Возможности мониторинга, управления и защиты вентиляторов воздушного охлаждения

Вентиляторы постоянного тока используются инженерами во многих ситуациях и приложениях для обеспечения охлаждения с принудительной конвекцией воздуха. Благодаря их широкому использованию они относительно просты для понимания и могут быть реализованы в различных конфигурациях.

Их действие в конечном счете основано на фундаментальной физике, согласно которой движущийся воздух эффективно охлаждает объекты, поглощая тепло и передавая это тепло для рассеивания. Количество передаваемой энергии зависит от нескольких факторов: массы движущегося воздуха, удельной теплоемкости движущегося воздуха и др.

Рис. 1. Разница между естественной и принудительной конвекцией воздуха.

Когда дело доходит до выбора вентилятора с достаточным размером и характеристиками воздушного потока, инженер должен провести базовый тепловой анализ, чтобы определить минимальный требуемый воздушный поток. Тепловой анализ обычно включает моделирование источников тепла, повышения температуры и условий окружающей среды, а также обеспечение эффективного пути воздушного потока для нагнетаемого воздуха.

После завершения теплового анализа и выбора подходящего вентилятора или вентиляторов инженер может просто подключить вентиляторы к источнику питания и обеспечить постоянное принудительное воздушное охлаждение. Однако в большинстве случаев этот подход не является эффективным в долгосрочной перспективе. Сегодня большинство вентиляторов предлагают ряд опций для лучшего мониторинга, контроля и управления. Понимание доступных опций может позволить инженерам получить максимальную отдачу от выбранных вентиляторов и обеспечить более высокую надежность всей системы.

Базовое управление — включение/выключение вентилятора

Как упоминалось выше, постоянная работа вентилятора — это простой подход к управлению температурным режимом, который, безусловно, может обеспечить необходимое принудительное воздушное охлаждение. Однако этот упрощенный подход не является энергоэффективным, поскольку постоянно работающий вентилятор потребляет наибольшее количество энергии и создает слышимый шум, который подходит не для всех сценариев использования оборудования. Вентиляторы, также, содержат различные движущиеся части с длительным, но конечным жизненным циклом, которые быстрее изнашиваются при непрерывной работе.

Управление вентилятором вкл/выкл — один из таких подходов, который может продлить срок службы вентилятора за счет циклического включения и выключения вентилятора при достижении порога охлаждения или заданной температуры. Циклическое включение и выключение вентилятора экономит электроэнергию, продлевает срок службы вентилятора и снижает акустический шум, когда вентилятор не работает.

Но управление включением/выключением вентилятора — это еще один метод, который довольно упрощен по своей природе и вводит свой собственный набор ограничений. С точки зрения управления температурным режимом включение/выключение вентилятора создает цикл нагрева и охлаждения компонентов. Однако термоциклирование может быть основным фактором преждевременного выхода компонентов из строя, поскольку различия в температурных коэффициентах вызывают дополнительную нагрузку на материалы и соединения. На самом деле термоциклирование может быть столь же вредным или даже хуже для компонентов, чем работа при постоянно высоких температурах.

Термический перерегулирование, также, может иметь место во время работы вентилятора и во время охлаждения принудительного воздуха. Если уставка включения вентилятора не установлена ниже, может произойти перегрев, когда поток охлаждающего воздуха только начинает охлаждать. Наконец, чтобы ограничить частый циклический переход из состояния включения/выключения вокруг заданной температуры, необходимо добавить гистерезис.

График на Рис. 2 был создан для демонстрации теплового перерегулирования из-за неизбежной тепловой задержки в приложениях управления вентилятора. На графике светло-голубая линия представляет желаемую заданную температуру и включает ступенчатое изменение, зеленая линия — цикл включения/выключения вентилятора, а темно-синяя линия — фактическая температура.

Рис. 2 Тепловой выброс и запаздывание возникают в приложениях управления включением/выключением вентилятора

Защита вентилятора и элементы управления

Сегодня вентиляторы доступны с рядом средств управления и защиты, которые помогают разработчикам лучше оптимизировать свои системы управления температурным режимом. Элементы управления могут снять ограничения базового управления включением/выключением и повысить производительность, надежность и эффективность. Также доступны средства защиты, которые обнаруживают проблемы с вентиляторами на ранней стадии, что может продлить срок службы вентиляторов и гарантировать, что системы не будут подвергаться риску. Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных средств управления и защиты вентиляторов, а также их реализацию.

Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) используется для управления и изменения скорости вращения вентилятора в зависимости от различных тепловых условий. В качестве первого шага к повышению производительности вентилятора ШИМ-управление скоростью вращения приводит к повышению эффективности работы и может быть реализовано вместе с усовершенствованными алгоритмами управления. Эти алгоритмы могут учитывать модели использования, затраты на электроэнергию и многое другое, адаптируясь к динамике работы, которая сопоставляет скорость вентилятора с тепловой нагрузкой.

Это можно сделать еще дальше, модернизировав базовое управление включением/выключением вентилятора до хорошо известных пропорционально-интегрально-дифференциальных (PI и PID) стратегий управления с обратной связью. PI- и PID-регуляторы помогают избежать перерегулирования или понижения температуры, несмотря на изменения нагрузки, обеспечивая поддержание потока воздуха на желаемой заданной температуре.

Встроенный сигнал тахометра

Встроенный тахометр измеряет и сообщает о скорости вращения вентилятора с помощью импульсного сигнала и используется для обратной связи с обратной связью и более продвинутого управления вентилятором. Встроенный тахометр также служит датчиком блокировки, если вентилятор перестает работать из-за потери мощности, препятствий или по любой другой причине. Наличие этих возможностей обнаружения является основным преимуществом для работы системы, поскольку чем раньше будут обнаружены негативные условия, тем быстрее система может быть отключена или переведена в неактивное состояние для защиты чувствительных компонентов.

Датчик обнаружения вращения/блокировки

В соответствии со своим названием, датчик обнаружения/блокировки вращения определяет, работает или остановлен двигатель вентилятора, чтобы предотвратить проблемы при запуске или во время работы.

Таким образом, вентиляторы постоянного тока являются оптимальным решением во многих системах управления температурным режимом, обеспечивая принудительное воздушное охлаждение систем и поддерживая компоненты в пределах их рабочих ограничений. Однако простой выбор вентилятора и его постоянное функционирование или использование базового управления включением/выключением — недальновидный подход к управлению тепловым режимом с помощью вентиляторов. Благодаря множеству средств управления и защиты вентиляторов инженеры могут лучше оптимизировать свои решения для принудительного воздушного охлаждения тем самым повышая эффективность и надежность.

Источник: www.edn.com