Stjórnun 'hitaminnkunar' í hávirkisumbeðum: Greining á áhrifum loftstraumsáreksturs í skápum.

Kynning á hitáreitn í rafmagnstæknilegum tæknigreinum

Í heimi B2B rafmagnstæknilegrar verkfræði er hiti stærsta þreatan fyrir áreiðanleika, árangur og líftíma rafmagnstæknilegra tæknigreina. Hávirkir sniðmátaflæðar, sem umbreyta jafnstraum (DC) frá bátarhólfum eða PV-röðum í háspennu vissbreyttan straum (AC), eru fullir af háhraða skiptihalsskjölum, smávélum og koparvindum. Þegar þessi hlutir eru í notkun mynda þeir mikla magn ónotalegs hits.

Til að vernda innri rafmagnshlutdeildir sínar gegn varmaáhrifum sem valda óafturkallanlegum skemmdum nota nútíma háveldisumbreytari öryggisviðmót sem kallað er „varmaafsláttur“. Þegar innri hitastig umbreytara fer yfir ákveðin mikilvægt mark, minnkar tækið sjálfkrafa hámarks AC aflframleiðslu sína. Þó svo að þetta koma í veg fyrir skaða á vélbúnaði getur það valdið alvarlegum truflanum í iðnaðsfyrirtækjum og leitt til óvartara vélarstöðvunar eða tapa á sólorkuprodukti.

Þessi grein býður upp á tæknilega greiningu á varmaafslátt og greinir áhrif loftstraumsverkja í rafmagnsskápum og innhylkingum.

Spurning: Hvað er „varmaafsláttur“ í háveldisumbreytum og hvernig áhrifar loftstraumsverkja inn í rafmagnsskápum á afkvæmi?

Hitniskreppa er verndarstýringarferli þar sem mikroforritið í breytistöðinni minnkar sjálfkrafa hámarks AC úttakshleppi til að koma í veg fyrir að innri aflrafsþátta (t.d. IGBT og MOSFET) hennar farist yfir örugga hnitshitastig. Þegar loftflæði er hindruð inni í rafvirkjaskápum hröðvar þetta ferli með því að koma í veg fyrir hitafjarlægingu, sem leidir til staðbundinnar hitasafnunar, fljóts hækkunar á umhverfis-hitastigi skápsins og óþarflegar hitniskreppu breytistöðvarinnar. Til að leysa þetta verða kerfisbyggjar að reikna hitabelastu innihalds skápsins, velja stærð á virkum útloftunarfans, og setja upp hreinar loftflæðisleiðir með því að beita framsæktra hitastjórnunarprinsippum JYINS.

Eðlisfræði hitageneraðar og raftættahnit

Til að skilja hitaminnkun þurfum við að skoða hitaproduktið innan rísilíkans hálfleiðara í inverternum. Þegar inverterinn umbreytir afl er hann útsettur fyrir innri tap. Þessi tap samanstanda aðallega af leiðnitapti (sem kemur vegna innri viðnám MOSFET- eða IGBT-tækniborða) og skiptitapti (sem á sér stað þegar rásirnar skipta á og frá þúsund sinnum á sekúndu).

Þessi rafmagnstap eru beint umbreytt í hita. Þessi hiti hækkar hitastig innri rísilíkans í hálfleiðaranum, sem kallað er juncture-hita (Tj). Fyrir iðjuþjóðlega rísilíkans hálfleiðara er hámarks örugga juncture-hita venjulega á bilinu 125–150 gráður Celsius.

Ef hnitspunktshitan fer yfir þessa eðlisfræðilegu markvörðu mun silíkónan fara í hitaóvinnu, sem leiðir til áhrifamikillar eðlisfræðilegrar niðurbrots á rafrausinum. Til að koma í veg fyrir þetta skoða innri skynjarinnar í breytistýrinu samfellt hitastöðuna (Th) og reikna raunhita hnitspunktsins.

Þegar hitastöðuhitan fer yfir forstillt viðmið (venjulega umkring 45°C til 55°C eftir gerðinni) hefur stýrikerfið í breytistýrinu hitaminnkun í gang. Ítarvélminn minnkar tímaþátt skiptitíðaldarinnar, sem lækkar hámarks jafntækjaútgangsrásina. Fyrir hvert gráðustig hærra en viðmiðið lækkar hámarks útgangsafköst breytistýrins línulega (t.d. minnkun um 2% af staðlaðri getu fyrir hvert gráðustig Celsius).

Áhrif loftflæðis í skápnum

Í iðjuumhverfi eru rafmagnsafbrigðuvarar með háa aflþættu næstum ávallt settir inn í verndarþéttar metallkassar eða stjórnunarstöðvar til að vernda þá gegn afurðum, raki og óheimilu aðgangi. Þegar hins vegar afbrigðuvari er settur inn í kassa myndast mikilóð. Án réttrar hitamálsgerðar virkar kassinn sem ofn.

Hindrun á loftflæði innan kassans er helsta ástæðan fyrir óþarfa hitaminnkun. Hindrunin kemur fram á nokkrum vegu:

• Ójafnvægt útgangsrás- og inngangsrásstærð: Til að heitt loft geti yfirgefið kassa þarf kalt loft að komast inn. Ef kassi hefur útgangsfanu með háa CMF (cubic feet per minute) en inngangsgætur eru smáar eða verða blokkadar, mun fanan þurfa að vinna gegn staðbundinni þrýstingi, sem leiddi til mikillar minnkunar á raunverulegri loftflæði.
• Tiltekinn rökkurfiltrar: Iðnaðarverkstæði eru full af loftberum þáttum, metallrökk og flís. Með tímanum safnast þessir þættir saman á inntaksrýmdarfiltrum. Tiltekin filtrar geta takmarkað loftstrauminn upp í 80–90%, sem veldur því að innri hitastig rýmdarinnar hækki hratt innan mínútna við háa álagshamarkun á breytistöðinni.
• Óviðeigandi staðsetning hluta: Hitinn fer upp. Ef breytistöðin er fysisklega fest nálægt öðrum hitagjafendum (t.d. rafhladurum, línuhringjum eða aflvandlum) innan rýmdarinnar mun hún draga inn fyrirhituð loft, sem minnkar hitafjarlægishæfni hitasprettunnar. Auk þess, ef ekki er nægileg frírúm kringum inntaks- og útflæðisopnun breytistöðvarinnar (sem venjulega krefst að minnsta kosti 150 mm frírs rúms), mun loftið endurumbreyta sér staðbundin og mynda hitupokar.

Reikningur á hituálagi og loftskiptum í rýmdinni

Til að koma í veg fyrir hitaminnkun (thermal derating) verða kerfisheilar að reikna nauðsynlega loftflæðishraðann (CFM) til að losa hitann sem umvandlariinn framleiðir. Nauðsynlega formúlan er:

CFM = (3,16 × P_loss) ÷ delta_T

Hvar:

• P_loss er hitafrelsingarhraði (óþarfi hiti) allra hluta inni í skápnum, mældur í vöttum. Þetta er reiknað út frá umbreytistöðu umvandlarans. Fyrir 10 kW umvandlara sem starfar við 93% árangur er hitatap 7% af 10 kW, sem jafngildir 700 vöttum.
• delta_T er leyfileg hitahækkun inni í skápnum miðað við ytri umhverfishitastig, mæld í föhrheitsgráðum (T_inside - T_outside).

Til dæmis, ef hámarks ytri umhverfishitastigið er 95 föhrheitsgráður (35 celsiusgráður) og við viljum takmarka hitastigið inni í skápnum við 113 föhrheitsgráður (45 celsiusgráður) til að koma í veg fyrir hitaminnkun, þá er leyfileg hitahækkun (delta_T):

113 - 95 = 18 föhrheitsgráður.

Með því að nota formúluna er nauðsynlegur loftflæðishraði:

CFM = (3,16 × 700 vatt) ÷ 18 = 122,8 CFM.

Til að tryggja áreiðanlega virkni undir raunverulegum skilyrðum ættu verkfræðingar að velja loftútpumpu með minnst 150 CFM til að taka tillit til takmarkana sem dustsíur og staðbundin þrýstiföll valda.

Verkfræðivegleiðar fyrir hitastjórn í skápunum

Til að leysa vandamál tengd hitaminnkun ættu kerfishegðunaraðilar að innleiða eftirfarandi verkfræðibestu venjur:

• 1. Halda óskertum rúmlegum bilum: Setja umbreytaran í neðri, köldri hluta skápans. Tryggja að vera að minnsta kosti 150–300 mm af óskertum rúmi allt um kringum innbygðar loftþvætta- og loftloftsgáttir umbreytarans til að koma í veg fyrir staðbundna takmörkun á loftflæði.
• 2. Notast við ákveðna loftþvættingu: Notast við háþróaðar loftútpumpur með kúlulag í skápanum, settar nálægt efsta hluta skápans, til að draga heitt loft út, og setja gáttir/loftloftsgáttir neðst til að draga kalt loft inn. Þetta notar náttúrulega konvektíon (hitinn stígar upp) til að hámarka kælingu.
• 3. Setja upp strangt viðhaldsáætlun: Í rökkum umhverfi skal skrá inn blásir í allar innblásarsíur skáps mánaðarlega eða árslega. Notaðu þær sem hægt er að þvo, með háan loftstraum, úr polyúrethan og þvoðu þær með þjöppuðu lofti.
• 4. Velja umbreytara með ofstórri hitafjarlægingu: Umbreytari JYINS fyrir háa afl eru hönnuðir fyrir ógnandi iðnaðarumhverfi. Þeir nota þykkar, ofstórar hitafjarlægishorn af álúmíníum með breiðum millibili á rifjunum til að koma í veg fyrir samruna rökk. Ásamt því nota þeir heppilega, breytilega hraða DC-kýlifanur án borða sem einungis vinna á fullum hraða þegar Tj hækkar, og veita einingar JYINS hámarks hitamörk, sem dregur út á tíma þegar hitaminnkaður aflgangur hefst, jafnvel í lokaðum skápum.

Ályktun

Hitmætt minnkun er mikilvæg öryggisþátur sem verndar hámátta umstjórnunartæki gegn áhrifum skemmda á halldælum, en óviðeigandi virkjun hennar vegna hindrunar á loftstraumi í skápnum getur alvarlega truflað viðskipti milli fyrirtækja í iðnaðinum. Með því að skilja eðlisfræði hitatap halldæla, reikna nákvæmar kröfur til loftskipta (CFM) og útfæra valda loftvega með bestu mögulegu hætti geta kerfisbyggjar tryggt kælt starfsemi. Að velja sterk umstjórnunartæki fyrir iðnaði frá JYINS með yfirleitandi innbyggðri hitutekni er síðasta skrefið til að tryggja hámarks samfellda aflafleysinguna, jafnvel undir þeim erfiðustu hituskilyrðum.