Вибір орієнтовної елементної бази для схем випробувальних стендів у варіанті зі статичними перетворювачами та їх охолоджувачів

Проведені дослідження дозволили визначити необхідну потужність (напругу та струм) лінійного генератора та вольтододатної машини для стенду з випробувань тягових електричних двигунів.

Лінійний генератор: Р_лг = 82 кВт, U_лг = 1460 В; I_лг = 82 А.

Вольтододатна машина: Р_вдм = 26,2 кВт, U_вдм = 40 В; I_вдм = 650 А.

Крім того, необхідне плавне регулювання вихідної напруги лінійного генератора та вольтододатної машини.

Аналіз можливих варіантів схем статичних перетворювачів дозволив визначити доцільність використання у пристрої, який виконує функції лінійного генератора (далі лінійний перетворювач), трифазної керованої мостової несиметричної схеми випрямляча.

У пристрої, який виконує функції вольтододатної машини (надалі вольтододатний перетворювач), доцільно використовувати трифазну керовану шестиплечеву схему випрямляча.

В якості елементної бази випрямлячів принципово можливо використання тиристорів GTO, IGBT. Але використання повністю керованих GTO та IGBT, в запропонованих схемах є недоцільним, оскільки в схемах має місце природна комутація вентилів.

Тому, з метою спрощення схеми керування, та підвищення надійності, рекомендується застосовувати тиристори.

2.1 Вибір напівпровідникових елементів ВДП та ЛП і їх охолоджувачів

Для лінійного перетворювача номінальна фазна напуга вторинної обмотки живлячого трансформатора дорівнює:

B, (9)

де – коефіцієнт перетворення за напругою, для мостової трифазної схеми = 2,34.

Вентилі перетворювача необхідно обирати за наступними показниками:

середній струм вентиля мостової схеми лінійного перетворювача:

А; (10)

зворотна напруга на вентилі лінійного перетворювача:

В. (11)

Враховуючі необхідність, для підвищення надійності схеми, як мінімум трикратного запасу вентиля по струму та напрузі, є можливим використання тиристорів та діодів наступних типів (табл. 2.1):

Табл. 2.1

Тип прибору	Струм, А	Клас прибору	Кількість у плечі	Виробник
Тиристори
Т-161-160-16				Росія
Т123-250				«Перетворювач», м. Запоріжжя
5 STP 04D5200				ABB

 

Закінч. табл. 2.1

Діоди
SKNa 102/46				Semikron
5SDA 06D6500				ABB

Для вольтододатного перетворювача помінальна фазна напруга вторинної обмотки живлячого трансформатора дорівнює:

B, (12)

де – коефіцієнт перетворення за напругою, для мостової трифазної схеми = 1,17.

Вентилі перетворювача необхідно обирати за наступними показниками:

середній струм вентиля мостової схеми лінійного перетворювача:

А, (13)

зворотна напруга на вентилі лінійного перетворювача:

В. (14)

Враховуючі необхідність, для підвищення надійності схеми, як мінімум трикратного запасу вентиля по струму та напрузі, є можливим використання тиристорів та діодів наступних типів (табл. 2.2):

Табл. 2.2

Тип прибору	Струм, А	Клас прибору	Кількість у плечі	Виробник
Тиристори
Т171-320				«Перетворювач», м. Запоріжжя
5 STP 10Т1600				ABB

 

 

Закінч. табл. 2.2

Діоди
SKТ 300/08Е				Semikron
5SDA 10D2303				ABB

 

При розробці принципових схем стендів, найбільш доцільним є використання тиристорів типу 5 STP 04D5200 (лінійний перетворювач) та тиристорів типу 5SDA 10D2303 (вольтододатний перетворювач); діодів типу 5SDA 06D6500 (лінійний перетворювач), оскільки це даст можливість спростити схему та конструкцію лінійного та вольтододатного перетворювачів, зменшити габарити та підвищити їх надійність.

Передбачається, що трансформатор живлення є спеціального виготовлення, оскільки технологія проведення випробувань є специфічною.

Електророзподільна апаратура (контактори та ін.) типова з електромагнітним та електропневматичним приводом.

Передбачається використання релейно-контакторної системи керування стендами з окремими елементами збору та обробки інформації за допомогою ПЕОМ. Для цього доцільно використовувати плату збору інформації ADA-1406 (виробник HOLIT Data System, Украина), датчики струму (типу LA 55-P у колі лінійного перетворювача; типу LT 2005-T у колі вольтододатного перетворювача) та напруги (типу LV 100-3000 у колі лінійного перетворювача; типу CV 3-500 у колі вольтододатного перетворювача) фірми Lem (Швейцария).

Принципова схема після модернізації та специфікація до неї зображено на рис. 2.1 та табл. 2.3:

Рис. 2.1

 

Табл. 2.3

Умов. позна- чення	Назва прибору	Кіл	Примітка
А1,А2, А3	Блок керування трифазним тиристорним регулятором А1056.01.00 ПКБ ЦТ МПС.
М1,М2	Випробувальні електродвигуни
М5,М6	Двигун вентилятора 4А100S2У3 Р=2кВт

 

Продовж. табл.. 2.3

М3,М4	Двигун вентилятора 4А200L2У3 Р=45кВт
KY1, KY2	Реверсор ППК-8063У3		900В,1000А, Uк=110В
КМ1, КМ2	Пускач ПМЛ2100 0*4А, 220В, ТУ УЗ.11-05814256-097-97
КМ3	Контактор КТ6033БУ3, 220В, 2э. и 2р. ОСТ16 0.524.001-72		250А
КМ4	Контактор КТ6053БУ3, 220В, 2э. и 2р. ОСТ16 0.524.001-72		680А
КМ5	Контактор КПВ605У3, 680А, 220В, переднє приєднання, 2э. та 2р. ТУ16-524.032-75
РА1	Вольтамперметр М2044 кл.0,2 ТУ25-7514.106-86, Шунт 75ШСМ 1,5кА ТУ25-04.463-78
РА2	Кілоамперметр М367 (0-1,5)кА, кл.1,5 ТУ25-041068-78Е, Шунт 75ШСМ 1,5кА ТУ25-04.453-78
РА3	Амперметр М367 (0-200)А, кл.1,5 ТУ25-04.1068-78Е
РV1	Вольтметр М367 (0-150)В, кл.1,5 ТУ25-04.1068-78Е
QF2,QF3	Вимикач АЕ2544М-10У2, 380В, 50Гц, 4А, ТУ16-522.143
QF4	Вимикач А3796НУ3, стационарний, 380В, 50Гц, 680А ТУ УЗ.11-14060141-095-98

 

 

Закінч. табл. 2.3

QF5, QF7	Вимикач АЕ2026-10Н-00УЗ-А, 660В, 50Гц, 4А, ТУ16-522.064-82
QF6	Вимикач А3796НУ3, стационарний, 380В, 50Гц, 400А ТУ УЗ.11-14060141-095-98
R2,R5	Резистор ППБ-15Г, 330Ом, ОЖО. 468.512 ТУ
R3,R6	Резистор МЛТ-1-51Ом-А ГОСТ7113-77
R1,R4	Резистор СПЗ-16г 0.125-1кОм-А ОЖО.468.351ТУ
R7	Блок резисторів Б8У2 ИРАК.434332.004-06, -440В, ~660В, 102А, 0.58Ом, ПВ 100% ТУ16-527.287-82
Т2	Трансформатор силовий високовольтний
Т3	Трансформатор силовий низковольтний
VS1-VS6	Тиристор 5STP 10T1600 Охолоджувач О243
VD5	Діод 5SDA 10D2303 Охолоджувач О243
VS7-VS9	Тиристор 5STP 04D5200 Охолоджувач О243
VD6-VD9	Діод 5SDA 06D5007 Охолоджувач О243
XS1, XS2	Колонка для випробування двигунів Э530 6679.00.00

Вибір охолоджувачів

1) Тепловий розрахунок тиристора 5STP 04D5200:

Основні параметри приладу (табл. 2.2.1):

Табл. 2.2.1

U TO, В	U RRM, В	I TAV, А	I jmax, ̊С	R thjc, К/Вт	R thch, К/Вт
1.2				0.036	0.0075

 

Для даного тиристору обираємо охолоджувач типу О243.

Проведемо тепловий розрахунок тиристора 5STP 04D5200 використовуючи поняття теплового опору , яке рівне відношенню перепаду температур до переданої потужності. Для послідовного ряду теплових контактів загальний тепловий опір визначається сумою теплового опору окремих з’єднань.

Таким чином, для тиристора, змонтованого на охолоджувачі, загальний тепловий опір передачі тепла від напівпровідникового переходу до навколишнього середовища є сума теплових опорів з’єднання «перехід-корпус» , з’єднання «корпус-охолоджувач» (табл. 2.2.1) і теплової передачі «охолоджувач-середовище» . Отже, температура переходу тиристора буде рівна

, (15)

де – температура навколишнього середовища;

– втрати потужності, яка розсіюється на тиристорі.

Визначимо втрати потужності тиристора з урахуванням (10)

Вт, (16)

де – падіння напруги на тиристорі у відкритому стані (табл. 2.2.1).

В результаті, приймаючи температуру навколишнього середовища ̊ К, визначимо згідно з виразом (15) температуру переходу тиристора

̊ К; (17)

̊ C.

Отриманий результат свідчить про те, що температура напівпровідникового переходу тиристора менша граничній допустимій і тиристор не потребується в примусовому охолоджені за допомогою вентилятора.

2) Тепловий розрахунок тиристора 5STP 10T1600:

Основні параметри приладу (табл. 2.2.2):

Табл. 2.2.2

U TO, В	U RRM, В	I TAV, А	I jmax, ̊С	R thjc, К/Вт	R thch, К/Вт
0.33				0.032	0.01

 

Для даного тиристору обираємо охолоджувач типу О243.

Проведемо тепловий розрахунок тиристора 5STP 10T1600 використовуючи поняття теплового опору , яке рівне відношенню перепаду температур до переданої потужності. Для послідовного ряду теплових контактів загальний тепловий опір визначається сумою теплового опору окремих з’єднань.

Таким чином, для тиристора, змонтованого на охолоджувачі, загальний тепловий опір передачі тепла від напівпровідникового переходу до навколишнього середовища є сума теплових опорів з’єднання «перехід-корпус» , з’єднання «корпус-охолоджувач» (табл. 2.2.2) і теплової передачі «охолоджувач-середовище» . Отже, температура переходу тиристора буде рівна

(18)

де – температура навколишнього середовища;

– втрати потужності, яка розсіюється на тиристорі.

Визначимо втрати потужності тиристора з урахуванням (13)

Вт, (19)

де – падіння напруги на тиристорі у відкритому стані (табл. 2.2.2).

В результаті, приймаючи температуру навколишнього середовища ̊ К, визначимо згідно з виразом (15) температуру переходу тиристора

̊ К; (20)

̊ C.

Отриманий результат свідчить про те, що температура напівпровідникового переходу тиристора більша граничній допустимій і тиристор потребує примусового охолодження за допомогою вентилятора. Вентиляція здійснюється шляхом прогону повітря через шафу вентилятором невеликої потужності, так як при швидкості повітря через охолоджувач О243 в 5 м/сек, його R _thha зменшується з 0.28 ̊С/Вт до 0.09 ̊С/Вт. Тобто достатньо воздушного потока в 2-3 м/сек, щоб значно зменшити показник Т_j.

3) Тепловий розрахунок діоду 5SDA 06D5007:

Основні параметри приладу (табл. 2.2.3):

Табл. 2.2.3

U TO, В	U RRM, В	I TAV, А	I jmax, ̊С	R thjc, К/Вт	R thch, К/Вт
1.1				0.04	0.01

 

Для даного діоду обираємо охолоджувач типу О243.

Проведемо тепловий розрахунок тиристора 5SDA 06D5007 використовуючи поняття теплового опору , яке рівне відношенню перепаду температур до переданої потужності. Для послідовного ряду теплових контактів загальний тепловий опір визначається сумою теплового опору окремих з’єднань.

 

Таким чином, для діода, змонтованого на охолоджувачі, загальний

тепловий опір передачі тепла від напівпровідникового переходу до навколишнього середовища є сума теплових опорів з’єднання «перехід-корпус» , з’єднання «корпус-охолоджувач» (табл. 2.2.3) і теплової передачі «охолоджувач-середовище» . Отже, температура переходу діода буде рівна

(21)

де – температура навколишнього середовища;

– втрати потужності, яка розсіюється на діоді.

Визначимо втрати потужності діода з урахуванням (10)

Вт, (22)

де – падіння напруги на тиристорі у відкритому стані (табл. 2.2.3).

В результаті, приймаючи температуру навколишнього середовища ̊ К, визначимо згідно з виразом (15) температуру переходу тиристора

̊ К; (23)

̊ C.

Отриманий результат свідчить про те, що температура напівпровідникового переходу діода менша граничній допустимій і діод не потребується в примусовому охолоджені за допомогою вентилятора.

Проаналізувавши габаритні параметри напівполупроводникових приборів та їх охолоджувачів, можна визначити габарити разподільної шафи.

Охолоджувач зображений на рис. 2.1:

 

Рис. 2.1

Схема шафи та приблизне розташування приборів (рис. 2.2):

 

 

Рис.2.2

 

де БУ – блоки керування трифазним тиристорним регулятором.