Проектирование модуля управления трехфазным асинхронным двигателем
3.2 Расчет тепловых режимов ключевых элементов, выбор теплоотвода
Тепловой режим РЭА есть пространственно-временное распределение температуры в РЭА, соответствующее определённому пространственно-временному распределению тепловыделения в РЭА. Под заданным тепловым режимом в РЭА понимают такой тепловой режим, при котором температура каждого из элементов РЭА равна заданной или не выходит за пределы, указанные для этого элемента. Точный анализ температурного состояния РЭА связан с большими трудностями, которые объясняются сложностью конструкции и проходящих в ней процессов, поэтому при изучении теплового режима РЭА применяют приближённое физико-математическое исследование и расчёт теплоотвода в РЭА носит оценочный характер, необходимый для установления исходных параметров конструкции.
Комплекс мероприятий, направленный на снижение температуры, часто связан с дополнительными материальными затратами, поэтому в процессе разработки РЭА необходимо уделять внимание экономически обоснованному решению конструкции при приемлемом перепаде температур. По соображениям экономическим прежде всего необходимо стремиться к естественному охлаждению, принимая конструктивные меры к интенсификации передачи тепла в окружающее пространство или на другие части конструкции.
Естественное воздушное охлаждение РЭА - самый простой способ отвода тепла в окружающее пространство, осуществляемый за счёт свободной конвекции и лучеиспускания. Естественное воздушное охлаждение в блоках позволяет отводить тепло.
Расчёт охлаждения при естественной конвекции сводится к определению тепловой характеристики корпуса и нагретой зоны РЭА. Тепловой характеристикой корпуса прибора называется функциональная зависимость перегрева от его мощности тепловыделения.
Корпус устройства изготовлен из листового алюминиевого сплава.
Эти материалы обладают достаточно большой теплопроводностью; кроме того, тепловая энергия, передаваемая от нагретой зоны кожуху, приблизительно равномерно распределена по всей поверхности, поэтому с достаточным основанием кожух можно считать изометрической поверхностью.
Тепловой расчет мощных полевых транзисторов работающих в ключевом режиме производится методом последовательного приближения [14]. Исходя из реальной конструкции рассчитывают условную нагретую зону. Задаются температурой условной нагретой зоны относительно окружающей среды.
По тепловому режиму блоки и узлы РЭА можно разделить на теплонагруженные и не теплонагруженные. Оценка тепловой нагрузки производится по тепловому потоку, проходящему через единицу поверхности. Тепловая нагрузка до 0,05 Вт/см2 считается малой, а свыше 0,05 Вт/см2 - большой. Устройство имеет габариты L1 =345 мм, L2 =170 мм, L3 =90 мм.
Расстояние от верхней стенки кожуха, до нагретой зоны h1=8мм, от нижней стенки до шасси h2=15мм, высота нагретой зоны h3=23мм. Толщина стенок L=1мм.
Расчет.
Мощность рассеиваемая в блоке Рб = 80 Вт
Мощность рассеиваемая элементом Рз = 50 Вт
Горизонтальные размеры корпуса блока: L1 = 345 мм - длина блока
L2 = 170 мм - ширина блока L3 = 90 мм. - высота блока.
Площадь поверхности элемента Sэл = 25*10-3 м2.
Коэффициент заполнения Кз= 0,4
Температура окружающей среды Тс = 293 К (20*С)
Давление окружающей среды Н1= Н2 = 0,1 МПа
1. Расчитывается поверхность корпуса блока по формуле:
SK = 2 [L1 L2 + (L1 +L2) L3],
SK = 2 [0.2950.312+ (0.295+0.312) 0.295] =0.542 м2;
2. Определяется условная поверхность нагретой зоны по формуле:
SЗ = 2 [L1 L2 + (L1 +L2) L3KЗ],
где KЗ - коэффициент заполнения.
SЗ=2 [0.2950.312+ (0.295+0.312) 0.2950.4] =0.326 м2;
где L1, L2, L3 - геометрические размеры корпуса,
3. Определим удельную мощность корпуса блока:
qK = PЗ / SK;
qK = 50/0.542 = 92,25 Вт / м2
где P3 - мощнось рассеиваемая нагретой зоной.
4. Удельная мощность нагретой зоны:
qЗ = PЗ / SЗ;
qЗ = 92,25/0.326 = 282,97 Вт / м2
5. Найдем коэффициент в зависимости от удельной мощности корпуса блока
рис. 12 Зависимость перегрева корпуса от удельной мощности V1 = 11 К
6. Найдем коэффициент в зависимости от удельной мощности нагретой зоны
Рис.13 Зависимость перегрева нагретой зоны от удельной мощности рассеивания V2 = 30 К
7. Найдем коэффициент, зависящий от атмосферного давления вне корпуса
Рис. 14 Зависимость Кн1 от окружающей среды 0? Н1? 2.6 · 10 3 Па Кн1 = 1.0
8. Найдем коэффициент, зависящий от давления внутри корпуса блока
Рис. 15 Зависимость Кн2 от давления внутри корпуса 0? Н2 ? 12.8 · 10 3 Па Кн2 = 1.0
9. Определим нагрев корпуса
Vк = V1· Кн1, Vк = 11 К
10. Рассчитаем перегрев нагретой зоны
Vз = Vк + (V2 - V1) Кн2
Vз = 11 + (30-19) ·1 =22 К
11. Определим средний перегрев воздуха в корпусе
Vв = 0.5· (Vк +Vз), Vв =42,1 К
12. Определим удельную мощность элемента
qэл = 50/ (15*10-3) =45 Вт/м2
13. Рассчитаем перегрев поверхности элементов
Vэл = Vз (a + b· qэл / qз),
где a = 0.75, b = 0.25
Vэл = 48 (0.75 + 0.25 · 22/282,97) = 36,9 К
14. Рассчитаем перегрев окружающей элементы среды
Vэс = Vв (a + b · qэл / qз)
Vэс = 42,1 (0.75 + 0.25 · 22/282,97) = 32,39 К
15. Определим температуру корпуса блока
Тк = Vк + Тс = 11 + 293 = 314 К
16. Определим температуру нагретой зоны
Тз = Vз + Тс = 22+293=315К
17. Найдем температуру поверхности элементов
Тэл = Vэл +Тс, Тэл = 36,9 +293 =329,9 К
18. Находим среднюю температуру в блоке
Тв = Vв + Тс, Тв = 42,1 + 293 = 335,1 К
19. Находим температуру окружающей элементы среды
Тэс = Vэс + Тс, Тэс = 32,4 + 293 = 325,4 К
Температура корпуса блока 410 C
Температура нагретой зоны 620 C
Температура поверхности элемента 57 0 C
Средняя температура воздуха в блоке 58 0 C
Температура окружающей элемент 490 C