СИЛОВОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, в частности, к силовым полупроводниковым выпрямительным устройствам для пассажирских и грузовых тепловозов. Заявляемое силовое выпрямительное устройство для транспортного средства предназначено для преобразования переменного тока тягового синхронного генератора в постоянный ток и устанавливается в модернизируемых тепловозах, оборудованных автоматическими системами управления и регулирования.
При проектировании и создании заявляемого устройства ставились задачи по модернизации и повышению надежности эксплуатации электрооборудования для транспортных средств, в частности, силовых выпрямительный устройств тепловозов.
При модернизации силового оборудования достаточно актуальной задачей является снижение в конструкции температурных напряжений, которые возникают в устройстве вследствие постоянной его работы в условиях переменных тепловых режимов и неравномерного распределения тепла (температуры) в различных его частях.
Таким образом, при проектировании заявляемого устройства ставилась задача обеспечения равномерного распределения выделяющегося тепла при работе силовых полупроводниковых приборов, а также обеспечение высокой точности термокомпенсации в конструкции устройства, обеспечивающей уравновешивание влияния температурных факторов на состояние и работу конструкции.
Широко известны различные конструкции силовых полупроводниковых устройств, в которых по-разному решаются вопросы повышения их надежности и безопасности при эксплуатации.
Так, известен полупроводниковый преобразователь [1], содержащий групповые охладители, полупроводниковые приборы, токопроводящие шины и шины выпрямительного тока, образующие анодную и катодную группы электрических мостов. Это изобретение обеспечивает оптимальное тепловое и электрическое сопротивление каждому полупроводниковому прибору за счет компоновки анодной и катодной групп в единый блок, состоящий из группового охладителя с полупроводниковыми приборами и индивидуальными охладителями, и установки групповых охладителей вертикально один над другим. За счет этого повысили эффективность охлаждения преобразователя. Однако возможностью снижения температурных напряжений за счет термокомпенсации данная известная конструкция не обладает.
Также известно устройство [2], в котором повышают надежность преобразовательного агрегата за счет обеспечения компенсации тепловых полей и электромагнитных полей электрических соединений. Этим устройством является преобразовательный блок [2], содержащий полупроводниковые приборы и предохранители, установленные каждый на своей снабженной токопроводом с одной стороны токопроводящей шине постоянного и переменного токов.
В этом устройстве повышают надежность за счет того, что на каждое плечо шины подключено одинаковое число последовательно соединенных цепочек прибор-предохранитель, в которых в шахматном порядке токи направлены в противоположные стороны.
Но возможностью термокомпенсационного снижения температурных напряжений известная конструкция не обладает.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является полупроводниковый реверсивный преобразователь [3], включающий токоведущие шины и полупроводниковые элементы, размещенные на групповых охладителях и образующие анодную и катодную группы встречно-параллельно включенных электрических мостов, и индивидуальные предохранители, расположенные между групповыми охладителями в центральном канале.
Недостатки этой известной конструкции обусловлены тем, что в ней не решены проблемы снижения температурных напряжений, ведущих к повышению вероятности аварийной ситуации на транспортном средстве (например, пожара). Это указывает на низкую эксплуатационную надежность известного устройства вследствие повышения температурных напряжений конструкции.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение состоит в создании конструкции силового полупроводникового выпрямительного устройства для транспортного средства, отличающегося от известных высокой степенью модернизации, простотой и оригинальностью конструктивного решения, высокой степенью надежности и безопасности в работе за счет обеспечения высокой точности термокомпенсации, снижающей температурные напряжения в конструкции устройства.
При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- повышение долговечности и ремонтоспособности конструкции при меньшей точности изготовления отдельных элементов;
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- наличие высокой степени защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- повышение степени пожаробезопасности;
- увеличение длительности безремонтного срока службы.
Предлагается силовое полупроводниковое выпрямительное устройство для транспортного средства, содержащее корпус с центральным каналом воздушного охлаждения и внутренними элементами крепежа, на которых установлены соединительные силовые шины переменного тока, а на них смонтированы катодные и анодные группы силовых полупроводниковых приборов, закрепленные на катодном и анодном групповых охладителях, каждый из которых имеет теплопоглощающее основание, на одной поверхности которого размещены силовые полупроводниковые приборы с индивидуальными предохранителями, а на противоположной стороне упомянутого основания размещены теплопередающие ребра, причем с анодными и катодными групповыми охладителями соединены соответствующие анодные и катодные выходные шины постоянного тока, а к соединительным силовым шинам переменного тока крепят входные фазные шины для подключения соответствующих фаз трехфазного переменного тока.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что устройство снабжено установленными на концах соединительных силовых шин переменного тока теплокомпенсирующими рессорами, каждая из которых выполнена в виде звена пружины, например, в форме прямого зуба, а корпус выполнен в виде двух состыкованных друг с другом ячеек, каждая из которых составлена из двух прямоугольных рам, а верх каждой ячейки закрыт крышкой с перфорацией, при этом внутренние элементы крепежа соединительных силовых шин переменного тока выполнены в виде изолирующих втулок, размещенных на противолежащих боковых сторонах упомянутых рам корпуса и соединенных с теплокомпенсирующими рессорами, а теплопередающие
ребра анодных и катодных групповых охладителей размещены в центральном канале воздушного охлаждения, при этом каждый предохранитель закреплен между двумя дополнительными шинами, одна из которых соединена с силовым полупроводниковым прибором, а другая закреплена на соединительной силовой шине переменного тока.
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 железнодорожном транспорте.
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - заявляемое силовое полупроводниковое выпрямительное устройство для транспортного средства (вид спереди с частичным разрезом);
- фиг.2 - то же, вид сверху;
- фиг.3 - то же, вид сбоку;
- фиг.4 - одна ячейка корпуса заявляемого устройства с собранными в ней деталями (аксонометрия, вид со стороны соединительных силовых шин переменного тока и размещенных на групповых охладителях силовых полупроводниковых приборов);
- фиг.5 - то же, (аксонометрия, вид со стороны реберных поверхностей групповых охладителей);
- фиг.6 - состыкованные две ячейки (аксонометрия, сборка устройства);
- фиг.7 - силовой полупроводниковый прибор с индивидуальным предохранителем (между двумя дополнительными шинами), подготовленный к установке в заявляемое устройство, (аксонометрия, вид со стороны предохранителя).
Заявляемое силовое полупроводниковое выпрямительное устройство 1 для транспортного средства содержит (см. фиг.1-7) корпус 2 с центральным каналом 3 воздушного охлаждения и внутренними элементами крепежа 4, на которых установлены соединительные силовые шины 5 переменного тока, а на них смонтированы катодные 6 и анодные 7 группы силовых полупроводниковых приборов 8 (см. фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), закрепленные соответственно на катодном 9 и анодном 10 групповых охладителях (фиг.1, 2, 3). Каждый групповой охладитель (поз. 9 и 10) имеет (см. фиг.3) теплопоглощающее основание 11, на одной поверхности которого размещены силовые полупроводниковые приборы 8 с индивидуальными предохранителями 26, а на противоположной поверхности основания 11 размещены теплопередающие ребра 12 (фиг.1, 3,4, 5).
Между полупроводниковыми силовыми приборами и основанием 11 каждого группового охладителя 9 и 10 расположена изоляционная панель 25. С групповыми анодным и катодным охладителями 9 и 10 соединены соответствующие анодная и катодная выходные шины 13 и 14 (фиг.1, 4) выпрямленного тока. К соединительным силовым шинам 5 переменного тока крепят фазные выходные шины 15, 16, 17 для подключения соответствующих фаз трехфазного переменного тока, а именно: соединительную силовую шину 5' соединяют с фазной входной шиной 16, а с соединительной силовой шиной 5'' соединяют с фазной входной
шиной 16, а с соединительной силовой шиной 5''' соединяют фазную входную шину 17 (фиг.1, 4).
На концах каждой из трех соединительных силовых шин 5 переменного тока установлены теплокомпенсирующие рессоры 18 (фиг.1, 4, 5, 6).
Каждая из теплокомпенсирующих рессор 18 представляет собой звено пружин и выполнено, например, в форме прямого зуба.
Введение термокомпенсирующих рессор 18 вышеназванной формы позволяют снизить факторы, вызывающие нарастание термической усталости. Термическая усталость вызывает разрушение материала, постепенно развивающееся под действием многократно повторяющихся температурных напряжений.
Благодаря установке на концах соединительных силовых шин 5 переменного тока термокомпенсирующих рессор 18 обеспечивают снижение в заявляемой конструкции температурных напряжений за счет уравновешивания этими элементами влияния температурных факторов, вызывающих тепловое расширение взаимосвязанных деталей, находящихся в условиях многократно повторяющихся высокотемпературных режимах. Причем расчетным путем определяются предельные значения температурных напряжений и обеспечивают необходимую точность компенсации.
Корпус 2 заявляемого устройства выполнен в виде состыкованных друг с другом двух ячеек 19 и 20 (фиг.6). Конструктивное выполнение одной ячейки показано на фиг.4, 5. Каждая ячейка 19 и 20 (фиг.5, 6) составлена из двух прямоугольных рам 21 и 22. При этом верх каждой ячейки 19 и 20 закрыт крышкой 23 с перфорацией.
Внутренние элементы крепежа для установки на них соединительных силовых шин 5 выполнены в виде изоляторов 4 в форме втулок и
размещены на внутренних поверхностях боковых составляющих рам 21 и 22 в каждой ячейке 19 и 20 корпуса 2. К каждому изолятору 4 крепят свободный конец теплокомпенсирующей рессоры 18, с другим концом которой соединена силовая шина 5 переменного тока. Групповые анодные и катодные охладители 9 и 10 (две пары) в каждой ячейке 19 и 20 установлены таким образом, что в собранной конструкции устройства теплопередающие ребра 12 анодных и катодных групповых охладителей 9 и 11 размещены в центральном канале 3 воздушного охлаждения по обе стороны от центральной оси корпуса 2, при этом ребра анодного группового охладителя одной ячейки расположены напротив ребер катодного группового охладителя другой ячейки. В центральном воздушном канале 3 по центру, перпендикулярно групповым охладителям 9 и 10 установлена панель 27, изолирующая анодные и катодные группы силовых полупроводниковых приборов двух ячеек 19 и 20. Изолирующая панель 27 предохраняет устройство от короткого замыкания и выхода из строя всего устройства в целом.
Заявляемое устройство для защиты каждого силового полупроводникового прибора имеет предохранитель 26. Каждый предохранитель закреплен между двумя дополнительными шинами 28 и 29, одна из которых (шина - поз.28 на фиг.7) соединена с выводом силового полупроводникового прибора, а другая шина 29 закреплена на соединительной силовой шине 5 переменного тока.
Заявляемая конструкция силового полупроводникового выпрямительного устройства обеспечила равномерность распределения тепла в работающем оборудовании и необходимую точность термокомпенсации, благодаря чему значительно повысилась надежность и безопасность устройства при его эксплуатации в сложных дорожных условиях. При
этом заявляемая конструкция отличается от известных следующими результатами:
- повышением долговечности и ремонтоспособности конструкции;
- увеличением длительности безремонтного срока службы;
- повышением пожаробезопасности;
- возможностью эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- высокой степенью защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПИСАНИИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
1. Полупроводниковый преобразователь.
25
00
Патент РФ №1360496, М. кл. H 01 L/, 15.07.1994.
2. Полупроводниковый преобразовательный блок.
25
03
Патент РФ №1168022, М. кл. Н 01 L/, 15.06.1994.
3. Полупроводниковый реверсивный преобразователь с системой воздушного естественного охлаждения.
07
20
Авт. св. №999184, М. кл. Н 05 К/, 23.02.1983 (ПРОТОТИП).