Сравнительный анализ высоковольтных преобразователей с раз­личными системами охлаждения необходимо проводить на основе по­казателей* приведенных в табл. 11, Показатели по пп. 2.1-2.5,

4.1-4.3 должны определяться по отношению к потерям, выражен­ным в киловаттах и рассчитанным для номинального режима работы преобразователя, а также для режимов перегрузки преобразователя при условии, что среднеквадратичное значение тока при этом не должно превышать номинального значения при заданном времени ус­реднения [5]. Показатель перегрузок по току учитывает допустимые для преобразователя пепегрузки, заданные в виде дискретных перио­дических функций тока от времени, либо дискретных функций тока от времени с заданным временем усреднения среднеквадратичного значения тока [5, 36] . Снизу время перегрузки, которое необходи­мо учитывать при анализе систем охлаждения, ограничено, по дан­ным фирмы General Electric, величиной порядка 1 мс [72]. Это обусловлено тем, что при более кратковременных перегрузках, ме­нее 1 мс, тепловой режим прибора не зависит от системы охлажде­ния. Сверху величины времени перегрузок ограничены значениями, при которых вступает в силу показатель по п.1.4 табл. 11 [5, 36]. Определение показателя по п.7 дано в разд. 2.1 [17]. Сущность остальных - показателей общеизвестна и не требует специального пояснения [44, 49, 77].

При проведении сравнительного анализа преобразователей с раз­личными системами охлаждения возникает ряд проблем, носящих концептуальный характер. Как видно из табл. 11, часть показате­лей характеризует ряд условий, которым должен удбвлетворять вы­соковольтный преобразователь. Эффективность высоковольтного пре­образователя с той или иной системой охлаждения существенно за­висит от значений этих показателей и применительно к каждому варианту набора этих показателей оценивается набором оставшейся части показателей. Поэтому в данном случае при анализе необходи­мо для каждого варианта попользовать критерии эффективности из класса векторных, который включает в себя все показатели и на основании которого для каждого набора значений показателей можно выбрать предпочтительный вариант исполнения преобразователя.

Рассмотрим ряд примеров, иллюстрирующих необходимость имен­но такого подхода к выбору системы охлаждения [із]. Распростра­нен выбор системы охлаждения на основании коэффициента теплоот­дачи при циркуляции хладоагента в охлаждаемой системе. Выбор производится с учетом уравнения Мак-Адамса|б2, 6в], связывающего коэффициент теплоотдачи хладоагента с его теплофизическими пара­метрами и параметрами охлаждаемой системы, на основании безраз-t - мерных критериев Муромцева £25]

Трудно также согласиться со следующими рекомендациями по выбору типа охлаждения:

1) принудительное воздушное охлаждение предпочтительно для преобразователей с напряжением до 10 кВ и со средними величи­нами значений тока. Для преобразователей с напряжением 6-20 кВ или с высокими значениями токов предпочтительней водяное охлаж­дение;

2) если величина потерь в одном полупроводниковом приборе превышает 1200 Вт, то жидкостные системы охлаждения предпоч­тительней воздушных. В ряде публикаций эта величина граничных потерь доходит до 2000 Вт.

Рис. 27. Зависимость крите­рия Муромцева для трех жидкостей А, В, С, а также воздуха и воды от темпера­туры

Очевидно, при выдаче первой рекомендации было отдано предпоч­тение показателям I 1, I I _, а во втором случае - I

X ed <3 2. о

В последние годы опубликовано много данных о зависимости удельных габаритов и массы охладителей для различных хладоаген - тов от отводимой мощности [l, 8, 19, 45, 48]. Одна из таких зависимостей приведена на рис. 28. Из рисунка видно, что с точки зрения минимальных габаритов и масс разным способам охлаждения соответствуют разные диапазоны мощности потерь: при мощности по­терь выше 1-1,5 кВт цельнометаллические воздушные охладители уступают по рассматриваемым показателям водяному и испаритель­ному охлаждениям. Такие данные являются, безусловно, полезной информацией, но недостаточной для выбора типа системы охлаждения преобразователя для электропривода, так как здесь учитываются только показатели ^20 И ^21*

Фирма General Electric провела сравнительный анализ трех хладоагентов по теплофизическим свойствам [72] . Сравнивались вода, фреон-113 и траиоформаторное масло при скорости потока 3 м/с, длине канала 5 см и диаметре 2,5 см. В результате экс­перимента было получено, что коэффициент теплопередачи для воды составляет 2,1, для фреона - 0,5 и для трансформаторного масла - 0,098 Вт/см^. С; перепад давления 14,4*103; 20,6*10^ и 18,6-Ю3 Па соответственно. Из этих данных ВИДНО, что коэффи­циент теплопередачи для фреона в 4,2 раза меньше, чем для воды, а для трансформаторного масла - в 21 раз меньше. Величины пе­репадов давления показывают, что энергозатраты при использовании во всех системах нагнетателей для транспортировки хладоагента по замкнутому контуру охлаждения должны быть меньше у воды. Та­ким образом, по двум показателям: коэффициенту теплопередачи и, частично, по энергозатратам - система с водяным охлаждением предпочтительней систем с масляным и фреоновым охлаждением. Однако учет остальных показателей по табл. 11 делает эту пред­почтительность проблематичной, что обусловлено необходимостью использования устройств очистки для поддержания высокого удель­ного сопротивления воды [16, 45, 77].

Интересные данные, с точки зрения сравнительного анализа пре­образователей с различными системами охлаждения, приведены в [63]. На тяговых подстанциях постоянного тока японских железных дорог за 11 лет (по 1971 г.) было введено в эксплуатацию 414 по­лупроводниковых выпрямителей суммарной мощностью 1406 МВт, номинальное выпрямленное напряжение 1,5 кВ [І0, 63] . До 1967г. охлаждение преобразователей было только воздушное принудительное. Однако с 1967 г. все новые преобразователи стали поставляться с масляным охлаждением. К марту 1971 г. количество таких вы­прямителей достигло 1/3 от всех установленных, как показано в табл. 12 [63]. С 1971 г. выпускаются преобразователи на номи­нальное выпрямленное напряжение 1,5 кВ, номинальную мощность 4000 и 6000 кВт.

0,7 0,2 0,4 1 2 4 70 Р. кВт Рис. 2 8. Зависимость удельных габаритов (пунктирные линии) и массы (штрихпунктирные линии) от отводимой мощности 1 - воздушное охлаждение; 2 - испарительное охлаждение; 3 - водяное охлаждение

кВт	воздухоох­лаждаемые	с масляным охлаждением	всего
1000	5	-	5
2000	1	-	1
3000	240	47	287
4000	36	58	94
6000	-	27	27
Всего	282	132	414

Таблица 12

Единичная мощность

Количество преобразователей

Причинами, объясняющими переход с воздушного охлаждения на масляное, явились существенные недостатки, которые были выявле­ны в процессе эксплуатации преобразователей с воздушными сис­темами охлаждения;

фильтры очистки охлаждающего воздуха от пыли и насекомых, а зимой от инея и снега часто забивались и для их очистки прихо­дилось отключать выпрямители;

пыль частично проникала через воздушные фильтры и осаждалась на поверхностях полупроводниковых приборов, радиаторах, изоляторax и элементах R— и RC - цепочек, уменьшая теплоотвод и сни­жая изоляционную прочность;

постоянный шум от работающих вентиляторов и выбрасываемого воздуха.

В данном случае были учтены некорректно показатели

Опубликованные в [42] данные позволяют на конкретном при­мере оценить, к чему может привести предпочтение одних показа­телей из табл. 11 по отношению к другим при реализации системы охлаждения высоковольтного преобразователя.

В [42] приведены результаты аэродинамических и тепловых ис­пытаний пяти вариантов систем охлаждения преобразователя типа УВКЭ-1, разработанных тремя организациями. Первый вариант раз­работан "Трансэлектропроектом" (см. рис. 2), второй и третий ва­рианты - Орловским участком энергоснабжения МПС, четвертый и пятый - Октябрьской железной дорогой МПС. Варианты исполнения сравнивались по результатам испытаний по следующим показателям: коэффициент полезного использования воздуха в шкафшс преобразо­вателя; коэффициент вентиляции преобразователя; затраты мощности на охлаждение; потери мощности в преобразователе; нагрузочная способность преобразователя: показатель, совпадающий с I ха-

О

рактеристика экономичности системы охлаждения, совпадающая с I 22} полезные и вредные затраты мощности в системе охлаждения; коэффициент использования мощности, затрачиваемой в системе ох­лаждения.

Т а б л и ц а 13

Параметры	Варианты системы охлаждения
	1	2	3	4	5
Ток, А (показа­тель 1 д)	2200	2200	3400	3400	3400
Потери в преоб­разователе Р, кВт	65	65	98	98	98
Скорость воздуха в ребрах радиа­тора, м/с	5,5	5,6	9,5*-10,3	15,0	15,0
Общий расход воздуха, м /ч	15300	23200	16730	14900	9400
Коэффициент К^	0,585	0,54	0,73	0,91	0,9
Коэффициент К2	0,54	0,54	1	0,5	0,8
Мощность двига­теля вентилятора, кВт	15,3	3,2	3,15	15,1	7,3
Полезная мощность на охлаждение, кВт	1,59	1,25	1,27	11,8	5,8
Показатель 1 ^	0,205	0,049	0,032	0,155	0,075

Результаты испытаний приведены в табл. 13, из которой видно, что' варианты 1 и 2 не обеспечивают требуемой скорости воздуха между ребрами радиаторов вентилей v =10 м/с и заданной на­грузочной способности = 3000 А. Низкая эффективность и

экономичность варианта 1 обусловлена:

низким значением величины коэффициента из-за недостаточ­ной герметичности вентиляционной сети. Коэффициент К^ равен от­ношению объема воздуха, проходящего через шкафы преобразователя, к объему воздуха, проходящего через вентилятор;

низким значением величины коэффициента К^ из-за наличия боль­ших зазоров между вершинами ребер противолежащих радиаторов в шахте. Коэффициент К^ равен отношению объема воздуха, проходя­щего через ребра радиаторов, к полному объему воздуха, поступаю­щему в шкафы преобразователя;

большим запасом давления выбранного типа вентилятора Ц9-57 № 8, работающего на вентиляционную сеть с пологой аэродинами­ческой характеристикой. Причем в вентиляционной сети установлен специальный дроссельный шибер для погашения избыточного напора вентилятора.

При общем потреблении из сети 15,3 кВт собственно на охлаж­дение преобразователя затрачивается Д ^ охл = 1,59 кВт, а ос­тальные 13,7 кВт расходуются на преодоление гидравлического со­противления линии всасывания (130 Па) и линии нагнетания (1350 Па). Поэтому коэффициент использования, затрачиваемый на привод вентилятора, составляет лишь 10,4%.

Вариант 2 отличается от варианта 1 отсутствием дроссельного шибера в вентиляционной сети; отсутствием рециркуляционного цоро- ба в вентиляционной сети, причем охлаждающий воздух выбрасыва­ется непосредственно в атмосферу через выхлопное отверстие в сте­не ЭМП.

В варианте 2 использованы два вентилятора МЦ-7, обеспечиваю­щие при параллельной работе подачу 23200 м3/ч воздуха. При этом локальный показатель ^22 Уменьшился примерно в 4,2 раза, а величина коэффициента полезного использования мощности двигателя вентилятора увеличилась до 39%.

Вариант 3 отличается от варианта 2 в основном тем, что были перекрыты зазоры между вершинами ребер радиаторов в шахте шка­фов и уплотнена линия всасывания вентиляционной сети. В результа­те показатель I ^ уменьшился в 1,5 раза, а показатель I ^

превысил номинальное значение, данное заводом-изготовителем пре­образователя.

Вариант 4 отличается от варианта 3 тем, что: принято двухэтаж­ное расположение шкафов преобразователя; зазор между вершинами противолежащих радиаторов в - шахте шкафов преобразователя не перекрыт. Коэффициент I 22 в 4,85 раз больше, чем в варианте 3.

Низкая экономичность системы охлаждения во многом объясняется тем, что при двухэтажной компоновке шкафов ухудшаются условия охлаждения последнего по ходу воздуха, ряда радиаторов из-за зна­чительного подогрева охлаждающего воздуха.

Вариант 5 отличается от варианта 4 тем, что были частично пе­рекрыты зазоры между вершинами противолежащих радиаторов (с 54 до 19 мм) в шахте шкафов. Эта мера более чем вдвое уменьшила величину коэффициента ^22’ объем требуемого ох­

лаждающего воздуха.

Результаты проведенных исследований пяти вариантов систем ох­лаждения показывают, что при разработке преобразователя типа УВМЭ-1 было отдано предпочтение показателям 1^6' ^17’ ^18'

I I а это отразилось на значениях показателей I I д,

мере оценить влияние исполнения системы охлаждения (при одном и том же хладоагенте в I контуре) на некоторые показатели табл. 11. Фирма проработала три варианта компоновки системы охлаждения преобразователя электропривода мощностью 25 МВт. Варианты ком­поновки показаны на рис. 29. Основные технические данные преоб­разователя приведены в разделе 2.1. Во всех вариантах преобразо­ватель выполнен с принудительным воздушным охлаждением, что обеспечивается четырьмя вентиляторами с двигателями мощностью 1,5 кВт каждый.

В первом варианте преобразователь выполнен в герметичных си­ловых шкафах. Воздух в преобразователе охлаждается в теплообмен­нике "воздух-вода", который встраивается в преобразователь. В ва­рианте 1 количество теплообменников 4 равно двум, так как преоб­разователь состоит из двух модулей, каждый из которых работает на отдельную трехфазную статорную обмотку СД. Вода, поступаю­щая в теплообменник 4, охлаждается в теплообменнике 6 "вода - воздух", который устанавливается вне ЭМП.'

Во втором варианте воздух в ЭМП охлаждается с помощью теп­лообменника 4 "воздух-вода", вода в котором охлаждается так же, как и в варианте 1. Силовые шкафы преобразователя охлаждаются воздухом, который забирается из ЭМП И выбрасывается в ЭМП.

В третьем варианте воздух для охлаждения преобразователя за­бирается из атмосферы и выбрасывается в атмосферу. Для подго­товки воздуха, поступающего в ЭМП, имеется вентиляционная каме­ра 11 со специальными фильтрами на входе воздуха и на выходе

Рис. 29. Эскизы планов размещения преобразователей мощностью 25 МВт фирмы Toshiba в ЭМП

1 - электромашинные помещения; 2 - тиристорные преобразователи; 3 - вентиляторы в шкафах преобразователей; 4 - теплообменники "воздух-вода", расположенные в преобразователе; 5 - трубы подво­да воды; 6 - теплообменники "вода-воздух", расположенные вне ЭМП; 7 - вентиляторы, расположенные вне шкафов преобразователя; 8, 9 - фильтры воздуха; 10 - подогрев воздуха; 11 - вентиляцион­ная камера; 12 - теплообменник "воздух-вода", расположенный в ЭМП

воздуха из вентиляционной камеры в ЭМП. В вентиляционной камере имеются устройства 10 для подогрева воздуха. Отношение площади вентиляционной камеры к площади ЭМП равно 1:10. Воздух из пре­образователя выбрасывается в атмосферу через отверстие в стене ЭМП.

Основные технические показатели сравниваемых вариантов приве­дены в табл. 14.

В вариантах 1 и 2 (см. табл. 14) не учтена мощность двигате­лей насосов, необходимых для перекачки воды между теплообменни­ками 4 и 6, так как эти данные отсутствуют. Все варианты про­работаны на основе идентичных норм проектирования: расстояние от стен до открытых дверей шкафа 1000 мм, от пола ЭМП до потолка 6000 мм, площади монтажных площадок одинаковы. В варианте 2 теплообменник 4 расположен у монтажной площадки.

Показатели	Варианты
1 (рис. 29,а)	2 (рис. 29,6)	3 (рис. 20,в)
Потери в преобразовате­ле, кВт	2 50	250	250
Мощность двигателей
вентиляторов в шкафах, кВт	6	6	6
Мощность двигателя
вентилятора наружного теплообменника, кВт	37	37	-
Количество теплооб­
менников, шт.	3	2	-
Мощность двигателя
вентилятора в вентиля­ционной камере, кВт	-		90
Устройства подготовки воздуха (фильтры, подогреватели и т. д.)	Нет	Не всегда необходимы	Необходимы
Показатель /	0,024	0,024	0,394

Массо-габаритные и технические показатели преобразователей

вариантов 2 и 3 значительно лучше, чем в варианте 1. Показатели

I I а, I-.-., I варианта 3 хуже, чем у вариантов 1 и 2. Сте - ( о XX

пень отличия во многом определяется показателями и

Показатель значительно хуже в варианте 3, чем в вариан­

тах 1 и 2. Как видно из изложенного выше, ни один из вариантов не имеет явных преимуществ перед другими, поэтому выбор пред­почтительного варианта необходимо производить с учетом всех по­казателей по табл. 11.

Тщательное рассмотрение показателей, приведенных в табл. 11, показывает, что некоторые из локальных показателей I. являются

функцией многих переменных X. I которые обусловлены научно-тех-

І

ническими, производственными, эксплуатационными и т. д. факторами. Таким образом, в данном случае имеется в явном виде задача ана­лиза с двухвекторным показателем эффективности. Особенность по-

казателя эффективности высоковольтного преобразователя с той или иной системой охлаждения состоит в том, что все локальные пока­затели в табл. 11 имеют различную размерность. Поэтому для ана­лиза их необходимо нормализовать. В настоящее время для норма­лизации локальных показателей табл. 11 задаются базовые значения их в технических требованиях заказчика или в нормативных доку­ментах.

Основная проблема при анализе систем охлаждения - выбор кри­терия эффективности, дающего ответ на главный вопрос: в каком смысле та или иная система охлаждения предпочтительнее .других. Рассмотрение показателей табл. 11, по которым необходимо оце­нивать эффективность той или иной системы охлаждения, показывает, что для каждой конкретной системы имеется противоречие между не­которыми из показателей. Противоречие не строгое, поэтому эффек­тивность системы охлаждения может быть улучшена одновременно по всем показателям, между которыми нет противоречий. Выбор зна­чений показателей, между которыми есть противоречия, необходимо производить на основе определенного компромисса, так как улучше­ние системы охлаждения по одному показателю ведет к ухудшению ие по другим показателям. Для данной задачи возможно использова­ние следующих принципов компромисса: равенства, гарантированного уровня, выделения главного показателя и последовательной уступки [40]. В [25Jприведен пример применения принципа компромисса для выбора предпочтительного варианта исполнения системы охлаждения преобразователя.

Ведущие зарубежные фирмы выпускают широкий ассортимент высоковольтных преобразователей с воздушными, водяными, масля­ными и испарительными системами охлаждения для мощных элект­роприводов переменного тока.

В СССР выпускаются высоковольтные секции с воздушным ігринудительньїм охлаждением для мощных электроприводов перемен­ного тока и ведутся поисковые работы по разработке высоковольт­ных преобразователей с испарительными системами охлаждения.

В настоящее время лучшие предпосылки для серийного про­изводства имеют высоковольтные преобразователи с воздушным при­нудительным охлаждением по разомкнутому циклу с индивидуальны­ми и групповыми системами охлаждения. Такие системы охлаждения достаточно хорошо изучены, просты в конструктивном отношении и не требуют сложной технологической оснастки при производстве.

Двухконтурные системы охлаждения с использованием во вто­ром контуре охлаждения воды по разомкнутому циклу имеют ограни­ченную перспективу применения, что обусловлено тенденцией увели­чения дефицита и стоимости пресной воды в районах расположения

многих объектов, на которые прогнозируется поставка мощных элек­троприводов переменного тока.

Все ведущие зарубежные фирмы, начиная с 70-х годов, ве­дут работы по созданию охлаждающих устройств для тиристоров на основе тепловых труб. Перспективность использования тепловых труб для высоковольтных преобразователей определяется возможностью передачи тепла от тиристоров без помощи нагнетателей при относи­тельно малой разности температур за пределы функциональных бло­ков, где отвод тепла может осуществляться любым возможным спо­собом (воздушным, жидкостным, кондуктивным, радиацией и т. д.).

Правильный выбор предпочтительного варианта исполнения системы охлаждения высоковольтных преобразователей, предназна­ченных для электропривода, может быть произведен только на осно­вании рассмотрения совокупности взаимосвязанных факторов, огра­ничивающих возможность выбора, - эксплуатационных, технических

и эргономических.

Рассмотренные методологические основы анализа и предложен­ный в табл. 11 набор локальных показателей позволяют выбрать вариант исполнения высоковольтного преобразователя с предпочти­тельной системой охлаждения для электропривода переменного тока.