Т Е П Л О В Ы Е Р А С Ч Е Т Ы А П П А Р А Т У Р Ы

С А У Л А.

      Тепловые расчеты отдельных эл-тов систем автоматического управления в сильной степени влияют на надежность и на точность работы системы в целом. Поэтому обеспечение нормального теплового режима является одной из основных задач, решаемых конструктором при проектировании аппаратуры. Конструктор может пользоваться целым арсеналом различных мер. Это - выбор элементов аппаратуры в зависимости от температуры окружающей среды; рациональное размещение узлов и блоков в аппаратуре; рациональное конструирование корпусов и шасси, обеспечивающее отвод тепла от наиболее нагруженных эл-тов; введение систем термостатирования, систем охлаждения узлов или аппаратуры в целом, применением вентиляторов, теплозащитных кожухов; установка тепловых радиаторов. Применение этих мер приводит к увеличению массы и размеров аппаратуры, поэтому от конструктора требуется большая тщательность.

      Тепловой режим отдельного эл-та считается нормальным, если выполняются следующие условия: при эксплуатации температура эл-та не выходит из допустимых для него пределов; температура эл-та такова, что обеспечивается его работа с заданной надежностью.

      Способы охлаждения аппаратуры. Нормальный тепловой режим аппаратуры обеспечивается с помощью системы охлаждения, под которой принято понимать совокупность используемых для этой цели устройств и конструктивных эл-тов. Применяемые в аппаратуре САУ системы охлаждения делят на воз д ушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные.

      В воздушных системах охлаждения теплоносителем служит воздух. Воздушное охлаждение осуществляется естественной конвекцией и теплоизлучением через воздух на корпус, естественной вентиляцией, перемешиванием воздуха внутри устройства с помощью установленных внутри вентиляторов, принудительной вентиляцией путем подключения аппарата через специально предусмотренные на нем фланцы.

     Для охлаждения приборов с мощностью тепловыделения более 3 кВт применяют системы с жидкостным теплоносителем. Жидкостное охлаждение используется для отвода тепла от корпуса прибора.

    При кондуктивном охлаждении эл-тов и блоков аппаратуры тепло отводится теплопроводностью и теплоизлучением.

    В комбинированных системах охлаждения применяются сочетания всех перечисленных ранее охлаждений.

    При конструировании температуры САУ возникает задача отвода тепла от мощных транзисторов эл. аппаратуры, от усилителей мощности. Эту задачу решают установкой мощных транзисторов на радиаторы охлаждения. Конструкции радиаторов могут быть различными. Наиболее распространенная конструкция: радиатор выполнен в виде полого цилиндра с ребрами, заглушенного с одного торца. На торце устанавливают транзистор так, что его корпус контактирует с дном цилиндра.

 

 Тепло от корпуса транзистора путем естественной теплопроводности материала радиатора отводится на охлаждающие ребра. Радиатор выполняют из материала с высокой теплопроводностью, чаще всего из алюминия. Расчет радиатора заключается в определении необходимой площади поверхности охлаждения, которая может быть найдена по приближенной формуле

 

                                             (1,2 ¸ 1,5) 10³ Р

                         S _охл» ------------------------------,

                                         Т_{п max} – Т_{окр max} – R_TTP    

 

где

S_охл – площадь всей поверхности радиатора с обеих сторон, включая поверхность ребер;

Р – мощность, выделяемая в транзисторе;

Т_{п max} – максимальная температура коллекторного перехода в условиях эксплуатации; максимально возможная температура окружающей среды;

Т_{окр max­} - максимально возможная температура окружающей среды;

R_TT – тепловое сопротивление между коллекторным переходом и корпусом.

     Теплофизические расчеты аппаратуры. При проектировании аппаратуры систем управления перед конструктором возникает задача выбора способа охлаждения. В первом приближении способ охлаждения можно определить на базе удельной тепловой нагрузки

 

                                            Р/ S = 1,16 a D t °,

где Р – мощность, выделяемая в приборе; S – площадь теплоотдающей поверхности; a - коэффициент теплоотдачи; Dt° - средний перегрев поверхности, рассчитываемый с помощью уравнения Ньютона

                                                             Р

                                     Dt° = t°_с + ----------,

                                                       1,16 aS

здесь t°_с  - температура окружающей среды, °С. Значение перегрева должно быть оговорено в технических условиях на изделие. Коэффициент теплоотдачи a находят по таблицам.

      Для каждого способа охлаждения установлена предельная норма Тепловой нагрузки. Так, для герметизированных радиотехнических блоков, охлаждаемых естественным теплоизлучением и конвекцией, установлено

                                      (Р/S) £ 7 × 10¯³ Вт/см²

при Dt° = 17°С и t°_c = 50°.

      Тепловые режимы инерциальных ЧЭ. При проектировании эл-тов аппаратуры САУ решают задачи расчета тепловых режимов с точки зрения обеспечения требуемой точности их работы. Эта проблема возникает при проектировании инерциальных ЧЭ (гироскопов и акселерометров).

      Отдаваемую элементом тепловую мощность приближенно определяют по известным значениям сопротивления эл-та и протекающих по ним в установившемся режиме токов. Например для гироскопа, питаемого трехфазным переменным током, выделяемую тепловую мощность рассчитывают по формуле

                                         Q_теп = 3 [0,24 I² R],     

где I – ток в фазе; R – активное сопротивление фазовой обмотки гиромотора.

 

     Для эл-тов некоторых типов, в частности поплавковых гироскопов и акселерометров, температурный режим имеет особое значение. Рассчитывают номинальную температуру эл-та

                                            t_н = t_{э max} + t_u + t_з,

где t_{э max} – максимальная эксплуатационная температура; t_u – температура перегрева; t_з – запас температуры.

    Запас температуры обычно выбирают равным 3 - 5° С.

   Определив номинальную температуру, рассчитывают допустимую погрешность ее поддержания, исходя из некоторых поддающихся оценке факторов. Трение зависит от силы давления поплавка на опоры и определяется выражением

                                         М_тр = k_тр ma Dt°,

где k_тр – коэффициент трения; m – масса поплавка; a – максимальное ускорение летательного аппарата; Dt° - отклонение температуры поплавка от номинальной температуры.

     Скорость ухода гироскопа w_тр, вызванная моментом трения М_тр, определяется выражением

                                             w_тр = М_тр/Н,

где Н – момент количества движения гироскопа.

      Допустимое значение Dt° находят по формуле

                                                   w_тр Н

                                      Dt° = ------------.

                                                  k_тр ma

Значение k_тр задается техническими условиями на примененные в гироскопе опоры.

Найденное значение перегрева Dt° считают сосредоточенным в одной точке и определяют скорость ухода гироскопа w_К, обусловленную конвективным обтеканием поплавка жидкостью из более нагретой зоны в менее нагретую. Если полученное значение w_{К ­} не превышает допустимую скорость ухода гироскопа, значение перегрева Dt° уменьшают вдвое и принимают Dt°/2 в качестве допустимого отклонения температуры гироскопа от номинальной температуры t°_НОМ. Уменьшением допустимого отклонения Dt° вдвое учитывают влияние нестабильности температуры на несколько независимых друг от друга источников погрешностей гироскопов.

  Поддержание температуры элемента на номинальном уровне обеспечивает автоматическая система регулирования температуры, называемая системой термостатирования. (схема 1):

Рисунок 1. Структура автоматической системы термостатирования.

 

Чувствительным элементом системы является термодатчик R_Т, размещенный на объекте термостабилизации и включенный в мостовую схему с резисторами R₁, R₂ и R₃. Мост питается напряжением Un, выход моста нагружен на усилитель 2. Нагрузкой усилителя служит нагревательный элемент R_Н, размещенный на объекте стабилизации 1. Нагреватель выполнен в виде обмотки с большим омическим сопротивлением. В настоящее время нагреватели, предназначенныедля поплавковых гироскопов, выполнены печатным монтажом в виде гибкой ленты с запрессованной в нее токопроводящей дорожкой.

Система может быть настроена на любое значение номинальной температуры t_ном путем подбора сопротивлений в плечах моста. При выполнении условия

 

                        R_Т R₂ – R₁ R₃ = 0,

 

где R_Т – сопротивление термодатчика при номинальной температуре, напряжение на выходе моста равно 0. Если температура объекта термостабилизации упадет на Dt°, сопротивление термодатчика изменится до значения

 

                          R_Т(Dt°) = R_Т(1 – k_т Dt°),

 

где k_т – температурный коэффициент сопротивления обмотки термодатчика.

Мост разбалансируется, и его выходное сопротивление будет равно:

 

                      R_вых = R_Т R₂ – R₁ R₃ = R_Т R₂ k_т Dt°

На выходе усилителя появится пропорциональный приращению Dt° ток, и нагреватель будет подогревать объект до тех пор, пока сопротивление термодатчика не достигнет значения R_Т, после чего система отключается.