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. 133. Ребро охладителя с обозначением размеров и кривая изменения перегрева

Густота ребрения ограничена необходимостью обеспечить свободное движение воздуха между ребрами при скоростях, используемых в преобразователях (обычно до 6 и не более 10 м/с). Опыт показывает, что между ребрами достаточно зазора шириной 2-4 мм.

Толщину ребра можно определить из условия заданного перепада температур на ребре или из условия заданной мощности, которую ребро должно отвести. Для ребра длиной / и толщиной d (рис. 133), у которого можно считать одинаковой температуру по всей его ширине (размер v), справедливо уравнение

a4 = Q,

(22)

Здесь а -удельная теплоотдача, Вт-м-К /-2(t+) периметр торцевой охлаждающей поверхности, м, --теплопроводность ребра, Вт-м-К-; сечение реб-ра, м.

Решение этого уравнения имеет вид

9 = /1е + Бе

(23)

Постоянные А В найдем из условия, что температура в начале ребра равна Эо, а в конце 9,:

2sha/ 2sha/

(24)

Если все тепло, поступающее на ребро, должно быть отведено его стенками, градиент температуры на конце ребра должен быть нулевым:

(25)

fdb\ \dx

= 0.

Отсюда получим температуру на конце ребра

(26)

Для мощности, поступающей на ребро в сечении х = 0 справедливо

Отсюда

P=oXsaibal. (28)

Для алюминиевого ребра (5 = 200 Вт-м К~) шириной v =

= 0,1 м при удельной теплоотдаче а = 50 Втм~ К , при скорости воздуха 4-6 м/с и при условии 9о = 15. К

9,=-i. (29)

chO,7-;=

Это выражение графически изображено на рис. 134 для ребер толщиной d, равной 1, 2 и 5 мм. Отсюда видно, что для ребра длиной 3 см разница перепадов температур у ребер толщиной 5 и 1 мм составляет лишь 2,8 К, т. е. очень мала.

Отдаваемая таким алюминиевым ребром мощность

Р = 210 yth 0,74=-

(30)

Это выражение показано графически на рис. 135. Здесь видно, что охлаждающие способности ребер толщиной 1 и 5 мм при длине 3 см различаются незначительно. Поэтому выбор толщины ребер охладителя определяется только технологией изготовления.

При выдавливании алюминиевых профилей можно получить отношение ширины и длины зазора между ребрами от 1:3 до 1:4. Толщина ребра при длине 3-4 см должна быть не менее 2 мм.

Вентиляторы для принудительного охлаждения силовых полупроводниковых преобразователей могут быть осевыми, центробежными (радиальными) и диаметральными.

Осевые вентиляторы перемещают воздух в направлении оси вращения лопастей и.,предназначены для подачи большого количества воздуха при небольшом давлении.

Центробежные вентиляторы всасывают воздух в осевом направлении и выбрасывают его в тангенциальном направлении через выходное отверстие под действием центробежной силы.

Диаметральные вентиляторы работают на том же принципе, что и известная турбина Банки. Воздух в них поступает в барабан вентилятора снаружи в тангенциальном направлении, проходит через его внутреннюю поверхность и на противоположной стороне снова тангенциально выходит наружу.

1м laquo;

о 1 г i,cn

Рис. 134. Зависимость перегрюва Э от длины ребра / для трех разных толщин ребра (/ (см. рис. 133)

Рис. 135. Зависимость мощности Р, отводимой ребром охладителя, от длины ребра / для трех различных толщин d

Предприятие MEZ (г. Наход) выпускает осевой вентилятор типа Mezaxial, предприятие LVZ (г. Либерец) - центробежный вентилятор VA 750-45; предприятие ZTS EVU - диаметральный вентилятор (опытный образец).

При выборе вентилятора определяющими параметрами являются общий перепад давления в вентилируемом устройстве и необходимое количество воздуха или необходимая скорость перемещения воздуха через охладители. При выборе размещения вентилятора необходимо следить за тем, чтобы не превысить его собственную допустимую температуру. Это может случиться при вытяжной вентиляции, когда вентилятор помещается в потоке нагретого воздуха (см. рис. 59). Перегрев вентилятора может вызвать выход из строя подшипников или обмотки двигателя.

На рис. 136 показаны характеристики семи типичных вентиляторов, которые используются для принудительного охлаждения преобразователей. Осевые вентиляторы представлены типами 2CKI - 152 производства фирмы Siemens (ФРГ) и Mezaxial 3201 или 3112 производства чехословацкого предприятия MEZ (г. Наход). Центробежный вентилятор типа RNC250 чехословацкого производства представлен в исполнении с шести- и четырехполюсным электродвигателями (частота вращения 980 и 1400 об/мин). Очень хорошую характеристику имеет двойной центробежный вентилятор VA750-45 с относительно небольшой потребляемой мощностью. Центробежный вентилятор 2CF4-311 фирмы Siemens (ФРГ) имеет почти прямолинейную характеристику. Расход воздуха в нем при повышении давления быстро падает. Диаметральный вентилятор предприятия ZTS EVU, который к моменту выхода в свет книги находился в стадии испытаний установочной серии, имеет

Рис. 136. Характеристики вентиляторов

Рис. 137. Двойное охлаждение шкафа преобразователя двумя диаметральными вентиляторами. Толстые стрелки внешний контур воздуха, тонкие стрелки - внутренний замкнутый контур циркуляции воздуха

почти постоянное давление при расходе воздуха в пределах от 1000 до 2000 м gt;.

Для точного расчета вентилятора необходимо знать характеристику вентилируемого устройства, которая определяется его аэродинамическими сопротивлениями.

Что касается количества воздуха, в первом приближении можно считать, что для отвода потерь в 1 кВт при перегреве воздух на 10 К необходимо около 300 м/ч. Между перегревом и необходимым количеством воздуха существует нелинейная зависимость.

-Входные и выходные отверстия вентилятора должны выполняться так. Чтобы скорость воздуха в них не превышала 2-4 м/с. Слишком малые отверстия являются причиной большого шума вентилятора.

Шум тесно связан с частотой вращения вентилятора. Наименьший шум имеют низкооборотные диаметральные вентиляторы, которые используются для вентиляции крупных блоков, а также для общей вентиляции шкафа по.схеме рис. 137. Такую вентиляцию использует фирма REFU (ФРГ) для преобразователей, работающих в пыльной или влажной среде. Внутренняя циркуляция воздуха в laquo;чистой raquo; части преобразователя позволяет достичь степени защиты IP20.

Для измерения скорости и температуры воздуха фирмы Testometr (ФРГ) выпускает специальный цифровой анемометр с измерителем температуры типа Technovent 4000; Этот прибор

Вход и вь1Ход

Охладитель

4500

Рис. 138. Групповое охлаждение шкафов преобразователей с охладителем выходящего воздуха

измеряет скорость воздуха в диапазоне от 0,4 до 40 м/с и температуру воздуха в диапазоне от -30 до +100 deg; С. Прибор пригоден для подробного изучения распределения температуры и скорости движения воздуха в преобразователях и их вентиляционных каналах.

Крупные преобразователи и группы преобразователей с большими потерями мощности должны иметь специальные теплообменники, в которых, охлаждается нагретый воздух, после чего снова подается .в преобразователь. Хладоносителем второго контура чаще всего является вода. Пример группового охлаждения преобразователей схематически показан на рис. 138.

4.4. ЖИДКОСТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Жидкости имеют гораздо большие теплоемкость и теплопроводность, чем воздух. Поэтому они могут отвести большую мощность потерь, а при одинаковой мощности потерь расход жидкости для охлаждения существенно меньше, чем расход воздуха.

В качестве охлаждающей жидкости чаще всего используется общедоступная вода, реже масло.

Водяное охлаждение полупроводниковых преобразователей в современных конструкциях используется лишь тогда, когда для отвода потерь недостаточно принудительного воздушного охлаждения. К нему приходится прибегать преимущественно в крупных преобразователях с таблеточными приборами на ток свыше 1000 Айв преобразователях высокой частоты (например, для индукционного нагрева). В самых современных конструкциях использование водяного охлаждения не ограничивается большими мощностями, а осваивается и для небольших преобразователей, главным образом благодаря силовым интег-

VA у/Л

t f-

Рис. 139. Водяной охладитель К1-90 с проточным охлаждением предприятия CKD Polovodice лля приборов типов 867 и 967

ральным модулям, которые не требуют электрически изолированного охладителя. Это существенно упрощает систему водяного охлаждения и позволяет использовать тепловые потери в виде теплой воды.

Самым обычным способом водяного охлаждения является проточное охлаждение, при котором вода из водопровода непосредственно или после подготовки (деионизации) протекает через охладитель и из-него, в сточную систему. Предприятие CKD Polovodice (ЧССР) выпускает для таблеточных приборов 867 и 967 водяной проточный охладитель К1-90 (рис. 139). Его характеристика показана на рис. 140.

Фирма Semikron (ФРГ) выпускает интегральный тиристорный модуль с прямым водяным охлаждением (см. рис. 21). Для водяного охлаждения обычных модулей эта фирма использует плоский водяной охладитель, а для таблеточных тиристоров и диодов ею запатентован охладитель, показанный на рис. 141.

Интересный блок с водяным охлаждением для двух соединенных встречно-параллельно мощных таблеточных тиристоров