Внутрикорпусная вентиляция силовых преобразователей энергии

August 10, 2013 by admin Комментировать »

А теперь мы перейдем к такому немаловажному вопросу, как внутрикорпусная вентиляция и обозначим некоторые основные соотношения, используемые при построении модели и расчете теплообмена внутри корпуса статических преобразователей.

Как мы уже сказали ранее, естественная вентиляция корпуса обеспечивается таким свойством воздушной среды, как разная ее плотность (а, соответственно, и удельный вес) при разных температурах. Так, при 20 °С средняя плотность воздуха составляет 1,2 кг/м3, в то время как плотность при 100 °С — уже 0,96 кг/м3. Нагретый воздух устремляется вверх, создавая «тягу» воздушного потока. Поэтому все новые и новые массы холодного воздуха

занимают место нагретых, удаляя тепло с радиаторов силовых элементов. В ряде случаев естественной конвекции вполне достаточно для поддержания безопасного теплового режима радиаторов. Когда тепловыделение велико, и естественного притока холодного воздуха уже недостаточно для обеспечения теплового режима, объемы «прокачиваемой» воздушной среды искусственно увеличивают путем ее нагнетания принудительно, то есть при помощи вентилятора.

Рис. 3.3.22. Теплообмен в корпусе статического преобразователя

Рассмотрим типичное построение корпуса статического преобразователя (рис. 3.3.22) в условиях естественной вентиляции. Как правило, корпус преобразователя выполняется таким, чтобы точка забора воздуха и точка его выброса в окружающую среду находились как можно дальше по высотедруготдруга. Специальными конструктивными мерами обеспечивается отсутствие возможности попадания капельжидкости внутрь прибора — например, грибки, жалюзи и т. д. Входное и выходное отверстия целесообразно закрыть фильтрами очистки воздуха (простейший фильтр — сетка), которые предотвращают попадание внутрь прибора пыли и других мелких частиц.

Тепловой напор, то есть перепад давления между входным и выходным воздушными отверстиями определяется по расстоянию между этими отверстиями и плотностями входящего и выходящего воздуха по формуле

i

Объем воздуха, проходящий через входное вентиляционное отверстие с площадью SInp в единицу времени, может быть определен по формуле

где kinp — коэффициент расхода воздуха, зависящий от конструктивного исполнения входного отверстия (для прикидочных расчетов рекомендуется принять его значение в пределах 0,7…0,8);

g— ускорение свободного падения.

И, наконец, мощность, отводимая из корпуса посредством естественного конвективного теплообмена, рассчитывается по формуле

где Tinp и Тош — соответственно температура входящего и выходящего воздуха;

Cair — удельная теплоемкость воздуха при нормальном атмосферном давлении.

Можно легко рассчитать, что для преобразователя с высотой корпуса 450 мм и диаметром входного отверстия 120 мм при разнице температур воздуха 30 °С удастся отвести порядка 200 Вт тепловой мощности только за счет естественной конвекции, обеспечив нормальный режим работы силовых элементов. Много это или мало? Для оценки представим преобразователь с выходной мощностью 2 кВт и КПД порядка 0,93. Если же мы захотим разместить в этом корпусе преобразователь с увеличенной мощностью, то естественной вентиляции однозначно будет недостаточно, и мы будем вынуждены прибегнуть к принудительному способу.

Суть принудительного способа вентиляции заключается в том, что мы искусственно увеличиваем объем приточного воздуха Vinp, тем самым ускоряя теплообмен и быстрее отводя выделяющуюся тепловую энергию (что видно из формулы 3.3.14). Принудительная вентиляция позволяет на порядок улучшить теплообмен, а значит, и сократить габариты прибора при сохранении номинальной мощности. Однако есть у принудительного способа вентилирования оборотная сторона: для питания вентиляторов необходимо затратить дополнительную энергию, вентиляторы шумят, ресурс их невысок. И, тем не менее, принудительная вентиляция — пожалуй, единственный способ сокращения габаритов статических преобразователей. Учитывая сказанное, приведем основные технические характеристики промышленных вентиляторов, которые потребуются при проектировании системы принудительного охлаждения.

На рис. 3.3.23 показан внешний вид вентиляторов типа W2G110-AK43-31 и WlG110-AG07-05. Для первого вентилятора: номинальная мощность — 15 Вт, питание — 24 В. Для второго вентилятора: номинальная мощность — 16 Вт, питание — 48 В. Зависимость объемов перекачиваемого воздуха в единицу времени от аэродинамического давления приведены на рис. 3.3.24 (кривая «1» — для первого типа вентилятора, кривая «2» — для второго). Здесь нужно иметь в виду, что любой корпус имеет так называемое аэродинамическое сопротивление. Поясним на примере, что это такое. Допустим, мы установили вентилятор в ящик, у которого имеется только входное отверстие. Тогда воздух будет нагнетаться в корпус без его выброса наружу (левая верти-

Рис. 3.3.24. Кривые зависимости объемов перекачиваемого воздуха от величины аэродинамического давления

Рис. 3.3.23. Внешний вид вентиляторов осевого типа

кальная линия графика 3.3.24), повысится внутреннее давление, а значит, и аэродинамическое сопротивление. Толку от такой вентиляции не будет никакого. Поэтому аэродинамическое сопротивление необходимо снижать, таким образом компонуя прибор, чтобы потоки воздуха беспрепятственно выходили наружу — эффективность вентиляции повысится. Наибольшая эффективность работы вентилятора представлена нижней горизонтальной линией на рис. 3.3.24 — эта ситуация аналогична работе вентилятора на открытом воздухе.

На характеристику давления, создаваемую вентиляторами, значительное влияние оказывает даже такая, казалось бы, безобидная вещь, как конструкция защитной сетки воздухозабора (в технической литературе она носит название перфорации). Оказывается, даже мелкоячеистая сетка может значительно понизить создаваемое давление, поэтому в современных статических преобразователях эту сетку заменяют простым крупноячеистым ограждением.

В последнее время у конструкторов преобразовательной техники вошло в моду использовать центробежные вентиляторы, которые создают в несколько раз более высокое давление при тех же массо-габаритных показателях, что и осевые вентиляторы. Пример применения центробежного вентилятора в сборке-полуфабрикате для построения узла охлаждения силовых элементов приведен на рис. 3.3.25.

Применение вентиляторов для охлаждения статического преобразователя — задача, которая в каждом конкретном случае должна решаться индивидуально. Так, например, на основе нескольких вентиляторов можно построить систему «один приточный — два вытяжных», «два приточных — один вытяжной», а также различные комбинации трех и более одиночных вентиляторов. Мы оставляем эти вопросы за рамками книги, поскольку познакомили читателя с основами принудительного вентилирования, и с более сложными схемами, их достоинствами и недостатками он сможет ознакомиться в специальной литературе по конструированию.

В завершение этого раздела мы наметим некоторые ориентиры для тех, кто хочет воспользоваться современными способами выполнения тепловых расчетов и расскажем кратко о компьютерном моделировании тепловых процессов. Действительно, традиционно тепловые расчеты выполнялись, как это называется, с помощью ручки и листа бумаги, используя некоторые упрощенные модели. Понятно, что такие модели не исключали просчетов, связанных с локальными перегревами отдельных компонентов, поэтому при испытаниях опытных образцов изделий приходилось выполнять доработки, корректировать документацию. По подсчетам специалистов [60], в среднем, расчет тепловых режимов «врукопашную» имеет погрешность порядка 35 %, что, конечно, не вполне отвечает современным требованиям по точности проектирования. Сегодня, когда жизнь выдвигает необходимость работать «с колес», то есть не тратить время на многочисленные испытания, а сразу запускать разработки «в серию», компьютерное моделирование позволит учесть все «тонкости» модели и исключить просчеты (или, в крайнем случае, свести их к минимуму).

Как справедливо отмечено в [60], повышение точности моделирования тепловых режимов может быть достигнуто только за счет разбиения моделируемой системы на более мелкие участки, что сопряжено с усложнением математических процедур. Общий принцип этого подхода таков: прибор разбивается на элементарные прямоугольные области, геометрические центры которых носят название «тепловых узлов». Температура в тепловых узлах предполагается постоянной (в пределах областей). Также вводятся элементарные тепловые потоки, а также элементарные тепловые сопротивления между узлами, что, как мы уже знаем, позволяет построить электрическую аналогию тепловой схемы, которая в этом случае становится трехмерной.

Беда всех «рукопашных» расчетов состоит еще и в том, что они не учитывают динамику переходных тепловых процессов. Иными словами, учет только тепловых сопротивлений хорошо описывает стационарные режимы работы прибора, когда все его элементы прогреты, нагрузка не меняется, входное напряжение стабильно и т. д. Здесь невозможно построить картину поведения элементов, например, в моменты разгона сопрягаемого двигателя, торможения, перехода с режима на режим. Иногда характер работы статического преобразователя может быть чисто переходным, например, циклирование пусков с остановками электродвигателей, разные кратковременные однократные режимы (яркий пример — работа сварочного преобразователя). В какой-то мере учесть характер переходных процессов позволяют графики нормированного переходного сопротивления «кристалл—корпус» ZthJcy о которых мы говорили в разделе, посвященном силовым транзисторам MOSFET и IGBT. Однако это далеко не все, что нужно учесть для качественного расчета — ведь прогрев корпусов силовых элементов, а также радиаторов происходит не мгновенно. С учетом этого обстоятельства в тепловую модель, предназначенную для компьютерного анализа, вводятся динамические параметры (рис. 3.3.26).

Рис. 3.3.26. Усложненная тепловая модель, учитывающая динамические

параметры

В модифицированной расчетной модели производится учет значений теплоемкости (тепловой массы) кристалла, корпуса и охладителя (Cthp CthcJ Cths). Электрическим аналогом этих элементов служат конденсаторы. Таким образом, расчет тепловых схем может быть произведен методами электротехники.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты