CC BY
39
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ УДК 621.34.6.017.72:622
В.Г. Каширских
ОХЛАЖДЕНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В РУДНИЧНОМ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ
Известно, что до 60% вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется электроприводами промышленных машин и установок, при этом их подавляющая часть - нерегулируемые электроприводы. Переход к регулируемым электроприводам является одним из основных путей не только энергосбережения (до 30%), но и ресурсосбережения, путем ограничения чрезмерных динамических нагрузок в электромеханической системе горных машин и за счет организации рациональных режимов работы.
Условия работы подземных горных и транспортных машин характеризуются резкопеременной случайной нагрузкой, частыми перегрузками и экстренными стопорениями, повторными пусками электроприводов, наличием нелинейных звеньев и рядом других причин, которые обусловливают высокую динамическую нагруженность и преждевременное разрушение элементов машин. По этой причине, например, очистные комбайны не отрабатывают заложенный при проектировании ресурс на 20-40%. Применение регулируемого электропривода для этих условий необходимо и полностью соответствует существующей «Программе технического перевооружения шахт Кузбасса» и современным концепциям дальнейшего развития угольной отрасли [1, 2].
После более чем десятилетнего спада промышленного производства, в настоящее время в России отмечается рост объемов производства, в том
числе в угольной промышленности, где, как и в других отраслях, острейшей является проблема замены изношенного и морально устаревшего оборудования. В новых условиях хозяйствования этот процесс происходит пока слишком медленно. Приобретается, в том числе, и дорогостоящее импортное оборудование по стоимости до 10 раз превышающей стоимость отечественного оборудования того же класса [1].
Чтобы исключить импорто-зависимость, нам необходимо разрабатывать и выпускать в достаточном количестве свои горные машины, соответствующие современному техническому уровню и являющиеся конкурентоспособными. Они должны базироваться на использовании регулируемого электропривода на основе силовых полупроводниковых преобразователей, преимущества которого перед нерегулируемым в настоящее время очевидны, однако широкого распространения в составе горных и транспортных машин для подземных условий угольных шахт он не получил по ряду причин. Одной из главных, по нашему мнению, является проблема эффективного охлаждения силовых полупроводниковых приборов
(СПП), размещенных в замкнутом объеме взрывонепроницаемой оболочки.
Наличие в окружающей среде 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 взрывозащищенных преобразователей, которое во многом определяется именно системой охлаждения СИП.
Применение систем охлаждения, используемых в электрооборудовании общепромыш-
ленного назначения, в данном случае неприемлемо из-за низкой эффективности отвода тепла из замкнутого объема оболочки или несоответствия требованиям нормативных документов к рудничному взрывозащищенному электрооборудованию. Для этих условий необходимы специальные высокоэффективные системы охлаждения СПП.
Потребность предприятий России в различных СПП на токи от 10 до 6300 А напряжением до 6000 В может удовлетворить ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск), являющийся пока монополистом в этой области [3]. Здесь выпускаются высококачественные СПП всех типов, производившиеся ранее в СССР, а также новые поколения СПП (ЮБТ, вТО и др.). В последние годы темпы прироста объемов производства в этой отрасли составляют 20% и более.
Кроме того, в Сибирском регионе разработана на длительную перспективу региональная межотраслевая программа «Силовая электрика Сибири» [4], включающая в себя
Электротехнические комплексы и системы
29
проекты по развитию производств материалов, приборов и систем силовой электроники. Этой программой предусмотрен широкий спектр мероприятий, в том числе выпуск преобразователей частоты для общепромышленных электроприводов мощностью до 350 кВт и пусковых устройств для асинхронных электродвигателей, которые
необходимы для электроприводов горных машин и могут быть адаптированы к использованию в подземных условиях угольных шахт.
На кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ проведен комплекс исследований, на основании которого разработаны системы кондуктивного, водяного и испарительного охлаждения СПП для рудничного взрывозащищенного электро-
оборудования.
В качестве основного теплоотводящего элемента для кондуктивной системы охлаждения используется сама взрывонепроницаемая оболочка, выполняющая функции непосредственного теплоотвода. При этом СПП располагается на плоском медном радиаторе, который прижимается к внутренней части плоской стенки оболочки с помощью специального устройства через теплопереход. Внешняя поверхность стенки оболочки в этом случае может охлаждаться различным образом.
Теплопереход выполняет функции электроизолирующего элемента и должен обладать соответствующей дугостойко-стью и высокой теплопроводностью. Совместно с ВостНИИ нами были проведены испытания различных материалов для этих целей. Наилучшие результаты были получены при использовании эпоксидных компаундов, наполненных пылью кварца или алюминоксида, в то время как различные плёночные теплопереходы оказались не дугостойкими. Для упрощения технологии при сборке преобразователя, теплопереходы могут
изготавливаться отдельно в виде дисков или пластин из компаундов или алюминоксида.
Для кондуктивной системы охлаждения нами была разработана методика теплового расчёта для одиночного СПП и группы СПП с учётом их теплового взаимодействия через металл стенки оболочки при различной интенсивности охлаждения ее наружной поверхности, 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.
Проверка методики была произведена на специальном макете, представляющем собой взрывонепроницаемую оболочку с различными схемами размещения СПП и при различной интенсивности охлаждения внешних теплоотводящих стенок оболочки. Расхождения между расчётами и экспериментами не превысили 10%. При этом допустимая нагрузка по току, например для вентилей ВКД-200 при их благоприятном размещении, в длительном режиме работы составила:
- естественное воздуш-
ное охлаждение гладкой внешней поверхности оболочки с коэффициентом теплопередачи а«10 Вт/м2град - 0,521Н;
- принудительное воз-
душное охлаждение гладкой поверхности оболочки (а«50 Вт/м2град при УВ =3 м/с) - 0,68 1н;
- принудительное воз-
душное охлаждение оребрённой поверхности оболочки (а» 125 Вт/м2град при УВ=3 м/с) - 0,85
1н;
- принудительное водя-
ное охлаждение гладкой поверхности оболочки (а«2100
Вт/м2град при Рв=5 л/мин и температуре воды 20оС) - 1,0 1Н.
Здесь 1н - номинальное значение тока в соответствии с паспортом СПП.
Достаточно высокую эффективность и надежность кон-дуктивной системы охлаждения СПП, заключенных в рудничную взрывонепронепрони-цаемую оболочку, подтвердили успешные испытания в условиях шахты им. С.М. Кирова в Кузбассе специального тиристорного преобразователя, разработанного и изготовленного на кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ для управления рудничными электровозами 8АРП-900 и 13АРП-900 с целью плавного бесконтактного и экономичного регулирования тягового и тормозного токов.
Наибольшая эффективность теплоотвода была нами достигнута при использовании испарительного охлаждения СПП. Было разработано несколько вариантов конструкции, из которых к практическому использованию в рудничном взрывозащищенном электрооборудовании можно рекомендовать модуль с трехфазной мостовой схемой соединения таблеточных СПП на основе индивидуальных охладителей-термосифонов и общим для них конденсатором, который передает тепло плоской стенке оболочки, охлаждаемой снаружи технической водой.
Параметры режима теплоотдачи зависят от многих факторов, в том числе и от выбора хладоагента испарительной системы. Для этих целей нами были использованы кремнийорга-ническая и фторорганическая жидкости, а также дистиллированная вода, обладающая наибольшей теплоемкостью, стабильностью характеристик и низкой стоимостью.
При проведении тепловых испытаний этого модуля с использованием дистиллированной воды было обеспечено отведение тепловой мощности 4,2
кВт в длительном режиме. При этом наибольшая температура корпусов СПП составила 105 -108 °С. Полученный результат не является предельным по теплопередаче для данного модуля, а определялся лишь мощно-
стью лабораторной установки.
Результаты испытаний разработанных систем охлаждения СПП подтверждают возможность создания высокоэффективных силовых полупроводниковых преобразователей в руд-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ничном взрывобезопасном исполнении для регулируемых электроприводов горных и транспортных машин, а конкретная разработка может быть нами выполнена по техническому заданию заказчика.
1. Мазикин В.П., Вылегжанин В.Н. Новая концепция перспективных направлений создания комплексной механизации ШНТУ для освоения Восточного Кузбасса// Материалы международной конф. «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001.-С. 9-13.
2. Разумняк Н.Л., Мышляев Б.К. Пути создания высокоэффективных технологических схем угледобычи// Материалы международной конф. «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001.-С. 13-25.
3. Чибиркин В.В., Елисеев В.В., Гейфман Е.М., Епишкин А.Н. Разработка и производство силовых полупроводниковых приборов на ОАО «Электровыпрямитель»// Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», часть 1, Екатеринбург, 2003.-С. 315-318.
4. Кузнецов Ф.А., Резниченко М.Ф., Асеев А.Л. и др. Региональная межотраслевая программа «Силовая электроника Сибири»// Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», часть 1, Екатеринбург, 2003.-С. 281-285.
□ Авторы статьи:
Каширских Вениамин Георгиевич
- канд. техн. наук, доц., зав. каф. электропривода и автоматизации
УДК 658.567.1:621.311.031.004.18
П. Д. Гаврилов, Е. А Лир, А. А. Неверов
ПРОБЛЕМА РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
О проблеме энерго- и ресурсосбережения говорят уже давно и довольно много. И, тем не менее, эта проблема и по сей день остается одной из наиболее актуальных. Достаточно указать, что в настоящее время эффективность использования энергоресурсов у России не превышает 30% [1, 2], и это при том, что, по оценкам Международного энергетического агентства, подтвержденных мировых запасов хватит:
- нефти - на 40-60 лет,
- газа - на 60-80 лет,
- угля - на 200-250 лет,
- урана 235 - на 50-100 лет.
Так как две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преобразуется
различными электроприводами
в механическую энергию [3], и учитывая, что в народном хозяйстве России, по данным Главгосэнергонадзора, почти
60% излишнего энергопотребления приходится на асинхронные электродвигатели, у которых требуется регулирование частоты вращения [4], то, наконец, и в России с чрезмерно большим опозданием (в середине 90-х г.г.) осознали опасность большой энергоемкости ВВП. На Западе это осознали в середине 70-х г.г.
Дело в том, что лишнее необоснованное энергопотребление электроприводов должно компенсироваться электростанциями (преимущественно тепловыми). Следовательно, возникают дополнительные потери,
пропорциональные лишней энергии, в ЛЭП, трансформаторах, котлах, турбинах, электрогенераторах, тягодутьевом, топливо- и водоснабжающем оборудовании. Это вынуждает расходовать на каждый полезно используемый кВт в электроприводе дополнительно чрезмерно большое количество топлива.
В [4] написано: «Недооценка энергосбережения уменьшила до критического уровня надежность энергоснабжения России, а продолжающийся рост энергоемкости ВВП, без принятия экстренных мер по энергосбережению вызовет серьезные негативные последствия для всей экономики страны в целом.
... В качестве первоочеред-
