Всем доброго времени суток! В прошлых статьях я рассказывал о потерях мощности в дросселе (Часть 1 и Часть 2) и о параметрах, влияющих на величину данных потерь. Как известно энергия не возникает из ничего и ни куда не пропадает, а переходит из одного вида в другой. В дросселях, часть электрической энергии, которую называют потерями мощности, практически вся переходит в тепловую энергию, то есть дроссель попросту нагревается до некоторой температуры, называемой рабочей температурой дросселя. В данной статье я расскажу, как определить до какой температуры может нагреваться дроссель во время своей работы и какие параметры влияют на нагрев дросселя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Особенности нагрева дросселей

Нагрев дросселя – очень важный параметр, определяющий допустимую нагрузку дросселя, и, в конечном итоге, срок его службы. Величина нагрева и перегрева зависит от множества факторов: частоты напряжения и тока, их вида, качества материалов сердечника и обмотки, величины потерь в них, температуры окружающей среды, устройства дросселя. Максимальное значение нагрева дросселя зависит в первую очередь от материала изоляции обмоточного провода и, как правило, составляет 105 – 130 °С.

Нагрев дросселя происходит, как известно, в результате потери мощностей в сердечнике и обмотке. По мере роста его температуры дросселя по сравнению с температурой окружающей среды начинается процесс отдачи тепла в окружающую среду. Это происходит под действием превышения температур, или перегрева ∆Т

где Т_Д – температура поверхности дросселя,

Т_ОКР – температура окружающей среды.

Чем больше перегрев, тем больше тепла отводится в окружающую среду и тем меньше тепла расходуется на увеличение температуры дросселя. При длительной непрерывной работе дросселя, наступает момент, когда все выделяемое дросселем тепло отводится в окружающую среду, а рост температуры дросселя прекращается, и наступает тепловое равновесие, когда температура дросселя остается неизменной.

Температура дросселя, до которой он нагрелся при тепловом равновесии, называется установившейся температурой. Температурой перегрева (перегревом) дросселя называется разность между установившейся температурой дросселя и температурой окружающей среды.

Основными факторами, влияющими на теплоотдачу дросселя, является коэффициент теплоотдачи, величина и состояние поверхности охлаждения. Коэффициент теплоотдачи α показывает, какое количество теплоты передается с единицы поверхности дросселя при разности температур между поверхностью дросселя и окружающей средой в 1 °С. В качестве поверхности охлаждения понимают наружную поверхность открытых частей сердечника и обмотки дросселя, при этом эффективность охлаждения поверхностей обращённых внутрь дросселя меньше, чем поверхности дросселя обращённые наружу.

Температуру перегрева можно определить из следующего выражения

где ∆Р₁ – мощность потерь в обмотке,

∆Р₂ – мощность потерь в сердечнике,

S_О – площадь поверхности охлаждения открытой части обмотки дросселя,

S_С – площадь поверхности охлаждения открытой части сердечника дросселя,

α – коэффициент теплопередачи.

В прошлой статье я написал, что значение коэффициента теплоотдачи лежит в пределах от 0,9*10^-3 до 2*10^-3 Вт/(°С см²), а усреднённое значение для естественного охлаждения составляет α = 1,2*10^-3 Вт/(°С см²). Однако данное значение весьма условно и дает значительную погрешность в различных условиях. Поэтому рассмотрим более подробно, как определить значение коэффициента теплоотдачи.

Как рассчитать коэффициент теплоотдачи?

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от нескольких факторов и обуславливается следующими физическими процессами: конвекцией, излучением и теплопроводностью. Влияние теплопроводности для охлаждения дросселя довольно незначительно, поэтому данным процессом можно пренебречь.

Величину коэффициента теплоотдачи α можно представить как сумму коэффициентов теплоотдачи излучением α_л и теплоотдачи конвекцией α_кв

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_кв имеет более сложную зависимость от большого числа параметров (около десяти параметров), существенно влияющих на процесс теплообмена. Однако, многочисленные исследования привели к выводу, что решающее значение на процесс конвекции имеют физические свойства среды и перегрев дросселя. Конфигурация обмоток и сердечника имеет меньшее влияние, что позволяет представить коэффициент теплопередачи в единообразной форме для тел различной конфигурации. В случае дросселя коэффициент теплоотдачи конвекцией α_кв будет определяться следующим выражением

где А – коэффициент физических параметров среды, который будет приведён ниже,

∆T – перегрев дросселя, °С,

h – размер, характеризующий высоту дросселя, м.

Коэффициент физических параметров среды А имеет зависимость от температуры (Т_ОКР + ∆Т/2) и представлен в таблице ниже

ТОКР + ∆Т/2	10	20	30	40	60	80	100	120	140
А	1,4	1,38	1,36	1,34	1,31	1,29	1,27	1,26	1,25

Коэффициент теплоотдачи излучением α_л зависит от температуры дросселя и окружающей среды, степени их черноты и коэффициента облучённости

где ψ_ч – степень черноты излучающей поверхности (дросселя), для упрощения можно принять ψ_ч = 0,9.

С₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела, С₀ = 5,67*10^-8 Вт/(м²*°С),

∆T – перегрев дросселя, °С,

Т_Д – температура поверхности дросселя, °С,

Т_ОКР – температура окружающей среды, °С.

Как определить площади охлаждения дросселя?

Первым рассмотрим простейший дроссель, выполненный на стержневом круглом сердечнике

Дроссель на стержневом сердечнике круглого сечения.

В данном типе дросселя можно выделить следующие геометрические размеры: длина сердечника L, диаметр сердечника D, длина обмотки дросселя l_об, толщина намотки дросселя р. Длина и диаметр сердечника являются стандартизированными, а в конструктивные параметры обмотки определяются при конструировании и эскизном проектировании.

С учетом данных обозначений площадь охлаждения открытой части обмотки дросселя S_О и открытой части сердечника S_С составит:

Кроме дросселей на стержневых сердечниках круглого сечения, иногда встречаются дроссели со стержневым сердечником прямоугольного сечения

Дроссель на стержневом сердечнике прямоугольного сечения.

Дроссель с таким типом сердечника характеризуется следующими геометрическими размерами: длина сердечника L, ширина сердечника B, высота сердечника S, длина обмотки l_об, толщина намотки дросселя р.

С учётом данных обозначений определим площади охлаждения открытых частей обмотки S_O и сердечника S_C.

Дроссели с тороидальными сердечниками отличаются от всех остальных тем, что его охлаждение происходит только через обмотку, так как сердечник полностью ею закрыт.

Дроссель на тороидальном сердечнике прямоугольного сечения.

Поэтому при тепловом расчёте находят площадь охлаждения только обмотки, которая характеризуется следующими геометрическими размерами: внешним диаметром D, внутренним диаметром d и высотой h дросселя. С учетом данных обозначений площадь охлаждения дросселя определяется следующим выражением

В данном выражении внутренняя поверхность тороида не учитывается, так как через неё тепло практически не переходит в окружающую среду, а передается лишь противоположной стороне. Также следует понимать, что внешний диаметр D дросселя представляет собой сумму внешнего диаметра сердечника и удвоенную толщину намотки дросселя.

Определим площадь охлаждения дросселей с Ш-образными сердечниками, которые имеют следующий вид

Дроссель на Ш-образном (броневом) сердечнике.

Такие типы дросселей охлаждаются как через открытую поверхность обмотки, так и открытую поверхность сердечника. Данный дроссель можно оценить с помощью следующих размерных характеристик: высота сердечника Н, ширина сердечника L, толщина сердечника B, ширина центрального стержня l₀, ширина боковых стержней равна половине ширины центрального стержня l₀/2, ширина окна сердечника l, высота окна сердечника h и толщина намотки обмотки p. С учётом этих обозначений определим площади охлаждения дросселя: площадь охлаждения обмотки S_O и сердечника S_C.

Выше я привел выражения для дросселей, выполненных на наиболее распространённых типа сердечников. В общем случае для нахождения площадей охлаждения дросселей на более сложных типах сердечника необходимо разделить общую площадь на простейшие геометрические фигуры: круги, прямоугольники и треугольники, а затем суммировать их площади.

Как уменьшить температуру дросселя?

Для любого типа дросселя, независимо от его назначения, при проектировании и изготовлении необходимо обеспечить максимально благоприятный режим теплоотдачи. Для этого соблюдают некоторые условия, которые в целом сводятся к увеличению коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности, а также к увеличению охлаждающей поверхности.

Наиболее простые меры, заключаются в устранении любых неплотностей и воздушных прослоек в обмотке дросселя, которые уменьшают коэффициент теплопроводности внутри катушки. Кроме того необходимо обратить внимание на толщину зазора между каркасом обмотки и сердечником, которые необходимо сводить до минимума.

Ещё одной мерой является увеличение степени черноты поверхности охлаждения. Данному фактору способствует шероховатость поверхности и окраска поверхности красками с высокой степенью черноты. Причем степень черноты не соответствует цветовому оттенку, а более важна матовость и «шершавость» покрытия. При этом полированная поверхность, покрытая чёрным блестящим нитролаком, имеет меньшую степень черноты, чем у шероховатой поверхности, покрытой матовой светлой краской. Правильное использование данного фактора позволяет на 10 — 15 % повысить коэффициент теплоотдачи.

Основным же фактором, влияющим на нагрев дросселя, является правильный выбор режима работы дросселя и соотношение между потерями в сердечнике и потерями в обмотке дросселя.

К конструктивным мерам снижения температуры дросселя можно отнести следующие факторы: толщина каркаса обмотки дросселя, толщина межслоевой изоляции и толщина изоляции провода. Чем больше эти величины, тем ниже теплопроводность обмотки, и, следовательно, теплоотдача. Поэтому излишняя изоляция не только не полезна, но и вредна. Таким образом, толщины данных изоляций должны согласовываться с нормами электрической прочности. И при прочих равных условиях необходимо применять высококачественную, но менее толстую изоляцию.

Значительную роль играет пропитка обмотки и дросселя в целом. Она помогает вытеснить воздух из конструкции и изоляционных материалов и тем самым в 1,5 – 2 раза повышает коэффициент теплопроводности. Наиболее эффективна вакуумная пропитка компаундами в сборе при хорошем заполнении всех пор и зазоров.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_кв имеет более существенное значение в естественных условиях (при нормальном давлении, влажности и т.д.), поэтому условия эксплуатации играют значительную роль. Чтобы обеспечить нормальную конвекцию, необходимо при размещении дросселя в приборе следить, чтобы со всех сторон от него выдерживать свободные расстояния шириной до 20 мм для больших дросселей.

Имеет значение и расположение дросселя относительно других частей аппарата. Так желательно, чтобы вертикальный размер был наименьшим из габаритных размеров дросселя. Везде, где можно, необходимо избегать помещения дросселей в экраны, так как это повышает на 50 – 60 % перегрев, по сравнению со свободной установкой.

Как я уже говорил в предыдущей статье, существенным эффектом для охлаждения дросселей является их принудительный внешний обдув. В результате этого увеличивается конвективный коэффициент теплоотдачи

где α – коэффициент теплоотдачи без обдува,

v – скорость движения охлаждающего воздуха.