаждаемой поверхности, нагревается от нее и отводит тепло в окружающее пространство. На место нагретых масс поступают новые, более холодные. Конвекция может быть естественной, например, когда воздух поднимается вдоль стенки, или принудительной. При естественном перемещении воздуха вдоль вертикальной стенки коэффициент конвекционной теплоотдачи можно рассчитать по формуле

ае = 6,5+0,059.

(16)

Для поверхностей, имеющих свободную теплоотдачу излучением и конвекцией, результирующий коэффициент теплоотдачи

tx = a, + aecT-

(17)