Omówienie opcji zabezpieczeń i sterowania wentylatorów prądu stałego

Wentylatory prądu stałego są dobrze znanymi i szeroko stosowanymi urządzeniami odprowadzającymi ciepło z wykorzystaniem konwekcji wymuszonej, które mogą pracować w układach szeregowych lub równoległych. Dzięki uniwersalności i prostocie działania są one powszechnie wybieranym rozwiązaniem poprawiającym charakterystykę termiczną danego zastosowania przez wiele lat. Dzięki wykorzystaniu podstawowych zjawisk fizycznych, ruch powietrza wymuszony przez wentylatory zapewnia skuteczne chłodzenie podzespołów poprzez pochłanianie ciepła i przenoszenie go na zewnątrz urządzeń w celu rozproszenia. Na ich skuteczność wpływa jednak szereg czynników, a dzięki lepszemu zrozumieniu dostępnych opcji wyboru i funkcji wentylatorów prądu stałego, inżynierowie mogą udoskonalić ich niezawodność i sprawność.

Ilustracja 1: porównanie chłodzenia metodą konwekcji naturalnej i wymuszonej (źródło obrazu: Same Sky)

Aby rozpocząć proces doboru wentylatora prądu stałego, inżynier musi przeprowadzić podstawową analizę termiczną, obliczając minimalne wymagania dotyczące przepływu powietrza. Typowa analiza termiczna może obejmować modelowanie źródeł ciepła, warunków otoczenia oraz wzrostu temperatury. Aby zapewnić wdrożenie odpowiedniego rozwiązania, należy również wziąć pod uwagę inne czynniki, takie jak rozmiar wentylatora, jego orientacja oraz droga przepływu w obrębie danego zastosowania. Więcej szczegółów dotyczących analizy termicznej i procesu doboru można znaleźć na blogu firmy Same Sky pt. „Understanding Airflow Fundamentals for Proper Dc Fan Selection” (Zrozumienie podstaw przepływu powietrza pod kątem doboru prawidłowych wentylatorów prądu stałego).

Po zakończeniu analizy termicznej oraz dobraniu wentylatora o odpowiednich parametrach znamionowych i rozmiarze, wystarczy podłączyć jego zasilanie i pozwolić mu pracować, prawda? Wprawdzie działanie wentylatora przez cały czas może w niektórych przypadkach realizować zadanie, jednak ciągłe chłodzenie wymuszone nie jest zasadniczo efektywnym energetycznie rozwiązaniem w ujęciu długoterminowym. Współczesne wentylatory prądu stałego oferują projektantom całą gamę opcji sterowania, monitorowania i zabezpieczeń poprawiających właściwości odprowadzania ciepła. Funkcje te oraz możliwości wykorzystania bardziej zaawansowanych technik sterowania wentylatorów omówiono w dalszej części artykułu.

Cykliczne włączanie i wyłączanie

Jak już wspomniano, praca ciągła z pewnością pozwala schłodzić komponenty wrażliwe termicznie, jednak nie bierze pod uwagę zużywanej energii oraz tego, że wentylatory posiadają ruchome części o ograniczonym okresie eksploatacji. Działające wentylatory generują również hałas, który może być niepożądany w wielu zastosowaniach i środowiskach.

Alternatywnym podejściem jest zastosowanie cyklicznego włączania i wyłączania wentylatora w okolicy nastawy temperatury, co pozwala wyeliminować niektóre z wad działania ciągłego. Technika sterowania metodą włącz-wyłącz pozwala na oszczędność energii poprzez ograniczenie czasu działania, zmniejszenie obciążenia ruchomych elementów wentylatora oraz redukcję hałasu, gdy wentylator jest wyłączony w wyniku spadku temperatury poniżej nastawy.

Jednakże sterowanie wentylatorem metodą włącz-wyłącz jest pod wieloma względami dość prymitywnym podejściem do chłodzenia z wymuszonym przepływem powietrza i ma swoje własne wady. Przede wszystkim technika sterowania włącz-wyłącz sprawia, że na komponentach wrażliwych na temperaturę pojawiają się cykle wysokich i niskich temperatur. Cykliczne zmiany temperatur mogą być równie, a nawet bardziej szkodliwe dla krytycznych komponentów niż podwyższone stałe temperatury. Dzieje się tak dlatego, że cykliczne zmiany temperatur skutkują różnicami współczynników temperaturowych, które powodują dodatkowe naprężenia w materiałach i połączeniach lutowanych, prowadząc do przedwczesnych usterek.

Ponadto występuje tu nieuniknione przeregulowanie termiczne. Jest to opóźnienie czasowe pomiędzy włączeniem wentylatora i momentem, gdy wymuszony przepływ powietrza faktycznie rozpoczyna chłodzenie. W czasie definiowanym przez to opóźnienie może dojść do przegrzania komponentów, chyba że nastawa włączenia wentylatora zostanie obniżona. Obniżenie tej nastawy powoduje również wydłużenie czasu włączenia wentylatora oraz generowanie większego hałasu. Ponadto należy wprowadzić histerezę, która pozwala uniknąć szybkiego przełączania w okolicy nastawy, znanego jako „trzepotanie”.

Poniższy wykres pomaga zrozumieć zjawisko przeregulowania termicznego spowodowane zwłoką termiczną w sterowaniu wentylatorem metodą włącz-wyłącz. Na wykresie kolorem błękitnym oznaczono żądaną nastawę temperatury, która zmienia się skokowo, kolorem zielonym cykliczne włączanie i wyłączanie wentylatora, a kolorem ciemnoniebieskim - rzeczywistą temperaturę.

Ilustracja 2: cykliczne włączanie i wyłączanie wentylatora może prowadzić do zwłoki i przeregulowania termicznego (źródło ilustracji: Same Sky)

Współczesne opcje sterowania wentylatorami

Współczesne wentylatory prądu stałego oferują projektantom szeroką gamę opcji sterowania i zabezpieczeń, umożliwiających tworzenie układów odprowadzania ciepła lepiej dostrojonych do konkretnych potrzeb. Te zaawansowane projekty przenoszą podstawowe sterowanie typu włącz-wyłącz na nowe poziomy wydajności, sprawności i niezawodności. Dostępne opcje zabezpieczeń pozwalają również wykrywać problemy zanim doprowadzą one do uszkodzeń wentylatora i chłodzonych komponentów. Poniżej omówiono niektóre z najpopularniejszych opcji sterowania i zabezpieczeń wentylatorów:

Modulacja szerokości impulsu

Modulacja szerokości impulsu (PWM) jest metodą powszechnie stosowaną w sterowaniu i regulacji prędkości wentylatorów w zależności od zmieniających się warunków termicznych. Sterowanie prędkością metodą PWM w połączeniu z zaawansowanymi algorytmami sterowania prędkością wentylatora w zależności od obciążenia termicznego zapewnia adaptację do dynamiki warunków roboczych i pozwala uzyskać wyższą sprawność roboczą.

Sterowanie wentylatorem typu włącz-wyłącz można również udoskonalić tą metodą stosując strategie sterowania z zamkniętymi pętlami sterowania proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PI oraz PID). Strategie te pomagają w wyeliminowaniu przeregulowania termicznego pomimo zmian obciążenia, zapewniając przepływ powietrza utrzymujący żądaną temperaturę nastawy.

Sygnał z wbudowanego tachometru

Wbudowane tachometry są wykorzystywane w zamkniętych pętlach sprzężenia zwrotnego i bardziej zaawansowanych układach sterowania wentylatorów. Mierzą one i podają prędkość obrotową wentylatora na podstawie częstotliwości impulsów sygnału wyjściowego. Służą one również jako czujniki zablokowania, które ostrzegają użytkownika o zatrzymaniu wentylatora z powodu utraty zasilania, przeszkody itp. Możliwość jak najszybszego wykrycia takich problemów przynosi wielkie korzyści dla działania systemu i pozwala zawczasu wyłączyć system w celu ochrony komponentów wrażliwych na temperaturę.

Zabezpieczenie automatycznego ponownego uruchamiania

Zabezpieczenie automatycznego ponownego uruchamiania wykrywa sytuację, gdy silnik wentylatora nie może się obracać i automatycznie odcina prąd sterujący. Chroni to obwody sterujące wentylatora i informuje kontroler wentylatora o problemach spowodowanych wyłączeniem prądu sterującego.

Czujnik wykrywania obrotów i blokady

Czujnik służący wykrywania obrotów i blokady silnika wentylatora stanowi zabezpieczenie przed problemami w trakcie rozruchu i podczas pracy.

Podsumowanie

Gdy w danym zastosowaniu generowana jest zbyt duża ilość ciepła, często stosuje się wentylatory prądu stałego, które wspomagają rozpraszanie ciepła i pomagają utrzymać temperaturę komponentów w granicach roboczych. Oczywiście możliwy jest dobór i zastosowanie wentylatora działającego w sposób ciągły po przeprowadzeniu podstawowej analizy termicznej, jednak bardziej zaawansowane układy sterowania i zabezpieczeń pozwalają uzyskać wyższą sprawność i wydłużyć czas eksploatacji. Firma Same Sky oferuje szeroki asortyment wentylatorów i dmuchaw prądu stałego o różnych rozmiarach, przepływach, prędkościach i typach sterowania, które upraszczają ten proces.