Самый простой расчёт охлаждения электрошкафа.

Частый вопрос - как рассчитать охлаждение электрошкафа? С одной стороны - это комплексный вопрос, с другой, есть две простые формулы, которые позволяют определить необходимое охлаждение электрошкафа через расчёт изменения температуры.

Большинство электронных приборов и компонентов при своей работе выделяют избыточное тепло. Чем опасен перегрев - перегрев электронных компонентов приводит к их ускоренной деградации с последующим выходом из строя. Так как температура большинства электронных компонентов ограничена до 70°C, максимальная температура охлаждающего воздуха, окружающего преобразователь (температура окружающей среды) или подаваемого в него (охлаждающий воздух), ограничена до 50°C. Для некоторых типов устройств и приложений граница составляет 40°C. Стандартно эта информация указана в руководстве по эксплуатации и в технических параметрах устройств. Также отметим, что внутренняя переходная температура между электронными компонентами и радиатором приблизительно находится между 125°C и 150°C.

Как может быть реализовано охлаждения электрошкафа?

• конвекционное охлаждение
• принудительное воздушное охлаждение шкафа
• принудительное воздушное охлаждение через вентиляционные каналы
• жидкостное охлаждение
• охлаждение с помощью теплообменников и кондиционеров

Какие данные необходимы для расчета охлаждения?

• Выделяемая тепловая энергия при полной нагрузке
  (= температура окружающей среды внутри электрошкафа).
• Максимальная температура воздуха вне электрошкафа или температура подаваемого в электрошкаф воздуха.
• Данные расчетов изменения температуры.

Общая мощность тепловых потерь

Общая мощность тепловых потерь - это сумма всех потерь энергии в электрошкафу. Оно должно учитывать все находящиеся в электрошкафу устройства, излучающие тепло, к примеру, трансформаторы, дроссели, блоки питания, преобразователи со всеми принадлежностями и т. д.

Тепловые потери преобразователя

КПД преобразователя указывается равным 97% или 95% – 97%. Но эти данные относятся не к указанной в справочнике “мощности привода”, а к используемой преобразователем электроэнергии.

Например, преобразователь 7,5 кВт с двигателем 7,5 кВт отдает 7,5 кВт механической энергии на валу.

Но по физическим причинам возникают механические и электрические потери в силовой системе привода (преобразователь <-> двигатель <-> механика). Поэтому мощность преобразователя на 7,5 кВт механической мощности равна приблизительно от 9 до 10 кВт электрической (около 10-12 кВА).

Также, к сожалению, не всегда для каждого преобразователя или его опции доступны данные по тепловыделению.

Если данные отсутствуют, то за величину потерь при полной нагрузке преобразователя можно взять 6% от номинального значения в кВт.

Для нагрузок ниже полной могут использоваться пропорциональные полной нагрузке значения, но не ниже 25% от потерь при полной нагрузке.

Примечание

У преобразователей низкой мощности (ниже 1 кВт) потери выше.
Потери у преобразователей со встроенными или без встроенных фильтров практически идентичны.

Тепловыделение от комплектующих

Преобразователи часто комплектуются входными или выходными дросселями. Тепловыделение этих компонентов также должны быть включены в общее тепловыделение электрошкафа (вместе с другим оборудованием).

И здесь тепловыделение для режима частичной нагрузки может быть рассчитаны заново, но уже не ниже 50%.

Если в электрошкафу установлены тормозные резисторы, то их тепловыделение (в зависимости от нагрузочного цикла) в обязательном порядке должно быть учтено в вычислениях! А лучший вариант вынести тормозные резисторы на крышу шкафа.

Для расчёта необходимо знать мощность потерь для всех компонентов электрошкафа:

• Преобразователь
• Входные и выходные дроссели
• Синусные фильтры
• Остальные компоненты электрошкафа.

Определение температуры в помещении и температуры охлаждающего воздуха

Важно определить температуру воздуха, поступающего в электрошкаф. Необходимо учитывать время года, инсоляцию и другое оборудование. Значения температуры на большой производстве, на котором в летний период работает всё оборудование, могут кардинально отличаться от таковых в зимний период.

Собственно необходимо рассчитать прирост температуры.

Для расчета прироста температуры в электрошкафу можно использовать две простые формулы.

Формула для шкафа с конвекционным охлаждением (естественное охлаждение)

Если внешний воздух в электрошкаф не подается и если охлаждающий вентилятор для воздухообмена в электрошкафу не установлен, то прирост температуры может быть рассчитан из общей мощности тепловыделения излучаемой в электрошкафу и облучаемой поверхности электрошкафа следующим образом:

Формула для определения прироста температуры

Использую температуру прироста - получаем формулу сравнения для определения достаточности охлаждения.

Формула сравнения с предельной температурой для оборудования

Важно: при расчёте площади облучаемой поверхности электрошкафа, учитываются площади боковых поверхностей и лицевая сторона, дно и задняя стенка шкафа обычно не учитываются.

Пример:

Общее тепловыделение в электрошкафу составляет 300 Вт, облучаемая поверхность электрошкафа составляет 4 м², ожидаемый прирост температуры внутри электрошкафа - 13,6°C.

Если же наружная температура составляет 40°C ("наихудший случай"), то температуры в электрошкафу может возрасти до 53,6°C, что является слишком высокой величиной для большинства электронных устройств. Поэтому здесь необходимо выбрать другое решение с вентиляцией.

Формула для электрошкафа с принудительным воздушным охлаждением

Если охлаждение электрошкафа осуществляется с помощью принудительной вентиляции, то прирост температуры в электрошкафу может быть вычислен по следующей формуле:

В примере выше, если электрошкаф оснащен небольшим вентилятором (например, как используемый на MM4 - FSC 3,28 м³/мин), прирост температуры составляет 4,8°C.

При наружной температуре в 40°C температура в электрошкафу увеличивается максимально до 44,8°C. Это вполне приемлемо.

Важно помнить, что при принудительном охлаждении в электрошкаф попадает пыль и другие загрязнения. Поэтому если установлен вентилятор, то это всегда предполагает необходимость проведения более частого технического обслуживания, включая очистку/или замену фильтров.

Следует отметить, что производительность часто указывает в куб.футах в минуту (cfm). Для пересчета в куб. м в минуту (м³/мин) можно использовать следующий коэффициент:

м³/мин = cfm * 0,0283

Условия с высокими тепловыми потерями

Если описанные выше методы не обеспечивают требуемого охлаждения, то можно оборудовать отдельный вентиляционный канал к преобразователю или в целом к электрошкафу. Также существует возможность установки кондиционера и теплообменника в электрошкаф.

На рисунке синим показан воздуховод, для случая использования вентиляторов ПЧ.

Подаваемый наружный воздух является хорошим решением, особенно тогда, когда требуются большие объемы воздуха. Так, к примеру, преобразователю на 90 кВт требуется 13,5 м³/мин при максимальной температуре в 40°C. Также необходимо обеспечить оптимальное прохождение воздуха через электрошкаф;

Например, отдельный подвод воздуха непосредственно на преобразователь или целенаправленный отвод отработанного воздуха. Этот способ снижает нагрев других устройств в электрошкафу.

Обратите внимание, что на картинке показан именно подвод и отвод воздуха от преобразователя частоты.

Если соответствующие меры не принимаются, то вентилятор преобразователя просто “гоняет” воздух в электрошкафу, что вызывает резкий прирост температуры

Для мощных преобразователей от 110 кВт и более настоятельно рекомендуется использовать воздуховоды или разделительный воздушный барьер в электрошкафу.

Разделительный воздушный барьер

Разделительный воздушный барьер

Разделительный воздушный барьер - важный элемент при вентиляции электрошкафа с преобразователем, особенно если используются собственные вентиляторы преобразователя частоты в качестве основной системы вентиляции. К сожалению, часто разделительный воздушный барьер удаляют из шкафа по непонятным причинам, что приводит к повышенной внутренней циркуляции воздуха и перегреву преобразователей частоты. Здесь важно обратить внимание: что мощные преобразователи вырабатывают изрядное избыточное тепло. Работа с постоянной повышенной температурой приводит к преждевременной деградации силовых IGBT транзисторов и значительно снижает срок службы преобразователей частоты.

Использование кондиционера

Для охлаждения внутри электрошкафа можно использовать кондиционеры. От поставщиков такого оборудования необходимо получить данные по утилизации тепловой мощности, но расчеты по излучению энергии внутри электрошкафа необходимо выполнить самостоятельно. Кроме этого, необходимо проявлять осторожность при включении системы после отключения или ТО, т.к. последующее понижение температуры может привести к образованию конденсата в электрошкафу.