CC BY
55
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.34.6.017.72:622
В.Г. Каширских
РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ВО ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ
Наличие в окружающей среде угольных шахт 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 взрывозащищенного электрооборудования на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП), которое во многом определяется именно системой охлаждения СПП. Известные системы охлаждения СПП взрывозащищенного электрооборудования недостаточно эффективны [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 является одним из основных вопросов при проектировании взрывозащищенного электрооборудования на основе СПП.
В качестве основного теп-лооотводящего 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 теплопе-
реход. Внешняя поверхность стенки оболочки в этом случае может охлаждаться различными путями.
Теплопереход выполняет функции электроизолирующего элемента и должен обладать соответствующей дугостойко-стью и высокой теплопроводностью. Совместно с ВостНИИ, нами проведены испытания различных материалов для этих целей. Наилучшие результаты и разрешение на использование во взрывозащищенном электрооборудовании напряжением до 1000 В было получено для теп-лопереходов на основе эпоксидных компаундов, наполненных пылью кварца [2]. Известны также теплопереходы в виде дисков или пластин из алюминоксида и оксида бериллия [3, 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 (рис. 1) тепловой поток Q0 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 Ql, подведенная к поверхности Е, рассеивается последней в окружающую среду:
Ql=aF(&F-&c) ,
г+йг
а =<*!
©1= ©ср
Рис. I. Распределение тепловых потоков
где ¥-т5 - площадь поверх-
ности, занимаемая теплопереходом; а - коэффициент теплоотдачи поверхности А; ©¥, ©с -температуры поверхности ¥ и окружающей среды.
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.
Сформулируем задачу следующим образом: найти распределение перегревов стенки оболочки © (г) в стационарном режиме для г8 < г <ж (рис. 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 3 и температуру охлаждающей среды ©с считаем заданными.
Для упрощения решения поставленной задачи вводим следующие допущения: 1) коэффициент теплоотдачи внешней поверхности стенки оболочки а и коэффициент теплопроводности материала оболочки Л заданы и неизменны; 2) стенка оболочки бесконечная, достаточно тонкая и в направлении нормали к ней нет градиента температуры; 3) принимаем поверхность ¥=лг^ 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:
Qг = -2лЛ5г^©;
Q2 = 2пга(©г - ©с);
Qг - Qг+dг - Q2=0 ;
Qг+dг = -2пЛ8г х
(1)
, Ы© d©
—dг +---------+-------
2 г dг dг
J
( d2©
dгл
решение которой имеет вид: ©(г) = во . ко(є)
є = .
Яо
2яЛ5ег$ К](аг1$ )
(2)
где 0(г) = 0Е - &с - перегрев стенки относительно охлаждающей среды на расстоянии г от центра источника тепла; К0 и К1 - модифицированные функции Бесселя; коэффициент
-\а/л8 ■
Уравнение (2) будет верно при условии, что поверхность источника тепла Е со стороны охлаждающей среды адиабатическая. Подобное допущение возможно при незначительной величине г$ и с увеличением площади, занимаемой теплопереходом, увеличивается ошибка в определении температурного поля. В нашем случае необходимо учитывать теплообмен поверхности Е с охлаждающей средой. Составим эквивалентную тепловую схему узла охлаждения (рис. 2), где Я1 = 1 / (аЕ) - тепловое сопротивление поверхности Е относительно охлаждающей среды;
V = 1 . К0(^г) - теп-
2яЛ5ег$ К 1(ег$)
ловой коэффициент стенки оболочки; Яспп , Яспп-тп , Ятп -тепловые сопротивления СПП, контакта «СИП - теплопере-ход», непосредственно тепло-перехода.
Считаем, что тепловые потери, выделившиеся в вентиле, разделяются на два тепловых потока Ql и Q2. Тепловой поток Ql рассеивается поверхностью Е в охлаждающую среду, а Q2 -рассеивается остальной частью стенки - Q0 = Ql + Q2 . Зная температуру 0Е поверхности Е, можно для стационарного режима определить температуру полупроводниковой структуры по формуле:
Ев
Ев-тп
Ql
I
|0
Ятп
и
я
2і
Q2
>ср
Рис. 2. Эквивалентная тепловая схема узла охлаждения
0стр = 0Е + Q х
(ЯСПП + ЯСПП -ТП + ЯТП )
(3)
Температуру 0Е будем
определять методом последовательных приближений. В первом приближении задаемся величиной а=а1 и считаем, что
0 =Ql(l) =0 , а 02 =Q2(l) =Qo и по выражению (2) определим перегрев 0(V . Затем рас-
(г=^ )
считаем тепловую мощность, рассеиваемую поверхностью Е
(1)
счи-
при ее перегреве 0
(г=г)
тая поверхность Е изотермической. Во втором приближении
& (1)
Q1( 2) = а(1 )Е&( 1)
(1)
я
(V =а(1) +аО)
(г=%) ’
*к ' -л сум-
марный коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием поверхности Е при ее
перегреве 0(^ . Далее, счи-
(г + г$)
(2)
оп-
тая, что Q2() =Qо ^ ределим по (2) ©(2) и так
г=г?
далее.
При
X
&(п) , -&(п-1). (г—г5) (г—г8)
< АО'
зад.
(г—г8)
расчет прекращаем и принима-
ем
— Ос +
О(п) +О(п-1)
(г+г8) (г+т8)
б2 )
2
( п-1)
(4)
(5)
Подставляя (5) в (2), определим температурное поле стенки в радиальном от источника тепла направлении. Затем, зная температурное поле стенки, определяем величину 0^1расч по известным зависимостям [5, 6] и сравниваем ее с а(1). В том случае, если они различаются на величину, большую наперед заданной, производим корректировку коэффициента теплоотдачи - и вновь делаем расчет. Обычно трех-четырех приближений бывает достаточно для получения удовлетворительных результатов.
Определив температурное поле стенки и температуру поверхности ¥ и зная тепловые сопротивления В-СПП, К-СПЛ-ТЛ, ЯТП, можно рассчитать температуру полупроводниковой структуры вентиля. Для этого нужно подставить (4) в (3) и произвести расчет.
При жидкостном охлаждении теплоотводящей поверхности этот метод расчета полностью не подходит потому, что в первом приближении нельзя принимать О)/1 =0, а О/2 =О0 , так как в отличие от воздушного охлаждения, большая часть тепла рассеивается поверхностью ¥ и меньшая - остальной поверхностью стенки. Поэтому в первом приближении в этом случае следует ориентировочно принять, например,
О/1 =0.7 Оо, а О2(1) =0.3 Оо.
Одним из способов увеличения теплоотдачи внешних стенок оболочки является их оребрение. Путем обоснованного выбора профиля оребрения, соотношения высоты и толщи-
Рис. 3. Определение температурного поля стенки оболочки: а) температурное поле стенки; б) эквивалентная тепловая схема
ны ребер, расстояния между ними можно создать оптимальную по критерию максимума теплоотвода конструкцию теплоотводящей поверхности для конкретных условий эксплуатации проектируемого устройства. Решению задачи посвящено значительное количество публикаций, например [5, 6].
Таким образом, данный метод расчета температурного поля стенки оболочки можно использовать для гладких и ореб-ренных 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. Условия задачи и допущения принимаем те же, что и ранее. При этом среднюю температуру поверхности 51 (рис. 3, а) считаем заданной. Источник тепла представляет собой диск радиусом г1, соединенный с поверхностью стенки с помощью теплоперехода.
Задаваясь температурой ©2 (рис. 3, а, б), определим расстояние от центра источника тепла до линии изотермы стенки
с температурой 02.
Эту задачу можно решить, используя систему уравнений:
О = (&1 — &2)2Ж2Ж _
1 1п г1/г2 ’
& —
0,+&2
2
- С
/
О, + О, — б - Оо’
аБ2; (6)
С1 ' ЪЦ — ыо> где г2 - расстояние от центра источника тепла до изотермы
@2; 52 = пг22 — 51 - площадь
теплоотдачи; О - тепловой поток от источника тепла к стенке оболочки; О0 - тепловой поток, рассеиваемый поверхностью 51; О1 - тепловой поток, распро-
страняющийся по стенке от источника тепла до изотермы 02; О/1 - тепловой поток, рассеи-
ваемый поверхностью 52.
Решая эту систему уравне-
нии, получим зависимость:
01 + 0 2 ~2
х ап \г2 - гі 1п — -
А +
V
1 Г2 )
п — “ —
Г1
- 0
Введем обозначения:
А — {&, - 02 )2ппХ;
В —
'01 - 02 0'
-------|
2
С=б-бо .
ап;
х
і
0,04 0,1 0,2 0,3 0,4
Рис. 4. Сравнение расчетных данных температурного поля с опытными: 1 - расчет методом тепловых схем; 2 - расчет аналитическим методом; °— экспериментальные данные
Тогда (7) запишется в виде: А + В{г22 - г2 )(п г2 - 1пг1) = = С (1п г2 - 1п г1) (8)
Для общности заменим г2 на х и обозначим:
Б = Вг2 + С; Е = В■ 1пг1; Е = А + Вг2 ■ 1пт1 + С ■ 1пт1
и в окончательном виде будем иметь
1п х(Вх2 - Б) = (Ех2 - Е). (9)
Решая (9), определим расстояние от центра источника тепла до изотермы 62. Таким же образом последовательно определяются расстояния до линий изотерм 63 , 64 , ..., 6п .
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 (9) и определения параметров схемы размещения совокупности СПП на теплоотводящей стенке оболочки разработаны программы для проведения расчетов на ЭВМ.
На рис. 4 для сравнения представлены расчетные и экспериментальные данные определения температурного поля плоской стенки, подтверждающие применимость методик расчета для практических целей.
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
1. Плетнев А.И. Охлаждение полупроводниковых вентилей рудничных выпрямителей // Взрывозащищенные электрические аппараты: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ; Под общ. ред. В.С. Дзюбана. - Донецк, 1991.
- С. 81-90.
2. Исследование стойкости эпоксидных компаундов к поверхностным разрядам / Л.В. Гладилин, Н.В. Терехова, П. Д. Гаврилов, В.Г. Каширских // Борьба с травматизмом при эксплуатации электрооборудования и повышение безопасности в угольных шахтах: Сб. науч. тр., вып. 23, ВостНИИ, Кемерово, 1974. - С. 50-55.
3. Изоляционные диски ДК и ДКМ. Технические условия ТУ 16.528.190-80.
4. Славик И. Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей. - М.: Энергоатомиз-дат, 1989. - 180 с.
5. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. - Л.: Энергия, 1971. - 247 с.
6. Дульнев Г.Н. Теплообмен радиоэлектронных аппаратов / Г.Н. Дульнев, Э.М. Семяшкин. - Л.: Энергия, 1968. - 360 с.
□ Автор статьи:
Каширских Вениамин Георгиевич
- канд. техн. наук, доц., зав. каф. электропривода и автоматизации
