Hur man konstruerar en effektiv värmehantering för strömförsörjningen i industriella och medicinska system

En effektiv och kostnadseffektiv värmehantering i nätaggregat är viktigt för att garantera tillförlitlighet när man konstruerar industriella och medicinska system. Att konstruera ett effektivt värmehanteringssystem för ett nätaggregat är en komplicerad uppgift, och mycket beror på om nätaggregatet är inkapslat eller öppet.

Om du använder ett inkapslat nätaggregat har typen av kapsling betydelse för luftflödet och värmeavledningen. Även om fläktar är till hjälp måste konstruktörer ta hänsyn till fläktarnas tillförlitlighet och det mottryck som orsakas av systemets fläktar, som kan minska effektiviteten hos nätaggregatets fläktar avsevärt, vilket kan leda till högre driftstemperaturer i nätaggregatet.

Nätaggregat har ofta lägre verkningsgrad vid låg inspänning. Enheter som drivs under längre perioder med låg inspänning kan därför leda till högre värmeavledning och behov av ytterligare kylning. Slutligen måste nätaggregaten ofta nedgraderas om de används vid förhöjda temperaturer som kan förekomma i industriella och medicinska system.

För att påskynda implementeringen av effektiva system för värmehantering, kan konstruktörer använda sig av nätaggregat som är särskilt konstruerade för användning i industriella och medicinska tillämpningar och har en rad olika alternativ för värmehantering.

Artikeln går igenom utmaningarna med värmehantering vid konstruktion av industriella och medicinska system och ger vägledning för att konstruera effektiva lösningar för värmehantering. Därefter presenteras alternativ för integrering av nätaggregat i industriell och medicinsk utrustning med hjälp av nätaggregat från Bel Power Solutions som exempel från verkligheten, och avslutningsvis presenteras några praktiska steg som konstruktörer kan följa när de integrerar ett nätaggregat i systemets övergripande termiska konstruktion.

Utmaningar vid värmehantering i nätaggregat

Utmaningar vid värmehantering i nätaggregat omfattar systemets luftflöde och den inverkan som systemets fläktar kan ha på prestandan hos nätaggregatens inbyggda fläktar, den omgivande driftstemperaturen, behovet av toppeffekt och den inverkan som inspänningsområdet kan ha på effektavledningen. Detta är de överväganden som är viktigast. Artikeln tar inte upp de näst viktigaste övervägandena vid värmehantering i samband med rackmonterade system eller särskilda miljöer som datacenter.

Ett av de viktigaste övervägandena är riktningen på aggregatets luftflöde, ett normalt luftflöde skapar ett positivt tryck som lämnar systemet och ett omvänt luftflöde skapar ett positivt tryck som kommer in i systemet (figur 1).

Figur 1: Vid normalt luftflöde lämnar ett positivt tryck systemet (till vänster). Med omvänt luftflöde kommer positivt tryck in i systemet (till höger). (Bild: Bel Power Solutions)

En fläkt räcker inte

Många nätaggregat har en kylfläkt. I stället för att förenkla den termiska konstruktionen kan ett nätaggregat med en fläkt komplicera den termiska konstruktionen med hänsyn till luftflödets riktning samt systemets eller chassits luftflödesimpedans och tryck. Komplikationer kan vara:

• Att systemfläktar konkurrerar med och minskar effektiviteten hos nätaggregatets fläktar, vilket minskar luftflödet genom nätaggregatet.
• Inflödet till nätaggregatets fläkt kan ha en oväntat hög impedans, vilket minskar luftflödet genom nätaggregatet.
• Kablar eller andra hinder kan blockera nätaggregatets luftflöde och minska fläktarnas effektivitet.

Det finns flera sätt som systemfläktarna och nätaggregatets fläktar kan samverka på, exempel visas i figur 2 nedan:

1. Nätaggregatets fläktar ger normalt luftflöde, men den högre prestandan hos systemfläktarna resulterar i ett lägre (negativt) tryck inuti chassit, vilket minskar effektiviteten hos nätaggregatets fläkt.
2. Nätaggregatets fläktar skapar ett omvänt luftflöde och systemfläktarna stödjer nätaggregatets kylning, istället för att motverka den. Men om luften som kommer in i nätaggregatet kommer från systemets utlopp, kan det skapa problem som inkluderar en minskning av nettoluftflödet, liksom återcirkulationsproblem som orsakar värmeuppbyggnad i nätaggregatet.
3. Nätaggregatets luftintag är isolerat från chassits huvudluftflöde, vilket skyddar nätaggregatets fläktar från störningar från systemfläktarna. För att uppnå maximal nytta bör nätaggregatets luftflödeskanal ha ett lågt motstånd.

Figur 2: Den termiska konstruktionen måste ta hänsyn till luftflödets riktning i nätaggregatet och den relativa styrkan hos nätaggregatets och systemets fläktar. (Bildkälla: Bel Power Solutions)

Toppeffekt vs. nominell effekt och korrigering

Nedgraderingen är ofta olika för toppeffekt jämfört med nominell effekt. Behovet av toppeffekt varierar kraftigt från några millisekunder upp till tio sekunder eller mer, och är en viktig faktor i många industriella och medicinska system. Överväg på två serier nätaggregat för 600 W som är optimerade för olika leverans av toppeffekt: serien ABC601 med industriella och medicinska AC-/DC-nätaggregat från Bel Power Solutions som är dimensionerad för tio sekunders leverans av toppeffekt, och serien VPS600 som är dimensionerad för toppeffekt i 1 ms.

Serien ABC601 ger upp till 600 W reglerad utgångseffekt i ett inspänningsområde från 85 till 305 V_AC i enskilda utspänningar på 24, 28, 36 eller 48 V_DC. ABC601-1T48 har exempelvis en utspänning på 48 V_DC. Nätaggregaten är dimensionerade för 600 W kontinuerlig effekt eller en toppeffekt på upp till 800 watt i upp till 10 sekunder vid upp till 60 °C för de inkapslade modellerna med frontmonterad fläkt (figur 3). De har en reservkraftsutgång på 5 V_DC med en nominell effekt på 1,2 för modeller med U-chassi och 1,5 A för modeller med frontmonterad fläkt, samt en fläktutgång på 12 V, 1 A.

Figur 3: De inkapslade modellerna med frontmonterad fläkt i serien ABC601 ger 600 W kontinuerlig effekt (röd linje i det övre diagrammet) eller upp till 800 W i upp till 10 sekunder (röd linje i det nedre diagrammet) vid upp till 60 °C. (Bildkälla: Bel Power Solutions)

Serien ABC601 finns i två format, som U-chassi eller inkapslad med frontmonterad fläkt (figur 4). Serien ABC601 har en intern strömfördelningskrets för parallell drift mellan enheterna för att öka den totala effekten.

Figur 4: nätaggregaten ABC601 finns med fläktkylning (överst) eller konvektionskylning (nederst). (Bildkälla: Bel Power Solutions)

Nätaggregatserien EOS Power VPS600 med öppen ram från Bel Power Solutions har ett mindre inspänningsområde från 85 till 264 V_AC och ger upp till 600 W kontinuerlig uteffekt och en toppeffekt på 720 W i 1 ms (figur 5). Nätaggregaten finns med utspänningar på 12, 15, 24, 30, 48 och 58 V_DC. VPS600-1048 har exempelvis en utspänning på på 48 V_DC. Aggregaten har en reservkraftsutgång på 5 V_DC, 500 mA, utgång för standbyström och en fläktutgång på 12 V, 500 mA. Medan serien ABC601 finns i två format, finns serien VPS600 i tre varianter med olika effektnivåer: konvektionskylda U-kanaler för 600 W, enheter med slitsat hölje med en märkeffekt på 420 W och enheter med slätt hölje med en märkeffekt på 360 W.

Figur 5: Serien VSP600 finns i tre paketkonfigurationer med olika nominell effekt: konvektionskylda U-kanalenheter på 600 W, enheter med slitsat hölje på 420 W och enheter med vanligt hölje på 360 W. (Bildkälla: Bel Power Solutions)

De olika utspänningsalternativen och formaten har olika korrigeringskurvor. Korrigeringen för enheter med en utspänning på 24 V_DC är följande:

• Öppen ram
  • Konvektionslast, 600 W kontinuerligt upp till 30 °C
• Slitsat hölje
  • Konvektionslast, 420 W kontinuerligt upp till 30 °C
• Vanligt hölje
  • Konvektionslast, 360 W kontinuerligt upp till 30 °C
• För alla typer av höljen
  • Korrigering mellan 30 och 50 °C med 0,833 % per °C.
  • Korrigering över 50 °C med 2,5 % per °C till högst 70 °C.

Inspänningens påverkan

Nätaggregatets verkningsgrad kan minska vid lägre inspänningar, vilket leder till att den nominella uteffekten minskar. AC-DC-aggregaten i serien ABE1200/MBE1200 ger exempelvis 1200 W med en inspänning från 180 till 305 V_AC och 1000 W med ett inspänningsområde från 85 till 180 V_AC (figur 6). Dessa nominella märkningar gäller från 0 till 60 °C. Vid 70 °C minskar de linjärt från 1200 till 1100 W respektive från 1000 till 900 W.

Figur 6: Nätaggregaten i serien ABE1200/MBE1200 ger 1200 W med inspänningar från 180 till 305 V_AC och 1000 W med inspänningar från 85 till 180 V_AC. (Bildkälla: Bel Power Solutions)

Nätaggregaten har en fläkthastighetskontroll för att minimera ljudet när maximalt luftflöde inte behövs. De finns i tre 1U-kompatibla paket, inklusive en inkapslad modell med två fläktar (endast modeller för 24 V_DC) och ett U-format chassi med två alternativ på skyddshölje (figur 7).

Figur 7: Nätaggregaten ABE1200 finns med dubbla fläktar (endast modeller för 24 V_DC) och två olika alternativ för skyddshölje. (Bildkälla: Bel Power Solutions)

DIN är annorlunda

Nätaggregaten i serien LEN120 har en nominell effekt på 120 W och är utformade för montering på en standard DIN-skena. LEN120-12 ger exempelvis en utspänning på 12 V_DC i nominella inspänningsområden på 90 till 264 V_AC (universellt) eller 127 till 370 V_DC (figur 9). Vid nedgradering av nätaggregat för DIN-skena tar datablad ofta hänsyn till in- och utspänningar, utöver driftstemperaturen. För serien LEN120:

• Alla modeller
  • Från -20 °C till -10 °C, med en nominell inspänning på 115 V_AC, minskar uteffekten med 2 %/°C.
  • Från -20 °C till -10 °C, med en nominell inspänning på 230 V_AC, minskas inte uteffekten.
  • Från +40 °C till +60 °C, med en nominell inspänning på 115 V_AC, minskar uteffekten med 2,5 %/°C.
  • För inspänningar mellan 115 och 264 V_AC och mellan 162 och 370 V_DC krävs ingen nedgradering.
  • För inspänningar mellan 115 och 90 V_AC och mellan 162 och 127 V_DC (låga linjeförhållanden) minskar utgångseffekten med 1 %/V
• Modell LEN120-12 (utspänning på 12 V_DC)
  • Från +45 °C till +60 °C, med en nominell inspänning på 230 V_AC, minskar uteffekten med 3,33 %/°C.
• Modellerna LEN120-24 och LEN120-48 (utspänning på 24 respektive 48 V_DC)
  • Från +50 °C till +60 °C, med en nominell inspänning på 230 V_AC, minskar uteffekten med 5 %/°C.

Figur 8: Nätaggregatsserien LEN120 för DIN-skena har en nominell effekt på 120 W och är konvektionskylda. (Bildkälla: Bel Power Solutions)

Praktiska steg mot bättre termiska konstruktioner

Som framgår innebär integreringen av ett nätaggregat i ett system komplicerade problem kring den termiska konstruktionen. Det finns flera praktiska steg som konstruktörer kan följa för att undvika obehagliga överraskningar:

• Tillverkaren av nätaggregatet kan ge detaljerad information om förhållandet mellan fläktens luftflöde och det statiska trycket (P-Q-kurvan), så att konstruktören kan ta reda på vilket luftflöde de kan förvänta sig om nätaggregatets fläkt kommer att fungera med eller mot systemets interna mottryck.
• Vissa tillverkare av nätaggregat kan tillhandahålla värmemodeller i FlowTHERM för nätaggregatet, som kan användas i den övergripande systemmodellen för att bedöma nätaggregatets termiska prestanda och identifiera eventuella problem.
• Låt tillverkaren av nätaggregatet granska en termisk systemkonstruktion och ge rekommendationer för ytterligare analys eller bekräfta konstruktionens giltighet.

Sammanfatttning

Det finns flera frågor att ta hänsyn till när man utformar ett system för värmehantering i nätaggregat för medicinska eller industriella tillämpningar. De omfattar systemets luftflöde, den inverkan som systemfläktarna kan ha på prestandan hos nätaggregatets inbyggda fläktar, det specificerade driftstemperaturområdet, behovet av toppeffekt och den inverkan som inspänningsområdet kan ha på effektavledningen.

För att lösa dessa problem kan konstruktörer använda sig av nätaggregatskonstruktioner från Bel Industrial Power som är optimerade för olika termiska miljöer och tillämpningsscenarier. Tillverkarna av nätaggregat har dessutom tillgängliga verktyg för värmehantering som kan göra det lättare att skynda på konstruktionsprocessen.

Rekommenderad läsning

1. Välja en Fläkt