Испарительно-воздушное охлаждение полупроводниковых выпрямительных агрегатов тяговых подстанций электрифицированных железных дорог тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Юферева, Лариса Михайловна

• Юферева, Лариса Михайловна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юферева, Лариса Михайловна

Страницы

Основные обозначения

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Тенденции совершенствования СПП и их охлаждающих устройств

1.2 Обзор существующих систем охлаждения ВУ ПВА и перспективные направления.

1.3 Методы расчета испарительно-воздушных систем охлаждения на основе охладителей типа «двухфазный термосифон»

1.4 Постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

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

2.1 Аналитическое исследование заполнения теплоносителем охладителей типа «двухфазный термосифон», работающих при естественной конвекции охлаждающего воздуха

2.2 Математическая постановка задачи.

2.3 Комплексный расчет испарительной системы охлаждения полупроводникового выпрямительного агрегата.

2.3.1 Методика расчета испаригельно-воздушной системы ПВА.

2.3.2 Расчет мощности тепловых потерь.

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

ВУ ПВА.

2.3.4 Тепловой расчет индивидуальных охлаждающих устройств силовых полупроводниковых приборов.

2.3.5 Аэродинамический расчет.

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

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

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

3.1 Цель и объект испытаний

3.2 Планирование эксперимента.

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

3.4 Обработка экспериментальных данных.

3.5 Анализ погрешностей.

3.6 Анализ полученных результатов.

3.7 Оценка величины коэффициента местного аэродинамического сопротивления охладителя типа ДТС.

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

3.9 Сопоставление и анализ результатов, полученных экспериментально-теорегическим путем при нахождении распределения потоков теплоты в силовых модулях.

Выводы.

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

4.1 Нагрузочные и тепловые характеристики разработанных силовых полупроводниковых модулей

4.2 Конструкция опытной ВУ ПВА.

4.3 Результаты натурных испытаний опытной ВУ ПВА.

4.4 Технико-экономические показатели опытного ПВА.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Испарительно-воздушное охлаждение полупроводниковых выпрямительных агрегатов тяговых подстанций электрифицированных железных дорог»

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 является 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 агрегата 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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Юферева, Лариса Михайловна

62. Результаты исследования и перспективы применения испарительного охлаждения силовых полупроводниковых приборов./' Л.И. Ройзеп, Б.Д. Курносов, Г.А. Шипаев и др. - Электротехническая промышленноеть: Сер. Преобразовательная техника, 1970, вып. 5, с. 12-14.

63. Ройзен Л.И., Дулькин И. Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. - М.: Энергия, 1977. - 256 с.

64. Румшиский Л.З. Вычислительный лабораторный практикум по курсу высшей математики для втузов. - М.: Физматгиз, 1963. - 140 с.

65. Рыбасенко В. Д., Ры басен ко И.Д. Элементарные функции. Формулы, таблицы, графики. - М.: Наука, 1987. - 416 с.

66. Сатин В.51., Темкин Б.Р., Виноградов С.П., Киселева И.Д. Экспе-риметальное исследование рабочих характеристик плоских безартериальных тепловых труб. - Сб. тр./ Моск. энерг. ин-т, 1980, вып. 448, с. 39-44.

67. Совершенствование систем охлаждения мощных полупроводниковых преобразователей железнодорожного транспорта. / Под ред. ИГ. Киселева. - Сб. науч. тр. - Л.: ЛИИЖТ, 1988. - 119 с.

68. Соколов С.Д., Иванов В.И. Параметры и системы охлаждения полупроводниковых преобразователей тяговых подстанций. - Сб. науч. тр. / УНИИ МПС, 1971, вып. 446, с. 54.

69. Соколов С.Д., Киселев И.Г., Филатов В В., Хазен М.М., Степанец В.А., Шевейко И.А. Эффективность применения естественного испарительно-воздушного охлаждения полупроводниковых преобразовательных агрегатов тяговых подстанций. - Сб. науч. тр. / Всесоюзн. науч.-исслед. ин-г ж.-д.грансп., 1979, вып. 618, с, 4853.

70. Соколов С.Д., Степанец В.А., Санников Ю.Г. Полупроводниковые испарители на вентилях высоких классов для тяговых подстанций постоянного тока. - Вестник Всесоюзн. науч.-исслед. инта ж.-д. трансп., 1976, № 1, с. 10-13.

71. Соколов С.Д. и др. Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций. - М.: Транспорт,1975. - 264 с.

72. Справочник по преобразовательной технике. / Под ред. И. М. Чи-женко. - М.: Техника, 1978. - 447 с.

73. Степанец В. А. Вентили высоких классов в преобразовательных агрегатах с естественным воздушным охлаждением. — Сб. тр. / Всесоюзн. науч.- исслед. ин-г ж.-д. тр-га, 1979, вып. 618, с. 25-30.

74. Стрельцов А.И. Теоретическое и экспериментальное исследование оптимального заполнения тепловых трубок. - Изв. вузов. Энергетика, 1973, № 12, с. 118-122.

75. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. - М.: Стройиздат, 1979. — 296 с.

76. Тепловые трубы в электрических машинах. / Под ред. В.М. Петрова. --- М.: Энер] оатомиздат, 1987. - 152 с.

77. A.C. 1354912 (СССР). Тепловая труба для охлаждения тепловыделяющих объектов / ЛИИЖТ им. В.Н. Образцова; Авт. изобрел . ИГ. Киселев, А.Б. Буянов, Л.М. Юферева, А.Т. Бурков. - заявл. 16.04.86, №4055251/24-06.

78. Тепло- и массообмен. Теп л отехн и чес ки й эксперимент. Справочник. / Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энер-гоиздат, 1982. - 510 с.

79. Теоретические основы планирования экспериментальных исследований. / Под ред. Круга Г.К. - М.: МЭИ. 1973. - 180 с.

80. Травин Л.В. Принудительные схемы и конструкции высоковольтных тиристорных блоков Швеции, Японии, ФРГ, Швейцарии и США. - Сб. тр / Преобразовательные подстанции передачи постоянного тока, М.: Энергия, 1975.

81. Третьяков Г.А., Дилевская Е.В., Брянцев А.В. Тепловой расчет мощных преобразователей с воздушным охлаждением. - М.: Энергоатом издат, 1986. - 136 с.

82. Тяговые подстанции. / Ю.М. Бей, Р.Р. Малтошин, В Н. Пупынин, М.Г.Шалимов. М.: Транспорт, 1986. - 319 с.

83. А. С. 937965 (СССР). Узел охлаждения /Авт. изобрет. Ю.А. Пастор, В.Н. Яковлев. - Опубл. В Б.И. ,1982, № 1982, Г28Д15/00, Н01Ь23/34.

84. Устройство для охлаждения полупроводниковых приборов. Пат. Японии № 56-16552, Н01Ь23/44. - Изобретения в СССР и за рубежом. 1981, вып. 112, № 19, с. 163.

85. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Справочник. - М.: Атомиздат, 1979. 216 с.

86. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. - М.: Наука, 1971. - 312 с.

87. Федотов Я.А. Основы физики полупроводников. - М.: Советское радио. 1970. - 565 с.

88. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. - М.: Атомиздат, 1971. - 360 с.

89. Хазен М.М. Допустимая нагрузочная способность полупроводниковых преобразовательных агрегатов тяговых подстанций постоянного тока при естественном воздушном охлаждении. - Сб. науч. тр. / Всесоюзн. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп., 1979, вып. 618, с. 36-48.

90. Хазен М.М., Иванов В.И., Семенов Г.М. Технико-экономические показатели систем охлаждения полу п рово дни ковы х преобразователей с р-n структурами больших диаметров. - Электротехника, 1977, № 12, с. 25-29.

91. Хантли Г. Анализ размерностей. - М.: Мир, 1970. - 175 с.

92. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента.М.:

Мир, 1967. - 406 с.

93. Хилл П. Наука и искусство проектирования. - М.: Мир, 1973. -263 с.

94. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. — М.: Энергоатом из дат, 1985. — 401 с.

95. Челноков В.Е., Евсеев К).А. Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов. -- М.: Энергия, 1973. - 280 с.

96. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. - М.: Мир, 1972. -382 с.

97. Эксплуатационная эффективность систем охлаждения устройств электрической тяги. / Под ред. В.И. Иванова. - Труды ЦНИИ МПС. - М.: Транспорт, 1974, вып. 522. - 104 с.

98. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теполопередача. М.: Высшая школа. 1988. - 480 с.

99. Юферева Л.М. Математическая модель распределения потоков теплоты в силовых блоках выпрямительных установок / Неделя

100. Юферева Л.М., Буянов А.Б. Исследование заполнения теплоносителем двухфазных термосифонов, работающих в условиях естественной конвекции охлаждающего воздуха. «Изв. Вузов СССР -Энергетика ». -Минск, 1986, 10с.: Рус.-Д в 2.12.86 №8172-В.

101. Юферева Л.М., Буянов А.Б. Экспериментальное исследование силовых полупроводниковых блоков для тягового выпрямителя железных дорог / Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-гехнического прогресса на железнодорожном транспорте: Тезисы отраслевой научно-технической конференции. - М.: ВНИ-ИЖТ, 1984, с. 46-47.

102. Юферева Л.М., Киселев ИТ. Модернизация системы испари-тельно-воздушного охлаждения полупроводникового выпрямительного агрегата // Тезисы докладов 57-й научно-технической конференции с участ ием студентов, молодых специалистов и ученых. - СПб.: ПГУПСД997, с.35-36.

103. Юферева Л.М., Киселев И.Г., Буянов А.Б. Нагрузочные и тепловые характеристики силовых полупроводниковых блоков. Рукопись представлена Ленингр. ин-том жел.-дор. транспорта. Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО,1987, № 8, с. 178.

104. Akivama S., Onodera К. Cooling Technique for Power Semiconductors. FUJI Electric Journal, 1969, v. 42, N 7, pp. 583-589.

105. Mclaughlin, Lastrow E.E. Power Semiconductor equipment cooling methods and application criteria/ - 9lh Annual Meeting IEEE bid. Appl. Soc. Pittsburgh, 1974, pp. 1119-1129.

106. Horiuchi Т., Matsushita Т., Kobayashi S. 125 kW Oil-Immerged

Thyristor Valve. - Toshiba Revien, 1974, v. 74, N 92, pp. 30-35.

107. Larkin B.S. An Experimental Investigation of a Low Heat Flux, Wickless Heat Pipe. Transactions of the CSME, 1982, vol. 7 N5, p. 96-99.

108. Srinivasan R. Performance investigation of a Closed Two-Phase Thermosyphon. Proc. Condens. Pap. of the Miami International Conference on Alternative Sources, Miami Beach, Fla; 1982, 13-15 Dec., p. 259-261.

109. Andreini P.A., Niro A. Soambio termico nei tubi di calore a termosifoiie chiuso bifase. Energie alternative HI E, 1983, vol. 5, N 21, p. 9-18.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ