HUF | EUR | USD

Az egyenáramú ventilátorok vezérlési és védelmi lehetőségei

By Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Az egyenáramú ventilátorok jól ismert és széleskörűen használt hőszabályozó eszközök, amelyek mesterséges konvekciós hűtésre használhatók egyenként, valamint sorba vagy párhuzamosan kapcsolt kialakításban. Sokoldalúságuknak és viszonylag egyszerű vezérelhetőségüknek köszönhetően már hosszú évek óta biztos választást jelentenek, ha végrendszerek hőprofiljának javításáról van szó. Az alapvető fizikai folyamatokat nézve az alkatrészek hűtése annak köszönhető, hogy a ventilátorok által létrehozott mozgó levegő elnyeli a hőt, majd ezt a hőt elvezeti a hűtött készülékből. Hatékonyságukat azonban számos tényező befolyásolja, és a mérnököknek csak előnyük származik abból, ha behatóbban ismerik az egyenáramú ventilátorok alkalmazásakor rendelkezésre álló funkciókat és lehetőségeket, hogy javítsák ezek megbízható és hatékony működését.

Kép – hőelvezetés természetes és meserséges konvekcióval1. ábra Hőelvezetés természetes és mesterséges konvekcióval (Kép: CUI Devices)

Az egyenáramú ventilátor kiválasztása azzal kezdődik, hogy a mérnök alapvető hőelemzést végez a szükséges minimális légszállítás kiszámításához. Egy tipikus hőelemzés magában foglalhatja a hőforrások, a környezeti feltételek és a hőmérséklet-emelkedés modellezését. A megfelelő megoldás biztosításához más tényezőket is figyelembe kell venni, például a ventilátor méretét, tájolását és az áramló levegőnek a rendszeren belüli útvonalát. A CUI Devices „Understanding Airflow Fundamentals for Proper Dc Fan Selection” (A légáramlás alapjai az egyenáramú ventilátorok megfelelő kiválasztásához) blogbejegyzése további információkat nyújt a hőelemzésről és a kiválasztási folyamatról.

A hőelemzés befejezése, és a megfelelő méretű és névleges teljesítményű ventilátor kiválasztása után nem marad más hátra, mint áramot vezetni a ventilátorhoz, és hagyni, hogy működjön, igaz? Habár egy állandóan működtetett ventilátor bizonyos esetekben megfelelhet az adott céloknak, a folyamatos, mesterséges konvekcióval végzett hűtés általában nem jelent energiatakarékos vagy hosszú távú megoldást. A mai egyenáramú ventilátorok egész sor vezérlési, felügyeleti és védelmi lehetőséget kínálnak a tervezőknek, amelyekkel ezeknek az eszközöknek a hőszabályozási képességei fokozhatók. Ezen cikk további részében megkíséreljük részletesen bemutatni ezeket a funkciókat, hogy a tervezők profitálni tudjanak a fejlettebb ventilátorvezérlési technikákból.

Be-ki kapcsolás

Mint fentebb már említettük, egy ventilátor állandó működtetése miden bizonnyal hidegen fogja tartani a hőmérséklet-érzékeny alkatrészeket, viszont mindez áramfogyasztással jár, és figyelembe kell venni azt is, hogy a ventilátorok működési élettartama véges. A ventilátorok működése közben hallható zaj is keletkezik, ami különféle rendszerekben és környezetekben nemkívánatos lehet.

Egy ventilátornak egy megadott hőmérséklet körüli be- és kikapcsolása olyan alternatív megoldás lehet, amivel a ventilátor állandó működtetésével járó néhány hiányosság enyhíthető. A ventilátor be-ki kapcsolását használva vezérlési módszerként energia takarítható meg, mivel annak üzemideje lecsökken, a mozgó alkatrészek kevésbé kopnak, és a hőmérsékletnek a megadott alapérték alá csökkenésével a hallható zaj is csökken, amikor a ventilátor kikapcsol.

A ventilátor be- és kikapcsolással történő vezérlése azonban sok szempontból is túlságosan egyszerű formája a mesterséges konvekcióval végzett hűtésnek és rendelkezik bizonyos hiányosságokkal. Először is, a be-ki kapcsolással végzett vezérlés hideg-meleg ciklusokkal terheli a hőmérséklet-érzékeny alkatrészeket. A hőmérséklet-változási ciklusoknak a kritikus alkatrészekre gyakorolt hatása ugyanolyan káros vagy még rosszabb is lehet, mint az állandó magas hőmérsékleten történő működés. Ennek oka az, hogy a termikus ciklusok következtében különbségek lépnek fel az anyagok eltérő hőmérséklet-együtthatói miatt, ez többlet megterhelést jelent az anyagok és a forrasztási kötések számára, ami idő előtti meghibásodásokhoz vezet.

A következő tényező a hőmérséklet túllendülése, ami elkerülhetetlenül fellép. Miután a ventilátor bekapcsolódik egy bizonyos időre van szükség ahhoz, hogy az általa létrehozott légáramlás ténylegesen hűtési hatást váltson ki. Ez az időbeli késés következtében az alkatrészek túlmelegedhetnek, hacsak nem csökkentik le a „ventilátor be” alapértéket. Továbbá, az alapérték csökkentésével együtt megnő az az idő is, amikor a ventilátor be van kapcsolva és hallható zajt generál. Végül, az alapérték körüli oszcilláció (gyors be- és kikapcsolás) miatt hiszterézises rendszert kell kialakítani.

Az alábbi ábra a ventilátorok be-ki kapcsolással történő vezérlésekor a hőinercia miatt fellépő termikus túllendülés problémáját illusztrálja. Ezen a grafikonon az ugrásszerűen megnövelt beállított hőmérséklet (világoskék) látható, a ventilátor be-ki kapcsolásával (zöld) és a hőmérséklet tényleges értékével együtt (sötétkék).

Kép – a ventilátor be-ki kapcsolgatása a hőinercia miatt termikus túllendüléshez és késéshez vezethet2. ábra A ventilátorok be-ki kapcsolgatása a hőinercia miatt termikus túllendüléshez és késéshez vezethet (Kép: CUI Devices)

Ventilátorvezérlési lehetőségek napjainkban

A mai egyenáramú ventilátorok számos vezérlési és védelmi lehetőséget kínálnak a tervezőknek, amelyek finomabban beállított hőszabályozási rendszereket tesznek lehetővé. A teljesítményt, a hatásfokot és a megbízhatóságot tekintve ezek a korszerű kialakítások teljesen új szintre emelik a ventilátoroknak az egyszerű be- és kikapcsolással történő vezérlését. Olyan védelmi lehetőségek is rendelkezésre állnak, amelyek még a ventilátor és a ventilátorral hűtött komponensek károsodása előtt észlelik a problémákat. Az alábbiakban bemutatunk néhányat a legelterjedtebb ventilátorvezérlési és védelmi lehetőségek közül:

Impulzus-szélesség moduláció

Az impulzusszélesség-modulációs (PWM) vezérlés egy elterjedt módszer arra, hogy a ventilátorok fordulatszámát a változó hőviszonyok alapján szabályozzák. A PWM-alapú fordulatszámszabályozással jobb üzemi hatékonyság érhető el, ha az olyan korszerű vezérlő algoritmusokkal párosul, amelyek alkalmazkodni tudnak a működési dinamikához, és a ventilátor fordulatszámát a hőterheléshez igazítják.

Az arányos-integráló-differenciál tagú (PI és PID) zárt hurkú szabályozással a be-ki kapcsolásos ventilátorvezérlés ezzel a módszerrel is továbbfejleszthető. Ezekkel a módszerekkel a termikus túl- vagy alálendülés váltakozó terhelés mellett is elkerülhető, mivel a megfelelő légáramlás a kívánt beállított hőmérsékleten tudja tartani a környezetet.

Beágyazott fordulatszámmérő jel

Zárt hurkú visszacsatolásnál és a fejlettebb ventilátor-vezérlésnél használják. A beágyazott fordulatszámmérő egy impulzuskimeneti jel frekvenciájának mérésével érzékeli a ventilátor forgási sebességét, és tudatja azt a rendszerrel. Reteszelő érzékelőként is szolgál, amely figyelmezteti a felhasználókat, ha a ventilátor áramkimaradás, akadály stb. miatt leáll. Ezeknek a problémáknak a lehető legkorábbi észlelése igen jelentős, mivel a hőmérséklet-érzékeny alkatrészek megvédéséhez a rendszer időben leállítható.

Automatikus újraindulás elleni védelem

Az automatikus újraindulás elleni védelem észleli, ha a ventilátor motorja nem képes forogni, és automatikusan kikapcsolja a meghajtó áramot. Ez megvédi a ventilátorvezérlő áramkört, és értesíti a ventilátor vezérlőjét a meghajtó áram kikapcsolása miatti közvetlen problémáról.

Forgásérzékelő/reteszelő érzékelő

A forgásérzékelő/reteszelő érzékelők észlelik, hogy egy ventilátor motorja forgó vagy nyugalmi helyzetben van-e. Biztonsági elemként szrepelnek az áramkörben, védelmet nyújtva az indításkor vagy működés közben jelentkező problémák ellen.

Összegzés

A többlet hőt termelő rendszereknél általában egyenáramú ventilátorokat használnak az alkatrészek üzemi határain belüli tartására és a hőelvezetés javítására. Habár egy alapvető hőtérkép elkészítését követően ki lehet választani egy megfelelő ventilátort, és annak folyamatos működtetése mindenképpen egy adott lehetőség, a fejlettebb ventilátorvezérlések és -védelmek viszont hosszabb üzemi élettartamot és nagyobb hatékonyságot kínálnak a tervezőknek. A CUI Devices portfóliója különféle méretű, légszállítási teljesítményű, fordulatszámú és vezérelhetőségű egyenáramú ventilátorokat és légfúvókat tartalmaz, hogy egyszerűsítse ezt a folyamatot.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Article provided by Jeff Smoot of CUI Devices.