Содержание
Известно, что до 60% вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется электроприводами промышленных машин и установок, при этом их подавляющая часть — нерегулируемые электроприводы.
Переход к регулируемым электроприводам является одним из основных путей не только энергосбережения (до 30%), но и ресурсосбережения, путем ограничения чрезмерных динамических нагрузок в электромеханической системе горных машин и за счет организации рациональных режимов работы.
Условия работы подземных горных и транспортных машин характеризуются:
- Частыми перегрузками.
- Экстренными стопорениями.
- Наличием нелинейных звеньев.
- Резкопеременной случайной нагрузкой.
- Повторными пусками электроприводов.
- Рядом других причин, которые обусловливают высокую динамическую нагруженность и преждевременное разрушение элементов машин.
По этой причине, например, очистные комбайны не отрабатывают заложенный при проектировании ресурс на 20-40%.
Применение регулируемого электропривода для этих условий необходимо и полностью соответствует существующей «Программе технического перевооружения шахт Кузбасса» и современным концепциям дальнейшего развития угольной отрасли согласно работ [1 и 2].
Топология систем охлаждения для СПП
После более чем десятилетнего спада промышленного производства, в настоящее время в России отмечается рост объемов производства, в том числе в угольной промышленности, где, как и в других отраслях, острейшей является проблема замены изношенного и морально устаревшего оборудования. В новых условиях хозяйствования этот процесс происходит пока слишком медленно.
Приобретается, в том числе, и дорогостоящее импортное оборудование по стоимости, до 10 раз превышающей стоимость отечественного оборудования того же класса на основании работы [1].
Чтобы исключить импортозависимость, нам необходимо:
- Разрабатывать и выпускать в достаточном количестве свои горные машины, соответствующие современному техническому уровню и являющиеся конкурентоспособными.
- Оборудование должно базироваться на использовании регулируемого электропривода на основе силовых полупроводниковых преобразователей, преимущества которого перед нерегулируемым в настоящее время очевидны.
Однако широкого распространения, преобразователи частоты, в составе горных и транспортных машин для подземных условий угольных шахт не получили.
Это произошло по ряду причин:
- Одной из главных, по нашему мнению, является проблема эффективного охлаждения силовых полупроводниковых приборов (СПП), размещенных в замкнутом объеме взрывонепроницаемой оболочки.
- Частые перемещения электрооборудования или его размещение на подвижных объектах с высоким уровнем ударных и вибрационных нагрузок.
- Наличие в окружающей среде взрывоопасных газов и угольной пыли.
- Наличие агрессивных компонентов и высокой влажности.
Все эти и другие факторы предъявляют жесткие требования к конструктивному исполнению взрывозащищенных преобразователей, которое во многом определяется именно системой охлаждения СПП.
Применение систем охлаждения, используемых в электрооборудовании общепромышленного назначения, в данном случае неприемлемо из-за:
- Низкой эффективности отвода тепла из замкнутого объема оболочки.
- Несоответствия требованиям нормативных документов к рудничному взрывозащищенному электрооборудованию.
Для этих условий необходимы специальные высокоэффективные системы охлаждения СПП.
Потребность предприятий России в различных СПП следующих номиналов:
- Токовые характеристики от 10 до 6300 А.
- С напряжением до 10000 В.
Данную потребность мог удовлетворить ОАО «Электровыпрямитель» (город Саранск), являющийся пока монополистом в этой области, согласно работе [3].
На данном предприятии выпускались высококачественные СПП всех типов, производившиеся ранее в СССР, а также новые поколения СПП:
- IGBT.
- GTO и другие модификации.
В последние годы темпы прироста объемов производства в этой отрасли составляют 20% и более.
Кроме того, в Сибирском регионе разработана на длительную перспективу региональная межотраслевая программа «Силовая электрика Сибири» [4], включающая в себя проекты по развитию производств:
- Приборов.
- Материалов.
- Систем силовой электроники.
Этой программой предусмотрен широкий спектр мероприятий, в том числе выпуск преобразователей частоты для общепромышленных электроприводов мощностью до 350 кВт и пусковых устройств для асинхронных электродвигателей, которые необходимы для электроприводов горных машин и могут быть адаптированы к использованию в подземных условиях угольных шахт.
На кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ проведен комплекс исследований, на основании которого разработаны системы охлаждения СПП для рудничного взрывозащищенного электрооборудования:
- Водяного.
- Кондуктивного.
- Испарительного
В качестве основного теплоотводящего элемента для кондуктивной системы охлаждения используется:
- Сама взрывонепроницаемая оболочка, выполняющая функции непосредственного теплоотвода.
- При этом СПП располагается на плоском медном радиаторе, который прижимается к внутренней части плоской стенки оболочки с помощью специального устройства через теплопереход.
- Внешняя поверхность стенки оболочки в этом случае может охлаждаться различным образом.
Теплопереход выполняет функции электроизолирующего элемента и должен обладать соответствующей дугостойкостью и высокой теплопроводностью.
Совместно с ВостНИИ нами были проведены испытания различных материалов для этих целей. Наилучшие результаты были получены при использовании эпоксидных компаундов, наполненных пылью кварца или алюминоксида, в то время как различные плёночные теплопереходы оказались не дугостойкими.
Для упрощения технологии при сборке преобразователя, теплопереходы могут изготавливаться отдельно в виде дисков или пластин из компаундов или алюминоксида.
Разработанная методика теплового расчета
Для кондуктивной системы охлаждения нами была разработана методика теплового расчёта для одиночного СПП и группы СПП с учётом их теплового взаимодействия через металл стенки оболочки при различной интенсивности охлаждения ее наружной поверхности, а также через воздух внутреннего объёма оболочки.
Методика позволяет определять схему размещения СПП на поверхности стенки, обеспечивающую допустимые температуры СПП при задании тепловых мощностей, рассеиваемых в каждом СПП, и параметров тепловой модели системы охлаждения:
- Тепловых сопротивлений.
- Коэффициентов теплоотдачи.
- Размеров отдельных элементов и другие параметры.
Проверка методики была произведена на специальном макете, представляющем собой взрывонепроницаемую оболочку с различными схемами размещения СПП и при различной интенсивности охлаждения внешних теплоотводящих стенок оболочки.
Расхождения между расчётами и экспериментами не превысили 10%.
При этом допустимая нагрузка по току, например для вентилей ВКД-200 при их благоприятном размещении, в длительном режиме работы составила:
- Принудительное воздушное охлаждение гладкой поверхности оболочки (α=50 Вт/м2 град при VВ =3 м/с) — 0,68 IH.
- Принудительное воздушное охлаждение оребрённой поверхности оболочки (α=125 Вт/м2 град при VВ=3 м/с) — 0,85 IH.
- Естественное воздушное охлаждение гладкой внешней поверхности оболочки с коэффициентом теплопередачи α=10 Вт/м2 град — 0,52IH.
- Принудительное водяное охлаждение гладкой поверхности оболочки (α=2100 Вт/м2 град при QВ=5 л/мин и температуре воды 20°С) — 1,0 IH.
где
- IH — номинальное значение тока в соответствии с паспортом СПП.
Достаточно высокую эффективность и надежность кондуктивной системы охлаждения СПП, заключенных в рудничную взрывонепронепроницаемую оболочку, подтвердили успешные испытания в условиях шахты им. С.М. Кирова в Кузбассе специального тиристорного преобразователя.
Данное оборудование разработано и изготовлено на кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ для управления рудничными электровозами 8АРП-900 и 13АРП- 900 с целью плавного бесконтактного и экономичного регулирования тягового и тормозного токов.
Наибольшая эффективность теплоотвода была нами достигнута при использовании испарительного охлаждения СПП.
Было разработано несколько вариантов конструкции, из которых к практическому использованию в рудничном взрывозащищенном электрооборудовании можно рекомендовать модуль с трехфазной мостовой схемой соединения таблеточных СПП на основе индивидуальных охладителей-термосифонов и общим для них конденсатором, который передает тепло плоской стенке оболочки, охлаждаемой снаружи технической водой.
Параметры режима теплоотдачи зависят от многих факторов, в том числе и от выбора хладоагента испарительной системы.
Для этих целей нами были использованы хладагенты обладающие наибольшей теплоемкостью, стабильностью характеристик и низкой стоимостью:
- Кремнийорганический хладагент.
- Фторорганическая жидкости.
- Дистиллированная вода.
При проведении тепловых испытаний этого модуля с использованием дистиллированной воды получили следующие результаты:
- Наибольшая температура корпусов СПП составила 105 — 108 °С.
- Было обеспечено отведение тепловой мощности 4,2 кВт в длительном режиме.
- Полученный результат не является предельным по теплопередаче для данного модуля, а определялся лишь мощностью лабораторной установки.
Результаты испытаний разработанных систем охлаждения СПП подтверждают возможность создания высокоэффективных силовых полупроводниковых преобразователей в рудничном взрывобезопасном исполнении для регулируемых электроприводов горных и транспортных машин, а конкретная разработка может быть нами выполнена по техническому заданию заказчика.
Список литературы
- Мазикин В.П., Вылегжанин В.Н., Новая концепция перспективных направлений создания комплексной механизации ШНТУ для освоения Восточного Кузбасса // Материалы международной конференции «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001 год, страницы 9-13.
- Разумняк Н.Л., Мыишяев Б.К., Пути создания высокоэффективных технологических схем угледобычи // Материалы международной конференции «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001 год, страницы 13-25.
- Чибиркин В.В., Елисеев В.В., Гейфман Е.М., Епишкин А.Н., Разработка и производство силовых полупроводниковых приборов на ОАО «Электровыпрямитель»// Вестник Уральского государственного технического университета — УПИ «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», часть 1, Екатеринбург, 2003 год, страницы 315-318.
- Кузнецов Ф.А., Резниченко М.Ф., Асеев А.Л. и другие, Региональная межотраслевая программа «Силовая электроника Сибири»// Вестник Уральского государственного технического университета — УПИ «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», часть 1, Екатеринбург, 2003 год, страницы 281-285.
- Формирование алгоритма управления плавным пуском асинхронного электродвигателя на основе метода скоростного градиента.
- Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании.
Источник: Охлаждение силовых полупроводниковых приборов в рудничном взрывозащищенном электрооборудовании / В.Г. Каширских // Вестник КузГТУ, 2004 год, №1, страницы 28-30.