ОХЛАЖДЕНИЕ ТИРИСТОРОВ
Превышение температуры р-п-р-п структуры сверх допустимого значения может привести к снижению напряжения (переключения, к тепловому или электрическому пробою тиристора и выходу его из строя. Кроме того, при превышении температуры выше допустимого предела увеличивается время включения тиристора, уменьшаются допустимые величины Du/Dt и Di/Dt
Нагрев тиристора, включенного в электрическую цепь, происходит за счет электрических потерь в его р-п-р-п структуре, а также в контактах и сопротивлениях электродов. Для отвода тепла, выделяющегося в тиристорах, в установках электропривода применяются два основных вида систем охлаждения: естественное воздушное и принудительное воздушное. Выбор системы охлаждения для тиристорных преобразователей зависит от многих обстоятельств: мощности преобразователя, требования надежности работы, характера нагрузки, допустимых габаритов преобразователя, условий работы и т. п.
Рис. 34. Зависимость /Сд=/(а). 1 — трехфазная встречно-параллельная схема; 2 — трехфазная мостовая перекрестная и4 шестифазная нулевая встречно-параллельная схема; 3 — трехфазная перекрестная схема. |
В институте Тяжпромэлектропроект с 1961 г. проводятся работы по созданию тиристорных преобразователей средней и большой мощности с естественным охлаждением. При этом преобразователи отличаются высокой надежностью и простотой эксплуатации, пол
ной статичностью (отсутствуют вентиляторы, необходимые в случае принудительного воздушного охлаждения), бесшумностью работы, несколько повышенным к. п. д. по сравнению с тиристорными преобразователями, где применяется принудительное охлаждение. Нормальный температурный режим работы тиристора при естественном охлаждении обеспечивается тем, что последний устанавливается на соответствующем радиаторе.
Общее количество тепла, выделяющегося в р-п-р-п структуре тиристора, передается к окружающей среде через припой, корпус тиристора, контактную поверхность радиатора под вентилем и, наконец, сам радиатор.
Для установившегося режима перепад температуры Ат при выделении в вентиле мощности Р можно определить по выражению
Лт=тп—X0—PR, (56)
Где — тепловое сопротивление.
Индексы «п», «к», «р», «о» обозначают р-п-р-п переход, корпус тиристора, радиатор и окружающую среду соответственно. Обычно т дается в °С, Р — в вт и R — в град/вт.
Температурный перепад между р-п-р-п структурой тиристора и окружающей средой, как видно из формулы (56), пропорционален мощности потерь Р и сумме тепловых сопротивлений про - межуточных слоев материалов (соответственно Rn.K, /?к. р, Яр.0), Поэтому для уменьшения температурного перепада необходимо стремиться к минимальным величинам этих тепловых сопротивлений.
Величина теплового сопротивления /?Р-0 является функцией конструкции радиатора, величины и состояния его поверхности, материала, из которого он изготовлен, и способа охлаждения. Максимально допустимое тепловое сопротивление радиатора /?Р-0 можно найти из уравнения
Максимально допустимую рабочую температуру р-п-р-п струк» туры тиристора ти устанавливает завод — изготовитель полупровод» никовых приборов. Так, например, для тиристоров типа ВКДУ-150 тп составляет 110° С.
Температура окружающей среды т0 зависит от условий рабо-с ты. Мощность Р определяется схемой преобразователя и параметрами вентиля.
Чем меньше величина теплового сопротивления радиатора Лр-о, тем большие потери мощности Р и, следовательно, большая нагрузка допускаются для тиристора при данной температуре окружающей среды т0.
Тепловая энергия от радиатора в окружающую среду при есте» ственном бхлаждении передается посредством конвекции и излучения. Полная теплоотдача от радиатора определяется известным выражением
Где Qk. h — количество тепла, рассеиваемое радиатором за счет конвекции и излучения (рассеивающая способность), вт ак — коэффициент теплоотдачи конвекцией, вт/см2 • град; аи — коэффициент теплоотдачи излучением, вт[см2 • град; тР — температура радиатора, °С; т0 — температура окружающей среды, °С; 5 — поверхность радиатора, см2 ц — коэффициент эффективности использования ребра.
Отсюда видно, что для увеличения теплоотдачи радиатора необходимо увеличивать суммарный коэффициент теплоотдачи, величину охлаждающей поверхности и коэффициент эффективности использования ребра.
Рис. 35. Радиаторы для естественного воздушного охлаждения тиристоров. А — конструкция, б — экспериментальные тепловые характеристики. |
На рис. 35,а показаны радиаторы различной конструкции, предназначенные для естественного воздушного охлаждения тиристоров. Экспериментальные зависимости перепада температуры «корпус веитиля — окружающая среда» от мощности потерь для этих радиаторов представлены на рис. 35,6, а их технические данные приведены в табл. 5.
Радиатор 7 является стандартным медным шестилопастным радиатором типа Мбл, поставляемым Саранским заводом «Электровыпрямитель», радиатор 8 — стандартный силуминовый литой радиатор Запорожского электроаппаратного завода (на рисунке не показан).
Из табл. 5 видно, что технологичные в изготовлении литые радиаторы обладают большим весом. Сборные радиаторы могут быть выполнены более легкими, однако их конструкция нетехнологична. Предпочтительным является изготовление радиаторов методом выдавливания. На рис. 35,А под «номером 5 показан радиатор, изготовленный из профилированного алюминия. Рассеивающая способность этого радиатора равна 55 вт. На базе этого радиатора сконструированы силовые блоки разработанной в, ГПИ Тяжпромэлектропроект серии тиристорных преобразователей AT. Номинальный выпрямленный ток одного тиристорного блока при трехфазной мостовой схеме равен 100 а (при естественном охлаждении).
При испытании различных типов радиаторов для естественного воздушного охлаждения тиристоров было замечено, что начало гибкого вывода тиристора оказалось самым горячим местом. Его температура на 20° С была выше температуры корпуса тиристора. Поэтому при естественном охлаждении тиристоров, нагруженных током, близким к номинальному, нельзя пренебрегать той частью тепла, которая отводится от р-п-р-п структуры тиристора через гибкий вывод. В тиристорных возбудителях мощных прокатных двигателей на гибкие выводы вентилей установлены охлаждающие пластины (9 на рис. 35,а). Температура гибкого вывода при этом снизилась на 20° С и не отличалась от температуры корпуса вентиля. Мощность возбудителя составляет 46 кет. Вентили силовой части преобразователя укреплены на литых силуминовых. радиаторах увеличенных размеров (/ на рис. 35,А). Радиатор рассчитан на отвод от тиристоров 125 вт тепловых потерь. Тепловое сопротивление радиатора не превышает 0,32 град/вт. Однако габариты и вес этого радиатора значительны.
Длительная безаварийная промышленная эксплуатация тиристорных возбудителей показала, что сконструированные радиаторы обеспечивают нормальный тепловой режим работы вентилей.
Более показательным примером успешного применения естественного охлаждения тиристоров может служить мощный тиристорный преобразователь для питания прокатного двигателя клети проволочного стана. Номинальная мощность преобразователя составляет 700 кет. При такой значительной мощности преобразователь весьма компактен. Габариты преобразователя вместе с системой управления и тиристорным возбудителем двигателя составляют всего 2 500X900X11 800 мм.
Силовая часть преобразователя выполнена открытой без боковых стенок, что облегчает отвод тепла от радиаторов путем естественной конвекции и делает этот метод охлаждения достаточно эффективным. Крыша преобразователя имеет жалюзи.
Радиаторы изготовлены из алюминия, конструкция сборная (3 на рис. 35,а). Радиатор способен отводить 100 вт тепловых потерь, и его тепловое сопротивление составляет 0,4 град/вт. На рис. 35,6 под номером 3 приведена экспериментальная характеристика для этого радиатора. Вес радиатора относительно невелик и равен 6,5 кг.
Таким образом, создание мощных тиристорных преобразователей до 1 000 кет с естественным охлаждением вентилей не представляет больших затруднений.
Для охлаждения тиристоров в преобразователях средней и большой мощности обычно применяется принудительное воздушное охлаждение [Л. 29]. Радиаторы, изготовляемые заводами электро-
6—1333 73
Таблица 5 |
Максимальная мощность рассеяния радиатора при =40° I Вт |
Тепловое сопротивление радиатора #р-о» Град Fern |
Площадь охлаждаемой поверхности радиатора S, см* |
Вес G, Кг |
S ' Вт/см* |
Примечание |
Материал |
G 9 Вткг |
1 |
Силумин |
15 |
7 200 |
125 |
8,35 |
0,0174 |
0,32 |
2 |
Алюминий |
10,1 |
6 480 |
130 |
12,8 |
0,02 |
0,308 |
3 |
То же |
6,5 |
6300 |
100 |
15,4 |
0,0159 |
0,4 |
4 |
То же |
4,25 |
8 300 |
105 |
24,8 |
0,0126 |
0,381 |
5 |
Материал |
2,1 |
1920 |
55 |
20,6 |
0,0286 |
0,73 |
АД31С |
|||||||
6 |
Алюминий |
1,9 |
5 100 |
88 |
46,3 |
0,0153 |
0,454 |
7 |
Медь |
1,85 |
960 |
34 |
18,3 |
0,035 |
1,18 |
8 |
Силумин |
1,15 |
1250 |
45 |
39,1 |
0,036 |
0,88 |
9 |
Алюминий |
0,22 |
250 |
14,5 |
70 |
0,058 |
2,76 |
Радиатор литой
Ребра впрессованы в коллектор радиатора
Ребра привинчены к коллектору радиатора
Ребра привинчены к коллектору радиатора
Радиатор из профилированного алюминия
Радиатор сборный
Типовой радиатор Мб л Саранского завода, Электр овы прями те ль"
Типовой радиатор Запорожского электроаппаратного завода
Радиатор на гибкий вывод тиристора
Промышленности, рассчитаны на применение обдува со скоростью 10—15 м/сек. Для получения такой скорости охлаждающего воздуха преобразователи конструируются с шахтой, в верхней или нижней части которой устанавливается вентилятор.
Для рхлаждения группы тиристорных преобразователей целесообразно принять централизованную вентиляцию. Но в этом случае возникают затруднения с распределением воздуха по преобразователям при помощи воздухопроводов. Для мощных преобразователей рекомендуется подавать охлаждающий воздух снизу, а нагретый воздух выбрасывать через отводящие короба в другое помещение.
При принудительном воздушном охлаждении теплоотдача происходит главным образом за счет вынужденной конвекции. При этом способе охлаждения можно достигнуть низких значений теплового сопротивления радиаторов.
Тиристорные преобразователи с принудительным воздушным охлаждением имеют меньшие габариты по сравнению с преобразователями с естественным охлаждением, но им присущи некоторые существенные недостатки: снижение надежности с введением в конструкцию статического преобразователя вращающегося вентилятора; шум при работе вентилятора; сильные шумы внутри агрегата в случае вытяжной вентиляции при скорости охлаждающего воздуха больше 6—8 м/сек; загрязнение всех элементов преобразователя пылью, засасываемой вентилятором; значительные вибрации, возникающие при работе вентилятора; необходимость установки дополнительной аппаратуры контроля исправной работы вентилятора (ветровое реле и т. д.), сигнализации и защиты преобразователя в случае выхода вентилятора из строя.