Analýza možností regulace a ochrany pro stejnosměrné ventilátory

Stejnosměrné ventilátory jako zavedený a široce používaný prostředek regulace tepla lze používat samostatně, v sériovém či paralelním zapojení k zajištění konvekčního chlazení nuceným prouděním vzduchu. Díky jejich všestrannosti a poměrně jednoduchému provozu se po mnoho let staly dobrou volbou na zlepšení tepelného profilu koncové aplikace . Podle základních fyzikálních zákonů proudící vzduch vytvářený ventilátorem účinně chladí součásti absorpcí tepla a následným odvodem tohoto tepla mimo chlazené zařízení. Jejich účinnost je však ovlivněna několika faktory a konstruktéři mohou díky lepšímu chápání dostupných vlastností a funkcí stejnosměrných ventilátorů zlepšovat jejich spolehlivost a účinnost.

Obrázek 1: Chlazení přirozenou konvekcí vs. chlazení nuceným prouděním vzduchu (zdroj obrázku: Same Sky)

Před zahájením výběru stejnosměrného ventilátoru musí konstruktér provést určitou základní tepelnou analýzu, aby bylo možné vypočítat minimální požadovaný průtok vzduchu. Typická tepelná analýza bude pravděpodobně zahrnovat modelování tepelných zdrojů, podmínek okolního prostředí a nárůstu teploty. Aby byla zajištěna implementace vhodného řešení, je nutné zohlednit také další faktory, například velikost ventilátoru, jeho orientaci a cestu proudění vzduchu uvnitř aplikace. Blog společnosti Same Sky “Porozumění základním principům proudění vzduchu pro správný výběr stejnosměrného ventilátoru” popisuje další podrobnosti týkající se tepelné analýzy a postupu výběru.

Jakmile bude hotová tepelná analýza a vybrán správně dimenzovaný ventilátor s vhodnými parametry, pak už jen stačí ventilátor připojit ke zdroji a spustit, je to tak? Ačkoli nepřetržitý provoz ventilátoru může při určitých scénářích naplnit svůj účel, trvalé chlazení nuceným prouděním vzduchu obvykle nezajišťuje energeticky účinné nebo dlouhodobé řešení. Současné stejnosměrné ventilátory nabízejí konstruktérům sadu řídicích, monitorovacích a ochranných možností na zlepšení svých schopností regulace tepla. Zbývající část tohoto článku se zaměřuje na implementaci těchto funkcí tak, aby konstruktéři mohli využívat pokročilejších metod regulace ventilátoru.

Cyklické zapínání/vypínání

Jak již bylo uvedeno, nepřetržitý provoz ventilátoru sice ochladí tepelně citlivé součásti, avšak ignoruje svůj odebíraný výkon a skutečnost, že ventilátory používají pohyblivé součásti s konečnou provozní životností. Běžící ventilátory také generují slyšitelný hluk, který může být v široké škále aplikací a prostředí nežádoucí.

Cyklické zapínání/vypínání ventilátoru v okolí regulované hodnoty teploty představuje alternativní koncepci, která může omezit některé nedostatky nepřetržitého provozu ventilátoru. Metoda zapínání/vypínání ventilátoru může ušetři energii omezením doby chodu, snížit namáhání pohyblivých součástí ventilátoru a omezit slyšitelný hluk během doby vypnutí ventilátoru pří poklesu teploty pod regulovanou hodnotu.

Regulace cyklickým zapínáním/vypínáním ventilátoru je zároveň však také příliš zjednodušující koncepcí chlazení nuceným prouděním vzduchu v mnoha ohledech a má celou řadu vlastních nedostatků. Regulace metodou zapínání/vypínání především vystavuje tepelně citlivé součásti horkým a studeným cyklům. Tepelné cykly mohou být pro kriticky důležité součásti minimálně tak škodlivé, jako jejich provoz při trvale zvýšených teplotách. Důvodem je skutečnost, že tepelné cykly vytvářejí rozdíly v teplotních koeficientech, které způsobují přídavné namáhání materiálů a pájených spojů, což vede k předčasnému selhání.

Dalším faktorem jsou nevyhnutelné tepelné překmity. Jde o časovou prodlevu mezi sepnutím ventilátoru a okamžikem, kdy vytvořený nucený proud vzduchu skutečně začne ochlazovat. Pokud se nesníží regulovaná hodnota pro „zapnutí ventilátoru“, může během této časové prodlevy může dojít k přehřátí součástí. Snížením regulované hodnoty se zároveň prodlužuje doba, po kterou je ventilátor zapnutý a generuje slyšitelný hluk. Dále je nutné zavést hysterezi, aby bylo zamezeno rychlému zapínání a vypínání v okolí regulované hodnoty, které je známé také jako „kmitání“.

Dilema tepelného překmitávání způsobeného teplotní prodlevou v aplikacích regulace ventilátoru zapínám/vypínáním pomáhá znázornit níže uvedený graf. V tomto grafu je vynesena požadovaná regulovaná hodnota teploty s krokovými změnami (světle modrá) společně s cyklickým zapínáním/vypínáním ventilátoru (zelená) a skutečná teplota (tmavě modrá).

Obrázek 2: Cyklické zapínání/vypínání ventilátoru může vést k tepelným překmitům a prodlevě. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Současné možnosti regulace ventilátoru

Současné stejnosměrné ventilátory nabízejí konstruktérům celou řadu možností regulace a ochrany vedoucí k přesněji vyladěným systémům regulace tepla. Tyto vyspělé konstrukce přenášejí základní regulaci ventilátoru zapínáním/vypínáním na zcela novou úroveň výkonnosti, účinnosti a spolehlivosti. K dispozici jsou také možnosti ochrany, které detekují problémy dříve, než by způsobily poškození ventilátoru a součástí, které ochlazuje. Některé nejčastější možnosti regulace a ochrany ventilátoru jsou popsány níže:

Pulzně-šířková modulace

Pulzně-šířková modulace (PWM) je běžná metoda sloužící k regulaci a změně rychlosti ventilátoru podle měnících se tepelných podmínek. Při spárování s vyspělými regulačními mechanismy, které se mohou přizpůsobit provozní dynamice měnící rychlost ventilátoru podle tepelné zátěže, se regulace s proměnnou rychlostí založená na pulzně-šířkové modulaci projevuje ve vyšší provozní účinnosti.

Zavedením proporcionálně-integračně-derivačních (PI a PID) regulačních strategií v uzavřené smyčce lze touto metodou také vylepšit regulaci zapínáním/vypínáním ventilátoru. Tyto strategie pomáhají zamezit tepelným překmitům nebo poklesům navzdory změnám zátěže zajištěním, aby proudící vzduch udržoval dané podmínky při požadované nastavené hodnotě teploty.

Vestavěný tachometrický signál

Vestavěný tachometr, který se používá ke zpětné vazbě v uzavřené smyčce a k vyspělejší regulaci ventilátoru, detekuje rychlost otáčení a předává o ní informace měřením frekvence výstupního pulzního signálu. Tachometr slouží také jako detektor blokování, který upozorní uživatele na zastavení ventilátoru v důsledku ztráty napájení, překážky apod. Schopnost detekce těchto problémů v nejkratším možném čase s umožněním ochrany tepelně citlivých součástí včasným vypnutím je hlavní provozní výhodou systému.

Ochrana proti automatickému restartu

Ochrana proti automatickému restartu detekuje překážku v otáčení ventilátoru a automaticky odpojí přívodní proud. Toto řešení chrání ovládací obvody ventilátoru a upozorní regulátor ventilátoru na bezprostřední problémy v důsledku vypnutí budicího proudu.

Detektor otáčení/blokování

Detektor otáčení/blokování, který slouží k detekci chodu nebo zastavení motoru ventilátoru, je ochranou proti problémům při spouštění nebo během provozu.

Shrnutí

Pokud daná aplikace generuje nadměrné teplo, stejnosměrné ventilátory jsou běžným řešením na udržení součástí v jejich provozních mezích a zlepšení odvodu tepla. Ačkoli volba ventilátoru s nepřetržitým chodem po provedení určité tepelné analýzy je jistě určitým řešením, vyspělejší regulace a ochrany ventilátoru mohou konstruktérům nabídnout delší provozní životnost a účinnost. Společnost Same Sky nabízí kompletní portfolio stejnosměrných ventilátorů a dmychadel v široké škále velikostí, řešení proudění vzduchu a ovládání s cílem zjednodušení celého procesu.