4 Разработка конструкции инвертора

4.1 Предварительная разработка конструкции устройства

4.1.1 Выбор предварительного варианта компоновки. При разработке конструкции устройства следует учитывать следующие требования: объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения - максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭУ [10].

Проанализируем два варианта компоновки проектируемого устройства. Варианты различаются размерами, расположением модулей, органов управления и индикации.

Первый вариант компоновки приведен на рисунке 1, второй - на рисунке 2.

Рисунок 1 – Первый вариант компоновки

На рисунке цифрами обозначены:

1 – радиаторы с транзисторами;

2 – плата А2 (управление);

3 – кнопка SB1;

4 – светодиод HL1;

5 – выходные гнезда (для подключения нагрузки);

6 – силовые диоды;

7 – монтажная плата А2 (силовая часть);

8– корпус.

Рисунок 2 – Второй вариант компоновки

Обозначения на рисунке 2 такие же, как на рисунке 1.

Вычислим объемы входящих элементов. Объем радиатора с двумя транзисторами:

V₁=25*160*85=340000 мм³.

Объем платы уже был вычислен: V₂=343002 мм³.

Объем кнопки SB1: V₃=3.14*15²*42.5=30040.5 мм³.

Объем светодиода: V₄=3.14*2.5²*19.7=386.8 мм³.

Объем выходного гнезда: V₅=3.14*5²*25=1963.4 мм³.

Объем силового диода: V₆=3.14*10.75²*44.3=16082.7 мм³.

Определим размеры монтажной платы. В качестве нее используем текстолитовую плату без металлизации толщиной 3 мм. Габаритные размеры должны быть достаточны для размещения трех радиаторов и 10 диодов. Длина платы: 160+3*25+10=240 мм. Ширина платы: 25*4+20=120 мм. Добавка в 10 мм нужна для размещения отверстий крепления и зазоров между элементами. Таким образом, объем монтажной платы составит: V₇=255*120*3=91800 мм³.

Первый вариант компоновки приведен на рисунке 1. Его габариты 255 х 145 х 100 мм. Второй вариант – на рисунке 2. Его габариты: 285 х 125 х 125 мм. При проведении расчета компоновочных параметров получили:

Объем блока:

V_Б1=255*145*100=3697500 мм³

V_Б2=285*125*100= 3562500 мм³

Объем, занимаемый аппаратурой:

V_АП=3*V₁+V₂+V₃+V₄+3*V₅+10*V₆+V₇=3*340000+343002+30040.5+ +386.8+3*1963.4+10*16082.7+91800=1651946,5 мм³. (46)

Коэффициент заполнения объема [7. стр. 4]:

К_зо1=V_АП/V_Б1*100%=44,7%. (47)

К_зо2=V_АП/V_Б2*100%=46,4%. (48)

Коэффициент заполнения объема для второго варианта больше, значит, при таком варианте объем используется эффективнее, т.е. по этому параметру второй вариант предпочтительнее.

Площадь наружной поверхности:

S₁=255*145*2+145*100*2+255*100*2=153950 мм². (49)

S₂=285*125*2+125*100*2+285*100*2=153250 мм². (50)

Приведенная площадь наружной поверхности [7. стр. 4]:

S_пр1=S₁/V_Б1=153950/3697500 = 0,04163 мм^-1; (51)

S_пр2=S₂/V_Б2= 153250/3562500 = 0,04301 мм ^-1 ; (52)

Коэффициент приведенных площадей [7. стр. 4]:

К_пр=S_пр/S_{пр. ш.}, (53)

где S_{пр. ш} - приведенная площадь шара:

(54)

где d – диаметр шара, мм.

Для первого варианта d₁= мм, а для второго d₂=327 мм. Тогда,

S_{пр. ш1} = 6/309,9 = 0,0194 мм^-1,

S_{пр. ш2} = 6/326,9= 0,0184 мм^-1,

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен:

К_{пр 1} = 0,04163 / 0,0194 = 2,1459;

К_{пр 2} = 0,04301 / 0,0184 = 2,3375;

Так как К_{пр 1}/ К_{пр 2} = 0.918 < 1, то первый вариант оптимальнее по площади наружной поверхности.

Второй вариант отличается более высоким коэффициентом заполнения объема, но он менее оптимален по площади наружной поверхности. Выбираем второй вариант, так как он более удобен для сборки, настройки и ремонта, а также печатная плата располагается дальше от основных источников тепла (радиаторы с транзисторами).

4.1.2 Выбор типа электрического монтажа. В разрабатываемой конструкции используется два типа монтажа: печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в функционально законченный узел – печатную плату. Печатная плата является двусторонней (ДПП), изготовлена из стеклотекстолита нагревостойкого высшего сорта толщиной 1,5 мм. Печатная плата изготавливается комбинированным позитивным способом. Для пайки применяется припой ПОС-61 и флюс по техническим требованиям УИТС.423141.123 СБ п.5. Объемный монтаж применяется для соединения друг с другом функционально законченных узлов схемы. Для соединений объемным монтажом используется провод МПО 0,5. Провода увязываются в жгуты при помощи ниток х/б глянцевых.

4.1.3 Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий. Трехфазный инвертор необходимо предохранять от пыли, воды и механических воздействий. Для защиты от пыли и воды применяется металлический корпус; для защиты платы от атмосферных воздействий – покрытие печатной платы лаком. Чтобы конструкция была жесткой и защищенной от механических воздействий, в качестве материала для корпуса используется сталь 10кп, которая обладает высокой пластичностью и вязкостью и имеет хорошую свариваемость. Данные по применяемым покрытиям внесены в таблицу 4.

Таблица 4 – Применяемые покрытия

Детали, сборочные единицы	Материал детали, сборочной единицы	Лакокрасочное покрытие
Корпус	Сталь Ст.10кп. ГОСТ 380-71	Эмаль ПФ-115.
Печатная плата ПП	Стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5.	Лак УР-231. Бесцветный

4.1.4 Расчет теплового режима. Тепловой режим блока характеризуется совокупностью температур отдельных его точек. Определим условную поверхность нагретой зоны S_З, м² для воздушного охлаждения:

= 2*(285*125+(285+125)*100*0,464)=109298 мм² (55)

где L₁, L₂, L₃ - геометрические размеры блока, мм;

K_З – коэффициент заполнения объема;

Определим удельную мощность нагретой зоны q_З, Вт/м², как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади. Для этого сначала определим мощность, рассеиваемую блоком. Так как КПД всего блока равен 90%, то 10% максимальной мощности прибора расходуется на тепловые потери:

Q=0.1*I*U=0.1*10*42=42 Вт. (56)

Вт/м²; (57) где Q – мощность, рассеиваемая блоком, Вт.

Определим температуру зоны.

Если устройство работает в неперегруженном режиме, тогда температура зоны не превышает (по техническому заданию) Т_З=70 ⁰С. Температура зоны не превышает максимального значения рабочей температуры элементов. Нормальная температура окружающей среды, при которой работает устройство Т_с=20 ⁰С. Тогда разность температур будет равна:

70-20= 50⁰С; (57)

По графику приближенного определения необходимого способа охлаждения прибора (рисунок 3) определяем, что прибор относится к зоне 2-2’, то есть прибору необходима естественная вентиляция.

Рисунок 3 - Номограмма приближенного определения необходимого способа охлаждения прибора

На рисунке 3 цифрами обозначены следующие зоны:

1, 2, 3 – для вертикального расположения блоков;

1’, 2’, 3’ - для горизонтального расположения блоков;

1-1’ - без вентиляции;

2-2’ - естественная вентиляция;

3-3’ - принудительная вентиляция.

При удельной мощности нагретой зоны 384 Вт прибору будет достаточна естественная вентиляция в диапазоне температур от -10 до +47 С. При повышении температуры может потребоваться принудительная вентиляция.