А тепер ми перейдемо до такого немаловажному питання, як внутрішньокорпусні вентиляція і позначимо деякі основні співвідношення, використовувані при побудові моделі і розрахунку теплообміну всередині корпусу статичних перетворювачів

Як ми вже сказали раніше, природна вентиляція корпусу забезпечується такою властивістю повітряного середовища, як різна її щільність (а, відповідно, і питома вага) при різних температурах Так, при 20 ° С середня щільність повітря становить 1,2 кг / м3, В той час як щільність при 100 ° С – вже 0,96 кг / м3 Нагріте повітря спрямовується вгору, створюючи «тягу» повітряного потоку Тому все нові і нові маси холодного повітря

займають місце нагрітих, видаляючи тепло з радіаторів силових елементів У ряді випадків природної конвекції цілком достатньо для підтримки безпечного теплового режиму радіаторів Коли тепловиділення велике, і природного припливу холодного повітря вже недостатньо для забезпечення теплового режиму, обсяги «прокачується» повітряного середовища штучно збільшують шляхом її нагнітання примусово, то їсти за допомогою вентилятора

Рис 3322 Теплообмін в корпусі статичного перетворювача

Розглянемо типове побудова корпусу статичного перетворювача (рис 3322) в умовах природної вентиляції Як правило, корпус перетворювача виконується таким, щоб точка забору повітря і точка його викиду в навколишнє середовище знаходилися якнайдалі по висотедруготдруга Спеціальними конструктивними заходами забезпечується відсутність можливості потрапляння капельжідкості всередину приладу – Наприклад, грибки, жалюзі і т д Вхідний і вихідний отвори доцільно закрити фільтрами очищення повітря (найпростіший фільтр – сітка), які запобігають потраплянню всередину приладу пилу та інших дрібних частинок

Тепловий напір, тобто перепад тиску між вхідним і вихідним повітряними отворами визначається по відстані між цими отворами і плотностями вхідного і вихідного повітря за формулою

i

Обсяг повітря, що проходить через вхідний вентиляційний отвір з площею SInp в одиницю часу, може бути визначений за формулою

де kinp – Коефіцієнт витрати повітря, що залежить від конструктивного виконання вхідного отвору (для прикидочних розрахунків рекомендується прийняти його значення в межах 0,7 .. 0,8)

g-прискорення вільного падіння

І, нарешті, потужність, що відводиться з корпусу за допомогою природного конвективного теплообміну, розраховується за формулою

де Tinp і Тош – Відповідно температура вхідного і вихідного повітря

Cair – Питома теплоємність повітря при нормальному атмосферному тиску

Можна легко розрахувати, що для перетворювача з висотою корпусу 450 мм і діаметром вхідного отвору 120 мм при різниці температур повітря 30 ° С вдасться відвести близько 200 Вт теплової потужності тільки за рахунок природної конвекції, забезпечивши нормальний режим роботи силових елементів Багато це чи мало Для оцінки представимо перетворювач з вихідною потужністю 2 кВт і ККД близько 0,93 Якщо ж ми захочемо розмістити в цьому корпусі перетворювач із збільшеною потужністю, то природної вентиляції однозначно буде недостатньо, і ми будемо змушені вдатися до примусового способу

Суть примусового способу вентиляції полягає в тому, що ми штучно збільшуємо обсяг припливного повітря Vinp, Тим самим прискорюючи теплообмін і швидше відводячи виділяється теплову енергію (що видно з формули 3314) Примусова вентиляція дозволяє на порядок поліпшити теплообмін, а значить, і скоротити габарити приладу при збереженні номінальної потужності Проте є у примусового способу вентилювання зворотний бік: для живлення вентиляторів необхідно затратити додаткову енергію, вентилятори шумлять, ресурс їх невисокий І, тим не менш, примусова вентиляція – мабуть, єдиний спосіб скорочення габаритів статичних перетворювачів Враховуючи сказане, наведемо основні технічні характеристики промислових вентиляторів, які будуть потрібні при проектуванні системи примусового охолодження

На рис 3323 показаний зовнішній вигляд вентиляторів типу W2G110-AK43-31 і WlG110-AG07-05 Для першого вентилятора: номінальна потужність – 15 Вт, харчування – 24 В Для другого вентилятора: номінальна потужність – 16 Вт, харчування – 48 В Залежність обсягів перекачується повітря в одиницю часу від аеродинамічного тиску наведено на рис 3324 (крива «1» – для першого типу вентилятора, крива «2» – для другий) Тут потрібно мати на увазі, що будь-який корпус має так зване аеродинамічний опір Пояснимо на прикладі, що це таке Припустимо, ми встановили вентилятор в ящик, у якого є тільки вхідний отвір Тоді повітря буде нагнітатися в корпус без його викиду назовні (ліва верти-

Рис 3324 Криві залежності обсягів перекачується повітря від величини аеродинамічного тиску

Рис 3323 Зовнішній вид вентиляторів осьового типу

Кальна лінія графіка 3324), підвищиться внутрішній тиск, а значить, і аеродинамічний опір Толку від такої вентиляції не буде ніякого Тому аеродинамічний опір необхідно знижувати, таким чином компонуючи прилад, щоб потоки повітря безперешкодно виходили назовні – ефективність вентиляції підвищиться Найбільша ефективність роботи вентилятора представлена ​​нижньої горизонтальної лінією на рис 3324 – ця ситуація аналогічна роботі вентилятора на відкритому повітрі

На характеристику тиску, створювану вентиляторами, значний вплив робить навіть така, здавалося б, нешкідлива річ, як конструкція захисної сітки воздухозабора (в технічній літературі вона носить назву перфорації) Виявляється, навіть мелкоячеистая сітка може значно знизити створюваний тиск, тому в сучасних статичних перетворювачах цю сітку замінюють простим крупноячеистой огорожею

Останнім часом у конструкторів перетворювальної техніки увійшло в моду використовувати відцентрові вентилятори, які створюють в кілька разів вищий тиск при тих же масо-габаритних показниках, що і осьові вентилятори Приклад застосування відцентрового вентилятора в збірці-напівфабрикаті для побудови вузла охолодження силових елементів наведено на рис 3325

Застосування вентиляторів для охолодження статичного перетворювача – завдання, яка в кожному конкретному випадку повинна вирішуватися індивідуально Так, наприклад, на основі декількох вентиляторів можна побудувати систему «один припливне – два витяжних», «два припливних – один витяжний», а також різні комбінації трьох і більше одиночних вентиляторів Ми залишаємо ці питання за рамками книги, оскільки познайомили читача з основами примусового вентилювання, і з більш складними схемами, їх достоїнствами і недоліками він зможе ознайомитися в спеціальній літературі з конструювання

На завершення цього розділу ми намітимо деякі орієнтири для тих, хто хоче скористатися сучасними способами виконання теплових розрахунків і розповімо коротко про компютерному моделюванні теплових процесів Дійсно, традиційно теплові розрахунки виконувалися, як це називається, за допомогою ручки і аркуша паперу, використовуючи деякі спрощені моделі Зрозуміло, що такі моделі не виключали прорахунків, повязаних з локальними перегрівами окремих компонентів, тому при випробуваннях дослідних зразків виробів доводилося виконувати доопрацювання, коригувати документацію За підрахунками фахівців [60], в середньому, розрахунок теплових режимів «врукопашну» має похибку порядку 35%, що, звичайно, не цілком відповідає сучасним вимогам по точності проектування Сьогодні, коли життя висуває необхідність працювати «з коліс», тобто не витрачати час на численні випробування, а відразу запускати розробки «в серію», компютерне моделювання дозволить врахувати всі «тонкощі» моделі і виключити прорахунки (або, в крайньому випадку, звести їх до мінімуму)

Як справедливо зазначено у [60], підвищення точності моделювання теплових режимів може бути досягнуто тільки за рахунок розбиття модельованої системи на більш дрібні ділянки, що повязане з ускладненням математичних процедур Загальний принцип цього підходу такий: прилад розбивається на елементарні прямокутні області, геометричні центри яких носять назву «теплових вузлів» Температура в теплових вузлах передбачається постійною (в межах областей) Також вводяться елементарні теплові потоки, а також елементарні теплові опори між вузлами, що, як ми вже знаємо, дозволяє побудувати електричну аналогію теплової схеми, яка в цьому випадку стає тривимірною

Біда всіх «рукопашних» розрахунків полягає ще і в тому, що вони не враховують динаміку перехідних теплових процесів Іншими словами, облік тільки теплових опорів добре описує стаціонарні режими роботи приладу, коли всі його елементи прогріті, навантаження не змінюється, вхідна напруга стабільно і т д Тут неможливо побудувати картину поведінки елементів, наприклад, в моменти розгону сопрягаемого двигуна, гальмування, переходу з режиму на режим Іноді характер роботи статичного перетворювача може бути чисто перехідним, наприклад, циклирование пусків із зупинками електродвигунів, різні короткочасні однократні режими (яскравий приклад – робота зварювального перетворювача) Якоюсь мірою врахувати характер перехідних процесів дозволяють графіки нормованого перехідного опору «кристал-корпус» ZthJcy про які ми говорили в розділі, присвяченому силовим транзисторам MOSFET і IGBT Однак це далеко не все, що потрібно врахувати для якісного розрахунку – адже прогрів корпусів силових елементів, а також радіаторів відбувається не миттєво З урахуванням цієї обставини в теплову модель, призначену для компютерного аналізу, вводяться динамічні параметри (рис 3326)

Рис 3326 Ускладнена теплова модель, що враховує динамічні

параметри

У модифікованій розрахункової моделі проводиться облік значень теплоємності (теплової маси) кристала, корпуса і охолоджувача (Cthp CthcJ Cths) Електричним аналогом цих елементів служать конденсатори Таким чином, розрахунок теплових схем може бути проведений методами електротехніки

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил