Силовая электроника №5'2012

Математическое моделирование системы воздушного охлаждения силового шкафа управления с частотным преобразователем

Гафурьянов Дамир

Гафурьянов Рашид

Сагитов Пулат


В статье предлагается виртуальная модель многодвигательной следящей системы воздушного охлаждения силового шкафа управления с частотным преобразователем с энергосберегающим управлением.

Частотные преобразователи в работе выделяют значительное количество тепловой энергии. Тепловые потери зависят от следующих факторов: величины питающего напряжения, частоты переключения силовых ключей, величины нагрузки и длины питающего кабеля между частотным преобразователем и электродвигателем. Эти потери обычно составляют, по данным крупнейшего их производителя, 3–4% от номинальной выходной мощности частотного преобразователя. Это тепло должно быть выведено за пределы корпуса частотного преобразователя для обеспечения защиты от перегрева силовых элементов и схемы управления. По существующей в настоящее время схеме тепло удаляется за счет создания направленных воздушных потоков одно- или двухсекционными вентильными электродвигателями (BLDC).

Повышение температуры воздуха происходит в шкафу, где установлен частотный преобразователь. Некоторое количество тепла удаляется через отверстия в корпусе шкафа, но оно может считаться пренебрежимо малым при потерях менее чем 50 Вт. Типичный путь для удаления тепла из шкафа с частотным преобразователем с вентиляторами на входе и выходе воздушного потока показан на рис. 1.

Силовой шкаф управления с частотным преобразователем

Рис. 1. Силовой шкаф управления с частотным преобразователем

Эффективная система охлаждения позволяет использовать ПЧ при высокой температуре окружающей среды (+50 °C), а также устанавливать высокую частоту коммутации ключей силового модуля без изменения нагрузочной характеристики преобразователя. Даже имея КПД 98%, частотные преобразователи большой мощности VLT High Power производят довольно много тепла. Преобразователь на 500 кВт генерирует приблизительно 10 кВт тепловой энергии, работая на полную мощность. Это тепло необходимо отвести из привода, чтобы обеспечить корректную работу управляющих цепей.

Недостатки существующего способа контроля и регулирования температурного режима силового шкафа управления с частотным преобразователем:

  • отсутствие PWM-регулирования скорости вращения вентиляторов;
  • перегрев периферии при отключении частотного преобразователя IPM;
  • невозможность реализовать функции динамического управления скоростью вращения и энергосбережения существующими отдельными автономными регуляторами;
  • отсутствие возможности эксплуатации в жестких форсированных режимах управления частотным преобразователем.

В данной работе рассматривается задача построения математической модели многодвигательного автоматизированного электропривода активной системы воздушного охлаждения силового шкафа управления с частотным преобразователем на основе математических моделей отдельных звеньев теплового контура системы охлаждения, структурной и виртуальной схем с микропроцессорным управлением многодвигательным вентильным электроприводом, с PWM-управлением двухсекционными бесконтактными двигателями BLDC, c многоточечной температурной стабилизацией на DTS со структурной схемой (рис. 1).

Для расчета системы охлаждения шкафа с частотным преобразователем необходимы два значения температуры: Taverage и Tmax. Taverage — это средняя температура за 24 ч работы частотного преобразователя. Ее значение ограничено длительностью воздействия высокой температуры, выделяющейся при работе частотного преобразователя и вызывающей преждевременное старение электролитических конденсаторов фильтра силового источника питания выходного транзисторного IGBT-моста. Tmax — это максимальная температура, при которой возможна длительная безаварийная работа частотного преобразователя при максимальной нагрузке. В руководстве к частотным преобразователям рекомендовано ограничение управляющих значений параметров частотного преобразователя для ограничения разрушающего воздействия этой температуры. Обе эти температуры зависят от входной температуры шкафа с частотным преобразователем, которая обычно ниже этих значений. Значения Taverage и Tmax находятся из руководств и описаний к частотным преобразователям, причем значение Taverage должно быть меньше, чем Tmax. Если в течение 24 ч рабочего времени не было температурных изменений, то для расчета принимается Taverage. В противном случае рабочее время эксплуатации частотного преобразователя будет значительно уменьшено. Выбор вентилятора осуществляется исходя из условия, что он может обеспечить определенную величину давления в конкретной точке воздушного пространства шкафа. Эта точка определяется пересечением кривой статического давления вентилятора и кривой распределения давления в шкафу управления. На рис. 2 точками показаны области высокого и низкого сопротивления системы, объединяющей частотный преобразователь и шкаф управления. Каждый конкретный проект системы охлаждения должен быть ориентирован на уменьшение сопротивления воздушному потоку, создаваемому вентиляторами. Принято осуществлять откачку горячего воздуха из верхней части пространства шкафа управления и закачку холодного воздуха в нижнюю часть воздушного пространства. В данной схеме дополнительно к нагнетаемым воздушным потокам прибавляются ламинарные потоки всего воздушного пространства шкафа управления. При выборе вентилятора также учитываются доступное пространство для монтажа, шумовые характеристики, надежность и возможность технического обслуживания.

Нагрузочная характеристика одного вентилятора

Рис. 2. Нагрузочная характеристика одного вентилятора

Требуемый объем воздушной массы для охлаждения может быть рассчитан по формуле:

где: G — обьем воздушного потока, м3/с; Q — общая сумма тепловых потерь в шкафу, Вт; ρ — плотность воздушной среды, кг/м3 (эквивалентно 1,275 для сухого воздуха при 0 °С и 1 бар); cp — тепловой показатель воздушной массы, кДж/кг·К (эквивалентно 1,01 для сухого воздуха при 0 °С и 1 бар); ΔT — разница температур, °С (разница между входной и выходной температурой воздушного потока).

Эта формула позволяет оценить объем воздушного потока, необходимый для перемещения данного количества тепла за пределы шкафа управления. Итоговое значение определяет массовое, а не объемное значение воздушного потока, требуемого для охлаждения. Общепринятое значение разницы температур составляет примерно 5 °С. Также общеизвестно, что теплопередача влажным воздухом меньше, чем более сухим, и плотность воздуха уменьшается с ростом высоты над уровнем моря и с повышением температуры. В общем случае формула может быть приведена к следующему виду (при +20 °С и 101,3 кПа):

Расчет по данной формуле может быть принят как основной для расчета минимального количества воздушного потока, необходимого для поддержания рабочей температуры в шкафу управления частотным преобразователем. По рекомендации [1] к полученным результатам необходимо добавить 20% — для гарантии безотказной работы частотного преобразователя. Большинство производителей имеют соответствующие компьютерные программы для правильного и быстрого выбора основных размеров шкафа управления.

Для проверки теоретических выкладок было проведено виртуальное моделирование и экспериментальное исследование [7] в программе MATLAB+Simulink численным методом Рунге-Кутта 2-го порядка ode23 с разработкой структурной схемы и виртуальной модели (рис. 3) многодвигательного вентильного электропривода. Проведены виртуальные эксперименты по определению параметров установившихся режимов для моментов, скоростей и КПД электропривода. Полученные статические характеристики удовлетворяют требованиям повышения надежности и снижения энергозатрат при соответствующем режиме регулирования (рис. 4, 5).

Виртуальная модель микропроцессорной системы управления многодвигательным вентильным электроприводом

Рис. 3. Виртуальная модель микропроцессорной системы управления многодвигательным вентильным электроприводом системы воздушного охлаждения силового шкафа управления с частотным преобразователем


Статические характеристики привода системы охлаждения

Рис. 4. Статические характеристики привода системы охлаждения


Ток двигателей в обычном режиме и с учетом нагрузки

Рис. 5. Ток двигателей в обычном режиме и с учетом нагрузки

Выводы

  • Для максимального эффекта наиболее нагруженные части или преобразователи должны находится вблизи основных воздушных потоков.
  • Общие размеры входных и выходных отверстий не должны быть меньше рабочего пространства лопастей вентиляторов.
  • Запас рабочего пространства должен обеспечивать скорость воздушного потока не менее 7 м/с.
  • Необходимо избегать горячих точек, применяя отдельные малые вентиляторы.
  • Необходимо располагать наиболее нагруженные и термочувствительные элементы наиболее близко к воздушному потоку.
  • Входной вентилятор должен иметь противопылевой фильтр для очистки входной воздушной массы от посторонних примесей в воздухе.
  • Фильтр должен иметь запас по возможному ухудшению качества входного воздушного потока, то есть увеличению количества посторонних примесей, и не способствовать большому увеличению противодавления.
  • Воздушный поток в пространстве шкафа управления не должен быть шунтирован посторонними путями прохода потока охлаждения для большей эффективности всей системы воздушного охлаждения.

Литература

  1. Dimensioning cabinet airflow for cooling frequency converter. http://www.Danfoss.com
  2. Ильинский Н. Ф., Москаленко В. В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение. Уч. пособие для студентов вузов. М.: Издательский центр «Академия». 2008.
  3. Сагитов П. И. Энергосбережение в электроприводе. Уч. пособие. Алматы. 2003.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_05_76.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо