автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение надежности аппаратуры передачи информации по высоковольтным линиям электропередачи за счет обеспечения теплового режима электрорадиоэлементов

Г В ОД '

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТКАЧЕНКО Владимир

621.396.6

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АППАРАТУРЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЗА СЧЕТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.13.0^- Автоматизированные системы управления и

системы обработки информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса - [995

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре "Конструирование и проиюодсгвО*радиоаппаратуры" Одесского государственного политехнического университета. ——

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент . . ' • - : ЕриштоЙ ЙЖ _ Официальные отюнеш-ыЬ доетортелнических наук, профессор .'.../; Коноплсв И.Д., ;

хандвдаттехничееких наук, доцент ПрепелицаГ.ГГ г Ведущее предприяггие: Институт проблем критических технологи» и надежности радиоэлектроники при 1 Национальной академии наук Украины

Защита состоится "2^" А&наОря 1995 г. на заседании специализированного ученого совета Д 05.06.04 Одесского государственного политехнического университета по адресу:

270044, г. Одесса, пр. Шевченко, 1, ОГПУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского государственного политехнического университета по адресу: 270044, г. Одесса, пр. Шевченко, 1, ОГПУ.

Автореферат разослан " 21" нояЪря 1995 г.

Ученый секретарь А

специапизированного ученого совета « /\ |

кандлехн.наук, профессор ьР Ю.СЯмпольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из классов устройств, предназначенных для пере-чи информации по высокоаольтным линиям электропередачи, является ка-лообразующая аппаратура высокочастотной связи (ABC). В связи с широ* м применением в ней силовых полупроводниковых диодов и транзисторов, ляющихся одновременно основными, термочувствительными элементами, требляемая ими электрическая мощноел-в значительной степени преобт зуется в тепловую энергию, вследствие чего происходит рост рабочих тем-ратур, входящих в ABC элементов. Рост рабочих температур нышедо-сти.мых шаченнй и возникающие при этом пера репы приводя г к умень-:нию надежности отдельных электрорадиоэлементов (ЭРЭ). выходу из зоя соответствующих функциональных узлов н. »конечном иим.с. к огка-АВС в целом. Для устранения этого дестабилизирующего фактора, повы-ния надежности ABC и увеличения ее долговечности возникает псобходи-сть снижения общего уровня температур в ABC. В связи с ним при разра-гке ABC актуальной является задача обеспечения заданного теплового (симавходящих в нее ЭРЭ.

По требованиям условий эксплуатации a ABC допускается реализация 1ько естественного воздушного охлаждения ЭРЭ. В этой связи решение ьзанной задачи имеет важное значение не только для А ВС. но и для >лек-шной аппаратуры других автоматншрованных систем упргиыенмя и еи-м обработки информации, которая размещается вне помещении, вдали <п иных источников электроэнергии, холодо- и водоснабжения и функциони-1ание которой должно обеспечиваться пди отсутствии непрерывного и да-периодического технического обслуживания и контроля, г.е. к условиях, да не могут быть реализованы интенсивные методы охлаждения ЭРЭ.

Цель работы н задачи исследования. Целью настоящей рашны является повышение надежности ABC за счет обеспечения заданного теплового режима входящих в нее ЭРЭ. _

-Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие «ада-

чи: '

; I. Разработать, методику расчета температуры ЭРЭ в печатных, узлах и блокахАВС.; ;

2." Исследовать влияние размещения печатных узлов и блоков в сггативе ABC на температуру и расход воздуха и разработать рекомендации по их рациональному размещению с точки зрения повышения надежности.

3. Разработать тепловую и математическую модели радиаторов для ЭРЭ в ABC на основе трехмерной теплопроводности и решить задачу оптимизации геометрических характеристик радиаторов.

4. Провести экспериментальную проверку методики расчета температуры ЭРЭ в печатных узлах и блоках ABC и установит погрешность расчета.

Объект исследования. Аппаратура высокочастотной связи и другая аппаратура автоматизированных систем управления и систем обработки информации, размещаемая в несущих конструкциях третьего уровня с модульным принципом построения.

Методы исследований. В работе использованы методы электротепловой аналогии и численные методы решения краевых задач математической физики, элементы статистического анализа, а также экспериментальные методы исследования температурных полей в телах с внутренними источниками теплоты.

Научная новнзна. Научная новизна работы состоит в следующем:

I. Разработана тепловая и математическая модели многоблочны.х радиоэлектронных систем (РЭС)*с естественной вентиляцией, позволяющие проводить анализ и синтез конструкций ABC с точки зрения создания заданных температурных условий их работы.

2. Впервые для miип оом>чш,!\ РЭС с естественным воздушным охлаждением установлена аналитическая нншеимоегь. определяющая расход воздуха в зависимости от рассеиваемом мощности и топологии ЭРЭ в РЭС.

3. Предложена методика размещения блоко« и печатных > ¡лов » ABC. основанная на учете влияния температуры на надежность ЭРЭ.

— 4. Разработана тепловая и математическая модели радиаторов для ЭРЭ в ABC, позволяющие оптимизировать их конструкции в условиях естественного воздушного охлаждения.

Практическая ценность.

1. Разработана методика расчета теплового режима ABC. Для удобства пользователя методика реализована в виде комплекса программных средств для ЭВМ типа IBM РС.

2. Разработаны рекомендации по размещению печатных узлов и блоков в ABC с точки зрения повышения надежности ЭРЭ.

3. Разработаны рекомендации по оптимальному конструированию радиаторов для ЭРЭ в ABC.

Реализация результатов работы. Результаты работы в виде законченных программ используются при выполнении разработок шкафов ABC в СКВ "Молния". Программы переданы на родственные предприятия России для использования в аналогичных целях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на кафедре "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Одесского Государственного политехнического университета, на научной конференции профессорско-преподапагельского состава ОГПУ в ноябре 1994 г.

Публикации. По результатам исследований, выполненных в процессе работы над диссертацией, опубликованы две печатные работы и одна работа депонирована.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 64 наименований, содер-

ü

жит 161 страницу основного текста, иллюстрированного 17 рисунками, и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель л задачи исследования, изложены основные научные н практические результаты работы, выносимые на защиту.-----

В первой главе рассмотрено современное положение в конструировании ABC. Проведен анализ характерных особенностей конструкций ABC. Рассмотрено состояние вопроса по расчету и обеспечению теплового режима конструкций, в которых используется модульный принцип построения и естественное воздушное охлаждение. Проанализированы две группы методик расчета тепловых режимов. К первойтруппе относятся методики, полученные ■экспериментальным путем, ко второй - аналитическим. Существующие методики не позволяют в полной мере анализировать тепловой режим кок. струкций ABC и на их основе принимать решения, обеспечивающие необходимую надежность при ее конструировании. Основной причиной этого является то, чтв расход воздуха в естественно вентилируемой аппаратуре определяется достаточно грубо.

Рассмотрены вопросы, связанные с размещением печатных узлов «блоков, при котором обеспечивается максимальная надежность ЭРЭ. Эта задача вызвана тем, что различные ЭРЭ по-разному изменяют свои показатели надежности от температуры. Тот факт, что в ABC присутствуют узлы и блоки, существенно отличающиеся между собой по теплонапряженности, способствует актуальности решения этой задачи. Отмечено, что подобная задача решена только для принудительно охлаждаемой РЭА.

При проектировании ABC возникает необходимость в выборе типа и оптимизации конструкции радиаторов.чаше всего составляющих переднюю и шдшою панели блоков ABC. для условии естественного воздушного охлаждения. Проведенный алалнз методик оптимизации радиаторов показал, чп> решение задачи оптимизации геометрических характеристик радиаторов осуществляется на основе совместного анализа процессов теплопередачи на поверхности ребер и теплопроводности в ребрах. При ггом рассматривается одномерная или в лучшем случае двумерна я теплопроводность.

Если для радиаторов с равномерный распределением теплового потока по основанию применение одномерных и-двумерных моделей можно счиг гать обоснованным, а полученные результаты удовлетворительными, го для радиаторов, предназначенных для охлаждения мошныч локальных полупроводниковых приборов, что характерно для ABC. но ииляек'и серьезным допущением.

На основании вышеизложенного обоснованы п сформу.зирчвипы ие.п, работы и задачи исследования.

Во »горой главе разработана тепловая модель ЛВС и се мак-магическое описание, создана методика определения расхода тндч.чл в естественно охлаждаемой ABC и разработана методика анализа теплового режима такой аппаратуры.

Выполненная схематизация тепло-аэродинамических процессов в ABC позволила представить тепловую модель в виде схемы соединения тепловых' сопротивлении. Схема состоит из узлов, соответствующих изотермическим поверхностям ЭРЭ. участков корпуса стати ва ABC, печатных уз. и ж и блоков.

к

радиаторам, объемам воздуха, протекающим через нагретую ¡ону. ABC. и окружающей среде (рис. I)•

Узловые точки схемы соединены между собой солротпклеппямп. cooi-ветствуюшими реальным тепловым сопротивлениям между отдельными

конструктивными злементамн ABC. а также между последними и boi.iwom

i

внутри и снаружи ABC. Источники теплоты, действующие и \В'". к icn.it>

вой модели представлены в виде генераторов тока, включенных в те узловые точки, которые характеризуют теплорассеивающие ЭРЭ. Производительность каждого генератора тока равна мощности соответствующего нсточника.телч»

ч.и

ш

-■'С-

оi

N

г

ti lm

.»и

-чЬ-^MZD—r—О-

-QÜJ-

а»>

Úhe.

О*

Ас

чЬ-

|- I»»

Рис. 1. Схема соединения тепловых сопротивлений в ABC

Аккумуляция тепловой энергии воздухом, протекающим через ABC, отражена нелинейными стоками. Они включены в те узловые точки, потенциалы которых равны температурам воздуха на выходе из каналов ABC. Производительность каждого стока определяется расходом охлаждающего воздуха

и каналах ABC. Расход воздуха определяете» из расоин рения уравнений геп-зоперелачи и баланса механической энергии потоков воздуха н ABC. Получены уравнения. полностью определяющнетепло-а »родииампчеекпе пара- '

метры ABC с естественной вентиляцией. Эти уравнения имеют вид: - Hi =g h¡ Woe)-

352,989 . tBblxi+273

tBK,i +273

i=l

н ¡ - нrp + нor ;

5,92 3.087 8,301-10 ] p -V, Kn + K^ Kl ) 2 •

H =9,5-10"4-dr1-75-Vj +-0,3 5-círae"-fi' ■ V,2;

(i)

(2)

(3)

(4)

(5)

Qi =C-(tBX,i).p(tBXi¡)-G(teblx.i -t8xi) + k¡ - Fj •

toej-

(6)

Анализ этих уравнений показывает, что получить из них в явном виде равнение для расчета расхода воздуха не представляется возможным. В mní вязи разработан алгоритм расчета расхода воздуха численным методом, снованном на методе половинного деления. Указанный алгоритм реалнзо-ан в виде программы на языке PASCAL.

Математическая модель, описывающая тепловую моде:», ABC. пред-тавлена системой уравнений

t i-1 1ВЫ\.1 Ml*

г

-— ■(----+ —-

R¡j Rí-ь R¡-»

i..

b, выл ~"

_ Rj-b

j-b Rj-k

Rb-c Rb-c' Rb

tc +

Rk-b

R¡ -b

t Rb-c + Rb |

Rb-cRb Ríe-

tic

R

4___b. вых

k-b

k-c "

Rfc-

k-b

(7)

R¡-k Rk_c R^t Приведенная. система уравнений с использованием представленных в диссертации расчетных соотношений для определения входящих ,в нее тепловых сопротивлений позволяет определить температуру любого тепло-рассеивающего ЭРЭ в печатных узлах и блоках ABC с учетом как собственной мощности рассеяния, так и теплового взаимодействия с окружающими теплорассёйвающими ЭРЭ.

Решение этой системы уравнений реализовано в виде программ на языке PASCAL. Описание всех разработанных программ и их содержание приведены в прйложениях к диссертации.

В третьей главе приведен анализ влияния размещения печатных узлов и блоков на надежность ABC и сформулированы рекомендации по размещению печатных узлов и блоков в корпусе статива ABC.

Надежность РЭС зависит от большого числа факторов. важнейшим ич огорых является температура ЭРЭ. Опенка нлияпия 1смпературы на на-;ежность РЭС может быть иыполнена по следующей приближенной форму-

е: ------------....

X¡=A\i0expb[(t,c-tlc0)+Rrd(Plc-P3o)]- (8)

В состав РЭС^входят различные ЭРЭ, причем их' Надежное гьпо-азному зависитот температуры.

Для естественно охлаждаемых РЭС одним из основных методов повышена надежности за счет рационального обеспечения тепловых режимов ЭРЭ зляется соответствующее размещение печатных узлов п блоков па_высоте [кафа в зависимости от отношения мощности печатного vзла или блока к о коэффициенту надежности.

Эта задача решалась путем моделирования влияния размещения по кастам ABC блоков и печатных узлов с различной мощностью рассеяния на ¡мпературу и расход воздуха в условиях естественной вентиляции. Моде-зрование проводилось на ЭВМ с помощью разработанных программ по 1счету теплового режима ABC.

Влияние размещения блоков и печатных узлов и шкафу имитировалось □личным распределением мощности рассеяния по кассетам. ГТри этом ис-едовались два крайних варианта размещения:

по убыванию мощности рассеяния блоков и печатных узлов по высоте • кафа в направлении движения воздуха к наоборот - по возрастанию. Кроме ого исследовано влияние коэффициента нагрузки блоков и печатных узлов расход воздуха в шкафу при различном распределении мощности рассея-я по кассетам.

Анализ результатов моделирования (í проведенные исследования позво-ли сформулировать следующие рекомендации по размещению печатных юв и блоков в ABC, направленных на повышение их надежности:

а

I. Если максимальный коэффициент нагрузки печатных узлов и блоков не превышает 1,4, последние по высоте шкафа следует располагать в порядке возрастания отношения их мощности рассеяния к коэффициенту надежности.

---- . 2; Если максимальный коэффициент нагрузки печати ых узлов и блоков

превышает 1,4, то лучшим вариантом их размещения с точки зрения повы-: шенна- надежности является такой, когда мощность рассеяния по высоте

3. Если по схемотехническим, конструкторско-технологическим или иным причинам реализация сформулированных выше рекомендаций являет-сяг затруднительной, задачу оптимального с точки зрения надежности pacncF-ложения блоков и печатных узлов в конкретной конструкции шкафа ABC следует решать методом перебора с использованием разработанной в диссертации методики расчета теплового режима ABC.

В четвертой главе разработана методика оптимизации конструкции радиаторов для обеспечения теплового режима ЭРЭ в ABC на основе рассмотрения трехмерного дифференциального уравнения теплопроводности в радиаторе. При создании методики было принято, что длина радиатора L, его ширина В и высота h являются заданными, т.к. они определяют габариты радиатора и выбираются из соображений компоновки. В связи с этим задача оптимизации конструкции радиатора решалась в следующей постановке: для заданных длины и ширины радиатора, высоты ребра и удельной мощности рассеяния ЭРЭ определить такие значения толщины ребра S и межреберного расстояния Ь, при которых температура ЭРЭ будет минимальной. В кзчестве тепловой модели радиатора использовался неоднородный параллелепипед. Такая модель представляет собой многосоставное тело, состоящее из идеально контактирующих между собой однородных изотропных параллелепипедов. Для формализации процессов теплопередачи в указанной тепловой модели разработана математическая .модель стационарного теплового режима радиатора. С учетом сделанных допущений математическая модель

едсгавлена трехмерным линейным;;дифференциальным, уравнением теп-проводности в ку со ч Н о'Ч>д нор одно й изотропной среде

V

а3?"'а2т а2г

--I--н--

дх2 ду2 дгг>

Р|. —

<2,4 =—г,, в парадледепипедах-источниках теплоты, Р V] = 0, в остальных параллелепипедах;

эаничнь[мч_условиямн 3-го и 4-го рода

Я(х,у,г)|5 =а(х,у,г,) (Т- Тс);

2) (10) (х, у,г) - Т; (х, у, г).

Для решения приведенного уравнения использован универсальный чис-[ный метод - метод конечных элементов. В >том случае осуществляется 'еход от дифференциальных уравнений к линейным алгебраическим по эмулам:

кй= А,-—--+ —--!- + —---1 (IV + )

* 1 {дх дх ду ду дг дг)~ ¿п *

г/° = |ду МГ(1У+ ^-N¡-<18 + (12)

\Д|) 5((> 5<11

В качестве конечных элементов использованы параллелепипеды с линой аппроксимацией температуры в пределах элемента.

Кроме соответствия тепловой модели по форме, такие конечные эле-ты позволяют значительно сократить требуемые машинные ресурсы за г резкого упрощения процедуры интегрирования по поверхности и объ-элемента.

Решение задачи оптимизации конструкции радиатора было проведет» в следующих допустимых для ABC диапазонах значении исходных данных: 40 S L < 200 мм; 3 < h < 20 мм; 20 £ Atmj(, < 60 °С.

На рис.2 в качестве примера представлена одна из полученных в работе графических зависимостей, которая позволяет определить оптимальные зна-четиекзлщиыы ребра радиатора 6оп и межреберного рассшяыия_Ь 0 п дая каждого сочетания характерных для ABC параметров радиатора L, Ь и

I.l.J - Гет'Зм«; •О.Ч.Ч- 9>«г = 4м,

Рис. 2. Зависимость b 0 „ =f(L, At, 8оп )

IS

Анализ mix зависимостей показал, что величина оптимальной тл-iiiiiit.i ребра лежит а ни гериале 1...4мм,а межреберного расстояния 5... 17 мм. Величина оптимального межреберного расстояния убывает с ростом átllull i увеличивается с увеличением длины радиатора. При постоянной длине >адиатора и высоте ребра требуемое значение Atmin можнадзбеспенить раз-[ичнымсочетанием 6оп н b„n .Принтом с уменьшением Ьоп также 'меньшается 60п . В работе проведено сравнение полученных, результатов с [звесгными решениями, в которых используется одно пли двумерное диффе->енциальное уравнение теплопроводности.

Сформулированы условия, когда использование трехмерного дифференциального уравнения является обязательным.

В пятой главе представлены ре$ультаты экспериментальных исследова-шй, проведенных с целью оценки погрешности методики расчета теплового 1ежима ABC, оценки правомерности принятых в методике допущении и под-верждения рекомендаций по размещению печатных узлов и блоков в ABC, юлученных в результате моделирования теплового режима ABC на ЭВМ.

В качестве объекта исследования была выбрана реальная аппаратура ruta АВСЗ.

Для оценки погрешности методики теплового расчета аппаратура АВСЗ ^пользовалась в штатном режиме, когда мощности рассеяния ЭРЭ соотвег-твовали карте электрических режимов.

Подтверждение рекомендаций по рациональному размещению печат-ых узлов и блоков требует изменения их. топологии в шкафу или изменении Ю1ЦН0СТИ рассеяния отдельных блоком, что в реальной аппаратуре не пред-гавляется возможным. В этой связи хзя реализации различной топологии аспределення мощности и шкафу использовались тепловые имитагорь» мо-улей.

В результате сравнения расчетных и эксперимсшальпых данных установлено, что максимальная погрешность методики lemionoro расчета ABC не превышает 20"», а рекомендации по рациональному размещению блоков и печатных узлов полностью подтвердились. Сделан вывод о гом. что разработанная методика удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными и может использоваться при. конструировании ABC.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены тепловая и математичесюпгмодели многоблочных РЭС с естественным воздушным охлаждением, отличительной особенностью которых является учет изменения расхода и температуры воздуха по высоте РЭС в зависимости от мощности рассеяния ЭРЭ.

2. На основе предложенных моделей разработана методика и программа расчета на ЭВМ теплового режима ABC, позволяющая определить температуру ЭРЭ в зависимости о г конструктивных параметров ABC.

3. Впервые для многоблочных РЭС с естественным воздушным охлаждением предложены зависимости, позволяющие учесть влиянием на температуру и расход воздуха в ABC размещения и расположения отдельных печатных узлов и блоков. На основе анализа полученных результатов разработаны рекомендации по рациональному с точки зрения повышения надежности размещению печатных узлов и блоков в ABC.

4. Разработаны тепловая и математическая модели радиаторов для ЭРЭ в ЛВС. отличительной особенностью которых является учет трехмерных температурных полей в конструкции радиаторов.

5. На основе предложенных моделей применительно к ABC разработана методика и программа расчета на ЭВМ температуры ЭРЭ, установленных на радиаторах, а также решена задача оптимизации конструктивных параметров радиаторов a ABC с естественным воздушным охлаждением. Приведены графические зависимости, позволяющие определить опгнмаль-

г ¡качения толщины ребра и мЬ&^бфнмго расстояния л ребристых радиа-

в. Результаты пропслскных исследований нспольтогся на ряде пред-ятий отрасли при проектировании ABC и аналогичных мноюб.шчнмч; Г с естественным воздушным охлаждением.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях;

1. Ткаченко В.Б. Расчет тепловых режимов естественно вентилируемых 1фов аппаратуры высокочастотной связи // Вопросы радиоэлектроники. I. ТРТО. - 1995. - Вып. 1-2. - -

2. Ткаченко В.Б. Влияние размещения многоблочмой FOA с естесгвен-i вентиляцией на ее надежность II Вопросы радио иск тропики. Сер. ГО. - (995,- Вып. 1-2.

3. Разработка методики расчета температуры ')РЭ » печатных узлах и >ках аппаратуры высокочастотной свяиг / Ткаченко В.Б.; :с.тос. поли техн. ун-т. -Одесса. 1995. - 21 е.: ил. - I: Библиогр.: 12 назв. -. - Деп. в ГНТБ Украины N [462 - Ук95.

Пог.иип'.ю к пе^чти 2.11.93г. Обьегс 1,05 печатных л.катов Формат iO.ss'^/ló. Зэк. 159. Тираж 120_^

i ' : . :г ;эго •.:-í"íícntyi(".,Jns ¡r.mwv/r'íHUOP, l3

/