автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Испарительно-воздушное охлаждение полупроводниковых выпрямительных агрегатов тяговых подстанций электрифицированных железных дорог

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

УДК 621.314.6: 621.331

ЮФЕРЕВА ЛАРИСА МИХАЙЛОВНА

ИСПАРИТЕЛЬНО - ВОЗДУШНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ

ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность. 05.09.03

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

1999

- Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И. Г. Киселев

ОГЛАВЛЕНИЕ

Страницы

Основные обозначения ..........................................................................5

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................10

1.1 Тенденции совершенствования СПП и их охлаждающих устройств .......................................................................10

1.2 Обзор существующих систем охлаждения ВУ ПВА и перспективные направления................................................17

1.3 Методы расчета испарительно-воздушных систем охлаждения

на основе охладителей типа «двухфазный термосифон» ..............26

1.4 Постановка задач исследований...........................................29

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ИСПАРИТЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ВУ ИВА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА.................30

2.1 Аналитическое исследование заполнения теплоносителем охладителей типа «двухфазный термосифон», работающих

при естественной конвекции охлаждающего воздуха .................30

2.2 Математическая постановка задачи......................................35

2.3 Комплексный расчет испарительной системы охлаждения полупроводникового выпрямительного агрегата.....................38

2.3.1 Методика расчета испаригельно-воздушной системы ПВА......40

2.3.2 Расчет мощности тепловых потерь....................................45

2.3.3 Возможные варианты компоновки модулей силовой полупроводниковый прибор - охладитель в шкафу

ВУ ПВА......................................................................46

2.3.4 Тепловой расчет индивидуальных охлаждающих устройств

силовых полупроводниковых приборов.........................48

2.3.5 Аэродинамический расчет...............................................53

2.3.6 Тепловой расчет силовых модулей с охладителями типа ДТС ...58 Выводы..............................................................................60

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ИСПАРИТЕЛЬНО-ВОЗДУШНЫХ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ВУ ИВА................................61

3.1 Цель и объект испытаний .....................................................61

3.2 Планирование эксперимента...............................................65

3.3 Методика экспериментальных исследований. Экспериментальные стенды, измерительные приборы и оборудование..................................................................69

3.4 Обработка экспериментальных данных............................... ...73

3.5 Анализ погрешностей..........................................................74

3.6 Анализ полученных результатов..........................................79

3.7 Оценка величины коэффициента местного аэродинамического сопротивления охладителя типа ДТС....................................87

3.8 Исследование заполнения теплоносителем охладителей типа ДТС, работающих при естественной конвекции

воздуха..........................................................................89

3.9 Сопоставление и анализ результатов, полученных экспериментально-теорегическим путем при нахождении

распределения потоков теплоты в силовых модулях.................98

Выводы.....................................................................................104

ГЛАВА 4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГ АЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ ПВА.....................105

4.1 Нагрузочные и тепловые характеристики разработанных силовых полупроводниковых модулей ..................................105

4.2 Конструкция опытной ВУ ПВА...........................................118

4.3 Результаты натурных испытаний опытной ВУ ПВА..................120

4.4 Технико-экономические показатели опытного ПВА..................131

Выводы...............................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................133

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................147

Приложение 1. Расчет экономической эффективности от

внедрения ПВА на мощных диодах Д253-1600 с исиарительно-воздушной системой охлаждения ....148 Приложение 2. Копия протокола испытаний выпрямительной установки с испарительно-воздушным охлаждением конструкции ЛИИЖТа на тяговой подстанции «Ланская» Октябрьской железной

дороги........................................................159

Приложение 3. Акты о внедрении.........................................161

Основные обозначения

Т - температура, К;

q - тепловой поток, Вт/м ;

а - коэффициент теплообмена, Вт/(м2 К);

и - скорость, м/с;

Я - тепловое сопротивление, К/Вт;

X - коэффициент теплопроводности, К/Вт;

Р - мощность тепловых потерь, Вт.

А - анод; К - катод;

Индексы:

кип - кипение: кон - конденсация; конт - контактное; н - насыщение; V - объем; Л -тепловой;

И - поверхность охладителя; а - охлаждающая среда; с!' - межреберная среда; п - нормаль; с - корпус; j - переход.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Основной задачей железнодорожного транспорта России является повышение эффективности и надежности его работы, полное и своевременное удовлетворение в перевозках предприятий промышленности, сельского хозяйства и населения. Одновременно с этим, меры по снижению затрат энергоресурсов и улучшению качества электроэнергии требуют осуществления технического перевооружения на базе передовых достижений науки и техники.

На электроподвижном составе, тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог и метрополитенов, тепловозах, пассажирских вагонах и других объектах широкое применение нашли полупроводниковые преобразовательные агрегаты. На тяговых подстанциях железных дорог в основном используются полупроводниковые выпрямительные агрегаты (ПВА).

Вопросами разработки, проектирования и испытаниями опытных образцов этих устройств занимаются различные научно-исследовательские институты, организации и вузы. Среди них. ВЭИ, МГУПС, МЭИ, ГТГУПС, НИИ ЭФА, АО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). Из зарубежных фирм наибольших успехов достигли Тошиба, Мицубиси дэнки, Дженерал электрик, Сименс, Браун Бовери, Таллиннский электротехнический завод (Эстония).

Охлаждение выпрямительных установок (ВУ) ПВА является сложной и все еще недостаточно хорошо изученной проблемой. Это обусловлено тем, что в последние годы общей тенденцией развития силовых полупроводниковых приборов (0111) является непрерывное повышение мощности, преобразуемой единичным прибором. Применение традиционных способов охлаждения (воздушного естественного и принудительного) для мощных СПП на токи от 500А и выше приводят к н еопра в да н и ому росту м ассогабар итн ы х показателей всей системы охлаждения. Одним из перспективных направлений явля-

ется использование испарительно-воздушной системы охлаждения с применением индивидуальных охладителей типа «двухфазный термосифон» (ДТС).

Цель диссертационной работы заключается в исследовании, разработке и создании испарительно-воздушной системы охлаждения выпрямительных установок полупроводниковых выпрямительных агрегатов тяговых подстанций электрифицированных железных дорог с улучшенными массогаба-ритными характеристиками и возможностью утилизации теплоты нагретого воздуха.

Научная новизна состоит в следующем .

1. Создана математическая модель тепловых процессов в силовом модуле с охладителями типа ДТС с естественным воздушным охлаждением, позволяющая получить его основные характеристики.

2. Разработана методика теплового и аэродинамического расчетов шкафов выпрямительных установок с испарительно-воздушной системой охлаждения при естественной циркуляции воздуха.

3. Предложен метод интенсификации теплообмена в охладителе типа ДТС путем применения устройств, турбулизирующих поток жидкости в испарителе охладителя. Новая конструкция охладителя типа ДТС защищена авторским свидетельством на изобретение.

4. Получены новые экспериментальные данные по аэродинамическим характеристикам охладителей типа ДТС, степени их заполнения промежуточным теплоносителем и по теплопередающей способности, подтверждающие целесообразность применения испарительно-воздушной системы охлаждения для выпрямигельных установок электрифицированных железных дорог.

Практическая ценность, внедрение результатов.

Диссертационная работа является частью комплексного исследования, выполненного по заданию Департамента электрификации и электроснабжения МПС: «Задание на разработку полупроводникового выпрямительного аг-

регата с испарительно-воздушным охлаждением таблеточных диодов с высокими значениями предельных токов».

Разработанные методики, алгоритмы и программы позволили значительно повысить качество расчетов при проектировании новых конструкций ИВА.

Предложены новые технические решения по компоновке силовых блоков в отсеки шкафа ПВА с эффективной испарительно-воздушной системой охлаждения при естественной конвекции охлаждающего воздуха.

Результаты исследования, рекомендации и выводы использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы в научно-исследовательской лаборатории «Теплофизики транспортных энергетических установок» кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» совместно с кафедрой «Электроснабжение железных дорог» Петербургского государственного университета путей сообщения и хоздоговорной темы по разработке системы охлаждения полупроводникового преобразователя частоты для термообработки рельсов для ВНИИ ТВЧ им. В. П. Вологдина.

Спроектированный новый ПВА для электрифицированных железных дорог не имеет аналогов и прошел испытания на тяговой подстанции «Ланская» Октябрьской железной дороги.

Расчетный экономический эффект от внедрения составляет 160 тыс. руб. на один ПВА в год (в ценах на 01.08.1998 г.).

Появилась возможность создания тяговых подстанций нового модульного типа с испарительно-воздушной системой охлаждения выпрямительных установок - на базе высокоэффективных, малогабаритных и экономичных охладителей типа ДТС - с последующей утилизацией теплоты нагретого воздуха на отопление и горячее водоснабжение здания тяговой подстанции при снижении затрат на их создание и эксплуатацию.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции «Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте», Москва, 1984г. (МИИТ, ВНИИЖТ); на научно-практической конференции ЛИИЖТа, Октябрьской железной дороги и Ленметрополитена, посвященной 180-летию со дня основания ЛИИЖТа, Ленинград, 1989г. (ЛИИЖТ, ДорНТО Октябрьской железной дороги); на научно-технических конференциях «Неделя науки» в ЛГУПС в 1989, 1990, 1991, 1997г.г., Санкт-Петербург; на объединенной сессии Научных советов РАН по проблеме «Тепловые режимы машин и аппаратов» и по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика», Москва, 25-26 ноября 1997г. (МГУЛС).

Работа в полном объеме была доложена и обсуждена на расширенном заседании кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» совместно с кафедрой «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС, Санкт-Петербург, 1998г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в девяти печатных работах. Ряд вопросов освещен в четырех отчетах по научно-исследовательским работам. По материалам диссертации получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, иллюстрируется 41 рисунком и 10 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и 3 приложений.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Тенденции совершенствования СПП и их охлаждающих

устройств

Мощная преобразовательная техника на основе СПП широко применяется в различных отраслях промышленности и на транспорте. СПП используются в выпрямительных тяговых агрегатах, на выпрямительно-инверторных подстанциях линий электропередач постоянного тока, в тяговых установках электроподвижного состава, электроприводах, радиоэлектронике и др.

Сохраняется тенденция замены приборов устаревшей штыревой конструкции на таблеточные большей мощности.

Резко возросший за последние годы интерес к СПП возник вследствие улучшения качественных показателей выпускаемых приборов /19, 72, 73, 87, 95/. Разработан и внедрен в промышленном производстве ряд новых мощных полупроводниковых приборов, которые по основным параметрам и характеристикам превосходят выпускаемые ранее приборы и находятся на уровне лучших зарубежных аналогов, а в ряде случаев имеют более высокие показатели /94/. На локомотивах и мотор-вагонном подвижном составе железных дорог и метрополитенов появляются СПП на токи от 1600 до 2500 А, на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог и метрополитенов наблюдается аналогичная картина.

Обеспечение надежной и стабильной работы СПП при высоком качестве его изготовления определяется эффективностью охлаждающих устройств. Величина допустимого тока в связи с этим устанавливается либо при заданной температуре корпуса прибора, либо при заданных условиях охлаждения. Данные параметры указываются в технических условиях завода-изготовителя.

Дальнейшее увеличение силы тока достигается путем повышения максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры или более интенсивным охлаждением прибора.

Первое условие связано с физико-химическими особенностями р-п перехода. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются СПП с максимально допустимой температурой перехода +(125 - 190) °С. Опытные образцы могут иметь и более высокую температуру.

Однако и в этом случае остро стоят вопросы эффективного охлаждения СПП, иначе при недостаточном отводе теплоты величина предельного тока должна быть снижена, поскольку полупроводниковые приборы выделяют тепловые потери в несколько сот ватт на квадратный сантиметр поверхности электрода.

Второе свойство, интенсивность охлаждения, зависит от выбора системы охлаждения и, в частности, от типа охладителя. Отвод теплоты от СПП затруднителен, так как полуироводниковая структура имеет сравнительно небольшие размеры. Именно это предопределяет разработку охладителей с развитой поверхностью теплообмена и поисков других эффективных способов охлаждения.

Основные требования, предъявляемые к системам охлаждения, следующие:

- минимальное тепловое сопротивление при минимальном расходе охлаждающего агента;

- обеспечение необходимого усилия сжатия для систем охлаждения приборов таблеточной конструкции;

- высокое качество поверхностей, контактирующих с прибором, в части шероховатости и неплоскостности;

- минимальные габариты и масса;

- удобство монтажа прибора в сборе с охладителем в конструкции преобразователей;

- минимальный перепад давления на охладителе.

Применение воздушного охлаждения при помощи традиционных цельнометаллических охладителей бесперспективно. К настоящему времени в мире достигнут практический предел совершенствования воздушных охладителей /27, 58, 69, 89, 90/.

Необходимость повышения охлаждающей способности охладителей в связи с применением более мощных приборов привела к созданию охладителей с промежуточным теплоносителем. Впоследствии теплота передается среде окончательного теплосъема в каком-либо теплообмеином аппарате. Такие системы получили название испарительных. Они обеспечивают интенсивное охлаждение СИЛ и при отводе теплоты к атмосферному воздуху, что в большинстве случаев представляет наибольший интерес /14,27/.

Впервые полупроводниковые приборы с испарительным охлаждением были изготовлены в Японии /27,104/. Выпрямитель был поставлен фирмой ЗЫпкшЬа в августе 1968 года в качестве мощного источника для электролиза воды. Показатели результатов превзошли все ожидания. Подобные системы охлаждения появились и на желез!ю дорожном транспорте России /35,36/. В 70-х годах испарительно-воздушное охлаждение с использованием охладителей типа ДТС и эффективным обдувом от вентилятора было применено Киселевым И.Г. на тепловозе ВЛ-80т. Разработки в этом направлении ведутся на кафедре «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС по настоящее время.

Высокая эффективность охлаждающих устройств типа «двухфазный термосифон» и «тепловая труба» известны из литературы /8, 14, 29, 34, 35, 36, 39, 56, 66, 70/.

Под термосифонной системой испарительного охлаждения понимается система, состоящая из испарителя и конденсатора, причем конденсат возвращается в испаритель под действием гравитационных сил. В испарителе происходит процесс кип�