Математическая модель мехатронного модуля охлаждения частотного преобразователя

Эффективность работы частотного преобразователя для управления электрическими ма-шинами, в частности, в переходных режимах, существенно зависит от качественных характеристик системы управления силовым интеллектуальным модулем преобразователя, в состав которой входит система охлаждения, обеспечивающая его защиту и увеличивающая срок эксплуатации.

Под эффективностью системы охлаждения понимают возможность достижения минимально возможной рабочей температуры охлаждаемого компонента (интеллектуального силового модуля, выходных каскадов системы управления и т. д.). Повышения эффективности на данный момент можно добиться несколькими способами:

• увеличением площади рассеяния радиатора или количества воздушных каналов;
• применением для радиаторов материалов с более высоким коэффициентом теплопроводности (медь вместо традиционно используемого алюминия и его сплавов);
• устранением микрозазоров между поверхностями охлаждаемого компонента и радиатором посредством применения термопроводящей пасты;
• изменением направления потока воздуха на охлаждаемый элемент или от него;
• оптимизацией мехатроники системы активного воздушного охлаждения с использованием более производительного вентилятора и новой системы автоматизированного управления многодвигательным электроприводом на основе BLDC-электродвигателей (при воздушном охлаждении).

Также на эффективность системы охлаждения влияет разность температур между охлаждаемым компонентом и окружающим воздухом.

Рис. 1. Функциональная схема мехатронной системы

Примем к рассмотрению следующую функциональную схему мехатронной системы активного воздушного охлаждения (рис. 1). Основные функциональные требования к элементам мехатронной системы [1]:

• Уменьшение абсолютного значения температуры каждого тепловыделяющего логического и силового электронного элемента конструкции до пониженного уровня и поддержание его постоянным. Выполнение этого требования позволяет иметь высокие надежностные показатели системы управления и обеспечить ее быстродействие.
• Обеспечение минимального перепада температур внутри каждого из тепловыделяющих элементов конструкции или участка «критической» тепловой цепи. Уменьшение перепада температур между температурой элемента и температурой «горячей точки» цепи элементов при пониженном уровне температур позволяет располагать повышенным запасом помехоустойчивости.
• Создание минимального теплового сопротивления между источниками теплоты (силового интеллектуального модуля и силовых транзисторов) и стоком теплоты (хладоносителем). Выполнение этого требования позволяет при сохранении температуры источников теплоты на допустимом уровне повысить тепловые нагрузки и снизить массогабаритные показатели системы управления.
• Распределение хладоносителя между элементами и узлами конструкции в количествах, соответствующих их тепловыделениям, и обеспечение необходимой скорости его распространения. Это устанавливает такие условия теплообмена между хладоносителем и элементами системы управления, которые позволяют поддерживать температуру каждого элемента на допустимом для него уровне при минимальном суммарном расходе хладоносителя. Если хладоноситель подается внутрь без должного распределения между тепловыделяющими элементами, то даже при достаточном суммарном расходе некоторые из них оказываются перегретыми до недопустимых температур, в то время как другие, достаточно охлажденные, не могут использовать полностью поступающий к ним избыточный хладоноситель, который затем выводится из конструкции, не выполнив своих функций
• Обеспечение таких влажностных функций для элементной базы, носителей информации и материалов системы управления, чтобы была возможность создать минимальные изменения в показателях надежности этих конструктивных элементов.
• Выбор элементов теплоотвода, средств и агрегатов системы охлаждения с такими показателями работоспособности P(t) для всего времени эксплуатации преобразователя, чтобы выполнялось требование (вероятность работоспособности системы охлаждения выше вероятности работоспособности преобразователя):

P(t)_Сохл ≥ P(t)_II,      (1)

где P(t)Сохл — вероятность работоспособности системы охлаждения; P(t)_II — вероятность работоспособности преобразователя.

Системный подход к решению задачи охлаждения реализуется, когда одновременно и взаимосвязанно рассматриваются и синтезируются требуемые процессы охлаждения в конструкции силового блока, элементы и средства теплоотвода и их конструктивно-тепловые параметры, а также функциональные и надежностные параметры конструкции, обеспечение хладоносителем и его характеристики.

В основу расчета теплового режима силового блока положен метод электротепловой аналогии, обоснованный Г. Н. Дульневым для задач теплового режима РЭА.

В обобщенном случае для расчета созданной тепловой схемы применим известный способ расчета нелинейных электронных схем. Здесь система уравнений в матричном виде, определяющая вектор-столбец температур Т = (Т₁, Т₂, Т₃…Т_n-1)Т^τ в узлах схемы, по аналогии с узловыми потенциалами, будет иметь вид:

T^Y = –(AYA^τ)^–1AP,    (2)

где Т_n — температура в n-м узле; n — число узлов в схеме; A — матрица узлов; A^τ —матрица, транспонированная от А; Р = (Р₁, Р₂…Р_m)^τ — вектор-столбец тепловых потоков, проходящих через элементы схемы; Y — диагональная матрица тепловых проводимостей схемы.

Элементы матрицы Y, заданные темпера-туры и тепловые потоки могут подчиняться тем или иным законам распределения с корреляционными связями между ними. Учитывая, что электромеханическая часть мехатронного модуля представляет собой привод на BLDC-электродвигателях, составляем уравнение этой части системы в пространстве состояний [2]:·

х = Ах+Вu,           (3)

где х — матрица входных значений; u — матрица выходных значений; A, B — матрицы, определяемые структурой силовой цепи BLDC-электродвигателя и значениями ее параметров.

Рис. 2. Виртуальная модель мехатронного модуля системы воздушного охлаждения элемента силового блока преобразователя на примере двухдвигательного привода на BLDC-электродвигателях

Для решения системы уравнений (2) и (3) и статического расчета искомых температур и тепловых потоков в пакете Simulink системы MATLAB 7 [3] была построена виртуальная модель меха-тронного модуля активной системы воздушного охлаждения силового блока преобразователя с применением в качестве исполнительных элементов электромеханической части системы односекционных BLDC-электродвигателей (рис. 2).

Рис. 3. Рабочий ток и мощность на примере одного BLDC-электродвигателя

Рабочий ток и мощность на примере одного BLDC-электродвигателя представлены на рис. 3. Рабочая температура и скорость вращения на примере одного BLDC-электродвигателя показаны на рис. 4.

Рис. 4. Рабочая температура и скорость вращения на примере одного BLDC-электродвигателя

Выводы

Результаты работы позволяют ускорить процесс проектирования и инсталляции современных силовых блоков в составе частотных преобразователей для управления электрическими машинами под требования конкретных силовых интеллектуальных модулей и электропривода системы охлаждения с оптимизацией энергосберегающих [4] характеристик.

Модель позволяет проверить правильность выбора различных по мощности электродвигателей в многодвигательной системе и, учитывая коэффициент загрузки объекта управления, предоставляет возможность добиться снижения потребляемой мощности АСУ охлаждением РЭА и расширения граничных режимов работы частотного преобразователя в целом.

Способность силового ключа выдерживать большое количество термоциклов до отказа является его важнейшей характеристикой для обеспечения безотказной работы в течение длительного времени. Результаты работы позволяют ускорить процесс проектирования и инсталляции современных силовых интеллектуальных модулей под производителя конкретного частотного преобразователя и электро-привода системы охлаждения с оптимизацией энергосберегающих, шумо- и вибропонижающих характеристик. Разработка математической модели, учитывающей физические процессы, происходящие в силовых модулях при воздействии термомеханических стрессов, позволяет понять и описать механизм отказа, вы-работать рекомендации по улучшению конструкции модулей. С помощью модели, используя экстраполяцию, можно получить достаточно корректные результаты и за граница-ми этой области. Испытания с использованием коротких термоциклов позволяют определить стойкость к термоциклированию алюминиевых выводов и зоны металлизации кристаллов. Термоциклы длительностью 30–60 с в первую очередь приводят к разрушению паяного соединения DCB-подложки и медного основания силового модуля. Оптимизация мехатроники системы охлаждения позволит расширить границы использования IPM [5].