Chladiče v rozvodných skříních usměrňovačů a řízení výkonu

Tento aplikační průvodce uvádí, jaké podmínky týkající se krytu a proudění vzduchu je třeba zdokumentovat před výběrem chladiče pro výkonový modul. Neobsahuje výpočet velikosti chladiče pro neznámé zařízení, nestanovuje upevňovací moment ani neprohlašuje, že konkrétní modul RITOKS a chladič jsou kompatibilní. K těmto rozhodnutím je zapotřebí přesná dokumentace k zařízení a chladiči a také tepelný výpočet projektu.

Vláda mění svůj postoj k otázce chladičů

Chladič testovaný na volném vzduchu se může chovat odlišně, je-li umístěn uvnitř přeplněné skříně. Vnitřní teplota vzduchu může stoupnout nad úroveň okolní teploty v místnosti; sousední moduly mohou ohřívat přiváděný vzduch; překážky a svazky kabelů mohou omezovat cirkulaci vzduchu. Samotná přítomnost ventilátoru ještě neznamená, že žebry prochází dostatečný proud vzduchu. Konstrukční tým musí stanovit teplotu a průtok vzduchu, které jsou k dispozici v místě, kde je chladič skutečně umístěn.

Na tvorbu tepla má vliv také elektrické zatížení. Usměrňovací modul, kterým protéká pulzní proud, řídicí jednotka SCR s proměnným úhlem vodivosti a výkonový stupeň s trvalým zatížením nemají stejný profil ztrát. Začněte s přesnými údaji o provozních podmínkách polovodičů a ztrátách a poté postupujte dále přes rozhraní a proudění vzduchu ve skříni.

Tepelný spoj	Otázka k projektu	Je třeba předložit důkazy
Polovodič	Jaké ztráty vznikají v jednotlivých případech?	Přesné údaje o zařízení a provozní výpočty
Montážní rozhraní	Jak dochází k přenosu tepla do chladicího žebra?	Podrobný návod k montáži a připojení
Chladič	Jaké jsou podmínky orientace a proudění?	Výkres dřezu a údaje o podmíněném výkonu
Vzduch v kabině	Jaká teplota a jaký pohyb působí na žebra?	Posouzení tepelného režimu a proudění vzduchu ve skříni
Životní prostředí	Jaké podmínky okolního prostředí a kontaminace hrají roli?	Specifikace lokality a údržby

Začněte s tepelnými ztrátami, ne s velikostí chladiče

Energetické ztráty modulu představují teplo, které musí odvést tepelná cesta. Získejte přesné údaje o ztrátách zařízení pro předpokládaný průběh proudu, způsob vedení tepla, spínací chování a poměr zapnutí. Vyhněte se použití maximální hodnoty pro danou řadu, jmenovitého zatěžovacího proudu nebo jiné aplikace jako náhrady. Výsledný rozsah ztrát by měl pokrývat běžný provoz i jakékoli reálné krátkodobé stavy, kterým musí tepelný návrh odolat.

U usměrňovače mohou chování na straně zdroje a na straně stejnosměrného proudu ovlivnit průběh proudu a ztráty při vedení. U řízeného výkonového stupně může hrát roli úhel vedení nebo spínací sekvence. Projektant tepelného chlazení by měl vypočítat případy, které skutečně určují výběr. Oddělení nákupu může výsledek výpočtu a předpoklady uvést do poptávky, nemělo by však vymýšlet hodnotu ztrát jen proto, aby vyplnilo prázdné pole.

Určete teplotu dostupného vzduchu

Vzduch uvnitř skříně v místě chladiče může být teplejší než vnější okolní vzduch. Na jeho teplotu mohou mít vliv transformátory, stykače, rezistory, sousední polovodičové moduly a také sluneční záření či procesní podmínky, kterým je skříň vystavena. Vyžádejte si údaje o teplotě v místě zamýšlené montáže, nikoli pouze specifikace pro danou místnost. Pokud není hodnota jistá, označte výsledek tepelné analýzy jako předběžný.

Zvažte, zda je skříň hermeticky uzavřená, vybavená filtrem, odvětrávaná nebo aktivně chlazená. U hermeticky uzavřené skříně může být zapotřebí jiný způsob odvodu tepla než u skříně s konstrukčně řešeným přívodem a odvodem vzduchu. Tato kategorie chladičů může pomoci určit možné tvary, zatímco konstrukce krytu určuje okrajové podmínky, za kterých fungují.

Zmapujte skutečnou dráhu proudění vzduchu

U konstrukcí s nuceným oběhem vzduchu uveďte, kudy vzduch vstupuje, jak prochází žebry a kudy vystupuje. Zahrňte filtry, ochranné kryty, kabelové kanály, sousední zařízení a dostupnou tlakovou cestu. Jmenovitý výkon ventilátoru naměřený bez omezení skříní nemůže dokázat průtok chladicím tělesem. Požádejte odpovědný tým, aby vyhodnotil ventilátor a skříň jako jeden systém.

V případě přirozené konvekce je třeba zaznamenat orientaci žeber chladiče a volný prostor nad a pod chladičem. Horizontální instalace nebo instalace s překážkami se může podstatně lišit od zveřejněného uspořádání pro testování na volném prostranství. Přesné údaje o výkonu chladiče je nutné měřit za podmínek, které odpovídají zamýšlenému způsobu montáže, přičemž jakékoli nesrovnalosti je třeba nahlásit k posouzení.

Zajistěte, aby byla recirkulace horkého vzduchu viditelná

Skříně mohou odváděný vzduch recirkulovat zpět do vstupu modulu. Tím se zvyšuje efektivní teplota chladicího vzduchu, a to i při běžícím ventilátoru. Na schématu uspořádání by měly být vyznačeny zdroje tepla v přední části, hranice rozvodné komory a směr výstupu. Během uvádění do provozu by měřicí body měly rozlišovat mezi teplotou v místnosti a teplotou vzduchu, který skutečně vstupuje do chladicího zařízení.

Nepředpokládejte, že přidání většího ventilátoru vyřeší problém s recirkulací. Může to sice změnit rozložení proudění, ale nemusí to vést k ochlazení na vstupu. Správným řešením by mohlo být použití potrubí, přeskupení zařízení, oddělení vzduchových cest nebo změna strategie chlazení skříně. Rozhodnutí je na projektantovi skříně po posouzení celé tepelné cesty.

Přehled rozhraní a podrobnosti o montáži

Přenos tepla mezi polovodičovou základnou a extrudovaným profilem závisí na rovinnosti, kontaktní ploše, materiálu rozhraní, uspořádání upevňovacích otvorů a působící síle. Tyto podrobnosti mohou být definovány v přesných pokynech k modulu. Nepřevádějte hodnotu utahovacího momentu ani tloušťku tmelu z jiného zařízení. Ověřte, zda jsou navrhovaná základová plocha chladiče, rozložení otvorů a stav povrchu kompatibilní s uvedeným modulem.

Zaznamenejte, kdo dodává materiál pro rozhraní, spojovací prvky a případnou izolační vrstvu. Tyto prvky mohou ovlivnit tepelné vlastnosti a elektrickou bezpečnost. Kompletní montážní výkres by měl znázorňovat zamýšlené uspořádání. Pokud je navržen alternativní modul nebo chladič, znovu zkontrolujte rozhraní, místo abyste předpokládali, že kompatibilitu zaručují shodné vnější rozměry.

Zohledněte uspořádání skříně a trasu přívodu

Kolem chladiče ponechte volný prostor pro proudění vzduchu, elektrické rozvody, vedení kabelů a přístup pro údržbu. Přeplněné uspořádání může zkomplikovat instalaci nebo čištění i tepelně dimenzovaného řešení, které je na papíře dostačující. Před objednáním hardwaru požádejte výrobce panelů, aby porovnal rozměry chladiče a směr žeber se skutečným výkresem skříně.

Filtry, vlákna a provozní prach mohou v průběhu času zvyšovat odpor proudění. Pokud koncepce chlazení závisí na čistém filtru nebo volných žebrech, je třeba stanovit požadavky na kontrolu a údržbu. Skříň vystavená znečišťujícím látkám může vyžadovat odlišnou strategii vedení vzduchu nebo krytí. Údržba by měla být součástí návrhových podkladů, nikoli dodatečným opatřením ponechaným na obsluze.

Porovnání variant s přirozeným a nuceným oběhem vzduchu

Přirozená konvekce sice umožňuje obejít se bez ventilátoru, vyžaduje však vhodnou plochu pro odvod tepla, správnou orientaci a dostatečný vzduchový prostor. Nucené větrání dokáže za definovaných průtokových podmínek odvádět více tepla z kompaktní sestavy, ale s sebou nese nutnost napájení ventilátoru, jeho řízení, filtraci a další možný zdroj poruchy. Žádnou z těchto metod by se nemělo volit pouze na základě fotografie výrobku nebo obecné preference jednoduchosti.

Porovnejte navrhované chladič hliníkového výkonového modulu a řada chladičů s nuceným oběhem vzduchu pouze jako možné varianty. Než některou z nich považujete za vhodnou pro skříň, ověřte si v aktuální dokumentaci přesné rozměry, kompatibilitu s upevněním modulů a provozní podmínky.

Co uvést v poptávce na chladič

Uveďte přesnou identifikaci výkonového modulu, vypočítané ztráty, přípustné teplotní limity uvedené v jeho technickém listu, požadavky na rozhraní, teplotu vzduchu ve skříni, dostupný průtok vzduchu nebo uspořádání s přirozenou konvekcí, orientaci montáže a mechanické rozměry. Přiložte výkres skříně a uveďte blízké zdroje tepla. Pokud je specifikován ventilátor, uveďte naměřený průtok vzduchu při instalaci, nikoli pouze hodnotu uvedenou na typovém štítku pro volný proud vzduchu.

Požádejte dodavatele o přesný výkres chladiče, informace o montáži, údaje o tepelném výkonu za daných podmínek a podrobnosti o případném dodávaném ventilátoru či příslušenství. Vyžádejte si od něj, aby uvedl předpoklady a chybějící vstupní údaje. Díky tomu se z vizuálně podobného sortimentu profilů stane technické srovnání, které lze podrobně posoudit.

Ověřte to na kompletní sestavě

Výpočet je užitečný pouze tehdy, pokud jeho předpoklady odpovídají nainstalované sestavě. Během kontroly prototypu nebo při uvádění do provozu změřte příslušné teploty za definovaných zatížení a okolních podmínek a v příslušných případech zaznamenejte provoz ventilátoru nebo průtok vzduchu. Výsledky porovnejte s mezními hodnotami polovodičů pomocí přesné měřicí metody schválené konstrukčním týmem.

Nepoužívejte jeden chladný vnější měřicí bod jako důkaz toho, že vnitřní spoj je v mezích. Výpočet tepelné dráhy propojuje měřitelné body s teplotou zařízení. Uchovávejte spolu s výsledky také zkušební podmínky, umístění snímačů a revize dokumentace, aby bylo možné pozdější změny ve skříni posoudit ve srovnání s původními podklady.

Časté chyby související s teplotou skříně

Mezi běžné chyby patří použití teploty okolního vzduchu v místnosti jako vstupní teploty chladiče, předpoklad, že jmenovitý výkon ventilátoru ve volném prostoru dosahuje až k žebrům, opomenutí recirkulace a přenesení teplotních údajů z otevřeného prostoru do uzavřené skříně. Další chybou je porovnávání chladičů podle velikosti, přičemž se přehlíží kvalita rozhraní a ztráty v polovodiči. Každá z těchto chyb narušuje jinou část stejného řetězce přenosu tepla z přechodu na vzduch.

Raději vyřešte nejistý vztah, než abyste do poslední buňky tabulky přidávali nevysvětlený bezpečnostní koeficient. Pokud je nejistá ztráta, získejte přesnější údaje o zařízení. Pokud je nejistý průtok vzduchu, prověřte trasu skříně. Pokud je nejisté rozhraní, prostudujte montážní dokumentaci. Díky tomu bude revize návrhu podléhat auditu a poptávka bude v souladu se skutečnými podmínkami.

Otázky před schválením

• Které konkrétní polovodiče a ztráty určují tepelný návrh?
• Jaká je teplota a průtok vzduchu, které se dostávají k chladiči v nainstalované skříni?
• Odpovídají zveřejněné podmínky pro umístění dřezu jeho orientaci a dostupnému volnému prostoru?
• Je toto montážní rozhraní podporováno v přesných pokynech k modulům a odvodům?
• Jak bude zjišťováno opotřebení ventilátoru nebo filtru a jak bude zajištěna jejich údržba?
• Jaká měření prototypu potvrdí tento výpočet?

Zašlete modul, skříň a záznam o provozu prostřednictvím Stránka s dotazy k RITOKS pro konkrétní variantu. Nevyřešené tepelné výpočty konzultujte s příslušným technikem. U zakoupeného dílu by mělo být možné zpětně dohledat podmínky, za kterých byla posouzena jeho chladicí funkce.