УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЕЙ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТЯЖЕЛЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
DEVICE FOR CONTROLLING THERMAL STABILISATION OF POWER ELECTRONIC EQUIPMENT FOR SEVERE OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к автоматическим регулирующим устройствам стабилизации температуры силовых элементов электронного оборудования, а также к устройствам, облегчающим охлаждение, вентиляцию и подогрев, в частности к устройствам управления термостабилизацией промышленного силового электрического оборудования.
Известно (общеизвестно) устройство [1] (см. фиг. 12-37) охлаждения силовых модулей путем выноса радиатора за пределы зоны (контейнера), защищаемой от неблагоприятных условий окружающей среды.
Устройство представляет собой контейнер и содержит силовые модули с радиатором, выведенным в канал охлаждения, вентиляторы циркуляции воздуха, установленные внутри контейнера и в канале охлаждения. Канал охлаждения предназначен для забора воздуха окружающей среды, продувки его через радиатор, на котором конструктивно установлены полупроводниковые элементы силовых модулей, и отвода его обратно в окружающую среду. Воздух забирает от радиатора большую часть тепла полупроводниковых элементов силовых модулей.
Вышеописанное устройство обладает следующими недостатками. Во-первых, отсутствует отвод тепла, возникающего в результате работы электронной части силовых модулей, и оставшейся части тепла от полупроводниковых элементов силовых модулей, расположенных в герметичном контейнере.
Во-вторых, отсутствует надежная система защиты от образования конденсата на внутренней поверхности радиатора и полупроводниковых элементах силовых модулей при работе устройства в среде с повышенной влажностью.
В-третьих, при работе в условиях низких температур возникает значительная разность температур между оборудованием, расположенным внутри контейнера, и радиатором, вынесенным в окружающую среду.
В-четвертых, устройство не оборудовано системой управления термостабилизацией (что не позволяет сравнивать его с предлагаемым изобретением), что приводит к значительным флуктуациям температуры при частом изменении в процессе работы выходной мощности силовых модулей.
В-пятых, отсутствие системы термостабилизации и, как следствие, регулирования оборотов вентиляторов циркуляции воздуха, установленных в канале охлаждения, требует постоянной работы вентиляторов с максимальной производительностью или частых пусков вентиляторов.
Ограничение области применения, повышение себестоимости, увеличение габаритов контейнера и снижение надежности устройства обусловлено следующими конструктивными особенностями.
Интенсивность отвода оставшегося тепла от полупроводниковых элементов и тепла электронной части силовых модулей через стенки контейнера определяется площадью стенок, что при недостаточной площади приводит к ограничению общей мощности силовых модулей, требует применения кондиционирующего оборудования или приводит к неоправданному увеличению габаритов контейнера для предотвращения перегрева силовых модулей.
Подготовка к пуску после длительного простоя в условиях низких температур, а также флуктуация температуры силовых модулей приводит к интенсивному старению их элементов. Также создаются условия для образования конденсата на внутренней части радиатора, непосредственно связанной с окружающей средой, и полупроводниковых элементах силового модуля, что снижает надежность силовых модулей и может приводить к коррозии контейнера.
Отсутствие регулирования скорости вращения вентиляторов в зависимости от интенсивности тепловыделения силовых модулей при функционировании в условиях пониженных температур может приводить к переохлаждению силовых модулей. Включение вентиляторов от датчика температуры радиатора приводит к повышенному износу вентиляторов как результату частых пусковых процессов, а также может приводить к перегреву силовых модулей при резком увеличении их выходной мощности вследствие ограниченной теплопроводности радиаторов, приводящей к появлению задержки между нагревом силовых элементов и срабатыванием датчика температуры радиатора.
Известна выбранная в качестве ближайшего аналога преобразовательная установка контейнерного типа RU 2207746, 15.05.2001.
Установка представляет собой контейнер и содержит систему управления, силовые модули, систему принудительного воздушного охлаждения. Система управления соединена с вытяжными вентиляторами. Контейнер содержит дополнительную стенку 1 с вмонтированными в нее силовыми модулями с радиаторами 2, на расстоянии 0,1÷0,2 высоты контейнера располагается приподнятый фальшпол. Фальшпол и дополнительная стенка 1 образуют канал для циркуляции охлаждающего воздуха в замкнутом контуре. Стенки контейнера гофрированы, теплоизоляция отсутствует, что обеспечивает повышенный теплообмен с окружающей средой. Воздух, нагнетаемый вытяжными вентиляторами, снимает тепло с радиаторов силовых модулей и переносит его в помещение H (см. фиг. 2 патента RU 2207746, 15.05.2001), откуда по каналу, образуемому фальшполом и дополнительной стенкой 1, поступает обратно к силовым модулям. Проходя по каналу, воздух отдает накопленное тепло окружающей среде через гофрированные стенки контейнера.
Вышеописанная установка обладает следующими недостатками. Во-первых, вся тепловая мощность, отводимая как от полупроводниковых элементов, так и от электронной части силовых модулей, ограничивается площадью гофрированных стенок контейнера.
Во-вторых, на гофрированных стенках, не имеющих утепления, и внутри электрооборудования возможно образование конденсата при работе устройства в среде с повышенной влажностью.
В-третьих, циркуляция воздуха в контейнере приводит к подъему пыли с пола и поверхностей и забиванию пылью радиаторов и воздуховодов силовых модулей.
В-четвертых, обеспечение герметичности контейнера предлагаемых размеров при длительной эксплуатации в условиях с повышенной вибрацией является сложной производственной задачей.
В-пятых, система управления устройства не выполняет функции термостабилизации, что приводит к значительным флуктуациям температуры при частом изменении в процессе работы выходной мощности силовых модулей.
В-шестых, прогрев значительного объема воздуха внутри контейнера при подготовке к пуску устройства в условиях низкой температуры и переход в состояние готовности к пуску занимает длительное временя и приводит к излишнему расходу электроэнергии.
В-седьмых, система термостабилизации не осуществляет регулирование оборотов вентиляторов циркуляции воздуха, установленных в контейнере, что требует постоянной работы вентиляторов с максимальной производительностью или частых пусков вентиляторов.
Ограничение области применения, повышение себестоимости, увеличение габаритов контейнера и снижение надежности устройства обусловлено следующими конструктивными особенностями.
Интенсивность отвода тепла от силовых модулей через гофрированные стенки контейнера определяется площадью стенок, что значительно ограничивает общую мощность силовых модулей, требует применения кондиционирующего оборудования или приводит к неоправданному увеличению габаритов контейнера для предотвращения перегрева силовых модулей.
Эксплуатация силовых модулей при температуре окружающей контейнер среды, близкой к плюс 40°С (предельная рабочая температура для большинства силовых модулей), приводит к значительному снижению теплообмена через гофрированную стенку и, как следствие, вызывает перегрев силовых модулей или требует ограничения их выходной мощности. Таким образом, функционирование преобразовательной установки контейнерного типа при температурах воздуха, близких к плюс 40°С, не допустимо и требует установки кондиционирующего оборудования.
Подготовка к пуску силовых модулей после длительного простоя в условиях низких температур осложнена длительным прогревом большого объема воздуха внутри контейнера, а также приводит к существенному расходу электрической энергии.
Флуктуация температуры приводит к интенсивному старению элементов силовых модулей. Неравномерный прогрев элементов при подготовке к пуску может приводить к образованию конденсата на не утепленных стенках контейнера и на металлических токопроводящих поверхностях электрооборудования, что снижает надежность силовых модулей и может приводить к коррозии контейнера.
Забивание пылью радиаторов и силовых модулей приводит к ухудшению теплообмена и перегреву силовых модулей, что требует дополнительных трудозатрат на разборку и чистку электрооборудования.
Отсутствие регулирования скорости вращения вентиляторов в зависимости от интенсивности тепловыделения силовых модулей при функционировании в условиях пониженных температур может приводить к переохлаждению силовых модулей. Включение вентиляторов по факту нагрева радиатора приводит к повышенному износу вентиляторов как результату частых пусковых процессов, а также может приводить к перегреву силовых модулей при резком увеличении их выходной мощности вследствие ограниченной теплопроводности радиаторов, приводящей к появлению задержки между нагревом силовых элементов и срабатыванием датчика температуры радиатора.
Изобретение направленно на исключение кондиционирующего оборудования для термостабилизации электронного оборудования, снятие ограничений на мощность силовых модулей с целью исключения перегрева устройства, исключение образования конденсата на стенках контейнера и полупроводниковых элементах силовых модулей, снижение расхода электрической энергии на обогрев электронного оборудования, а значит, на расширение области применения устройства, увеличение срока службы силовых модулей, снижение себестоимости, повышение энергоэффективности, повышение технологичности, уменьшение габаритных размеров устройства и снижение коррозии контейнера.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве управления, управляющем, по меньшей мере, одним вытяжным вентилятором, предлагается применить вытяжной вентилятор с регулированием скорости, ввести в устройство датчик температуры радиатора силового модуля, датчики электрического тока силовых модулей, датчик температуры воздуха внутри герметичной оболочки, блок охлаждения/обогрева воздуха внутри герметичной оболочки (с термоэлектрическим элементом Пельтье в случае эксплуатации устройства при значительном тепловыделении силовых модулей).
Дополнительно устройство управления термостабилизацией силового электронного оборудования для тяжелых условий эксплуатации может содержать датчик влажности воздуха внутри герметичной оболочки в случае эксплуатации устройства в условиях повышенной влажности, плоские нагревательные элементы радиатора в случае эксплуатации устройства в условиях низких температур.
Система управления выполнена на основе микроконтроллерного устройства с установленным программным обеспечением, включающего блоки ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов для подключения датчиков и исполнительных устройств.
Система принудительного воздушного охлаждения преобразуется в соответствии с [1] (см. фиг. 12-37). Канал охлаждения (см. фиг. 1) выполняется в задней стенке контейнера и направлен снизу вверх. По крайней мере, один вытяжной вентилятор устанавливается в канал. Канал не имеет связи с атмосферой контейнера и предназначен для забора воздуха из окружающей среды. Радиаторы силовых модулей монтируются в канале. Место стыковки радиаторов и силовых модулей с задней стенкой контейнера герметизируется. Электронная часть силового модуля герметизируется при помощи дополнительной герметичной оболочки.
Заявляемое устройство управления термостабилизацией силового электронного оборудования для тяжелых условий эксплуатации, в отличие от известных, обладает следующими преимуществами.
За счет полного отвода тепла за пределы контейнера путем выноса контура охлаждения полупроводниковых элементов силового модуля во внешнюю среду, а также отвода во внешнюю среду тепловыделения электронной части силового модуля исключается использование кондиционирующего оборудования во всем диапазоне рабочих температур вплоть до плюс 40°С.
За счет полного отвода тепла за пределы контейнера снимается ограничение мощности силовых модулей, вызванное значительным их тепловыделением внутри герметичной оболочки.
За счет применения блока охлаждения/обогрева достигается термостабилизация, что исключает влияние флуктуации температуры на срок службы элементов силовых модулей.
За счет применения плоских нагревательных элементов выполняется прогрев радиатора, что исключает образование конденсата на радиаторе и на элементах силовой части силового модуля при работе в условиях низких температур.
За счет применения датчиков тока силовых модулей выполняется упреждающее управление вытяжным вентилятором, что исключает перегрев/переохлаждение силовых модулей в случае резкого увеличения/уменьшения выходной мощности силовых модулей.
На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства управления термостабилизацией силового электронного оборудования.
Устройство управления термостабилизацией силового электронного оборудования содержит систему управления 14, построенную на базе программируемого микроконтроллера. К системе управления подключен вытяжной вентилятор 4 со встроенным частотным регулированием скорости; датчик 11, предназначенный для измерения температуры радиатора силового модуля; датчик 12, предназначенный для измерения температуры воздуха внутри герметичной оболочки; датчик 15, предназначенный для измерения силы тока силового модуля; датчик 13, предназначенный для измерения влажности воздуха при работе устройства в условиях повышенной влажности; плоские нагревательные элементы 10, предназначенные для нагрева радиатора при запуске устройства в условиях низких температур окружающей среды; блок охлаждения/обогрева, обеспечивающий охлаждение воздуха внутри герметичной оболочки и состоящий из вентилятора 9 обдува внутреннего радиатора 8 с подключаемым обогревателем продуваемого воздуха, внешнего радиатора 7 теплообмена с окружающей средой, имеющего непосредственную тепловую связь с внутренним радиатором 8, и термоэлектрического элемента (не показан), применяемого при значительном тепловыделении силовых модулей и устанавливаемого между радиаторами 8 и 7.
Устройство работает следующим образом. Устройство включается после подачи напряжения питания рубильником (не показан). Происходит инициализация электронных частей устройства. Система управления переходит в режим самодиагностики. Проверяется исправность системы управления, датчиков параметров окружающей среды, нагревателей и вентиляторов. Система управления анализирует диагностическую информацию, поступившую от элементов по завершении запуска и переключается в рабочий режим. Система управления 14 начинает циклический опрос датчиков, в системе управления запускаются контуры регулирования основных технологических параметров.
Система управления имеет в своем составе, по меньшей мере, контур регулирования температуры воздуха внутри герметичной оболочки, контур регулирования температуры радиатора силовых модулей, контур предаварийного регулирования температуры радиатора силовых модулей и контур упреждающего охлаждения радиатора силового модуля, при работе устройства в условиях повышенной влажности в устройство дополнительно вводится контур сторожевого регулирования параметров условия выпадения росы.
Регулирование температуры радиатора 3 силового модуля осуществляется пропорционально-интегральным воздействием на уставку скорости вращения вытяжного вентилятора 4 или релейным воздействием на обогреватель продуваемого воздуха (или на плоский нагревательный элемент при эксплуатации в условиях низких температур) в зависимости от разности установленного значения и отфильтрованного показания датчика 11 температуры радиатора силового модуля.
Упреждающее охлаждение радиатора 3 силового модуля осуществляется воздействием на уставку скорости вращения вытяжного вентилятора 4 в случае резкого увеличения показания датчика 15 тока силовых модулей.
Предаварийное регулирование температуры радиатора 3 силового модуля осуществляется пропорционально-интегральным воздействием на уставку токоограничения силового модуля в зависимости от разности предаварийной температуры радиатора и отфильтрованного показания датчика 11 температуры радиатора силового модуля.
Регулирование температуры воздуха 6 внутри герметичной оболочки осуществляется передачей тепла от нагретого воздуха 6 через блок охлаждения/обогрева, образуемый элементами 7, 8, 9. При значительном тепловыделении внутри герметичной оболочки предусмотрена установка, по меньшей мере, одного термоэлектрического элемента. При этом регулирование температуры воздуха 6 осуществляется воздействием на уставку электрического тока термоэлектрического элемента, входящего в состав блока охлаждения/обогрева в зависимости от разности установленного значения и отфильтрованного показания датчика 12 температуры воздуха 6 внутри герметичной оболочки. Направление электрического тока через термоэлектрический элемент задает направление переноса тепла (внутрь оболочки 6/в вентиляционную шахту 2).
Сторожевое регулирование параметров условия выпадения росы на радиаторе и полупроводниковых элементах силового модуля осуществляется воздействием на установленное значение температур радиатора силового модуля и воздуха внутри герметичной оболочки с целью не допустить возникновения условий выпадения росы. Условия выпадения росы определяются системой управления 14 на основании показаний датчиков 11, 12, 13 по запрограммированной в ней психрометрической таблице. Выбор регулятора, на уставку которого будет осуществляться воздействие, определяется близостью значения регулируемого параметра к предельной величине и направлением ее изменения под требуемым воздействием.
Источники информации
1. SINAMICS S120 Booksize power units Manual [Электронный ресурс] // SIEMENS [Офиц. сайт].
https
://
support
.
industry
.
siemens
.
com
/
cs
/
attachments
/1
URL: 09479611/GH2_0415_eng_en-US.pdf?download=true (дата обращения 13.10.2015).