Slik konstrueres effektiv varmestyring for strømforsyninger i industrielle og medisinske systemer

Effektiv og kostnadsbesparende varmestyring for strømforsyninger er viktig når industrielle og medisinske systemer konstrueres for å sikre pålitelighet. Det er en kompleks affære å utvikle et effektivt varmestyringssystem for en strømforsyning, og mye avhenger av om strømforsyningen har lukket eller åpen ramme.

Hvis en lukket strømforsyning brukes, har kabinettypen en innvirkning på luftstrømmen og varmeavledningen. Selv om vifter hjelper, må konstruktører ta hensyn til viftens pålitelighet, samt mottrykket forårsaket av systemvifter, som kan redusere virkningsgraden til strømforsyningsviften(e) betydelig og potensielt øke driftstemperaturen til strømforsyningen.

Strømforsyninger har ofte lavere virkningsgrad ved lave inngangsspenninger. Som et resultat kan enheter som er i drift over lengre perioder ved lave inngangsspenninger, føre til høyere varmespredning og behov for ytterligere kjøling. Til slutt krever strømforsyninger ofte lastreduksjon hvis de brukes ved høye temperaturer, noe som ofte oppleves i industrielle og medisinske systemer.

For å fremskynde implementeringen av effektive varmestyringssystemer, kan konstruktører bruke strømforsyninger som er spesialutviklet for bruk i industrielle og medisinske konstruksjoner som tilbyr en rekke alternativer for varmestyring.

Denne artikkelen tar for seg utfordringene forbundet med varmestyring når industrielle og medisinske systemer konstrueres, og tilbyr veiledning for utvikling av effektive løsninger for varmestyring. Deretter presenterer den alternativer for tilfeller der strømforsyninger i industrielt og medisinsk utstyr skal implementeres ved å bruke strømforsyninger fra Bel Power Solutions som eksempler fra den virkelige verden, og den avslutter med noen praktiske trinn som konstruktører kan følge når de integrerer en strømforsyning i den generelle konstruksjonen for varmestyringssystemet.

Utfordringer forbundet med varmestyring for strømforsyninger

Utfordringer forbundet med varmestyring for strømforsyninger inkluderer luftstrømmen i systemet og hvilken innvirkning systemvifter kan ha på ytelsen til vifter som er integrert i strømforsyninger, temperaturen i driftsomgivelsene, behovet for spisseffekt og virkningen inngangsspenningsområdet kan ha på effektavledningen. Dette er faktorer som må prioriteres først. Denne artikkelen tar ikke for seg andreordens varmestyringsfaktorer relatert til rackmonteringssystemer eller spesielle miljøer som datasentre.

En av de første faktorene er retningen til kjølevifteluftstrømmen. Normal luftstrøm skaper positivt trykk som går ut av systemet, mens omvendt luftstrøm skaper positivt trykk som går inn i systemet (figur 1).

Figur 1: Ved normal luftstrøm går det positive trykket ut av systemet (venstre). Ved omvendt luftstrøm går det positive trykket inn i systemet (høyre). (Bildekilde: Bel Power Solutions)

En vifte er ikke nok

Mange strømforsyninger har en kjølevifte. I stedet for å forenkle den termiske konstruksjonen, kan en strømforsyning med en vifte komplisere den termiske konstruksjonen når det gjelder luftstrømretning, i tillegg til luftstrømimpedansen og trykket i systemet eller kabinettet. Komplikasjoner omfatter:

• Systemvifter kan konkurrere med og redusere virkningsgraden til strømforsyningsvifter, noe som reduserer luftstrømmen gjennom strømforsyningen.
• Inngangen til strømforsyningsviften kan ha en uventet høy impedans, noe som reduserer luftstrømmen gjennom strømforsyningen.
• Kabler eller andre hindringer kan blokkere luftstrømmen i strømforsyningen, noe som reduserer viftenes effektivitet.

Det er flere måter system- og strømforsyningsvifter kan samhandle på. Eksempler på dette er vist i figur 2 nedenfor:

1. Strømforsyningsviften(e) produserer normal luftstrøm, men den høyere ytelsen til systemviften(e) resulterer i et lavere (negativt) trykk inne i kabinettet, og reduserer dermed effektiviteten til strømforsyningsviften.
2. Strømforsyningsviften(e) produserer omvendt luftstrøm og systemviften(e) bidrar til å kjøle ned strømforsyningen i stedet for å bekjempe den. Hvis luften som kommer inn i strømforsyningen derimot kommer fra systemets eksosovertrykk, kan dette skape problemer som omfatter reduksjon i ren luftstrøm, samt resirkuleringsproblemer som forårsaker akkumulering av varme i strømforsyningen.
3. Luftinngangen til strømforsyningen er isolert fra hovedkabinettets luftstrøm, noe som beskytter strømforsyningsviftene mot interferens fra systemviften(e). For å oppnå maksimal nytte, bør luftstrømskanalen til strømforsyningen ha lav motstand.

Figur 2: Termisk konstruksjon må ta hensyn til retningen til luftstrømmen i strømforsyningen og de relative sterke sidene til strømforsynings- og systemviftene. (Bildekilde: Bel Power Solutions)

Spisseffekt kontra nominell effektklassifisering og lastreduksjon

Lastreduksjon er ofte forskjellig for spisseffekt sammenlignet med nominell effekt. Spisseffektbehovet varierer kraftig, fra noen få millisekunder (ms) til opptil 10 sekunder eller mer, og det er en viktig faktor i mange industrielle og medisinske systemer. Ta i betraktning to strømforsyninger på 600-watt som er optimalisert for ulik spisseffekt: ABC601-serien med industrielle og medisinske AC-DC-strømforsyninger fra Bel Power Solutions som er klassifisert for 10-sekunders spisseffekt, og VPS600-serien som er klassifisert for 1 ms spisseffekt.

ABC601-serien leverer opptil 600 watt regulert utgangseffekt over et inngangsspenningsområde på mellom 85 og 305 volt vekselstrøm (V_AC) i enkeltutganger på 24, 28, 36 eller 48 volt likestrøm (V_DC). For eksempel har ABC601-1T48 en 48 V_DC-utgang. Disse strømforsyningene er klassifisert for 600 watt kontinuerlig effekt og opptil 800 watt maksimal effekt i opptil 10 sekunder ved opptil 60 °C for de innkapslede frontmonterte viftemodellene (figur 3). De har en standby-utgangseffekt på 5 V_DC som er klassifisert for 1,2 ampere (A) for U-kabinettmodeller og 1,5 A for frontmonterte viftemodeller, og en vifteutgang på 12 volt, 1 A.

Figur 3: De innkapslede frontmonterte viftemodellene i ABC601-serien leverer 600 watt kontinuerlig effekt (rød linje på øvre graf) og opptil 800 watt i opptil 10 sekunder (rød linje på nedre graf) ved opptil 60 °C. (Bildekilde: Bel Power Solutions)

ABC601-serien kommer i to formater: U-rammekabinett eller innkapslet med frontmontert vifte (figur 4). ABC601-serien har en intern strømdelingskrets for parallell drift mellom enheter, noe som forbedrer den totale effekten.

Figur 4: ABC601 PSU-strømforsyninger er tilgjengelige med viftekjøling (øverst) eller konveksjonskjøling (nederst). (Bildekilde: Bel Power Solutions)

EOS Power VPS600-strømforsyningsserien med åpen ramme fra Bel Power Solutions har et smalere inngangsområde på 85 til 264 V_AC og leverer opptil 600 watt kontinuerlig utgangseffekt og en spisseffekt på 720 watt i 1 ms (figur 5). Disse strømforsyningene er tilgjengelige med utgangsspenninger på 12, 15, 24, 30, 48 og 58 V_DC. For eksempel har VPS600-1048 en utgang på 48 V_DC. Disse enhetene inkluderer en standby-utgangseffekt på 5 V_DC, 500 milliampere (mA) og en vifteutgang på 12 volt, 500 mA. Selv om ABC601-serien tilbys i to kapslingstyper, er VPS600-serien tilgjengelig i tre typer med ulik effekt: Konveksjonskjølt U-kanal klassifisert for 600 watt, enheter med slissede deksler klassifisert for 420 watt og enheter med vanlige deksler klassifisert for 360 watt.

Figur 5: VSP600-serien er tilgjengelig i tre kapslingskonfigurasjoner med forskjellig nominell effekt: Enheter på 600 watt med konveksjonskjølte U-kanaler, enheter på 420 watt med slissede deksler og enheter på 360 watt med vanlige deksler. (Bildekilde: Bel Power Solutions)

De ulike utgangsspenningsalternativene og kapslingstypene har forskjellige lastreduksjonskurver. For eksempel er lastreduksjonen for enheter med 24 V_DC-utgang, følgende:

• Åpen ramme
  • Konveksjonslast, 600 watt kontinuerlig ved opptil 30 °C
• Slisset deksel
  • Konveksjonslast, 420 watt kontinuerlig ved opptil 30 °C
• Vanlig deksel
  • Konveksjonslast, 360 watt kontinuerlig ved opptil 30 °C
• For alle dekseltyper
  • Lastredusering mellom 30 og 50 °C med 0,833 % per °C
  • Lastredusering over 50 °C med 2,5 % per °C til maksimalt 70 °C

Virkningsgraden til inngangsspenningen

Virkningsgraden til strømforsyningen kan reduseres ved lavere inngangsspenninger, noe som resulterer i en lastreduksjon for den nominelle utgangseffekten. For eksempel leverer AC-DC-strømforsyningene i ABE1200/MBE1200-serien 1200 watt med en inngang på 180 til 305 V_AC og 1000 watt med et inngangsområde på 85 til 180 V_AC (figur 6). Disse nominelle verdiene er fra 0 til 60 °C. Ved 70 °C lastreduseres de lineært fra henholdsvis 1200 til 1100 watt og fra 1000 til 900 watt.

Figur 6: ABE1200/MBE1200 PSU-strømforsyningene leverer 1200 watt med inngangsspenninger fra 180 til 305 V_AC og 1000 watt med inngangsspenninger fra 85 til 180 V_AC. (Bildekilde: Bel Power Solutions)

Disse strømforsyningene har en hastighetsstyring som kan justere viftehastigheten slik at hørbar støy kan minimaliseres når maksimal luftstrøm ikke er nødvendig. De er tilgjengelige i tre kompatible kapslinger med 1U-høyde, deriblant en innkapslet modell med to vifter (24 V_DC-modeller) og et U-formet kabinett som har to beskyttelsesdeksler å velge mellom (figur 7).

Figur 7: ABE1200 PSU-strømforsyningene er tilgjengelige med to vifter (kun 24 V_DC-modeller), og de har to beskyttelsesdeksler å velge mellom. (Bildekilde: Bel Power Solutions)

DIN er annerledes

Strømforsyningene i LEN120-serien har en effektklassifisering på 120 watt og er konstruert for standard DIN-skinnemontering. For eksempel leverer LEN120-12 en utgang på 12 V_DC over nominelle inngangsspenningsområder på 90 til 264 V_AC (universell) eller 127 til 370 V_DC (figur 9). Når DIN-skinnens strømforsyninger lastreduseres, tar databladene ofte hensyn til både inngangs- og utgangsspenningene samtidig, i tillegg til driftstemperaturen. For LEN120-serien:

• Alle modeller
  • Fra –20 °C til –10 °C, med en nominell inngang på 115 V_AC, lastreduseres utgangseffekten 2 %/°C
  • Fra –20 °C til –10 °C, med en nominell inngang på 230 V_AC, er ingen lastreduksjon nødvendig
  • Fra +40 °C til +60 °C, med en nominell inngang på 115 V_AC, lastreduseres utgangseffekten 2,5 %/°C
  • For inngangsspenninger på mellom 115 og 264 V_AC og mellom 162 og 370 V_DC, er ingen lastreduksjon nødvendig
  • For inngangsspenninger på mellom 115 og 90 V_AC og mellom 162 og 127 V_DC (lave linjeforhold), lastreduseres utgangseffekten 1 %/V
• Modell LEN120-12 (12 V_DC-utgang)
  • Fra +45 °C til +60 °C, med en nominell inngang på 230 V_AC, lastreduseres utgangseffekten 3,33 %/°C
• Modellene LEN120-24 og LEN120-48 (henholdsvis 24 og 48 V_DC-utgang)
  • Fra +50 °C til +60 °C, med en nominell inngang på 230 V_AC, lastreduseres utgangseffekten 5 %/°C

Figur 8: Strømforsyningene med DIN-skinne i LEN120-serien er klassifisert til 120 watt, og de er konveksjonskjølte. (Bildekilde: Bel Power Solutions)

Praktiske skritt mot bedre termiske konstruksjoner

Som vist innebærer integrasjonen av en strømforsyning i et system komplekse utfordringer med tanke på termisk konstruksjon. Det er flere praktiske trinn som konstruktører kan følge for å unngå ubehagelige overraskelser:

• Produsenten av strømforsyningen kan gi detaljert informasjon om forholdet mellom vifteluftstrøm og statisk trykk (P-Q-kurven), noe som gjør det mulig for konstruktører å finne ut hvilken luftstrøm de kan forvente hvis strømforsyningsviften vil kjøre med eller mot internt mottrykk i systemet.
• Noen strømforsyningsprodusenter kan levere termiske FlowTHERM-strømforsyningsmodeller, som kan brukes i den generelle systemmodellen for å vurdere strømforsyningens termiske ytelse og identifisere potensielle problemer.
• Sørg for at produsenten av strømforsyningen går gjennom en termisk konstruksjon og gir anbefalinger for videre analyse, eller bekrefter gyldigheten til konstruksjonen.

Konklusjon

Det er flere problemer å ta hensyn til når et termisk styringssystem for en strømforsyning skal utvikles for medisinske eller industrielle konstruksjoner. De inkluderer luftstrømmen i systemet, hvilken innvirkning systemvifter kan ha på ytelsen til vifter som er integrert i strømforsyningen, den bestemte driftstemperaturen, behovet for å støtte spisseffekt og virkningen inngangsspenningsområdet kan ha på effektavledningen.

For å bidra til å løse disse problemene, kan konstruktører bruke strømforsyningskonstruksjonen fra Bel Industrial Power, som er optimalisert for ulike termiske miljøer og konstruksjoner. I tillegg er termiske styringsverktøy tilgjengelige fra strømforsyningsprodusenter som kan bidra til å fremskynde konstruksjonsprosessen.

Anbefalt lesing

1. Velge en vifte