СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к силовым полупроводниковым модулям для статических преобразователей, и может быть использовано в конструкциях мощных выпрямительных установок, предназначенных для питания тяговых генераторов железнодорожного транспорта, устройств электролиза в цветной металлургии и химической промышленности.
Известен силовой полупроводниковый модуль, содержащий полупроводниковый таблеточный тиристор, установленный на охладителе, и элемент защиты в виде предохранителя, установленного на той же боковой поверхности коллектора охладителя, на которой закреплен тиристор [1].
При возникновении перенапряжения предохранитель отключает тиристор от питания. При этом могут быть следующие ситуации: в силу большой инерционности и невысокой точности срабатывания предохранителя, а также его перегрева в процессе работы, возможны случаи ложных срабатываний, а также запаздывания отключения предохранителя, что значительно повышает степень возникновения аварийной ситуации, например, из-за короткого замыкания может быть взрыв или пожар. Предварительная ситуация этим известным устройством не фиксируется. Таким образом, недостатком известного устройства является низкая эксплуатационная надежность из-за невысокой эффективности защиты от аварийных ситуаций вследствие неконтролируемости технического состояния силового тиристора в процессе эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является полупроводниковый вентильный блок воздушного охлаждения, содержащий полупроводниковый таблеточный вентиль, зажитый траверсой с болтами
между основаниями двух охладителей, выполненных в виде отходящих от основания коллекторов с ребрами, предохранители и изоляционные панели, ограждающие боковые ребра охладителей [2].
Охладитель, прижатый к полупроводниковому таблеточному вентилю со стороны траверсы, снабжен двумя дополнительными ребрами, параллельными основанию и перекрещивающими ребра охладителя, отходящие от коллектора. Предохранители установлены на дополнительных ребрах и снабжены фланцами, причем фланцы предохранителей перекрывают щель между дополнительными ребрами.
В данной конструкции устройства фланцы предохранителей охлаждаются за счет прохождения воздуха через вентиляционную шахту и этим обеспечивается некоторое снижение рабочей температуры предохранителей. Повышается надежность полупроводникового вентильного блока. Однако достаточную эксплуатационную надежность и эффективность защиты от аварийных ситуаций предохранитель обеспечить не в состоянии, поскольку время его срабатывания - 1-5 мсек недостаточно для предотвращения выхода из строя силового тиристора и возникновения короткого замыкания, ведущего к аварийной ситуации, например, пожара на электровозе. Это указывает на низкую эксплуатационную надежность и высокую степень аварийности известного устройства из-за невысокой эффективности защиты от аварийных ситуаций вследствие неконтролируемости технического состояния тиристора в процессе эксплуатации.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение состоит в создании конструкции силового полупроводникового модуля для статических преобразователей, отличающегося от известных высокой степенью надежности и безопастью в работе за счет повышения эффективности защиты от аварийных ситуаций вследствие обеспечения контролируемости технического состояния тиристора силового модуля в процессе эксплуатации.
При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- высокая надежность при эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- высокая степень защиты от аварийных и предаварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- обеспечение дистанционного контроля за техническим состоянием силового тиристора в процессе эксплуатации силового модуля;
- обеспечение вывода на пульт машиниста информации о техническом состоянии конкретного силового тиристора, сигнализация о конкретных неисправностях;
- высокая степень пожаробезопасности;
- возможность диагностики параметров тиристоров в процессе работы;
- возможность давать соответствующие сигналы по их своевременной замене, не допуская аварийного состояния;
- возможность давать информацию о превышении заданных температурных режимов в процессе эксплуатации;
- отсутствием ложных срабатываний защиты.
Предлагается силовой полупроводниковый модуль для статических преобразователей, содержащий силовой полупроводниковый вентиль в плоском таблеточном корпусе, например, тиристор, который установлен между двумя концами выходных электропроводящих шин, к которым прижаты с обеих сторон теплопринимающие поверхности оснований первого и второго охладителей, имеющих противоположно направленные теплоотводящие ребра, размещенные на отходящих от основания коллекторах, изоляционную панель и элемент защиты вентиля.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что элемент защиты вентиля выполнен в виде микропроцессорного датчика температуры охладителя, установленного перпендикулярно коллекторам на боковой поверхности теплопринимающего основания второго охладителя и имеющего прямоугольный электроизолирующий корпус с центральной сквозной полостью с внутренним опорным выступом, на котором установлена плата, размещенная на пластичной упругой теплопроводящей прокладке, например, из герметика виксинта, при этом на стороне упомянутой платы,
обращенной к внешней части корпуса, закреплен в центре термочувствительный элемент, а на противоположной стороне этой платы размещена микропроцессорная управляющая блок-схема с контактами, соединенными с термочувствительным элементом и с кабелем для подключения к внешним устройствам, причем упомянутый корпус имеет металлическую внешнюю рубашку, в которой на поверхности ее контакта с охладителем выполнено центральное отверстие для измерения температуры.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется в электрооборудовании железнодорожного транспорта.
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - силовой полупроводниковый модуль для статических преобразователей, вид спереди;
- фиг.2 - элемент защиты вентиля (микропроцессорный датчик температуры), вид спереди;
- фиг.3 - то же, сечение А-А;
- фиг.4 - то же, вид снизу;
фиг.5 - структурная схема подключения силового полупроводникового модуля для статических преобразователей к блокам силового выпрямительно-инверторного преобразователя.
Заявляемый силовой полупроводниковый модуль 1 для статических преобразователей, содержит (см. фиг.1-4) силовой полупроводниковый вентиль 2 в плоском таблеточном корпусе, например, тиристор Т 453-800-36-83-2,2-УХЛ2 (ТУ 3417-003-41687291-97), который установлен между двумя концами 3 и 4 выходных электропроводящих шин 5 и 6, к которым прижаты с обеих сторон
теплопринимающие поверхности оснований 8 первого и второго охладителей (поз.9 и поз.10), имеющих противоположно направленные теплопроводящие ребра 11, размещенные на отходящих от основания коллекторах 12, а также изоляционную панель 7 и элемент защиты вентиля.
Элемент защиты вентиля выполнен в виде микропроцессорного датчика температуры 14, установленного перпендикулярно коллекторам 12 на боковой поверхности теплопринимающего основания 8 второго охладителя 10.
Элемент защиты 14 вентиля (фиг.2) имеет прямоугольный электроизолирующий корпус 16 с центральной сквозной полостью 17, внутри которой по периметру выполнен опорный выступ 18. На этот выступ 18 установлена плата 19, причем под платой помещена теплопроводящая упругая прокладка 13, например, из герметика: виксинт ПК-68 (ТУ 38.303-04-04-90).
На той стороне платы 19, которая обращена к внешней части корпуса 16, в центре закреплен термочувствительный элемент 20, а на противоположной стороне этой платы 19 размещена микропроцессорная блок-схема 21 с контактами, соединенными с термочувствительным элементом 20 и с кабелем 22 для подключения к внешним устройствам.
Принцип работы заявляемого силового полупроводникового модуля для статических преобразователей состоит в следующем. Силовой полупроводниковый модуль для статических преобразователей устанавливают в силовом блоке выпрямительно-инверторного преобразователя переменного тока (на фиг. не показан), используемого, например, в электрооборудовании электровоза для питания тягового двигателя, подключают к питающему источнику напряжения 26, а также посредством кабеля 23 к пульту 27 дистанционного управления для контроля текущей температуры охладителя и к блоку диагностики 28 для контроля верхнего предельного значения температуры основания охладителя (фиг.1). При подключении переменного напряжения к силовому полупроводниковому модулю через силовой вентиль (тиристор) протекает электрический ток, и он начинает работать.
При работе тиристора происходит выделение мощного теплового потока, который отводится от корпуса тиристора через теплопринимающие основания
первого и второго охладителей к теплоотводящим ребрам, с поверхности которых тепло рассеивается в окружающую среду конвекцией и излучением. В процессе работы силового модуля термочувствительный (индикатор) датчик 20 производит замеры температуры охладителя в соответствии со специально разработанной программой управляющими сигналами, поступающими от блок-схемы 19. При этом на пульт 27 дистанционного управления поступает информация о текущей температуре охладителя, и следовательно, о состоянии тиристора. На блок диагностики 28 поступает информация о верхних предельных значениях температуры охладителя, за счет чего контролируется предварительное состояние тиристора.
Таким образом, благодаря выполнению блока защиты в виде микропроцессорного датчика температуры обеспечен контроль технического состояния и предварительной ситуации тиристора силового модуля в процессе эксплуатации, а это позволило значительно повысить надежность эксплуатации и обеспечить высокую степень безопасности при эксплуатации в дорожных условиях, например, в электровозах.
Заявляемая конструкция силового полупроводникового модуля для статических преобразователей обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с известными:
- повышенным сроком использования;
- высокой надежностью эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- возможностью точно контролировать техническое состояние силового вентиля (тиристора) и давать сигналы по его своевременной замене, не допуская аварийного состояния;
- обеспечением точной диагностики температур охладителей и подача сигналов о критических температурах внутри шкафа силового преобразователя;
- исключением ложных срабатываний защиты;
- высокой степенью защиты от возгораний.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПИСАНИИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
1. Полупроводниковый вентильный блок воздушного охлаждения.
25
00
Авт. св-во СССР №936097, М.кл. Н 01 L/, опубл. 15.06.82
2. Полупроводниковый вентильный блок.
25
03
Патент РФ №2086040, М.кл. Н 01 L/, опубл. 27.07.97 Бюл. №21 (ПРОТОТИП).