Охлаждение силовых вентилей. Электрические потери, возникающие в полупроводниковом приборе при протекании через него тока, обусловливают выделение в нем тепла, вызывающего нагрев полупроводниковой структуры. Для обеспечения надежной работы и использования силовых полупроводниковых вентилей на полную мощность необходимо принимать меры для дополнительного отвода тепла —охлаждать вентили. Наибольшее распространение получили два способа охлаждения: воздушное и водяное.
Рис. 49. Общий вид охладителей типов OA 004 (a), OA-Oil (6) и ОА-019 (в) для одностороннего воздушного охлаждения штыревых вентилей
Рис. 50. Общий вид охладителей типов ОА-ОЗЗ (а), ОА-038 (е) и ОА-052 (в) для двустороннего воздушного охлаждения таблеточных вентилей
При воздушном охлаждении применяются охладители в форме пластин для вентилей на ток до 25 А и специальные охладители, имеющие массивное основание ("подушку") с резьбовым отверстием под нарезной болт на аноде у тиристоров или на катоде у диодов силовых вентилей штыревой конструкции и ребра для отвода тепла, увеличивающие поверхность охлаждения (рис. 49). Такие охладители часто называют радиаторами. Они применяются для вентилей на ток от 50 до 320 А. Охладители изготовляются из меди или алюминия, а также из сплавов алюминия, обладающих высокой теплопроводностью и имеющих меньшую массу. В последнее время наибольшее применение получили охладители из алюминиевого прессованного профиля, получаемого методом горячего прессования. Материалом для изготовления профиля служит алюминиевый сплав марки АД-31. Для отвода тока здесь используют медный пластинчатый вывод, который прокладывается между вентилем и охладителем.
Охладители в силовых блоках выпрямителей крепятся при помощи болтов, для чего в основании радиатора имеются резьбовые отверстия (охладители ОА-004, OA-036 и др.), или при помощи специальных пазов (охладители OA-Oil, ОА-019 и др.).
Для более интенсивного отвода тепла от силовых вентилей таблеточной конструкции применяются двусторонние охладители (рис. 50), выполненные на основе прессованного профиля из сплава АД-31. Отличительной конструктивной особенностью указанных охладителей является наличие Т-образных пазов, позволяющих удобно и надежно крепить радиаторы к несущим панелям выпрямительных агрегатов (охладители типов ОА-ОЗЗ, OA038, OA052 и др.). В этом случае при монтаже прибора должна быть обеспечена наибольшая поверхность соприкосновения таблетки с охладителями.
Воздушное охлаждение может быть двух видов: естественное и принудительное. При естественном охлаждении отвод тепла от вентиля происходит за счет теплопроводности через граничный слой воздуха, соприкасающийся с поверхностью охладителя, и последующей конвекции. Поток воздуха должен проходить параллельно плоскостям ребер охладителя снизу вверх.
Преимуществом такого вида охлаждения являются: простота конструкции и бесшумность в работе, высокая надежность и относительно низкая стоимость, удобство эксплуатации и ремонта. Серьезным недостатком является малая эффективность теплоотвода не более 10 Вт/(см2 -°С), вследствие чего приходится снижать нагрузку на вентиль по току до 35% номинальной. Для обеспечения загрузки силового вентиля номинальным током при естественном охлаждении необходимо устанавливать вентиль на радиаторе увеличенных размеров.
При принудительном воздушном охлаждении воздух продувается вдоль ребер охладителей с помощью низконапорных осевых вентиляторов, а теплопередача осуществляется в основном благодаря вынужденной конвекции. В этом случае интенсивность теплоотвода зависит от скорости движения охлаждающего воздуха, следовательно, и допустимый ток нагрузки вентиля зависит от этой скорости. На рис. 51 в качестве примера представлен график значений предельного тока /п тиристора ТЛ-160 при различных скоростях охлаждающего воздуха v. Для получения такой скорости потока воздуха преобразователь снабжается шахтой (вентиляционным каналом), внутри которой располагаются вентили, а в верхней или нижней части устанавливается вентилятор.
Полупроводниковые преобразователи с принудительным воздушным охлаждением имеют меньшие габариты и массу по сравнению с преобразователями с естественным охлаждением, но им свойственны некоторые существенные недостатки: с введением в конструкцию статического выпрямительного агрегата вращающегося вентилятора снижается надежность; создается сильный шум и возникают вибрации при работе вентилятора; необходимо устанавливать дополнительную аппаратуру для контроля исправной работы вентилятора (ветровое реле и т.д.), сигнализации и защиты преобразователя в случае выхода вентилятора из строя.
При водяном охлаждении применяются либо индивидуальные радиаторы цилиндрической формы (рис. 52,э), имеющие кольцевое углубление на верхнем основании корпуса 1 для ввинчивания вентиля и два штуцера 2 с кольцевыми нарезками для надевания резиновых шлангов, либо групповые охладители (рис. 52,6) в виде квадратных медных шин 2 с круглым отверстием внутри, служащих одновременно токоподводами. Вентили 1 соединяются с водяными охладителями при помощи резьбового соединения. Штуцера 3 служат для подвода и отвода охлаждающей воды. Электрический контакт осуществляется при помощи токосъемной пластины 4.
Водяное охлаждение выполняется всегда принудительным, циркуляция воды в системе охлаждения достигается за счет уста
Рис. 51. Зависимость предельного тока тиристоров серии ТЛ от скорости охлаждающего воздуха в агрегате специального насоса. Такой способ охлаждения является более эффективным по сравнению с воздушным, но конструкция вентильных блоков усложняется за счет штуцеров и резиновых шлангов, а также из-за введения устройств, обеспечивающих принудительную циркуляцию воды. В этом отношении применение групповых охладителей упрощает конструкцию преобразователей и повышает их надежность, не снижая достоинств системы водяного охлаждения, которая позволяет интенсивнее отводить тепло и увеличивать ток нагрузки вентилей. На основе этого способа охлаждения уже разработаны силовые вентили на токи 800, 1000, 1250 и 2000 А.
Основные правила эксплуатации силовых вентилей.
Надежность работы силовых вентилей зависит не только от их качества, но и от соблюдения установленных правил эксплуатации,
Рис. 52. Общий вид охладителей для водяного охлаждения мощных вентилей:
а — индивидуальный, б — групповой
хранения и проверки работоспособности приборов. Для обеспечения надежной работы преобразователей на силовых полупроводниковых вентилях необходимо соблюдать ряд общих эксплуатационных требований:
При работе в условиях естественного охлаждения вентили следует располагать таким образом, чтобы ребра радиаторов находились в вертикальной плоскости. При воздушном принудительном охлаждении вентили допускают работу в любом положении при условии параллельности ребер радиаторов направлению потока воздуха (допускается отклонение на 10° ).
Силовые вентили в электрошкафу следует располагать таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственное их охлаждение и предохранить от дополнительного подогрева со стороны соседних блоков и аппаратуры.
Во всех режимах работы преобразовательного агрегата значения номинального рабочего напряжения и прямого тока вентиля не должны превышать допустимых, указанных в паспорте применяемых вентилей.
Силовые вентили являются герметичными приборами, и разборка их недопустима. В случае выхода вентиля из строя он должен быть заменен вентилем того же типа и с такими же параметрами (/n, Un. Д1Уп номидр.).
При эксплуатации силовых вентилей необходимо их периодически очищать от пыли и других загрязнений, а также следить за тем, чтобы в окружающем воздухе не было токопроводящей пыли и паров кислот, щелочей и других химически активных продуктов.
Монтаж вентилей должен быть таким, чтобы обеспечивался надежный электрический и тепловой контакт между основанием вентиля и радиатором. При установке приборов штыревого типа на охладителях должен обеспечиваться определенный закручивающий момент, значение которого указывается в информационных материалах на силовые вентили. Это достигается применением специальных монтажных ключей. Для приборов таблеточной конструкции задается закручивающий момент на боптах, которыми фланец вентиля прижимается к охладителю. При меньшем закручивающем моменте возрастает тепловое сопротивление системы корпус—охладитель, что может привести к выходу прибора из строя вследствие перегрева.
Жесткое закрепление выводов может вызвать появление трещин в местах их выхода из корпуса прибора, что вызывает просачивание паров влаги внутрь корпуса. Это приводит к постепенному повышению прямого и обратного тока утечки тиристоров, и он теряет свои ключевые свойства.
При воздушном охлаждении кремниевых вентилей температура воздуха, окружающего преобразователь, не должна превышать 35 °С; ее следует измерять на расстоянии 60 мм от радиатора со стороны входящего потока воздуха.
Для поддержания более высокого значения cosφ целесообразно работать с меньшими значениями угла а и, если есть возможность, полностью использовать для регулирования Ud ответвления на обмотках силового трансформатора с подрегулированием выпрямленного напряжения изменением угла а на каждой ступени вторичного напряжения.
Техника безопасности при эксплуатации преобразовательных установок.
На каждый силовой полупроводниковый преобразовательный агрегат должна быть местная инструкция по эксплуатации, составленная на основании рекомендаций завода- изготовителя и опыта эксплуатации.
Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала корпус преобразователя должен быть надежно заземлен. При работе выпрямителя стенки кожуха должны быть закрыты. При необходимости снятия стенок для ремонта прежде следует отключить преобразователь от сети.
Вспомогательные цепи выпрямителей, электрически соединенные с катодами силовых вентилей, например блоки системы управления тиристорами, должны получать питание от специальных разделительных трансформаторов.
Если возникает необходимость осмотреть силовой блок преобразователя, когда его система управления находится под напряжением, то это следует делать стоя на диэлектрическом коврике, не касаясь шкафа одновременно двумя руками и пользуясь инструментом или проводами от измерительных приборов с изолированными ручками.
Работы по наладке и испытанию преобразователя (фазировка, проверка равномерности нагрузок по фазам и др.) организуются и проводятся как работы без снятия напряжения с установки. При этом следует применять дополнительные электрозащитные средства изолирующие клещи, разделительные трансформаторы, диэлектрические перчатки и галоши.
