En genomgång av styrnings- och skyddsalternativ för DC-fläktar

Likströmsfläktar är välbekanta och allmänt använda komponenter som kan användas som fristående eller serie- eller parallellkopplade för att ge forcerad konvektionskylning. Deras mångsidighet och relativt enkla funktion har gjort dem till ett tryggt val för att förbättra den termiska profilen i en ändtillämpning under många år. Den rörliga luften som fläktarna producerar är effektiv för att kyla komponenter genom att absorbera värmen och sedan leda bort den från den anordning som ska kylas, allt enligt fundamentala fysikprinciper. Deras effektivitet påverkas dock av flera faktorer och ingenjörer kan ha nytta av en bättre förståelse för de funktioner och alternativ som finns för DC-fläktar för att förbättra driftssäkerheten och effektiviteten.

Figur 1: Naturlig konvektion kontra kylning med forcerad konvektion (Bildkälla:Same Sky)

För att påbörja processen med att välja likströmsfläkt måste utvecklare utföra en grundläggande termisk analys för att beräkna minimikraven på luftflöde. En typisk termisk analys kan inkludera modellering av värmekällor, omgivningsförhållanden och temperaturökningar. Andra faktorer som storleken på fläkten, dess orientering och luftflödesvägen i anordningen måste också tas i beaktande för att säkerställa en lämplig lösning. Same Sky blogg,“Förstå grundläggande luftflöden för rätt val av DC-fläktar” ger ytterligare information om termisk analys och urvalsprocessen.

När värmeanalysen är klar och en fläkt med rätt storlek och klassning har valts ut, är allt som återstår att koppla in fläkten och sätta igång den, eller hur? En fläkt som går hela tiden kan tjäna sitt syfte i vissa scenarier, men kontinuerlig forcerad luftkylning ger i allmänhet inte en energieffektiv eller långsiktig lösning. Dagens likströmsfläktar erbjuder utvecklare en rad olika styr-, övervaknings- och skyddsalternativ för att förbättra deras möjligheter till termisk hantering. Resten av denna artikel syftar till att täcka dessa funktioner så att konstruktörer kan utnyttja fördelarna med mer avancerade fläktstyrningstekniker.

On/off-cykling

Som nämnts ovan klarar konstant fläktdrift utan tvekan att hålla temperaturkänsliga komponenter svala, men det tar inte hänsyn till strömmen som fläkten förbrukar och det faktum att fläktar har rörliga delar med begränsad livslängd. När fläktar går producerar de också hörbart ljud som kan vara störande i många tillämpningar och miljöer.

On/off-cykling av en fläkt runt ett temperaturbörvärde är ett alternativt tillvägagångssätt som kan mildra några av bristerna med konstant fläktdrift. On/off-fläktstyrningstekniken kan spara energi genom att begränsa drifttiden, ger mindre belastning av en fläkts rörliga delar och minskar ljudet när fläkten är avstängd då temperaturen ligger under börvärdet.

On/off-fläktstyrning är dock en alldeles för fyrkantig metodik på många sätt när det gäller forcerad luftkylning och den har sina egna brister. Först och främst introducerar on/off-tekniken cykler av värme och kyla till de temperaturkänsliga komponenterna. Termiska växlingar kan vara lika skadligt eller sämre för kritiska komponenter än drift vid konstant förhöjda temperaturer. Detta beror på att termisk cykling skapar skillnader i temperaturkoefficienter som orsakar ytterligare belastning på material och lödförband, vilket leder till förtida haverier.

Sedan har vi faktorn med oundvikliga termiska överslängar. Detta är tidsfördröjningen mellan det att fläkten slås på och tills att luftströmmen som den producerar faktiskt börjar kyla. Under denna tidsfördröjning kan komponenterna överhettas om inte börvärdet för fläktpåslagningen sänks. Genom att sänka börvärdet ökar också tiden som fläkten är påslagen och skapar hörbara ljud. Slutligen måste man för att undvika ständig omkoppling runt börvärdet - ofta kallat "chatter" - implementera en hysteresfunktion.

Diagrammet nedan hjälper till att illustrera dilemmat med termiska överslängar som orsakas av termiska fördröjningar i on/off-fläktstyrningar. Denna graf visar den önskade börvärdestemperaturen med en stegändring (ljusblå), tillsammans med på/av-cykling av fläkten (grön) och faktisk temperatur (mörkblå).

Figur 2: On/off-fläktcykling kan leda till termiska överslängar och fördröjningar (Bildkälla: Same Sky)

Alternativ för fläktstyrningar idag

Dagens likströmsfläktar ger konstruktörer en rad styrnings- och skyddsalternativ som möjliggör mer finjusterade värmehanteringssystem. Dessa avancerade konstruktioner tar den enkla on/off-fläktstyrningen till en ny nivå av prestanda, verkningsgrad och driftsäkerhet. Skyddsalternativ finns också som upptäcker problem innan de orsakar skada på fläkten och de komponenter den kyler. Några av de vanligaste alternativen för styrning och skydd av fläktar beskrivs nedan:

Pulsbreddsmodulering

Pulsbreddsmodulering (PWM) är en vanlig metod som används för att styra och ändra fläkthastigheten baserat på olika termiska förhållanden. PWM-baserad reglering med variabel hastighet ger bättre driftseffektivitet när det kombineras med avancerade styralgoritmer som kan anpassas till driftsdynamiken som matchar fläkthastighet och termisk belastning.

On/off-fläktstyrningen kan också uppgraderas med denna metod genom att implementera PI- och PID-regleringsstrategier (proportionell, integrerande, deriverande reglering). Dessa strategier hjälper till att undvika termiska över- eller underslängar trots lastförändringar, genom att säkerställa att luftflödet håller förhållandena vid önskad temperatur.

Inbäddad varvräknarsignal

En inbäddad varvräknare används för återkoppling med sluten slinga och för mer avancerad fläktstyrning. Den känner av och rapporterar en fläkts varvtal genom att mäta frekvensen av en pulsad utsignal. Den fungerar också som en låssensor som varnar användarna ifall fläkten har stoppat på grund av strömförlust, hinder etc. Att kunna upptäcka dessa problem så snart som möjligt är en stor fördel för systemets funktion och möjliggör snabba avstängningar för att skydda temperaturkänsliga komponenter.

Skydd med automatisk omstart

Skydd med automatisk omstart upptäcker när fläktmotorn är hindrad från att rotera och bryter automatiskt strömmen. Detta skyddar fläktdrivkretsarna och meddelar fläktstyrenheten om omedelbara problem till följd av avstängningen av drivströmmen.

Rotationsdetektering och låssensor

Rotationsdetektering och låssensorer används för att upptäcka om en fläktmotor går eller är stoppad, vilket kan ge ett skydd mot problem vid uppstart eller under drift.

Sammanfattning

När en konstruktion producerar överskottsvärme är likströmsfläktar ett vanligt val för att hålla komponenterna inom sina arbetsgränser och förbättra värmeavledningen. Även om det är ett fungerande alternativ att köra en fläkt kontinuerligt efter en enkel termisk analys, kan mer avancerade fläktstyrningar erbjuda en längre livslängd och högre verkningsgrad. Same Sky har ett omfattande sortiment av likströmsfläktar och andra fläktaggregat av olika storlekar, luftflöden, hastigheter och styrningar för att göra processen enkel.