МОДУЛЬ СИЛОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ

Область техники
Модуль силовой выпрямительный является унифицированным устройством и предназначен для создания широкого класса выпрямительных агрегатов и комплексов.
Выпрямители являются одним из основных устройств, используемых в электрохимическом производстве. Они обеспечивают питанием самый разнообразный спектр устройств и процессов (гальванических линий и ванн, станков электрохимической обработки металлов, электролизеров и т.д.). Доля электрохимических процессов в промышленности неуклонно растет, и в связи с этим возрастают требования к устройствам питания.
Уровень техники
Разнообразие процессов электрохимических производств и в связи с этим требований к выпрямителям по мощности, уровню защиты от агрессивных сред, массогабаритным показателям и пр. делает наиболее предпочтительным модульный принцип построения, позволяющий на основе унифицированных модулей конструировать выпрямительные агрегаты и комплексы, в наибольшей степени удовлетворяющие пожеланиям потребителей.
Известны модульные импульсные источники питания «ГОРН», производитель ООО «Научно-производственный консультационный центр «КУРСОР» (http://www.galvanicrus.ru/catalog/cursor/gorn.php). Источники питания изготавливаются на базе силовых блоков ГОРН-К и ГОРН-КГ. Источники предназначены для работы в условиях промышленного производства в атмосфере, определяемой исполнением модулей источника. Типовое подключение - трехфазная сеть 380 В 50 Гц. Источники питания изготавливаются с электронным переключением полярности, реверсом, или без него. Модульное построение источника обеспечивает его хорошую ремонтопригодность и надежность в работе. Указанный аналог обладает следующими недостатками:
- недостаточная герметизация от воздействия агрессивной среды (класс у выпрямителей «ГОРН» - IP20, IP54)
- максимальная выходная мощность одномодульного импульсного источника питания составляет 8 кВт, а многомодульного до 60 кВт при IP20. При увеличении класса защиты до IP54 выходная мощность одномодульного импульсного источника питания уменьшается до 5 кВт.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является модуль силовой к выпрямителям Flex Kraft (Швеция), предназначенным для питания технологическим током гальванических ванн, станков электрообработки металлов и других электроустройств (Техническое описание Flex Kraft 77-107.0223 RU Rev. F, 2009-06-23. Kraftelektronik AB. P.O. Box 2102. SE-445 02 SURTE, интернет-ресурс group.ru/upload/goods/docs/flex_kraft_rp.pdf).
В основу работы модуля положена технология высокочастотной техники переключения «Hard switch mode». По этой технологии напряжение сети выпрямляется, преобразуется в напряжение высокой частоты (75 кГц), трансформируется, выпрямляется и поступает на выход модуля. Преобразование напряжения на такой высокой частоте позволяет делать трансформатор и выходной фильтр очень компактными.
Модуль силовой Flex Kraft имеет корпус с плоским основанием, каркасом и конструктивными элементами для установки и монтажа элементов и узлов устройства, снабженный крышкой с боковыми стенками. В передней части корпуса снаружи по центру на каркасе смонтирован вентилятор охлаждения. Внутри корпуса размещены субмодули и общие для субмодулей элементы. Справа и слева от вентилятора размещены плата управления и плата с общими для субмодулей элементами: клеммы питания силовых цепей, сетевой фильтр, предохранители, трехфазный диодный мост.
*
*
*
*
3
На основании вертикально смонтированы радиаторные пластины с горизонтальными ребрами, на каждой из которых размещены элементы одного субмодуля. В состав каждого субмодуля входят импульсный высокочастотный преобразователь, силовой трансформатор напряжения с соединительными шинами, диодные модули, снабберы, дроссель в выходном LC-фильтре, выходные шины. Габаритные размеры модуля (высоташиринаглубина) составляют 135500500 мм. Масса - около 25 кг. Выходные шины субмодулей могут быть соединены последовательно для увеличения выходного напряжения или параллельно - для увеличения выходного тока. Кроме того субмодули могут работать как независимые выпрямители. Выходные параметры субмодуля: регулируемое напряжение 0÷12 В, ток 300 А или напряжение 0÷15 В, ток 250 А при напряжении в сети питания 380 В. Таким образом, максимальная выходная мощность модуля силового составляет 7200 Вт, что соответствует следующим массогабаритным показателям: удельная мощность по объему составляет 213 Вт/дм, удельная мощность по массе 288 Вт/кг. Коэффициент полезного действия составляет 0,9, коэффициент мощности 0,93. Модуль монтируется в стойке и закрывается декоративной панелью с фильтром и отверстиями для забора охлаждающего воздуха.
Процесс преобразования переменного тока в постоянный осуществляется субмодулем Flex Kraft следующим образом. Переменный трехфазный ток промышленной частоты и напряжения (3~50 Гц 380 В) через входные клеммы сети питания подается на сетевой фильтр, улучшающий форму входного напряжения, а также снижающий уровень помех от высокочастотного преобразователя, проникающих в сеть. Далее напряжение подается через предохранители на трехфазный выпрямительный диодный мост. Выпрямленное напряжение поступает на импульсный высокочастотный преобразователь инверторного типа, использующий технику высокочастотного переключения «Hard switch mode», который преобразует его в напряжение высокой частоты (75 кГц). Далее напряжение поступает на силовой трансформатор напряжения, понижающий его до определенного значения. Через соединительные шины напряжение с трансформатора поступает на выпрямитель по обычной схеме выпрямления с диодными модулями быстрого переключения. Для сглаживания выбросов напряжения и защиты диодов к каждому диодному модулю подключен снаббер. С выхода выпрямителя напряжение через одновитковый дроссель в LC-фильтре поступает на выходные шины. В варианте с реверсом снаружи дополнительно устанавливается блок реверса. Вентилятор осуществляет продув охлаждающего воздуха через модуль, причем основной поток направлен вдоль ребер радиаторов. Забор воздуха осуществляется через отверстия и фильтр в декоративной панели, выход нагретого воздуха - сзади модуля. Конструкция модуля обеспечивает класс пылевлагозащиты IP32 и возможность эксплуатации в диапазоне температур 0÷40°C.
К основным недостаткам модуля следует отнести невысокий класс пылевлагозащиты (IP32), что ограничивает возможности применения выпрямителей Flex Kraft в производственных условиях при наличии агрессивных паров, конденсата, сильной загрязненности и запыленности воздуха. Модуль не может быть использован самостоятельно, а только как часть устройств более высокого уровня. Кроме того, показатели энергоэффективности (КПД, коэффициент мощности, удельная мощность), массогабаритные параметры не вполне соответствуют современным требованиям.
Задачами настоящей полезной модели являются:
- расширение области применения и обеспечение надежности при эксплуатации в агрессивных, запыленных и влажных средах за счет повышения класса пылевлагозащиты выпрямителей;
- расширение температурного диапазона при эксплуатации;
- снижение массогабаритных показателей выпрямителей;
- повышение энергоэффективности и безопасности эксплуатации;
- повышение технологичности при сборке, монтаже и наладке модуля силового, а также сокращение трудозатрат при техническом обслуживании.
Раскрытие полезной модели
Предложен модуль силовой выпрямительный, обеспечивающий преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный, имеющий корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, в котором смонтированы сетевой фильтр, 3-х фазный диодный мост, предохранители, разъемы управления модулем, входные клеммы сети питания, индикатор, радиатор и субмодули с размещением их элементов на радиаторе, таких как импульсный высокочастотный преобразователь напряжения инверторного типа, силовой трансформатор напряжения с соединительными шинами, диодные модули выпрямительные, снабберы, дроссели, входящие в выходной LC-фильтр, выходные шины и систему охлаждения с вентилятором, в который введены новые отличительные признаки.
Решение поставленных задач достигают за счет того, что:
- компоновка модуля выполнена таким образом, что корпус модуля выполнен герметичным с компактным размещением элементов и узлов модуля с оригинальной системой охлаждения;
- корпус модуля выполнен герметичным и собирающимся из основания, крышки, передней, задней и боковых стенок, выполненных с двусторонним продольным оребрением, причем концы боковых стенок в передней части выступают за пределы герметичного корпуса и на них установлена декоративная панель;
- основание корпуса одновременно является радиатором с горизонтальным расположением, на котором смонтированы два субмодуля, а также общие для субмодулей элементы: 3-х фазный диодный мост, вентилятор внутреннего охлаждения и сетевой фильтр, размещенные на продольной оси симметрии модуля, при этом вентилятор установлен на расстоянии от передней стенки 0,2-0,3 глубины корпуса, а сетевой фильтр - на минимальном расстоянии от входных клемм сети питания, расположенных на задней стенке, и соединен с ними короткими шинами;
- в каждом из субмодулей импульсный высокочастотный преобразователь напряжения инверторного типа построен по схеме «полный мост» с использованием «ZVS» (zero voltage switching - переключение при нулевом напряжении) на базе техники мягкого переключения - "Soft switch mode";
- силовой трансформатор выполнен с секционной обмоткой при последовательном чередовании секций первичной и вторичной обмоток по длине изоляционной стенки сердечника с разделением секций плоскими изолирующими шайбами с боковыми прорезями, каждая секция первичной обмотки образована проводом-литцендратом, намотанным в виде плоской спирали, между витками которой размещен изоляционный шнур, причем переход провода с изоляционным шнуром к каждой последующей секции осуществлен через соответствующие прорези в шайбах, секции вторичной обмотки силового трансформатора образованы плоскими П-образными токопроводящими шинами, путем их размещения между плоскими изолирующими шайбами, так, что свободные концы шин выходят за пределы сердечника, совпадают по направлению с прорезями шайб, и параллельного соединения свободных концов соседних шин специальными вставками с последующей фиксацией вставок с плоскими П-образными токопроводящими шинами;
- соединительные шины силового трансформатора смонтированы и скоммутированы с выступающими концами соответствующих П-образных шин вторичной обмотки, имеют отгибы в нижних и боковых частях и сконфигурированы так, что на боковых отгибах осуществлен монтаж одновитковых дросселей, а на нижних отгибах смонтированы диодные модули, под которыми размещены снабберы, подключенные к диодным модулям плоскими и короткими шинами;
- система охлаждения содержит теплообменную поверхность, образованную основанием, стенками и крышкой корпуса и вентиляторы внутреннего и внешнего охлаждения, причем вентиляторы внешнего охлаждения размещены на декоративной панели и подключены к разъемам на передней стенке модуля силового.
Дополнительными отличительными признаками являются:
- передняя и задняя стенки корпуса в местах сопряжения с крышкой и основанием снабжены канавками для размещения силиконового уплотнительного шнура;
- боковые стенки выполнены с пазом прямоугольной формы для размещения резиновой уплотнительной прокладки с внутренней стороны;
- предохранители силовых цепей и питания вентиляторов охлаждения, разъемы подключения вентиляторов и индикатора состояния и разъемы управления модулем размещены на передней стенке корпуса модуля;
- провод первичной обмотки (литцендрат) свит из четырех проводников;
- специальные вставки представляют собой низкопрофильные толстостенные цилиндры со сквозным отверстием по центру вдоль оси;
- фиксацию вставок и плоских П-образных токопроводящих шин осуществляют длинными винтами;
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1. Общий вид модуля силового.
Фиг. 2. Уплотнение боковых стенок при сборке резиновой прокладкой.
Фиг. 3. Уплотнение передней стенки при сборке силиконовым шнуром.
Фиг. 4. Конструкция модуля силового. Вид сверху с открытой крышкой.
Фиг. 5. Конструкция силового трансформатора с диаграммой распределения тока между витками первичной обмотки и по толщине плоской шины вторичной обмотки, где δ - глубина проникновения тока, I - амплитуда тока в первичной (А) и вторичной (Б) обмотках.
Фиг. 6. Параллельное соединение выходных шин силового трансформатора.
Фиг. 7. Конфигурация соединительных шин.
Фиг. 8. Одновитковый дроссель (разрез).
Фиг. 9. Структурная блок-схема субмодуля.
Фиг. 10. Распределение воздушного потока вентилятора внутреннего охлаждения.
Фиг. 11. Обдув корпуса МС вентиляторами внешнего охлаждения. Наилучший вариант осуществления полезной модели
Общий вид модуля силового (МС) представлен на фиг. 1.
Основные узлы и детали МС смонтированы внутри герметичного разборного корпуса. Основанием корпуса является радиаторная пластина 1, к которой винтами крепятся боковые стенки 2, передняя 3 и задняя 4 стенки. Сверху к стенкам крепится крышка 5. Боковые стенки 2 имеют несколько большую длину, чем основание 1 и крышка 5 и при сборке их передняя часть выходит за пределы герметичного корпуса. После сборки корпуса на выступающие торцы монтируют декоративную панель 6 с вентиляторами внешнего охлаждения 7 и индикатором состояния 8. Боковые стенки 2 снаружи и изнутри выполнены с продольным оребрением и снабжены крепежными отверстиями для установки и фиксации МС в монтажной стойке. На передней стенке 3 МС расположены предохранители 9 силовых цепей и предохранители 10 вентиляторов, а также разъем 11 подключения вентиляторов 7 и индикатора состояния 8 и разъем управления МС 12.
На фиг. 2 и 3 показаны элементы герметизации корпуса, которая достигается путем использования плоской резиновой прокладки 13, уложенной в прямоугольный паз на внутренней стороне боковых стенок 2 и силиконового шнура 14, располагаемого в канавках передней и задней стенок.
На фиг. 4 показан общий вид МС с открытой верхней крышкой и взаимное расположение конструктивных элементов. Основную сборочную единицу в составе МС представляет собой субмодуль. В состав МС входят два субмодуля. Выходные параметры МС в зависимости от внешней коммутации выходных шин субмодулей могут быть: 1000 А/12 В; 500 А/24 В.
На задней стенке 4 МС размещены входные клеммы сети питания 15, питания внутренних элементов и вентиляторов 16 и выходные шины МС 17. Через короткие входные шины 18 входные клеммы сети питания 15 соединены с сетевым фильтром ЕМУ 19, размещеным на горизонтальном основании-радиаторе 1. На основании-радиаторе 1 смонтированы также трехфазный выпрямительный диодный мост 20, а также элементы субмодулей: импульсные высокочастотные преобразователи 21, силовые трансформаторы напряжения 22, соединительные шины 23 которых сконфигурированы так, что позволяют осуществить монтаж и коммутацию диодных модулей 24 и дросселей 25. Между диодными модулями 24 размещен снаббер 26, подключенный к ним плоскими и короткими шинами.
Диодные модули и дроссели через плату LC-фильтра 27 подключены к выходным шинам 17 МС, которые жестко фиксируются пластинами из поликарбоната и герметизируются и изолируются от корпуса резиновыми прокладками. На основании-радиаторе 1, на продольной оси симметрии МС, на расстоянии от передней стенки, равном 0,2÷0,3 глубины МС установлен вентилятор внутреннего охлаждения 28. Узлы и детали размещены на горизонтальном основании-радиаторе 1 для увеличения теплоотвода, доступ к ним и их монтаж осуществлен сверху для удобства и технологичности при производстве и сервисных работах. Силовой трансформатор 22 предназначен для снижения напряжения, поступающего с высокочастотного преобразователя 21 до требуемого значения номинала МС (без учета падения на схеме выпрямления и реверсирования) - 12 В.
На фиг. 5 представлена конструкция силового трансформатора с диаграммой распределения тока между витками первичной обмотки и по толщине плоской шины вторичной обмотки, где δ - глубина проникновения тока, I - амплитуда тока в первичной (А) и вторичной (Б) обмотках. Трансформатор собран на Ш-образном сердечнике 29 с изоляционной стенкой 30, на которой расположены первичная 31 и вторичная 32 обмотки. Обмотка силового трансформатора выполнена секционной, с последовательным чередованием секций первичной 31 и вторичной 32 обмоток по длине изоляционной стенки 30. Секции разделены плоскими изолирующими шайбами 33 с боковой прорезью. Каждая секция первичной обмотки 31 образована проводом, намотанным в виде плоской спирали. Провод первичной обмотки 31 свит из нескольких проводников, между витками проложен изоляционный шнур 34. Вторичная обмотка 32 образована плоскими П-образными токопроводящими шинами, путем их размещения между плоскими изолирующими шайбами 33, так, что свободные концы шин выходят за пределы сердечника и совпадают по направлению с прорезями шайб. При намотке первичной обмотки переход провода 31 и изоляционного шнура 34 к каждой последующей секции осуществляется через соответствующие прорези в шайбах 33 и промежуток между незамкнутыми концами токопроводящих шин вторичной обмотки 32.
Диаграмма распределения тока показывает, что представленная конструкция силового трансформатора позволяет достичь равномерного распределения тока между витками и в толще проводника первичной обмотки 31, а также по площади плоской шины вторичной обмотки 32.
На фиг. 6 представлен вариант параллельного соединения свободных концов шин вторичной обмотки 32. Свободные концы шин соединяются параллельно специальными вставками 35, которые фиксируются длинными винтами 36.
На фиг. 7 представлен вариант исполнения соединительных шин силового трансформатора и их подключение к вторичной обмотке 32. Соединительные шины выполнены в виде двух пар симметричных Г-образных пластин 37, снабженных боковыми отгибами 38 с отверстиями на концах. Кроме того, пластины каждой пары в нижней части снабжены отгибами 39 с двумя отверстиями и в верхней или нижней части лепестками 40 с отверстиями. При сборке пластины разделяются изолирующими прокладками 41. Каждая пара пластин образует соединительную шину, которая при помощи лепестка 40 монтируется на соответствующем выступе П-образной шины вторичной обмотки 32. На боковых отгибах 38 монтируются одновитковые дроссели 25, а на нижних отгибах 39 пара диодных модулей 24.
На фиг. 8 представлена конструкция одновиткового дросселя 25. Конструктивно дроссель включает токопроводящий сердечник 42 в виде цилиндрического стержня, на концах которого выполнены резьбовые отверстия 43 для подключения токоведущих шин. На сердечник надеты кольца 44 из магнитомягкого материала с изоляционным покрытием и закреплены на нем фиксирующим герметиком. Дроссель монтируется на боковом отгибе 38 соединительной шины силового трансформатора при помощи винта, вворачиваемого в резьбовое отверстие 43 токопроводящего сердечника 42.
Описание работы субмодуля, входящего в состав модуля силового
Работа субмодуля поясняется блок-схемой, приведенной на фиг. 9, а также конструкцией фиг. 4. Переменный трехфазный ток промышленной частоты и напряжения (3~50 Гц 380 В) через входные клеммы сети питания 15 и короткие входные шины 18 подается на сетевой фильтр ЕМУ 19, улучшающий форму входного напряжения, а также снижающий уровень помех от высокочастотного преобразователя, проникающих в сеть. Далее по гибким проводникам напряжение подается через предохранители FU 9 на трехфазный выпрямительный диодный мост 20. Выпрямленное напряжение поступает на высокочастотный преобразователь D 21, представляющий собой импульсный высокочастотный преобразователь инверторного типа, построенный по схеме «полный мост» с использованием «ZVS» (zero voltage switching - переключение при нулевом напряжении), использующий технику мягкого переключения «Soft switch mode». При использовании данного типа переключения достигается снижение потерь на переключение транзисторов высокочастотного преобразователя за счет полного или частичного отсутствия потерь при включении транзисторов. Это достигается путем использования паразитной индуктивности трансформатора (индуктивность рассеяния), которая позволяет за счет накопленной в ней энергии сформировать выброс напряжения на выводе одного из транзисторов в плече полумоста, и, соответственно, снижение напряжения на выводе другого транзистора в этом плече, и именно в этот момент происходит его включение. Таким образом, в момент включения на транзисторе минимальное напряжение или близкое к нулю. Далее с высокочастотного преобразователя 21 напряжение поступает на силовой трансформатор напряжения Т 22, понижающий его с 530 В до 12 В. Через соединительные шины 23 напряжение с трансформатора 22 поступает на выпрямитель 45 по схеме удвоителя тока (два дросселя 25 и два диодных модуля 24 Шоттки) или выпрямитель по обычной схеме с диодными модулями быстрого переключения. Для сглаживания выбросов напряжения и защиты диодов к диодным модулям 24 подключены снабберы 26. С выхода выпрямителя напряжение через LC-фильтр 27 поступает на выходные шины 17. Управление, контроль и защиту МС при эксплуатации осуществляет микропроцессорная система управления и на аппаратном уровне в высокочастотном преобразователе. Регулирование постоянного тока и напряжения на выходе модулей производится изменением скважности импульсов тока в первичной цепи инвертора системой обратной связи ОС 46. При аварийных ситуациях система управления подает «запрет» на формирование импульсов управления и осуществляет выключение МС. Кроме того при возникновении неисправности МС индикатор состояния 8 изменяет свой цвет с зеленого, свидетельствующего о нормальной работе, на красный.
Система охлаждения МС работает следующим образом. Вентилятор внутреннего охлаждения 28 осуществляет обдув элементов МС. На фиг. 10 показано распределение потока воздуха внутри МС. Воздух после вентилятора частично проходит вправо и влево, забирая тепло с трансформаторов 22, соединительных шин 23, диодных модулей 24, дросселей 25, снабберов 26, и сетевого фильтра 19, частично проходит к задней стенке, и при этом отдает часть тепла на верхнюю крышку, затем проходит по задней стенке вправо и влево, забирает там тепло с платы LC-фильтра 27 и с выходных шин 17, при этом, проходя по задней стенке, отдает часть тепла через нее наружу, затем возвращается вдоль боковых стенок, снимая тепло с дросселей 25 и отдавая его на боковые стенки и верхнюю крышку, далее возвращается по передней стенке справа и слева к центру, забирая тепло с высокочастотных преобразователей 21, 3-х фазного выпрямительного моста 20 и держателей предохранителей 9, отдавая при этом его на переднюю стенку и возвращаясь к вентилятору 28. Такая организация воздушного потока достигается при размещении вентилятора внутреннего охлаждения на продольной оси симметрии МС на расстоянии от передней стенки, равном 0,2÷0,3 глубины МС. В совокупности с применением основания - радиатора и оребрением боковых стенок это существенно улучшает условия теплопередачи от нагревающихся при работе элементов к стенкам корпуса МС. Вентиляторы наружного охлаждения 7, смонтированные на декоративной панели 6 и подключенные к разъему 11 осуществляют обдув корпуса МС снаружи (фиг. 11). Поток воздуха обдувает переднюю стенку, направляется вдоль ребристых поверхностей основания - радиатора 1, боковых стенок 2 и крышки 5, обдувает заднюю стенку. Это способствует повышению эффективности теплосъема с МС.
МС представляет собой полностью функционально и конструктивно законченное изделие и может, как входить в состав выпрямителя, так и использоваться отдельно, так как имеет свой собственный корпус с защитой от агрессивной среды IP65 и все необходимые разъемы и клеммы для подключения питания, нагрузки, систем охлаждения и управления.
Достигаемый технический результат
Разработанные эффективная система охлаждения модуля и конструкция силового трансформатора, позволили существенно уменьшить потери и снизить температуру трансформатора в процессе работы. Эти мероприятия позволили осуществить герметизацию корпуса и достичь класса пылевлагозащиты модуля IP65, что обеспечило повышение надежности при эксплуатации в агрессивных, запыленных и влажных средах.
Снижение температуры нагрева модуля позволило расширить температурный диапазон при эксплуатации до +45°C.
*
*
*
*
3
Габаритные размеры модуля без полюсного реверса (ширинаглубинавысота) 460500180 мм, максимальная масса 35 кг, мощность модуля, включающего два субмодуля 12 кВт. Удельная мощность модуля по объему 290 Вт/дм, по массе 343 Вт/кг (Flex Kraft 213 Вт/дм и 288 Вт/кг соответственно).
Использование импульсного высокочастотного преобразователя инверторного типа, построенного по схеме «Zero voltage switching)) на базе высокочастотной техники «Soft switch mode)), в совокупности с конструкцией силового трансформатора, обеспечивающей снижение потерь, позволили повысить КПД до 93% и коэффициент мощности до 0,97.
Компоновка модуля предусматривает максимальную плотность монтажа элементов для уменьшения его габаритов и массы, а также для уменьшения влияния электромагнитных полей и наводок за счет минимальных размеров силовых соединительных линий и образованных ими контуров.