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. 117. Зависимость коэффициента теплоотдачи а при естественном охлаждении от перегрева Э

Коэффициент теплоотдачи для спокойного воздуха и перегрева тела от О до 200 К графически изображен на рис. 117 (заштрихованная область), где нижняя часть относится к гладким металлическим поверхностям без покрытий, а верхняя- к шероховатым, окрашенным или черненым поверхностям. Поверхности сложной конфигурации, например ребристые, эффективно излучают тепло только через лицевые участки. Теплоотдача путем теплопроводности происходит, главным образом, в твердых телах и жидкостях, в которых теплопроводность значительно выше, чем в газах. Теплопроводностью тепло передается из мест своего возникновения к охлаждающей поверхности, откуда затем отводится, в основном, излучением и конвекцией (в случае жидкостного охлаждения здесь частично играет роль и теплопроводность).

Для теплопроводности справедливы физические законы, основанные на законе сохранения энергии. Температурные поля в полупроводниковых приборах, охладителях и других элементах преобразователей очень сложны, и их точный расчет даже в установившемся состоянии практически невозможен. Поэтому используются упрощающие допущения, позволяющие выполнить хотя бы приближенные расчеты: коэффициент теплопроводности не зависит от температуры; теплопроводность имеет одномерный характер.

Первое допущение на практике хорошо выполняется. При температурах от -10 до +200 deg; С, с которыми приходится встречаться в преобразователях, коэффициент теплопроводности меняется незначительно, в пределах нескольких процентов.

Второе допущение основано на том, что через тело, проводящее тепло, можно провести систему сечений, которые являются изотермическими поверхностями. Между этими поверхностями (если они находятся на относительно близком расстоянии) тепло передается только в направлении, перпендикулярном поверхностям. При простой форме тел, например стержни, ребра охладителей и т. д., градиент температуры в одном из трех направлений можно считать нулевым, сделать плоское сечение и вести расчет теплопередачи в плоскости направлений теплопотоков.

При этих допущениях для расчета теплопроводности можно

использовать законы, аналогичные законам Ома и Кирхгофа для электрического тока

Перепад температур на участке с тепловым сопротивлением Л, К/Вт, равен

9 = Л,Р, (18)

где Р-передаваемая мощность; О - перепад температур.

Тепловое сопротивление равно перепаду температур, создаваемому потоком мощности в 1 Вт. При предполагаемом одномерном и линейном тепловом потоке тепловое сопротивление определенного участка цепи теплопередачи в теле равно

R -

(19)

где Х - теплопроводность материала, Вт-м~-К~; /-длина участка теплопередачи, на котором тепло идет только в одном направлении - в направлении градиента, м; 5 - площадь сечения, м, через которое тепло проходит на рассматриваемом участке длиной /.

Тепловые сопротивления используются при тепловых расчетах так же, как электрические сопротивления при электрических расчетах. Они входят в расчетную формулу как последовательно или параллельно соединенные, образуя тепловую сеть. При расчете установившихся состояний в расчетные формулы теплопроводности входят только тепловые сопротивления. При расчетах переходных процессов приходится учитывать также теплоемкость и использовать дифференциальные уравнения первого порядка.

Дл конструкции преобразователей решающее значение имеют установившиеся тепловые явления, которые определяют максимальные значения температуры во всех точках преобразователя. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только установившиеся, неизменные во времени состояния.

От места своего возникновения тепло должно дойти до охлаждаемой поверхности. В полупроводниковых приборах тепло возникает прежде всего непосредственно в полупроводниковом переходе. Изготовители полупроводниковых приборов указывают в каталогах внутреннее тепловое сопротивление прибора /7 -л-переход - корпус Лт.п.к- Если прибор установлен на охладителе, между источником тепла и окружающей средой действуют три тепловых сопротивления:

внутреннее тепловое сопротивление прибора Л.п.к;

тепловое сопротивление контакта между корпусом прибора и охладителем Лт.к.о;

тепловое сопротивление охладителя или, точнее, между охладителем и окружающей средой /?т.о.с-

in г? t?o ?с

Рис. 118. Схема замещения для расчета сопротивлений при одностороннем охлаждении

Общее тепловое сопротивление полупроводникового прибора, установленного на охладителе, равно

т.п.к + Лт.к.о+/?т.о.с-- р

(20)

где 0 -температура перехода; - температура окружающей среды.

При отводе тепла с одной стороны (щтыревые приборы) взаимодействие отдельных тепловых сопротивлений схематически показано на рис. 118. При двухстороннем отводе тепла (таблеточные приборы) внутренние тепловые сопротивления со стороны анода R, ,{A) и катода R, {к) различны. Схематическое изображение взаимодействия тепловых сопротивлений при двухстороннем охлаждении показано на рис. 119.

Значения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов предприятия CKD (г. Прага, ЧССР) приведены в табл. 6-8. Для таблеточных вентилей указано результирующее тепловое сопротивление при двухстороннем охлаждении.

В каталогах указывается также общее сопротивление контакта Лт.к.о- Если для таблеточного прибора используется одностороннее охлаждение, можно рассчитать частные тепловые сопротивления по эмпирическим формулам

laquo;т.п.Л)= 1,9 laquo;,. .,; Л, . laquo;(/) = 2,1Л, .,.

В силовых полупроводниковых преобразователях используются следующие способы охлаждения:

воздушное (естественное и принудительное); жидкостное (водяное и масляное); испарительное.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, которые необходимо тщательно проанализировать с технической и экономической точек зрения при выборе способа охлаждения, чтобы выбор был оптимальным.

amp; (А) J?. (А)

Рис. 119. Схема замещения для расчета тепловых сопротивлений при двухстороннем охлаждении

. 4.3. ВОЗДУШНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Самым простым и надежным, однако наименее эффективным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение. Элементы, которые должны охлаждаться, находятся при этом в относительно свободном потоке воздуха, который движется около них лишь под действием разности плотности теплого и холодного воздуха. Кроме того, здесь проявляется излучение, для которого должны быть созданы условия специальной обработкой поверхности (окраска, создание шероховатости, чернение), чтобы коэффициент теплоизлучения был возможно большим и чтобы окружающая среда была способна воспринимать и отдавать далее энергию излучения.

Охладители для естественного охлаждения силовых полупроводниковых приборов должны иметь большую поверхность и создавать laquo;эффект трубы raquo;. Охладитель для естественного охлаждения предприятия CKD Elektrotechnika предназначен главным образом для тяговых преобразователей. В малых преобразователях с естественным воздушным охлаждением многие зарубежные фирмы используют охладители большой площади с желобчатыми ребрами. Желобки на ребрах значительно увеличивают поверхность, что проявляется в уменьшении теплового сопротивления охладителя. Такие охладители из профиля с размерами сечения 110 х 117 мм с семью ребрами вьшускает шведская фирма ASEA. Другим примером является охладитель французской фирмы Jeumont - Schneider.

На подстанциях и в преобразователях для электрической тяги с большим отношением пиковой и минимальной нагрузок оченьVчасто исгюльзуется естественное охлаждение. В то время как при принудительном охлаждении охладители обдуваются последовательно в потоке воздуха, при естественном охлаждении последовательное охлаждение охладителей исключается, так как температура воздуха после охлаждения каждого охладителя повышается. Специальной формой и размещением охладителей обеспечивается параллельное охлаждение охладителей, так что в каждый из них поступает воздух приблизительно одинаковой температуры. Этим достигается одинаковое использование всех силовых полупроводниковых приборов и исключается необходимость уменьшения мощности преобразователя с учетом допустимой нагрузки самого горячего прибора.

Естественное охлаждение на тяговых подстанциях применяется также и по той причине, что на них достаточно места для размещения крупногабаритных преобразователей, так как первоначально они строились в расчете на ртутные выпрямители, которые имели гораздо больший объем, чем современные полупроводниковые.

Трансформаторы и дроссели, а также остальные узлы преобразователей имеют обычно естественное охлаждение. Однако принудительное воздушное охлаждение может позволить существенно уменьшить их размеры, что видно из рис. 59.

Наиболее распространенным способом охлаждения силовых полупроводниковых приборов является принудительный обдув. При этом прибор отдает свое тепло в охладитель, обдуваемый потоком воздуха, создаваемым вентилятором. Главную роль здесь играет конвекция, в то время как ролью теплоизлучения и теплопроводности в отдаче тепла из охладителя в поток воздуха можно пренебречь.

Охладитель для принудительного воздушного охлаждения представляет собой металлическое тело со сложной поверхностью большой площади. Увеличение площади достигается за счет использования ребер, отверстий, желобков. Материал охладителей должен иметь возможно большую теплопроводность. На ранних этапах развития силовой электроники использовались медные охладители. Они состояли из массивной медной плиты, к которой припаивались ребра из медного листа. Охладитель сегодня, как правило, пригоден для естественного и принудительного охлаждения. В настоящее время во всем мире чаще всего используются алюминиевые охладители из специальных профилей, из которых нарезаются охладители необходимой длины.

В ЧССР чаще всего используются охладители из профиля типа А. Они обычно имеют длину 65, 100 и 140 мм. На лицевой плоскости они снабжаются резьбовым отверстием для ввинчивания соответствующего штыревого прибора (резьба Мб, Ml2, Ml 6, М20) или отверстиями для установки прижимного устройства таблеточных приборов в корпусе РЗО. Кроме того, они имеют отверстия для крепления самого охладителя. Поставляются они чернеными или нечернеными. Для принудительного охлаждения охладители не чернят (рис. 120, й).

Применяются также другие профили чехословацкой фирмы CKD. Профили типов С и F (см. рис. 120, и в соответственно) имеют ребрение со всех сторон, поэтому во всех случаях требуют дополнительной обработки фрезерованием. Профили типов D (рис. 121) и Е (рис. 122) предназначены для двухстороннего охлаждения таблеточных приборов. Прижимное усилие для профиля типа D достигает 3 кН, для профиля Е-15 кН. Профиль типа L (рис. 123) предназначен в основном для интегральных модулей, однако этот профиль может быть использован и для штыревых, и для таблеточных приборов.

Зависимости теплового сопротивления охладителей фирмы CKD от скорости воздуха между ребрами представлены на рис. 124.

е-

О п

2,58