Предприятие выпускает серию изоляционных теплопроводящих элементов таблеточной конструкции на основе оксида и нитрида алюминия с низкими внутренними тепловыми сопротивлениями (до 0,07 °С/Вт) и с напряжением изоляции не менее 10 кВ. На рис. 1.35. представлены примеры силовых блоков, изготовленных по конкретным заказам:

а) трехфазный управляемый выпрямитель (100 кВт);

б)трехфазный регулятор переменного тока (100 и 300 кВт);

в)реверсивный трехфазный управляемый выпрямитель (360 кВт);

г) блок высоковольтного реверсивного моста (1,43 МВт),

д)однофазный регулятор переменного тока (1,5 МВт);

е) трехфазный управляемый мост с жидкостным охлаждением (500 кВт).

Блоки предназначены для устройств плавного пуска и управления скоростью вращения электродвигателей, для регуляторов температуры и освещенности, для компенсации реактивной мощности, электросварки, индукционного нагрева, гальваники и для источников бесперебойного питания. По требованию заказчиков поставка силовых блоков производится в комплекте с вентиляторами, термодатчиками, драйверами управления, устройствами защиты от перенапряжений, токов перегрузки и коротких замыканий.

2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

полупроводниковый прибор охлаждение электроника

В процессе преобразования энергии в полупроводниковых приборах возникают потери, значительная часть которых преобразуется в тепловую энергию. Режимы работы преобразователей на подвижном составе железнодорожного транспорта носят случайный характер, что приводит к колебаниям температуры полупроводниковых приборов. Известно, что температурные колебания значительно снижают ресурс работы полупроводников, вызывая преждевременные отказы, наиболее часто встречающимися из которых является тепловой пробой, что в свою очередь, приводит к необходимости замены полупроводникового прибора.

На современном подвижном составе применяются преобразователи с воздушным или жидкостным охлаждением полупроводниковых элементов. В конечном итоге теплота, отведенная от структуры полупроводника, передается охлаждающему воздуху, который имеет принудительную циркуляцию, осуществляемую вентилятором.

Режимы работы вентилятора охлаждения, как правило, выбираются для номинального режима работы преобразователя.

Подача воздуха на частичных режимах может отличаться от требуемой по условиям охлаждения, что приводит к значительным температурным колебаниям структуры полупроводника. Такие же процессы могут наблюдаться и при изменении температуры охлаждающего воздуха, так как максимальные температуры, на которые рассчитано оборудование, в условиях эксплуатации наблюдаются очень редко.

Для поддержания температуры структуры полупроводникового прибора на постоянном уровне необходимо изменить подачу охлаждающего воздуха Gвз в зависимости от тепловыделений в структуре.

Расчет требуемой Gвз базируется на трех фундаментальных уравнениях, описывающих процесс выделения тепла в структуре полупроводника, его поглощение охлаждающим воздухом (2) , а так же уравнением теплопередачи от структуры к охлаждающему воздуху (3).

(2.1)

(2.2)

(2.3),

где - средняя за период мощность потерь, Вт;

T- период изменения тока, ;

U(t)- потери напряжения в структуре полупроводникового прибора, В;

I(t)- величина среднего тока через полупроводниковый прибор, А;

Qвз- теплота, переданная охлаждающему воздуху, Вт;

Cрвз- теплоемкость воздуха, ;

- температура охлаждающего воздуха после отбора теплоты от

структур, ;

- температура охлаждающего воздуха до отбора теплоты , ;

Q- передаваемая теплота, Вт;

F- площадь поверхности охлаждения;

- средний температурный напор в теплообменнике, ;

При этом:

Для увеличения теплорассеивающей способности при воздушной системе охлаждения приборы монтируются в радиаторе охлаждения, которые, чаще всего представляют собой оребренную конструкцию. При приближенных вычислениях тепловой поток, передаваемый через оребренную с одной стороны плоскую стенку, определяется выражением:

, (2.4)

где - коэффициент теплоотдачи на неоребренной поверхности стенки, ;

- коэффициент теплоотдачи на всех поверхностях оребренной части стенки, ;

F- площадь гладкой поверхности стенки,

- коэффициент теплопроводности материала стенки;

- толщина ребра, м;

- коэффициент оребрения ;

- площадь оребренной поверхности стенки, м2 ;

- температура структуры до охлаждения, ;

- температура структуры после охлаждения, ;

Температура выражается через тепловое сопротивление зависимостью:

(2.5)

Таким образом:

(2.6)

В установившемся режиме работы теплоотдача с поверхности радиатора осуществляются как конвекцией, так и излучением. При этом:

(2.7)

Основной закон теплового излучения дан Стефаном и Больцманом в следующем виде:

, (2.8)

где - излучательная способность (константа излучения);

- температура излучающей поверхности, К;

- постоянная Стефана-Боцмана, .

Твердые тела и жидкости практически не пропускают тепловые лучи. Воздух прозрачен для тепловых лучей, однако при наличии в воздухе водяных паров, углекислотные или взвешенных твердых частиц (пыли) прозрачность воздуха для тепловых лучей уменьшается, и часть лучистой энергии поглощается средой. Так как теплоизлучение происходит в замкнутом пространстве, можно допустить, что вся теплота, отданная с поверхности радиаторов излучением, в конечном итоге, передается охлаждающему воздуху. При этом мощность излучения, отнесенную к единице площади, можно определить по зависимости:

, (2.9)

где - температура корпуса радиатора;

, (2.10)

- тепловое сопротивление радиатора;

и - константы излучения для материала радиатора и воздуха

соответственно.

Количество переданной теплоты при этом:

, Вт, (2.11)

где F- площадь поверхности радиатора.

Таким образом, уравнение теплопередачи будет иметь вид:

(2.12)

Решение этого уравнения при заданных параметрах позволяет определить требуемое значение . Основная сложность решения заключается в определении коэффициентов теплоотдачи и .

При конвекции передача тепла определяется как тепловыми, так и гидродинамическими явлениями. Для определения температуры тела составляется система дифференциальных уравнений - уравнение теплопроводности, уравнение сплошности и уравнения движения. Однако, решение такой системы наталкивается на большие трудности. Поэтому для расчета коэффициента теплоотдачи конвекцией используют теорию подобия, которая позволяет определить коэффициент теплоотдачи, не проводя решения системы сложных дифференциальных уравнений.

Для вынужденной конвекции при движении газа вдоль плоской стенки устанавливаются критерии подобия Нуссельта Nu и Прандтля Pr.

, (2.13)

где - коэффициент теплоотдачи конвекции, ;

L- характерный геометрический размер тела с которого отдается теплота;

- коэффициент теплопроводности газа.

, (2.14)

где -коэффициент вязкости газа;

- удельная теплоемкость газа при постоянном давлении;

g- ускорение свободного падения.

При этом для турбулентного режима потока:

(2.15)

Для ламинарного режима потока газа:

, (2.16)

где - число Рейнольдса, определяющее режим движения потока жидкости или газа.

, (2.17)

где - скорость перемещения потока;

- кинематическая вязкость газа.

, (2.18)

где - плотность газа.

При <2200 характер движения жидкости или газа ламинарный, а при >2200 характер движения турбулентный.

Определение критерия при заданных параметрах позволяет определить величину коэффициента теплоотдачи:

(2.19)

Задавшись конструктивными и физическими параметрами членов уравнений, входящих в систему, можно определить требуемое значение , при котором температура будет поддерживаться постоянной независимо от режима нагрузки преобразователя.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Результаты расчетов при температуре воздуха на выходе из радиатора ТвзРАД=1300С

Таблица 3.1 Влияние тока диода на требуемую подачу воздуха

при температуре tвз=50 0С		при температуре tвз=40		при температуре tвз=30
Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000
150	1,645	0,964	7,262		150	1,478	0,788	6,865		150	1,343	0,622	6,578
130	1,582	0,935	6,986		130	1,432	0,768	6,651		130	1,31	0,61	6,416
110	1,524	0,907	6,726		110	1,388	0,75	6,448		110	1,278	0,598	6,26
90	1,468	0,881	6,482		90	1,346	0,732	6,254		90	1,248	0,587	6,11
70	1,416	0,856	6,252		70	1,307	0,714	6,07		70	1,218	0,576	5,965
50	1,367	0,832	6,035		50	1,269	0,698	5,894		50	1,19	0,565	5,826
30	1,321	0,809	5,83		30	1,233	0,682	5,727		30	1,163	0,554	5,693

при температуре tвз=20		при температуре tвз=10		при температуре tвз=0
Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000
150	1,234	0,457	6,378		150	1,143	0,276	6,251		150	1,077	0,055	6,205
130	1,211	0,45	6,262		130	1,13	0,274	6,182		130	1,074	0,055	6,192
110	1,189	0,444	6,149		110	1,118	0,272	6,114		110	1,072	0,055	6,178
90	1,168	0,437	6,04		90	1,106	0,269	6,048		90	1,07	0,054	6,165
70	1,148	0,431	5,933		70	1,094	0,267	5,982		70	1,067	0,054	6,151
50	1,128	0,425	5,83		50	1,082	0,265	5,918		50	1,065	0,054	6,138
30	1,108	0,419	5,73		30	1,07	0,262	5,854		30	1,063	0,054	6,124



Рис3.1.

Рис 3.2.

Результаты расчетов при температуре воздуха на выходе из радиатора ТвзРАД=1000С

Таблица 3.3 Влияние тока диода на требуемую подачу воздуха

при температуре tвз=50		при температуре tвз=40		при температуре tвз=30
Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000
150	2,572	1,379	11,36		150	2,182	1,077	10,14		150	1,899	0,821	9,298
130	2,434	1,319	10,74		130	2,09	1,04	9,709		130	1,837	0,799	8,997
110	2,307	1,264	10,19		110	2,004	1,006	9,309		110	1,779	0,779	8,71
90	2,191	1,213	9,671		90	1,923	0,973	8,934		90	1,723	0,76	8,439
70	2,083	1,165	9,198		70	1,848	0,942	8,584		70	1,671	0,741	8,18
50	1,985	1,121	8,762		50	1,777	0,914	8,256		50	1,62	0,723	7,935
30	1,893	1,079	8,36		30	1,711	0,886	7,947		30	1,573	0,706	7,701

при температуре tвз=20		при температуре tвз=10		при температуре tвз=0
Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000
150	1,685	0,586	8,71		150	1,518	0,347	8,304		150	1,402	0,068	8,081
130	1,645	0,575	8,507		130	1,497	0,343	8,189		130	1,398	0,067	8,059
110	1,608	0,565	8,312		110	1,477	0,339	8,077		110	1,394	0,067	8,037
90	1,571	0,554	8,123		90	1,457	0,336	7,967		90	1,391	0,067	8,015
70	1,536	0,544	7,942		70	1,437	0,332	7,859		70	1,387	0,067	7,993
50	1,502	0,535	7,767		50	1,418	0,328	7,754		50	1,383	0,067	7,972
30	1,47	0,525	7,598		30	1,399	0,325	7,651		30	1,379	0,067	7,95

Рис 3.3.

Рис 3.4.

Результаты расчетов при температуре воздуха на выходе из радиатора ТвзРАД=800С

Таблица 3.5 Влияние тока диода на требуемую подачу воздуха

при температуре tвз=50		при температуре tвз=40		при температуре tвз=30
Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000
150	4,135	2,016	18,26		150	3,204	1,464	14,88		150	2,624	1,063	12,85
130	3,814	1,89	16,84		130	3,021	1,397	14,04		130	2,514	1,027	12,31
110	3,532	1,777	15,59		110	2,855	1,335	13,26		110	2,412	0,994	11,81
90	3,282	1,676	14,49		90	2,703	1,278	12,56		90	2,316	0,962	11,34
70	3,06	1,585	13,51		70	2,564	1,225	11,91		70	2,226	0,932	10,9
50	2,862	1,502	12,64		50	2,436	1,176	11,32		50	2,142	0,904	10,49
30	2,685	1,427	11,85		30	2,318	1,13	10,77		30	2,063	0,877	10,1

при температуре tвз=20		при температуре tвз=10		при температуре tвз=0
Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000		Iв	Gв	б	Rе*1000
150	2,228	0,733	11,52		150	1,944	0,423	10,63		150	1,756	0,081	10,12
130	2,164	0,716	11,19		130	1,911	0,417	10,45		130	1,75	0,081	10,09
110	2,102	0,7	10,87		110	1,88	0,412	10,28		110	1,744	0,08	10,05
90	2,043	0,684	10,56		90	1,849	0,406	10,11		90	1,739	0,08	10,02
70	1,987	0,669	10,27		70	1,818	0,401	9,945		70	1,733	0,08	9,989
50	1,933	0,654	9,994		50	1,789	0,396	9,784		50	1,728	0,08	9,957
30	1,882	0,64	9,728		30	1,76	0,39	9,627		30	1,722	0,08	9,924

Рис 3.5.



Рис 3.6.

4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

На основании того, что ВО имеет независимый электропривод можно настраивать автоматическую систему регулирования температуры (рис.4.1), установленную на электровозе. При этом система, получая сигналы от датчиков, будет в режиме реального времени отслеживать изменения, возникающие в объекте охлаждения, и, при необходимости, осуществлять регулирование для поддержания регулируемых параметров в заданных пределах.

Рис 4.1. Схема автоматической системы регулирования температуры

Разработанная АСРТ позволит снизить диапазон колебаний температуры обмоток тяговых электрических машин и преобразователей, что положительно скажется на ресурсе их работы.

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСТНОСТИ

Заземление шкафов или ящиков с электрооборудованием необходимо поддерживать в исправном состоянии и проверять при каждом техническом обслуживании электровоза.

Особое внимание следует обращать на заземление кожухов электропечей и щитков измерительных приборов.

Слесарю запрещается:

-применять нестандартные реверсивные рукоятки контроллера машиниста, ключи кнопочных выключателей и других блокирующих устройств, а также пользоваться заменяющими их приспособлениями;

-отключать любое блокирующее устройство, обеспечивающее безопасность обслуживающего персонала;

-подниматься на крышу электровоза под контактным проводом, находящимся под напряжением;

-открывать и закрывать вентили аппаратов электровозов ударами молотка или других предметов.

Перед подъемом токоприемника или передвижением электровоза слесарь обязан выйти из кузова локомотива и смотровой канавы.

При поднятом и находящемся под напряжением токоприемнике разрешается:

- заменять перегоревшие лампы в кузове, кроме мест, защищенных блокирующими устройствами, под кузовом электровоза при обесточенных цепях управления;

- протирать стекла кабины внутри и снаружи, лобовую часть кузова. При этом запрещается приближаться к токоведущим частям на расстояние менее 2 м и касаться их с помощью каких-либо предметов;

- заменять предохранители в цепях управления, предварительно их обесточив;

- менять прожекторные лампы, если их смена предусмотрена из кабины машиниста;

- проверять выходы штоков тормозных цилиндров только на смотровых канавах;

- проверять наощупь нагрев букс;

- обслуживать аппаратуру под напряжением 50 В, которая находится вне высоковольтной камеры;

- вскрывать кожух и настраивать регулятор давления;

- обтирать нижнюю часть кузова;

- осматривать механическое оборудование и производить его крепление, не подлезая под кузов;

- проверять давление в маслоприемнике компрессора;

- регулировать предохранительные клапаны воздушной системы.

Другие работы на электровозе при поднятом токоприемнике запрещаются.

При ТО-2 узлов и деталей непосредственно на электровозе необходимо пользоваться переносными светильниками на напряжение не выше 12В постоянного тока от аккумуляторной батареи либо светильниками с лампами на напряжение 50В постоянного тока от аккумуляторной батареи или другого источника питания.

Запрещается использование переносных светильников без предохранительных сеток, с поврежденной вилкой и изоляцией проводов.

При измерении сопротивления изоляции электрических цепей мегомметром на напряжение 0,5 и 2,5 кВ выполнение каких-либо других работ на электрооборудовании и электрических цепях запрещается. Люди должны быть выведены в безопасную зону. После проверки сопротивления изоляции необходимо снять остаточный заряд.

Вышедшие из строя предохранители следует менять при обесточенных цепях. Плавкие вставки предохранителей должны быть калиброванными.

Запрещается установка нетиповых предохранителей.

Осмотр вспомогательных машин и аппаратов электровоза следует производить только при опущенных токоприемниках на всех секциях электровоза, выключенных крышевых разъединителях и шинном разъединителе, отключенном выключателе управления в кабине и отключенных ножах выключателей тяговых двигателей.

По сигналу о предстоящем подключении к электровозу низковольтного кабеля или передвижении электровоза слесари должны прекратить работу, закрыть двери высоковольтной камеры, шкафов, сойти с крыши, выйти из кабины, кузова электровоза и смотровой канавы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дипломном проекте был проведен анализ элементов систем охлаждения полупроводниковых приборов. Был сделан сравнительный анализ между несколькими видами охлаждения с указанием положительных и отрицательных сторон каждой системы. Также рассмотрен расчет охладителя по теплорассеивающей способности на примере современных отечественных силовых полупроводниковых приборах и основные понятия о способах их воздушного охлаждения. Разработана математическая модель, позволяющая при известных эксплуатационных и конструктивных параметрах системы охлаждения определить требуемое количество охлаждающего воздуха на выпрямительную установку. На основании полученных данных была разработана автоматическая система регулирования температуры корпуса диодов. Модель учитывает изменение таких факторов как температура воздуха перед выпрямительной установкой, тепловое сопротивления «структура-охлаждающая среда» и изменение режима течения воздуха, также в ней раздельно рассматриваются вопросы отдачи теплоты с поверхности радиатора вынужденной конвекцией и излучением. На основании полученных при помощи математической модели данных можно сделать выводы о необходимости изменения подачи вентилятора охлаждения в зависимости от нагрузки прибора, а также от температуры охлаждающего воздуха. Это позволит снизить колебания температуры, что увеличит срок службы приборов. Снижение колебаний может быть реализовано в автоматической системе регулирования температуры, принципиальная схема которой приведена в работе.

Изменение подачи вентилятора позволит снизить затраты топлива на охлаждение тяговых полупроводниковых преобразователей. Исключение избыточной подачи воздуха позволит повысить ресурс вентилей из-за снижения их температурных колебаний, что положительно скажется на надежности локомотивов в эксплуатации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Steven L. Garrett. Thermoacoustic refrigerator for space applications // Journal of thermophysics and heat transfer. 1993. Vol. 7. N 4.

2. Dr. Thomas Licht, Dr. Jurgen Schulz-Harder. Micro channel water cooled power modules.PCIM Power Conversion Intelligent Motion Power Quality. Nurnberg. June 2000.

3. Dr. Schulz-Harder, Dipl.-Ing. Suavi Orey. Thermal management of dense power electronics for drives // Power Electronics Europe. 2002. Issue 3.

4. Ratnesh K. Sharma. Inkjet assisted spray cooling of electronics. IMAPS Advanced technology workshop (ATW) on thermal management for high-performance computing and wireless applications. October 2003.

5. Thilo Horvatitsch. Winzlinge mit hohem Potenzial // Laser. 2001. Issue 4.

6. CWI. Wasserkuhlung fur Server // c't. 2002. Issue 10.

7. Гончаров А. Практика применения конвертерных модулей класса DC-DC // Электронные компоненты. 1999. № 3.

8. Колпаков А. Особенности теплового расчета импульсных силовых каскадов // Компоненты и технологии. 2002. № 1.

9. КриницинВ. Ликбез по системам охлаждения. Занятие первое и последующие. www.ixbt.com/cpu/cpu-coolers-inquestion-august2k2.shtml

10. Криницин В. Система водяного охлаждения Infinipro AquaCool. www.ixbt.com/cpu/infinipro-aquacool.shtml

11. «Полупроводниковые кулеры Пельтье» www.hardline.ru/selfteachers/Info/OS/Adjustment%20and%20optimization%20of%20a%20computer/Glava%2017/Index4.htm

12. Материалы сайта компании EBM-Papst, раздел «Технические статьи». www.ebm.com/Product/techarticles.htm

13. Материалы каталога «Compact Fans for AC and DC» компании EBM-Papst. 2005.

14. Материалы сайта компании JARO. www.jaro1.com/catalog.asp

15. Валентинова М. Компьютерные системы: с тепловым режимом все «О'кей»! // Электроника НТБ. 2001. № 1.

16. Материалы сайта компании Titan. www.titan-cd.com

17. Материалы сайта компании Zalman. www.zalman.co.kr

18. Материалы сайта компании Sunon. www.sunon.com.tw

19. Материалы сайта компании Melcor. www.melcor.com

20. Материалы сайта компании Остерм. www.osterm.ru

21. Материалы сайта компании Криотерм. www.kryotherm.ru

22. Aavid Engineering, Inc. EDS #117. Interface Materials. Jan 1992.

23. Wirtz R. A., Chen W., Zhou R. Effect of Flow Bypass on the Performance of Longitudinal Fin Heat Sinks // ASME Journal of Electronic Packaging. Vol. 116. 1994.

24. Lee S.. Optimum Design and selection of Heat Sinks. Proceedings of 1th IEEE Semi-Therm Symposium. 1995.

25. Song S., Lee S., Au V. Closed Form Equation for Thermal Constriction/Spreading Resistances with Variable Resistance Boundary condition. Proceedings of the 1994 IEPS Technical Conference. 1994.

26. Космодамианский А.С. Автоматические системы регулирования. Учебное пособие. - РГОТУПС, 2004. - 40 с.

27. Космодамианский А.С.. Измерение и регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов. Монография. - М.: РГОТУПС, 2002. 286 с.

28. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995. - 271 с.

29. Хазен М.М., Иванов В.И. Режимы охлаждения полупроводниковых преобразователей при переменных нагрузках// Теплообмен в устройствах электрической тяги и аэродинамика высокоскоростных поездов// Тр. ВНИИ ж. - д. трансп. (ВНИИЖТ). - М.: Транспорт, 1975. - Вып. 539. - С. 30 - 40.

30. Хазен М.М. Исследование и разработка системы автоматического регулирования режимов принудительного воздушного охлаждения полупроводникового преобразователя при переменных нагрузках// Совершенствование процессов теплообмена и аэродинамики электроподвижного состава// Тр. ВНИИ ж. - д. трансп. (ВНИИЖТ). - М.: Транспорт, 1979. - Вып. 617. - С. 40 - 54.

31. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж/д транспорта - М.:Транспорт, 1999г. - 464с.

Размещено на Allbest.ru