Содержание
В окружающей среде угольных шахт присутствуют следующие вредные факторы для эксплуатации электрооборудования:
- Угольная пыль.
- Взрывоопасные газы.
- Агрессивные компоненты.
- Высокой уровень влажности.
- Частые перемещения электрооборудования.
- Размещение оборудование на подвижных объектах с высоким уровнем ударных и вибрационных нагрузок
Данные факторы и не только, 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 на основании работы [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
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.
- Высокой теплопроводностью.
Совместно с ВостНИИ и 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, согласно работы [2].
Известны также теплопереходы в виде дисков или пластин из:
- Алюминоксида.
- Оксида бериллия указанные в работе [3 и 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 присутствуют следующие элементы как на рисунке 1:
Где 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:
где
- α — коэффициент теплоотдачи поверхности A.
- ӨF, ӨC — температуры поверхности F и окружающей среды.
- F- πr2s — площадь поверхности, занимаемая теплопереходом.
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.
Поиск решения задачи в рамках исследований
Сформулируем задачу следующим образом:
- Найти распределение перегревов стенки оболочки Ө(r) в стационарном режиме для rS ≤ r <∞ рисунок 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.
Для упрощения решения поставленной задачи вводим следующие допущения:
- Коэффициент теплоотдачи внешней поверхности стенки оболочки α и коэффициент теплопроводности материала оболочки λ заданы и неизменны.
- Стенка оболочки бесконечная, достаточно тонкая и в направлении нормали к ней нет градиента температуры.
- 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:
Следовательно получим решение которое имеет следующий вид:
где
- Ө(r)= ӨF – ӨС — перегрев стенки относительно охлаждающей среды на расстоянии r от центра источника тепла.
- К0 и K1 — модифицированные функции Бесселя.
Следовательно коэффициент определяется по формуле:
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 представленную на рисунке 2:
где
- R1=1/(αF) — тепловое сопротивление поверхности F относительно охлаждающей среды.
- RСПП, RСПП-ТП, RТП — тепловые сопротивления СПП, контакта «СПП — теплопереход», непосредственно теплоперехода.
Соответственно тепловой коэффициент стенки оболочки будет вычисляться:
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:
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:
Затем рассчитаем тепловую мощность, рассеиваемую поверхностью F при ее перегреве:
Считая поверхность F изотермической, поэтому во втором приближении получаем:
где
- Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией будет определен по формуле:
- Лучеиспусканием поверхности F при ее перегреве:
Далее получаем следующую зависимость:
Далее определим по (2) и так далее:
Соответственно получаем следующее неравенство:
При выполнении условия расчет прекращаем и принимаем выражение:
Практический расчет на основании полученных формул
Подставляя уравнение (5) в уравнение (2) далее производим следующие вычисления:
- 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 уравнение (4) в уравнение (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.
- Q2(1)=0.3Qo.
Одним из способов увеличения теплоотдачи внешних стенок оболочки является их оребрение.
Это создается путем обоснованного выбора следующих параметров ребер:
- Толщины ребер.
- Профиль оребрения.
- Расстояния между ребрами.
- Соотношения высоты ребер.
За счет этого, можно создать оптимальную по критерию максимума теплоотвода конструкцию теплоотводящей поверхности для конкретных условий эксплуатации проектируемого устройства.
Решению задачи посвящено значительное количество публикаций, например таких как в работах [5 и 6].
Данный метод расчета температурного поля стенки оболочки можно использовать для:
- Гладких стенок при естественном и принудительном воздушном и жидкостном их охлаждении.
- 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, а именно:
- Условия задачи и допущения принимаем те же, что и ранее.
- При этом среднюю температуру поверхности S1 (рисунок 3, а) считаем заданной.
- Источник тепла представляет собой диск радиусом ri, соединенный с поверхностью стенки с помощью теплоперехода.
Задаваясь температурой Ө2 рисунок 3 определим рас стояние от центра источника тепла до линии изотермы стенки с температурой Ө2:
где
- а) температурное поле стенки.
- б) эквивалентная тепловая схема.
Эту задачу можно решить, используя систему уравнений:
где
- S2=πr22 — S1 — площадь теплоотдачи.
- Qo — тепловой поток, рассеиваемый поверхностью Si .
- Q’1 — тепловой поток, рассеиваемый поверхностью S2.
- Q — тепловой поток от источника тепла к стенке оболочки.
- r2 — расстояние от центра источника тепла до изотермы Ө2.
- Q1 — тепловой поток, распространяющийся по стенке от источника тепла до изотермы Ө2.
Решая эту систему уравнений, получим зависимость:
Введем обозначения А и В:
Тогда уравнение (7) будет представлено в следующем виде:
Для общности заменим r2 на х и обозначим:
Следовательно в окончательном виде будем иметь:
Решая уравнение (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 уравнения (9) и определения параметров схемы размещения совокупности СПП на теплоотводящей стенке оболочки разработаны программы для проведения расчетов на ЭВМ.
На рисунке 4 для сравнения представлены расчетные и экспериментальные данные определения температурного поля плоской стенки, подтверждающие применимость методик расчета для практических целей:
где
- 1 -расчет методом тепловых схем.
- 2 — расчет аналитическим методом.
- °- экспериментальные данные.
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
- Плетнев А.И., Охлаждение полупроводниковых вентилей рудничных выпрямителей и Взрывозащищенные электрические аппараты: Сборник научных трудов ВНИИВЭ, Под общей редакцией В.С. Дзюбана — Донецк, 1991 год, страницы 81-90.
- 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: Сборник научных трудов выпуск 23, ВостНИИ, Кемерово, 1974 год, страницы 50-55.
- Изоляционные диски ДК и ДКМ. Технические условия ТУ 16.528.190-80.
- Славик И., Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей — Москва: Энергоатомиздат, 1989 год, страница 180.
- Краус А.Д., Охлаждение электронного оборудования — Ленинград: Энергия, 1971 год, страница 247.
- Теплообмен радиоэлектронных аппаратов / Г.Н. Дульнев, Э.М. Семяшкин — Ленинград: Энергия, 1968 год, страница 360.
Источник: Расчет тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов во взрывозащищенном электрооборудовании / В.Г. Каширских // Вестник КузГТУ, 2005 год, №4.1, страницы 3-6.
