You are currently viewing Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании

Наличие в окружающей среде угольных шахт 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 взрывозащищенного электрооборудования на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП), которое во многом определяется именно системой охлаждения СПП.

Известные системы охлаждения СПП взрывозащищенного электрооборудования недостаточно эффективны [1]. Для решения этой задачи нами был проведен комплекс исследований, на основании которого разработаны системы кондуктивного, водяного и испарительного охлаждения СПП.

Выбор параметров системы охлаждения является одним из основных вопросов при проектировании взрывозащищенного электрооборудования на основе СПП. В качестве основного теплоотводящего элемента для кондуктивной системы охла­ждения используется сама взрывонепроницаемая оболочка, выполняющая функцию непосредственного теплоотвода. При этом СПП располагаются на плоских медных радиаторах, которые прижимаются к внутренней части плоской стенки оболочки с помощью специального устройства через теплопереход. Внешняя поверхность стенки оболочки в этом случае может охлаждаться различными путями.

Теплопереход выполняет функции электроизолирующего элемента и должен обладать соответствующей дугостойкостью и высокой теплопровод­ностью. Совместно с ВостНИИ, нами проведены испытания раз­ личных материалов для этих целей. Наилучшие результаты и разрешение на использование во взрывозащищенном электрооборудовании напряжением до 1000 В было получено для теплопереходов на основе эпоксидных компаундов, наполненных пылью кварца [2]. Известны также теплопереходы в виде дисков или пластин из алюминоксида и оксида бериллия [3, 4].

Для кондуктивной системы охлаждения нами была разработана методика теплового расчёта для одиночного СПП и груп­пы СПП с учётом их теплового взаимовлияния через металл стенки, 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.

В кондуктивной системе охлаждения (рис. 1) тепловой по­ ток Qo от полупроводникового вентиля (1) через медное гнездо (2) в виде диска и теплопереход (3) поступает к стенке оболочки (4). При этом часть потока Q2 распространяется по металлу стенки оболочки в радиальном направлении от источника тепла и рассеивается стенкой в окружающую среду. Другая часть теплового потока Q1, подведенная к поверхности F, рассеивается последней в окружающую среду:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 1

где

  • F- πr2s — площадь поверхности, занимаемая теплопереходом;
  • α — коэффициент теплоот­дачи поверхности A;
  • ӨF, ӨC — температуры поверхности F и окружающей среды.

Расчет температуры корпуса СПП, его полупроводниковой структуры, гнезда крепления и температурного поля стенки оболочки будем производить с помощью метода, основанного на аналитическом расчете температурного поля с использованием последовательных приближений.

Сформулируем задачу следующим образом: найти распределение перегревов стенки оболочки Ө(r) в стационарном режиме для rS ≤ r <∞ (рис. 1) при условии, что внутренняя поверхность стенки оболочки адиабатическая и вся тепловая энергия, выделившаяся в СПП, отводится через его основание и теплопереход к стенке оболочки и рассеивается последней в ох­лаждающую среду. Толщину стенки оболочки δ и температуру охлаждающей среды ӨС считаем заданными.

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 2
Рис. 1 - Распределение тепловых потоков

Для упрощения решения поставленной задачи вводим следующие допущения:

  1. Коэффициент теплоотдачи внешней поверхности стенки оболочки α и коэффициент теплопроводности материала оболочки λ заданы и неизменны;
  2. Стенка оболочки бесконечная, достаточно тонкая и в направлении нормали к ней нет градиента температуры;
  3. Принимаем поверхность F- πr2s со стороны охлаждающей среды изотермической.

Рассматривая условия закона сохранения энергии для дифференциального кольца стенки в стационарном режиме, можно поставленную задачу представить в виде системы уравнений:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 3
Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 4

решение которой имеет вид:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 5

где

  • Ө(r)= ӨF – ӨС — перегрев стенки относительно охлаждающей среды на расстоянии r от центра источника тепла;
  • К0 и K1 — модифицированные функции Бесселя;
  • Коэффициент
Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 6

Уравнение (2) будет верно при условии, что поверхность источника тепла F со стороны охлаждающей среды адиабати­ческая. Подобное допущение возможно при незначительной величине rS и с увеличением площади, занимаемой теплопереходом, увеличивается ошибка в определении температурного поля. В нашем случае необходимо учитывать теплообмен поверхности F с охлаждающей средой. Составим эквивалент­ную тепловую схему узла охлаждения (рис. 2).

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 7
Рис. 2 - Эквивалентная тепловая схема узла охлаждения

 где

  • R1=1/(αF) — тепловое сопротивление поверхности F относительно охлаждающей среды;
  • Тепловой коэффициент стенки обо­лочки
Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 8
  • RСПП, RСПП-ТП, RТП — тепловые сопротивления СПП, контакта «СПП — теплопереход», непосредственно теплоперехода.

Считаем, что тепловые потери, выделившиеся в вентиле, разделяются на два тепловых потока Q1 И Q2. Тепловой поток Q1 рассеивается поверхностью F в охлаждающую среду, a Q2 — рассеивается остальной частью стенки — Qo = Q1 + Q2. Зная температуру ӨF поверхности F, можно для стационарного ре­ жима определить температуру полупроводниковой структуры по формуле:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 9

Температуру ӨF будем определять методом последовательных приближений. В пер­вом приближении задаемся величиной α=α(1) и считаем, что Ө1=Q1(1)=0, а Ө2=Q2(1)=Q0 и по выражению (2) определим перегрев:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 10

Затем рассчитаем тепловую мощность, рассеиваемую поверхностью F при ее перегреве:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 11

Считая поверхность F изотермиче­ской. Во втором приближении:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 12

где

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 13

суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией;

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 10

лучеиспусканием поверхности F при ее перегреве.

Далее, считая, что

определим по (2) и так далее

При

расчет прекращаем и принимаем

Подставляя (5) в (2), определим температурное поле стенки в радиальном от источника тепла направлении. Затем, зная температурное поле стенки, оп­ределяем величину α(1)расч по известным зависимостям [5, 6] и сравниваем ее с α(1). В том слу­чае, если они различаются на величину, большую наперед заданной, производим корректировку коэффициента теплоотдачи – α(2) и вновь делаем рас­чет. Обычно трех-четырех приближений бывает достаточно для получения удовлетворитель­ных результатов.

Определив температурное поле стенки и температуру поверхности F и зная тепловые сопротивления RСПП, RСПП-ТП, RТП, можно рассчитать температуру полупроводниковой структуры вентиля. Для этого нужно подставить (4) в (3) и произвести расчет. При жидкостном охлаждении теплоотводящей поверхно­сти этот метод расчета полно­стью не подходит потому, что в первом приближении нельзя принимать Q1(1)=0, a Q1(1)=Qo , так как в отличие от воздушного охлаждения, большая часть тепла рассеивается по­верхностью F и меньшая — ос­тальной поверхностью стенки.

Поэтому в первом приближении в этом случае следует ориенти­ровочно принять, например,

Q1(1)= 0 .7Q0, а Q2(1)=0.3Qo.

Одним из способов увеличения теплоотдачи внешних стенок оболочки является их оребрение. Путем обоснованно­го выбора профиля оребрения, соотношения высоты и толщины ребер, расстояния между ними можно создать оптимальную по критерию максимума теплоотвода конструкцию теплоотводящей поверхности для конкретных условий эксплуата­ции проектируемого устройства.

Решению задачи посвящено значительное количество публикаций, например [5, 6]. Таким образом, данный метод расчета температурного поля стенки оболочки можно ис­пользовать для гладких и оребренных стенок при естественном и принудительном воздуш­ном и жидкостном их охлаждении.

Для облегчения и упрощения процесса расчета температуры СПП и температурного поля стенки оболочки разработаны номограммы, где представлены расчетные зависимости, рассмотренные выше, и программа расчета на ЭВМ. Для решения этой задачи можно использовать также метод эквивалентных тепловых схем. Условия задачи и допущения принимаем те же, что и ранее. При этом среднюю темпе­ратуру поверхности S1 (рис. 3, а) считаем заданной. Источник тепла представляет собой диск радиусом ri, соединенный с поверхностью стенки с помощью теплоперехода.

Задаваясь температурой Ө2 (рис. 3, а, б), определим рас­ стояние от центра источника тепла до линии изотермы стенки с температурой Ө2.

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 19
Рис. 3 - Определение температурного поля стенки оболочки: а) температурное поле стенки; б) эквивалентная тепловая схема

Эту задачу можно решить, используя систему уравнений:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 20

где

  • r2 — расстояние от центра источника тепла до изотермы Ө2;
  • S2=πr22 — S1 — площадь теплоотдачи;
  • Q — тепловой поток от источника тепла к стенке оболочки;
  • Qo — тепловой поток, рассеиваемый поверхностью Si ;
  • Q1 — тепловой поток, распространяющийся по стенке от источника тепла до изотермы Ө2;
  • Q’1 — тепловой поток, рассеиваемый поверхностью S2.

Решая эту систему уравнений, получим зависимость:

Решая эту систему уравнений, получим зависимость:

Введем обозначения:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 22

Тогда (7) запишется в виде:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 23

Для общности заменим r2 на х и обозначим:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 24

и в окончательном виде будем иметь:

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 25

Решая (9), определим расстояние от центра источника тепла до изотермы Ө2. Таким же образом последовательно определяются расстояния до линий изотерм Ө3 . Ө4 … Өn .

При размещении несколь­ких СПП на теплоотводящей поверхности стенки оболочки необходимо определить такую схему их размещения с учетом тепловой совместимости, чтобы занимаемая площадь была минимальной и при этом обеспечивался бы нормальный тепловой режим всех СПП.

При этом электрические за­зоры и пути утечки должны соответствовать требованиям ПИВРЭ, а габариты оболочки не должны превышать допустимых по механической прочности и условиям эксплуатации.

Для решения (9) и определения параметров схемы размещения совокупности СПП на теплоотводящей стенке оболочки разработаны программы для проведения расчетов на ЭВМ.

Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании 26
Рис. 4 - Сравнение расчетных данных температурного поля с опыт¬ными: 1 -расчет методом тепловых схем; 2 - расчет аналитическим методом; °- экспериментальные данные

На рис. 4 для сравнения представлены расчетные и экс­периментальные данные опре­деления температурного поля плоской стенки, подтверждающие применимость методик расчета для практических целей.

Разработан также алгоритм теплового расчета и программ­ное обеспечение для проектирования системы охлаждения электрооборудования на основе СПП с размещением их во взрывонепроницаемой оболочке с учетом теплового взаимовлияния элементов схемы, объединенных в эквивалентные нагретые зоны, через внутренний объем оболочки.

Промышленные испытания опытного образца тиристорного регулятора скорости рудничного электровоза 13 АРП-900, разработанного с использованием данной методики, показали, что погрешность расчета тепловых режимов СПП не превышает 10%, что вполне допустимо для практических расчетов.

Список литературы

  1. Плетнев А.И. Охлаждение полупроводниковых вентилей рудничных выпрямителей И Взрывозащищенные электрические аппараты: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ; Под общ. ред. В.С. Дзюбана. — Донецк, 1991. -С . 81-90.
  2. Исследование стойкости эпоксидных компаундов к поверхностным разрядам / Л.В. Гладилин, Н.В. Терехова, П.Д. Гаврилов, В.Г. Каширских II Борьба с травматизмом при эксплуатации электрооборудования и повышение безопасности в угольных шахтах: Сб. науч, тр., вып. 23, ВостНИИ, Кемерово, 1974. — С. 50-55.
  3. Изоляционные диски ДК и ДКМ. Технические условия ТУ 16.528.190-80.
  4. Славик И. Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей. — М.: Энергоатомиз- дат, 1989. — 180 с.
  5. Краус АД. Охлаждение электронного оборудования. — Л.: Энергия, 1971. — 247 с.
  6. Дулънев Г.Н. Теплообмен радиоэлектронных аппаратов / Г.Н. Дульнев, Э.М. Семяшкин. — Л.: Энергия, 1968. — 360 с.

Источник: Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании / В.Г. Каширских // Вестник КузГТУ. — 2005. — №4.1. — C. 3-6.

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