Перспективные способы охлаждения полупроводниковых преобразовательных приборов

Согласно ГОСТ 20 459–87 обозначения способов охлаждения электрических машин, принятые в технической документации всех видов, состоит из латинских букв IC — первых букв английских слов International Cooling и следующих за ними буквы, характеризующей вид хладагента (А — воздух, Н — водород, N азот, C — диоксид углерода, Fr — фреон, W — вода, U — масло, Kr — керосин) и двух цифр: первая условно обозначает устройство цепи для циркуляции хладагента, вторая — способ перемещения хладагента. Условное обозначение устройства цепи циркуляции содержит 10 цифр (от 0 до 9): 0 — свободная циркуляция наружного воздуха; 1 — 3 — охлаждение при помощи проводящей (1), отводящей (2) или обеих труб (3); 4 — охлаждение наружной поверхности с использованием окружающей среды; 5,6 — охлаждение окружающей средой при помощи встроенного (5) или пристроенного (6) теплообменника; 7,8 — охлаждение при помощи встроенного (7) или пристроенного (8) охладителя; 9 — охлаждение при помощи охладителя, установленного отдельно от машины. Способы перемещения хладагента обозначаются второй цифрой: 0 — свободная конвекция; 1 — самовентиляция; 2 и 3 — перемещение хладагента встроенным и пристроенным устройством, установленным непосредственно на валу машины (3) или связанным с валом через зубчатую или ременную передачу (2); 5 и 6 — то же, при независимом устройстве; 7- перемещение хладагента осуществляется отдельным устройством.

Если в машинах применяют двухконтурные системы охлаждения, то способы охлаждения обозначают, начиная с цепи более низкой температуры. Например, закрытая машина с водородным охлаждением и встроенным водяным охладителем, циркуляция воды в охладителе которой осуществляется отдельным и независимым от охлаждаемой машины насосом или водопроводной сети, имеет обозначение IC37H71. Закрытая машина, которая имеет обмотку статора с непосредственным водяным охлаждением и обмотку ротора, охлаждаемую водородом, и циркуляция воды в обмотке статора которой осуществляется отдельным насосом, обозначается так: ICW87 — обмотка статора, Н71 — обмотка ротора.

Самой простой схемой охлаждения, которая применяется преимущественно в машинах мощностью до 1 кВт, является схема с естественной вентиляцией без применения особых средств для повышения интенсивности охлаждения.

Большинство электрических машин общего назначения, за исключением турбои гидрогенераторов, а также синхронных компенсаторов охлаждаются воздухом и имеют принудительную схему вентиляции. В случае принудительной вентиляции цепь охлаждения машины может быть:

разомкнутой — воздух поступает из окружающей среды, проходит каналы тракта охлаждения машины и выбрасывается снова в окружающую среду;

замкнутой — поток охлаждающего воздуха не связан с окружающей средой, а циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя и внутренний объем закрытой машины. При замкнутой вентиляции охлаждающий воздух отдает свою теплоту либо воде в специальном газоохладителе, либо корпусу машины через его внутреннюю поверхность, как это осуществляется, например, в асинхронных двигателях закрытого исполнения, обдуваемых наружным вентилятором.

В зависимости от направления движения воздуха (газа) внутри машины различают аксиальную, аксиально-радиальную и радиальную схемы вентиляции.

Если электрическая машина имеет схему вентиляции, то напор в вентиляционной системе создается вентилятором, установленным на валу машины. Эта схема вентиляции подразделяется на два класса: нагревательную и вытяжную. При нагревательной схеме вентиляции охлажденный газ под воздействием избыточного давления, создаваемого нагревателем, поступает в вентиляционные каналы активной зоны машины. При вытяжной вентиляции газ охлаждающий поступает в вентиляционные каналы машины под действием разряжения, создаваемого вентилятором.

Вытяжная вентиляция обладает тем преимуществом, что газ поступает в машину без предварительного его подогрева вентилятором, что несколько снижает превышение температуры обмоток.

В практике электромашиностроения применяют как нагревательные, так и вытяжные схемы вентиляции, которые по числу струй бывают одноструйными и многоструйными. При многоструйной схеме вентиляции каналы каждой струи имеют независимые выходы подогретого воздуха в сборную зону перед нагревателем.

Схему принудительной вентиляции с помощью независимого вентилятора применяют в машинах с широким диапазоном регулирования частоты вращения, когда система самовентиляции при малых частотах вращения ротора не является эффективной. По этой схеме выполняют отдельные модификации асинхронных двигателей серии 4А и машин постоянного тока Сирии 2П.

По способу отвода тепла от тепловыделяющих элементов электрических машин различают схемы косвенного и непосредственного охлаждения: в первом случае отвод тепла осуществляется с открытых поверхностей активных частей машины, во втором хладагент по специальным каналам проводится к проводникам обмоток машины, отбирая тепло непосредственно от обмоток.

Все электрические машины общего назначения выполняются по системе косвенного воздушного охлаждения.

Особенности конструктивного исполнения отдельных типов машин с косвенным воздушным охлаждением определили и их схему вентиляции: крупные машины постоянного тока и синхронные двигатели выполняются преимущественно с радиальной схемой вентиляции. Асинхронные машины большой мощности имеют радиальную, аксиальную и аксиально-радиальную схемы.

С ростом единичной мощности электрических машин возрастают удельные потери в объеме машины, поэтому воздушные системы охлаждения становятся неэффективными и для охлаждения турбои гидрогенераторов и синхронных компенсаторов применяют схемы косвенного охлаждения водородом совместно со схемами непосредственного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента в этих случаях используют воду, которая обеспечивает самую высокую по сравнению с другими жидкостями эффективность охлаждения. Схема непосредственного водяного охлаждения обмоток статора и ротора находят применение в конструкциях мощных турбои гидрогенераторов.

Система непосредственного водяного охлаждения обычно сочетается с системой косвенного газового охлаждения активных частей машины.