4.3 Контрольні запитання і завдання

1. Який фізичний механізм використовують для охолодження теплонавантаженого елемента при його встановленні на радіатор?

2. Опишіть конструкцію штирьового радіатора.

3. Як конструктивно виконується кріплення теплонавантаженого модуля на радіаторі для охолодження?

4. Які фізичні процеси охолодження характеризують числа Нуссельта та Грасгоффа при обтіканні тіла, що охолоджується, повітряним потоком?

5. У чому суть методу послідовних наближень при розв’язанні рівняння теплового балансу?

6. Що є критерієм правильності вибору конструкції пластинчастого радіатора?

7. Якими конструктивними параметрами визначається ефективна висота ребра радіатора?

8. Як впливає ширина каналу між ребрами пластинчастого радіатора на ефективність охолодження?

9. Які конструктивні заходи підвищення ефективності охолодження за допомогою радіаторів ви знаєте?

10. Наведіть основні конструктивні заходи щодо забезпечення нормального температурного режиму роботи блока ЕА.

4.4 Приклади аудиторних і домашніх задач

Завдання. Визначити площу тепловіддачі мікросхеми К174 ХА17.

Розв’язання.

Мікросхема К174 ХА17 призначена для роботи у пристроях побутової та багатофункціональної аналогової апаратури і є аналогом TDA 3501.

Конструктивно мікросхема виконана у DIP-корпусі з габаритними розмірами – 36х15 мм. Товщина тіла мікросхеми 3 мм, кількість виводів – 28.

Якщо прийняти нагріту зону – тіло мікросхеми – у вигляді паралелепіпеда, то поверхня тепловіддачі визначається як:

, [м²]

де a, b, c – габаритні розміри нагрітої зони, м.

Підставимо у формулу габарити тіла мікросхеми. Маємо:

(м²).

Відповідь: площа тепловіддачі мікросхеми дорівнює 1,410^-3 м².

5 Розрахунок електричної міцності високовольтного

БЛОКА ЕА

5.1 Мета заняття

Аналіз компонувальної схеми високовольтного блока ЕА та вивчення методики розрахунку його електричної міцності.

5.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Важливо пам’ятати, що електричне поле у високовольтному блоці ЕА є неоднорідним. Під впливом природних іонізаторів (ультрафіолетового випромінювання, космічної радіації) в одиничному об’ємі повітря завжди є деяка кількість іонізованих частинок – електронів та іонів. Електрони, як частинки, що мають малу масу, прискорюються електричним полем і здобувають значної швидкості. Зіштовхнувшись з нейтральним атомом повітря, вони викликають утворення нової пари електрон-іон. За певних умов цей процес набуває лавиноподібного характеру, що веде до утворення провідного "містка" у повітряному проміжку між парою різнополярних високовольтних виводів. Так відбувається пробій ізоляційного проміжку, обумовлений ударною іонізацією.

Напруга між двома високовольтними виводами, при якому може виникнути пробій (пробивна напруга), залежить від ряду факторів: тиску повітря всередині блока ЕА, температури, вологості, концентрації пилу, відстані між виводами, а також від геометричних розмірів і форми виводів. Чим менше еквівалентний радіус виводу (чим він "гостріше"), тим більш неоднорідне електричне поле і тим вища ймовірність пробою повітряного проміжку між виводами.

При оцінці впливу геометричної форми виводів на стан електричного поля між ними використовують такі моделі для розрахунку пробивної напруги:

- "площина–площина" (поле практично однорідне);

- "стержень–площина" (поле між виводами неоднорідне);

- "стержень–стержень" (поле між виводами дуже неоднорідне).

Величина розрядної напруги залежить також і від виду напруги: постійна, змінна, імпульсна; позитивної або негативної полярності.

При розрахунках розрядної напруги кліматичні фактори враховуються за приведеним значенням відносної щільності повітря у блоці ЕА:

, (5.1)

де – тиск усередині блока, Па;

– температура у блоці, K.

На практичному занятті величини Р і Т вибираються за вимогами ТЗ.

Електрична міцність ЕА для випадку, коли ізоляційним проміжком між високовольтними різнополярними виводами є повітря, вище, ніж при заповненні цього проміжку ізоляційним матеріалом. У такому випадку розрахунок пробивної напруги проводиться за різними розрахунковими формулами.

Готуючись до практичного заняття за даною темою, необхідно вивчити

теоретичний матеріал попередніх лекцій і матеріал, викладений в основній [3, с. 420–430; 4, с. 109–112] та додатковій [5, с. 318–319] літературі.

5.2.1 Розрахунок пробивної напруги через повітряний ізоляційний проміжок

Оцінка електричної міцності блока ЕА в залежності від його конструкції проводиться за різними формулами. В табл. 5.1 наведені співвідношення для розрахунку пробивної напруги між високовольтними різнополярними виводами. Конструктивні вирішення враховуються такими коефіцієнтами:

– довжина повітряного ізоляційного проміжку, м;

– коефіцієнт, який враховує вплив відносної вологості повітря на електричну міцність блока (табл. 5.2);

– коефіцієнт, який враховує вплив запилення повітря на електричну міцність (табл. 5.3);

– відносна щільність повітря (формула (5.1)), Па/К.

Таблиця 5.1 – Співвідношення для розрахунку пробивної напруги

через повітряний ізоляційний проміжок

№	Модель розрядного проміжку	Вид напруги	Формула для розрахунку пробивної напруги , кВ
1	2	3	4
1	Стержень – площина	Постійна напруга позитивної полярності
2	Стержень – площина	Позитивна імпульсна напруга
3	Стержень – площина	Негативна імпульсна напруга
4	Стержень – площина	Змінна напруга частотою Гц
5	Стержень – площина	Змінна напруга частотою Гц
6	Стержень – площина	Змінна напруга частотою Гц
7	Стержень – стержень	Постійна напруга позитивної полярності
8	Стержень – стержень	Постійна напруга негативної полярності
9	Стержень – стержень	Позитивна імпульсна напруга
10	Стержень – стержень	Негативна імпульсна напруга

Продовження табл. 5.1

1	2	3	4
11	Стержень – стержень	Змінна напруга частотою Гц
12	Стержень – стержень	Змінна напруга частотою Гц

Таблиця 5.2 – Значення коефіцієнта

Відносна вологість, %	50	60	70	80	90	100
	1	1,05	1,08	1,1	1,12	1,15

Таблиця 5.3 – Значення коефіцієнта

Запилення повітря, мг/м3	2	5	10	20	25	30	40	50	70	90
	1,0	1,05	1,12	1,125	1,128	1,13	1,15	1,18	1,2	1,212

5.2.2 Розрахунок пробивної напруги через поверхню ізолятора

При розрахунку пробивної напруги через поверхню ізолятора слід користуватися такою формулою:

, (5.2)

де – значення пробивної напруги, розрахованої за формулами табл. 5.1, в яких замість величини необхідно підставити довжину розрядного проміжку на поверхні ізолятора , а замість величин і – відповідні значення коефіцієнтів (табл. 5.4) і (табл. 5.5);

– коефіцієнт, який характеризує вплив матеріалу ізолятора на електричну міцність блока (табл. 5.6).

Таблиця 5.4 – Значення коефіцієнта

Відносна вологість, %	50	60	70	80	90	100
	1,20	1,40	1,60	1,85	2,50	2,85

Таблиця 5.5 – Значення коефіцієнта

Запилення ізолятора, мг/м3	10	25	50	75	100	200	300	400	500
	1,125	1,128	1,130	1,138	1,140	1,160	1,170	1,210	1,350

Таблиця 5.6 – Значення коефіцієнта

Матеріал ізолятора	Кераміка	Фарфор	Текстоліт	Фторопласт
	0,9	0,85	0,75	0,70

5.2.3 Оцінка електричної міцності блока ЕА

Характеристикою електричної міцності блока ЕА є порівняння величин пробивної напруги та зі значенням робочої напруги . Таке порівняння роблять за величиною коефіцієнта запасу електричної міцності , рівного відношенню пробивної напруги та робочої:

. (5.3)

Розраховані значення та треба розглядати як середні для заданих умов експлуатації, які мають нормальний закон розподілу. Середньоквадратичне їх відхилення лежить в межах 0.5…5% (де – середнє значення пробивної напруги). Ймовірною характеристикою електричної міцності є ймовірність відсутності пробою:

,

де – інтеграл ймовірності.

При значеннях ≥ 1.5…2 та імовірності відсутності пробою електрична міцність ЕА може вважатися задовільною.

На рис. 5.1 наведено приклад фрагмента конструкції високовольтного блока живлення – фільтрового конденсатора, до виводів якого підведена випрямлена напруга 27 кВ позитивної полярності. Стрілками показані можливі напрямки пробою – між високовольтним виводом і найближчою стінкою корпуса блока через повітряний зазор між ними (а), по поверхні ізолятора на корпус (б).

1 – високовольтний конденсатор фільтра; 3 – дросель фільтра;

2 – високовольтний вивід конденсатора; 4 – виводи дроселя.

Рисунок 5.1

5.2.3 Порядок виконання роботи

1. Проаналізувати конструкцію, що проектується, на наявність високовольтних елементів. Вивчити місця можливого електричного пробою через повітряний проміжок та на ізоляторі і підготувати дані для розрахунку електричної міцності блока ЕА за вимогами ТЗ.

За відсутності необхідності оцінки електричної міцності конструкції, що проектується, отримати у керівника заняття варіант компонування високовольтного блока та скористатися даними табл. 5.7.

Таблиця 5.7 – Варіанти для розрахунку

Варіант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Номер моделі	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Довжина проміжку, мм	2,5	3,0	5,0	0,7	10	12	15	18	20	24	27	30
Температура, оС	20	30	40	50	20	30	40	50	20	30	40	50
Атмосферний тиск, кПа	100
Відносна вологість, %	50	60	70	80	90	100	50	60	70	80	90	100
Запилення повітря, мг/м3	2	5	10	20	25	30	40	50	70	90	25	50
Матеріал ізолятора	Кераміка	Фарфор	Текстоліт	Фторопласт	Кераміка	Фарфор	Текстоліт	Фторопласт	Кераміка	Фарфор	Текстоліт	Фторопласт
Запилення ізолятора, мг/м3	10	25	50	75	100	200	300	400	500	200	50	100

2. Розрахувати величину пробивної напруги через повітряний ізоляційний проміжок за вказівками п. 5.2.1.

3. Розрахувати величину пробивної напруги на поверхні ізолятора за вказівками п. 5.2.2.

4. Розрахувати значення коефіцієнта запасу електричної міцності за співвідношенням (5.3) та зробити за отриманими результатами висновки.