Охлаждение силовых полупроводниковых приборов в рудничном взрывозащищенном электрооборудовании

Охлаждение силовых полупроводниковых приборов в рудничном взрывозащищенном электрооборудовании

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 резкопеременной случайной нагрузкой, частыми перегрузками и экстренными стопорениями, повторными пусками электроприводов, наличием нелинейных звеньев и 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 [1,2].

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 [1].

Чтобы исключить импортозависимость, нам необходимо разрабатывать и выпускать в достаточном количестве свои горные машины, соответствующие современному техническому уровню и являющиеся конкурентоспособными. Они должны базироваться на использовании регулируемого электропривода на основе силовых полупроводниковых преобразователей, преимущества которого перед нерегулируемым в настоящее время очевидны, однако широкого распространения в составе горных и транспортных машин для подземных условий угольных шахт он не получил по ряду причин. Одной из главных, по нашему мнению, является проблема эффективного охлаждения силовых полупроводниковых приборов (СПП), размещенных в замкнутом объеме взрывонепроницаемой оболочки.

Наличие в окружающей среде взрывоопасных газов и угольной пыли, агрессивных компонентов и высокой влажности, частые перемещения электрооборудования или его размещение на подвижных объектах с высоким уровнем ударных и вибрационных нагрузок — 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 или несоответствия требованиям нормативных документов к рудничному взрывозащищенному электрооборудованию. Для этих условий необходимы специальные высокоэффективные системы охлаждения СПП.

Потребность предприятий России в различных СПП на токи от 10 до 6300 А напряжением до 6000 В может удовлетворить ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск), являющийся пока монополистом в этой области [3]. Здесь выпускаются высококачественные СПП всех типов, производившиеся ранее в СССР, а также новые поколения СПП (IGBT, GTO и др.). 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 материалов, приборов и 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 кондуктивного, водяного и испарительного охлаждения СПИ для рудничного взрывозащищенного электрооборудования.

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.

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 др.

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:

  1. Естественное воздушное охлаждение гладкой внешней поверхности оболочки с коэффициентом теплопередачи α=10 Вт/м2 град — 0,52IH;
  2. Принудительное воздушное охлаждение гладкой поверхности оболочки (α=50 Вт/м2 град при VВ =3 м/с) — 0,68 IH;
  3. Принудительное воздушное охлаждение оребрённой поверхности оболочки (α=125 Вт/м2 град при VВ=3 м/с) — 0,85 IH;
  4. Принудительное водяное охлаждение гладкой поверхности оболочки (α=2100 Вт/м2 град при QВ=5 л/мин и температуре воды 20°С) — 1,0 IH.

Здесь 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, разработанного и изготовленного 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 кремнийорганическая и фторорганическая жидкости, а также дистиллированная вода, обладающая наибольшей теплоемкостью, стабильностью характеристик и низкой стоимостью.

При проведении тепловых испытаний этого модуля с использованием дистиллированной воды было обеспечено отведение тепловой мощности 4,2 кВт в длительном режиме. При этом наибольшая температура корпусов СПП составила 105 — 108 °С. 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

  1. Мазикин В.П., Вылегжанин В.Н. Новая концепция перспективных направлений создания комплексной механизации ШНТУ для освоения Восточного Кузбасса// Материалы международной конф. «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001.-С. 9-13.
  2. Разумняк Н.Л., Мыишяев Б.К. Пути создания высокоэффективных технологических схем угледобычи// Материалы международной конф. «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001.-С. 13-25.
  3. 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.-С. 315-318.
  4. Кузнецов Ф.А., Резниченко М.Ф., Асеев А.Л. и др. 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.-С. 281-285.

Источник: Охлаждение силовых полупроводниковых приборов в рудничном взрывозащищенном электрооборудовании / В.Г. Каширских // Вестник КузГТУ. — 2004. — №1. — C. 28-30.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org