Tehokkaan virtalähteen lämmönhallinnan suunnittelu teollisissa ja lääketieteellisissä järjestelmissä

Tehokas ja kustannustehokas virtalähteiden lämmönhallinta on tärkeää, kun suunnitellaan teollisia ja lääketieteellisiä järjestelmiä ja halutaan varmistaa niiden luotettavuus. Tehokkaan lämmönhallintajärjestelmän suunnittelu virtalähteelle on kompleksinen tehtävä, ja paljon riippuu siitä, käyttääkö virtalähde koteloa vai avointa runkoa.

Jos käytetään koteloitua virtalähdettä, kotelon tyyppi vaikuttaa ilmavirtaan ja lämpöhäviöön. Vaikka tuulettimista on apua, suunnittelijoiden on otettava huomioon tuulettimien luotettavuus sekä järjestelmätuulettimien aiheuttama vastapaine, joka voi merkittävästi heikentää virtalähteen tuulettimien tehokkuutta ja nostaa virtalähteen käyttölämpötilaa.

Virtalähteiden hyötysuhde tavallisesti laskee syöttöjännitteen laskiessa. Tämän seurauksena lämpöhäviö voi olla korkeampi yksiköissä, joita käytetään pitkiä aikoja alhaisella syöttöjännitteellä, ja ne saattavat tarvita enemmän jäähdytystä. Virtalähteet vaativat usein tehon alentamista, jos niitä käytetään korkeissa lämpötiloissa, joita voi esiintyä teollisissa ja lääketieteellisissä järjestelmissä.

Tehokkaiden lämmönhallintajärjestelmien toteuttamisen nopeuttamiseksi suunnittelijat voivat käyttää erityisesti teollisuus- ja lääketieteellisiin sovelluksiin suunniteltuja virtalähteitä, jotka tarjoavat erilaisia lämmönhallintavaihtoehtoja.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lämmönhallinnan haasteita teollisten ja lääketieteellisten järjestelmien suunnittelussa ja annetaan ohjeita tehokkaiden lämmönhallintaratkaisujen suunnitteluun. Sen jälkeen artikkelissa esitellään vaihtoehtoja virtalähteiden integroimiseksi teollisuus- ja lääkintälaitteisiin käyttäen Bel Power Solutionsin virtalähteitä käytännön esimerkkeinä, ja lopuksi esitellään joitakin käytännön neuvoja, joita suunnittelijat voivat noudattaa integroidessaan virtalähteen koko järjestelmän lämpösuunnitteluun.

Virtalähteen lämmönhallinnan haasteet

Virtalähteen lämmönhallinnan haasteisiin kuuluvat järjestelmän ilmavirran ja järjestelmätuulettimien vaikutus virtalähteisiin integroitujen tuulettimien suorituskykyyn, ympäristön käyttölämpötila, huipputehon tarve ja syöttöjännitealueen vaikutus tehohäviöön. Nämä ovat ensimmäisen asteen tekijöitä; tässä artikkelissa ei käsitellä toisen asteen lämmönhallintaan liittyviä näkökohtia, mm. räkkeihin asennettavia järjestelmiä tai sellaisia erityisympäristöjä kuten datakeskukset.

Yksi ensimmäisistä näkökohdista on virtalähteen ilmavirran suunta; normaali ilmavirta synnyttää järjestelmästä poistuvan positiivisen paineen ja käänteinen ilmavirta synnyttää järjestelmään tulevan positiivisen paineen (kuva 1).

Kuva 1: Normaalissa ilmavirtauksessa positiivinen paine poistuu järjestelmästä (vasemmalla). Käänteisessä ilmavirtauksessa järjestelmään tulee positiivista painetta (oikealla). (Kuva: Bel Power Solutions)

Tuuletin ei riitä

Monissa virtalähteissä on jäähdytystuuletin. Sen sijaan, että tuulettimella varustettu virtalähde yksinkertaistaisi lämpösuunnittelua, se voi monimutkaistaa lämpösuunnittelua, koska huomioon on otettava ilmavirran suunta sekä ilmavirtauksen impedanssi järjestelmässä tai rungossa sekä paine. Huomioitaviin asioihin kuuluvat:

• Järjestelmätuulettimet voivat kilpailla virtalähteen tuulettimien kanssa ja heikentää niiden tehokkuutta, mikä vähentää ilmavirtaa virtalähteen läpi.
• Impedanssi voi olla odottamattoman korkea virtalähteen tuulettimen tulossa, mikä vähentää ilmavirtaa virtalähteen läpi.
• Kaapelit tai muut esteet voivat haitata virtalähteen ilmavirtaa ja vähentää tuulettimien tehokkuutta.

Järjestelmän ja virtalähteen tuulettimet voivat vaikuttaa toisiinsa useilla eri tavoilla, joista esimerkkejä on esitetty alla olevassa kuvassa 2:

1. Virtalähteen tuulettimet tuottavat normaalin ilmavirran, mutta järjestelmän tuulettimien suurempi tehokkuus johtaa alhaisempaan (negatiiviseen) paineeseen rungon sisällä, mikä vähentää virtalähteen tuulettimen tehokkuutta.
2. Virtalähteen tuulettimet tuottavat käänteisen ilmavirran, ja järjestelmän tuulettimet auttavat virtalähteen jäähdytystä, eivät taistele sitä vastaan. Jos virtalähteen sisään tuleva ilma imetään kuitenkin järjestelmän kuumasta poistoilmasta, se voi aiheuttaa ongelmia, kuten netto-ilmavirran vähenemisen sekä kierrätysongelmia, jotka keräävät lämpöä virtalähteeseen.
3. Virtalähteen ilmansyöttö on eristetty rungon pääilmavirrasta, mikä suojaa virtalähteen tuulettimia järjestelmän tuulettimien vaikutuksilta. Maksimaalisen hyödyn saamiseksi virtalähteen ilmavirtauskanavalla on oltava alhainen resistanssi.

Kuva 2: Lämpösuunnittelussa on otettava huomioon virtalähteen ilmavirran suunta sekä virtalähteen ja järjestelmän tuulettimien suhteelliset voimakkuudet. (Kuvan lähde: Bel Power Solutions)

Huipputeho vs. nimellisteho ja tehon alentaminen

Tehon alentaminen on usein erilaista huipputehon ja nimellistehon osalta. Huipputehon tarve vaihtelee suuresti muutamasta millisekunnista (ms) jopa 10 sekuntiin tai pidempään, ja se on tärkeä näkökohta monissa teollisissa ja lääketieteellisissä järjestelmissä. Tarkastellaanpa kahta 600 watin virtalähdesarjaa, jotka on optimoitu eripituista huipputehon tuottamista varten: Bel Power Solutionsin ABC601-sarjan teolliseen ja lääketieteelliseen käyttöön tarkoitetut AC-DC-virtalähteet, jotka on mitoitettu 10 sekunnin huipputehon tuottamiseen, ja VPS600-sarjan virtalähteet, jotka on mitoitettu 1 ms:n huipputeholle.

ABC601-sarja tarjoaa jopa 600 watin säännellyn lähtötehon tulojännitteen ollessa 85–305 volttia (V_AC) ja yksittäislähtöjen ollessa 24, 28, 36 tai 48 volttia (V_DC) . Esimerkiksi ABC601-1T48 tarjoaa 48 V_DC:n lähdön. Nämä virtalähteet on mitoitettu 600 watin jatkuvalle teholle tai jopa 800 watin huipputeholle enintään 10 sekunnin ajan 60 °C:n lämpötilassa. Tämä koskee malleja, joiden kotelossa tuuletin on sijoitettu etupuolelle (kuva 3). Ne tarjoavat lepotilassa 5 V_DC:n lähtöjännitteen, joka on luokitettu 1,2 ampeerille (A) U-runkoa käyttävissä malleissa ja 1,5 A eteen sijoitettua tuuletinta käyttävissä malleissa, sekä 12 voltin ja 1 A:n tuuletinlähdön.

Kuva 3: ABC601 -sarjan koteloidut etutuuletinta käyttävät mallit tarjoavat 600 watin jatkuvan tehon (punainen viiva ylemmässä kuvaajassa) tai jopa 800 wattia enintään 10 sekunniksi (punainen viiva alemmassa kuvaajassa) maksimilämpötilassa 60 °C. (Kuvan lähde: Bel Power Solutions)

ABC601-sarjaa on saatavana kahdessa eri kotelossa: U-kehysrungossa tai kotelossa etupuolelle asennetulla tuulettimella (kuva 4). ABC601-sarja tarjoaa sisäisen virranjakopiirin, joka mahdollistaa yksiköiden kytkemisen rinnakkain kokonaistehon kasvattamiseksi.

Kuva 4: ABC601-virtalähteet ovat saatavana tuuletinjäähdytyksellä (ylhäällä) tai konvektiojäähdytyksellä (alhaalla). (Kuvan lähde: Bel Power Solutions)

Bel Power Solutionsin EOS Power VPS600 -sarjan avorunkoiset virtalähteet tarjoavat kapean tulojännitealueen 85–264 V_AC ja ne tarjoavat jopa 600 watin jatkuvan tehon ja 720 watin huipputehon 1 millisekunniksi (ms) (kuva 5). Näitä virtalähteitä on saatavana lähtöjännitteillä 12, 15, 24, 30, 48 ja 58 V_DC. Esimerkiksi VPS600-1048 tarjoaa lähtöjännitteen 48 V_DC. Nämä yksiköt tarjoavat jännitteen 5 V_DC, 500 milliampeeria (mA), lepotilan lähtöjännitteen sekä 12 voltin 500 mA:n tuuletinlähdön. Siinä missä ABC601-sarjaa on saatavana kahtena kotelomallina, VPS600-sarjaa on saatavana kolmella eri teholuokituksella: konvektiojäähdytteinen U-kanava, jonka teho on 600 wattia, urakannelliset yksiköt, joiden teho on 420 wattia, ja tavalliset kannelliset yksiköt, joiden teho on 360 wattia.

Kuva 5: VSP600-sarjaa on saatavana kolmella eri nimellisteholla ja kolmessa kotelomallissa: 600 watin konvektiojäähdytteiset U-kanavayksiköt, 420 watin urakannelliset yksiköt ja 360 watin tavalliset kannelliset yksiköt. (Kuvan lähde: Bel Power Solutions)

Eri lähtöjännitevaihtoehdoilla ja kotelomalleilla on erilaiset tehonalentamiskäyrät. Tehon alentaminen esimerkiksi 24 V_DC:n lähtöyksiköille on:

• Avoin runko
  • Konvektiokuormitus, 600 wattia yhtäjaksoisesti lämpötilaan 30 °C asti
• Uritettu kansi
  • Konvektiokuormitus, 420 wattia yhtäjaksoisesti lämpötilaan 30 °C asti
• Tavallinen kansi
  • Konvektiokuormitus, 360 wattia yhtäjaksoisesti lämpötilaan 30 °C asti
• Kaikki kansimallit
  • Tehon alentaminen lämpötilassa 30–50 °C: 0,833 % per °C
  • Tehon alentaminen lämpötilassa yli 50 °C: 2,5 % per °C, maksimilämpötila 70 °C

Tulojännitteen vaikutus

Tulojännitteen laskeminen voi laskea virtalähteen hyötysuhdetta, mikä johtaa nimellislähtötehon alenemiseen. Esimerkiksi ABE1200/MBE1200-sarjan AC-DC-virtalähteet tarjoavat 1200 wattia tulojännitteellä 180–305 V_AC ja 1000 wattia tulojännitteellä 85–180 V_AC (kuva 6). Nämä nimellisarvot koskevat lämpötiloja 0–60 °C. Lämpötilassa 70 °C niiden teho alentuu lineaarisesti 1200 watista 1100 wattiin ja 1000 watista 900 wattiin.

Kuva 6: ABE1200/MBE1200-virtalähteet tarjoavat 1200 wattia tulojännitteellä 180–305 V_AC ja 1000 wattia tulojännitteellä 85–180 V_AC. (Kuvan lähde: Bel Power Solutions)

Nämä virtalähteet tarjoavat tuulettimen nopeussäädön, joka minimoi tuulettimen äänen, kun maksimaalista ilmavirtaa ei tarvita. Niitä on saatavana kolmessa 1U-korkeassa kotelossa, mukaan lukien koteloitu malli kahdella tuulettimella (vain 24 V_DC-mallit) sekä U-muotoinen runko kahdella suojakotelovaihtoehdolla (kuva 7).

Kuva 7: ABE1200-virtalähteitä on saatavana kahdella tuulettimella (vain 24 V_DC:n mallit) ja kahdella suojakotelovaihtoehdolla. (Kuvan lähde: Bel Power Solutions)

DIN on erilainen

LEN120-sarjan virtalähteiden nimellisteho on 120 wattia, ja ne on suunniteltu kiinnitettäväksi DIN-standardikiskoon. Esimerkiksi LEN120-12 tarjoaa lähtöjännitteen 12 V_DC nimellistulojännitteellä 90–264 V_AC (universaali) tai 127–370 V_DC (kuva 9). Kun teknisissä tiedoissa annetaan tehon alentamisen tiedot DIN-kiskovirtalähteille, niissä otetaan usein samanaikaisesti huomioon tulo- ja lähtöjännitteet sekä käyttölämpötila. LEN120-sarja:

• Kaikki mallit
  • Lämpötilassa -20 °C ... -10 °C, tulojännitteen ollessa nimellisesti 115 V_AC, lähtöteho alentuu 2 % / °C
  • Lämpötilassa -20 °C ... -10 °C, tulojännitteen ollessa nimellisesti 230 V_AC, tehon alennusta ei tarvita
  • Lämpötilassa +40 °C ... +60 °C, tulojännitteen ollessa nimellisesti 115 V_AC, lähtöteho alentuu 2,5 % / °C
  • Tulojännitteen ollessa 115–264 V_AC ja 162–370 V_DC, tehon alennusta ei tarvita
  • Tulojännitteen ollessa 115–90 V_AC ja 162–127 V_DC (alhainen verkkojännite), lähtöteho alentuu 1 % / V
• Malli LEN120-12 (lähtö 12 V_DC)
  • Lämpötilassa +45 °C ... +60 °C, tulojännitteen ollessa nimellisesti 230 V_AC, lähtöteho alentuu 3,33 % / °C
• Mallit LEN120-24 ja LEN120-48 (lähdöt 24 ja 48 V_DC)
  • Lämpötilassa +50 °C ... +60 °C, tulojännitteen ollessa nimellisesti 230 V_AC, lähtöteho alentuu 5 % / °C

Kuva 8: LEN120-sarjan DIN-kiskoon asennettavien virtalähteiden nimellisteho on 120 wattia ja ne käyttävät konvektiojäähdytystä. (Kuvan lähde: Bel Power Solutions)

Käytännön askeleet kohti parempaa lämpösuunnittelua

Kuten edellä on esitetty, virtalähteen järjestelmäintegrointiin sisältyy monimutkaisia lämpösuunnittelukysymyksiä. Epämiellyttäviä yllätyksiä voidaan välttää noudattamalla eräitä käytännön neuvoja:

• Virtalähteen valmistaja voi antaa yksityiskohtaista tietoa tuulettimen ilmavirran ja staattisen paineen välisestä suhteesta (P-Q-käyrä), jolloin suunnittelijat tietävät millaista ilmavirtaa odottaa, jos virtalähteen tuuletin toimii järjestelmän sisäisen vastapaineen kanssa tai sitä vastaan.
• Eräät virtalähteiden valmistajat toimittavat virtalähteelle FlowTHERM-lämpömallit, joita voidaan käyttää kokonaisjärjestelmämallissa virtalähteen lämpösuorituskyvyn arvioimiseksi ja mahdollisten ongelmien tunnistamiseksi.
• Pyydä virtalähteen valmistajaa tarkistamaan järjestelmän lämpösuunnittelu ja antamaan suosituksia lisäanalyysejä varten tai vahvistamaan suunnittelun oikeellisuus.

Yhteenveto

On useita asioita, jotka on otettava huomioon suunniteltaessa virtalähteen lämmönhallintajärjestelmää lääketieteellisiin tai teollisiin sovelluksiin. Niihin kuuluvat järjestelmän ilmavirta, järjestelmän tuulettimien vaikutus virtalähteeseen integroitujen tuulettimien suorituskykyyn, määritetty käyttölämpötila-alue, tarve tukea huipputehoa ja syöttöjännitealueen vaikutus tehohäviöön.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi suunnittelijat voivat käyttää Bel Industrial Powerin virtalähdemalleja, jotka on optimoitu erilaisiin lämpöympäristöihin ja sovellusskenaarioihin. Lisäksi virtalähteiden valmistajilta on saatavilla lämmönhallintatyökaluja, jotka voivat nopeuttaa suunnitteluprosessia.

Suositeltavaa luettavaa

1. Tuulettimen valitseminen