Cum se proiectează o gestionare termică eficientă a surselor de alimentare în sistemele industriale și medicale

Gestionarea termică eficientă și rentabilă a unităților de alimentare (PSU-uri) este importantă în proiectarea sistemelor industriale și medicale, pentru a asigura fiabilitatea. Proiectarea unui sistem eficient de gestionare termică pentru o unitate de alimentare este o activitate complexă și poate diferi foarte mult dacă unitatea de alimentare este închisă sau deschisă.

Dacă se utilizează o unitate de alimentare închisă, tipul de carcasă influențează fluxul de aer și disiparea termică. În timp ce ventilatoarele sunt utile, proiectanții trebuie să ia în considerare fiabilitatea ventilatoarelor, precum și contrapresiunea cauzată de ventilatoarele de sistem, care poate reduce semnificativ eficiența ventilatoarelor PSU-ului, ceea ce poate duce la creșterea temperaturilor de funcționare a PSU.

Unitățile de alimentare au adesea randamente mai mici în condiții de tensiune de intrare scăzută. Prin urmare, unitățile care sunt exploatate pentru perioade îndelungate în condiții de linie de intrare scăzută pot duce la o disipare termică mai mare și la necesitatea unei răciri suplimentare. În cele din urmă, unitățile de alimentare necesită adesea o reducere a sarcinii de funcționare dacă sunt utilizate la temperaturi ridicate, care pot fi întâlnite în sistemele industriale și medicale.

Pentru a accelera implementarea unor sisteme eficiente de gestionare termică, proiectanții pot apela la unități de alimentare special concepute pentru aplicații industriale și medicale, care oferă o gamă de opțiuni de gestionare termică.

Acest articol trece în revistă provocările legate de gestionarea termică la proiectarea sistemelor industriale și medicale și oferă îndrumări pentru proiectarea unor soluții eficiente de gestionare termică. Apoi prezintă opțiunile de integrare a unităților de alimentare în echipamentele industriale și medicale, folosind unitățile de alimentare de la Bel Power Solutions ca exemple reale, și se încheie cu câțiva pași practici pe care proiectanții îi pot urma atunci când integrează o unitate de alimentare în proiectarea termică generală a sistemului.

Provocări legate de gestionarea termică a sursei de alimentare

Provocările legate de gestionarea termică a PSU includ fluxul de aer din sistem și impactul pe care ventilatoarele sistemului îl pot avea asupra performanței ventilatoarelor integrate în PSU, temperatura ambiantă de funcționare, necesitatea de a furniza energie de vârf și impactul pe care îl poate avea gama de tensiuni de intrare asupra disipării energiei. Acestea sunt considerente de prim ordin; acest articol nu abordează considerentele de gestionare termică de ordin secundar legate de sistemele de montare pe rack sau de mediile speciale, cum ar fi centrele de date.

Una dintre primele considerente este direcția fluxului de aer al PSU; fluxul de aer normal creează o presiune pozitivă la ieșirea din sistem, iar fluxul de aer invers creează o presiune pozitivă la intrarea în sistem (Figura 1).

Figura 1: în cazul unui flux de aer normal, presiunea pozitivă iese din sistem (stânga). În cazul unui flux de aer invers, în sistem intră presiune pozitivă (dreapta). (Imagine: Bel Power Solutions)

Un ventilator nu este suficient

Multe PSU-uri includ un ventilator de răcire. În loc să simplifice proiectarea termică, o unitate de alimentare cu ventilator poate complica proiectarea termică prin luarea în considerare a direcției fluxului de aer, precum și a impedanței și presiunii fluxului de aer din sistem sau șasiu. Complicațiile includ:

• Ventilatoarele de sistem pot concura cu ventilatoarele PSU și pot reduce eficiența acestora, reducând fluxul de aer prin PSU.
• Intrarea la ventilatorul PSU poate avea o impedanță neașteptat de mare, reducând fluxul de aer prin PSU.
• Cablurile sau alte obstacole pot bloca fluxul de aer al PSU, reducând eficiența ventilatoarelor.

Există mai multe moduri în care ventilatoarele sistemului și ale PSU pot interacționa, exemplele sunt prezentate în Figura 2 de mai jos:

1. Ventilatoarele PSU produc un flux de aer normal, dar performanța mai ridicată a ventilatoarelor de sistem rezultă într-o presiune mai mică (negativă) în interiorul șasiului, reducând astfel eficiența ventilatorului PSU.
2. Ventilatoarele PSU produc un flux de aer invers, iar ventilatoarele de sistem ajută la răcirea PSU, nu o combat. Cu toate acestea, dacă aerul care intră în PSU provine din plenul de evacuare a sistemului, se pot crea probleme care includ o reducere a fluxului net de aer, precum și probleme de recirculare care cauzează acumularea de căldură în PSU.
3. Intrarea aerului în unitatea de alimentare este izolată de fluxul principal de aer al șasiului, protejând ventilatoarele unității de alimentare de interferența ventilatoarelor de sistem. Pentru beneficii maxime, canalul de circulare a aerului pentru unitatea de alimentare trebuie să aibă o rezistență scăzută.

Figura 2: proiectarea termică trebuie să ia în considerare direcția fluxului de aer din unitatea de alimentare și puterea relativă a ventilatoarelor din unitatea de alimentare și din sistem. (Sursa imaginii: Bel Power Solutions)

Puterea nominală de vârf în funcție de puterea nominală și reducerea sarcinii de funcționare

Reducerea sarcinii de funcționare este adesea diferită pentru puterea de vârf față de puterea nominală. Cerințele pentru puterea de vârf variază foarte mult, de la câteva milisecunde (ms) până la 10 secunde sau mai mult, și reprezintă un aspect important în multe sisteme industriale și medicale. Luați în considerare două serii de unități de alimentare de 600 de wați, optimizate pentru diferite vârfuri de putere: seria ABC601 de surse de alimentare c.a. - c.c. industriale și medicale de la Bel Power Solutions, care are o putere nominală maximă de 10 secunde, și seria VPS600, care are o putere nominală maximă de 1 ms.

Seria ABC601 oferă până la 600 wați de putere de ieșire reglată pe o gamă de tensiuni de intrare de la 85 la 305 volți curent alternativ (V_c.a.) în ieșiri individuale de 24, 28, 36 sau 48 volți curent continuu (V_c.c.). De exemplu, ABC601-1T48 are o ieșire de 48 V_c.c. Aceste unități de alimentare au o putere nominală continuă de 600 de wați sau o putere de vârf de până la 800 de wați timp de până la 10 secunde, la o temperatură de până la 60 °C, pentru modelele cu ventilator închis și montat în față (Figura 3). Acestea au o ieșire de alimentare de 5 V_c.c. în regim de așteptare, cu o putere nominală de 1,2 amperi (A) pentru modelele cu șasiu în formă de U și de 1,5 A pentru modelele cu ventilator montat în față, precum și o ieșire de 12 volți, 1 A pentru ventilator.

Figura 3: modelele de ventilatoare închise cu montare frontală din seria ABC601 furnizează 600 de wați de putere continuă (linia roșie de pe graficul de sus) sau până la 800 de wați timp de până la 10 secunde (linia roșie de pe graficul de jos) la o temperatură de până la 60 °C. (Sursa imaginii: Bel Power Solutions)

Seria ABC601 este disponibilă în două variante: șasiu cu ramă în formă de U sau închisă cu ventilator montat frontal (Figura 4). Seria ABC601 dispune de un circuit intern de partajare a curentului pentru funcționarea în paralel între unități pentru creșterea puterii totale.

Figura 4: unitățile de alimentare ABC601 sunt disponibile cu răcire prin ventilator (sus) sau prin convecție (jos). (Sursa imaginii: Bel Power Solutions)

Seria EOS Power VPS600 de unități de alimentare cu cadru deschis de la Bel Power Solutions oferă o gamă de intrare mai restrânsă, de la 85 la 264 V_c.a., și furnizează o putere de ieșire continuă de până la 600 de wați și o putere de vârf de 720 de wați timp de 1 ms (Figura 5). Aceste unități de alimentare sunt disponibile cu tensiuni de ieșire de 12, 15, 24, 30, 48 și 58 V_c.c.. De exemplu, VPS600-1048 are o ieșire de 48 V_c.c. Aceste unități includ o ieșire de alimentare de rezervă de 5 V_c.c., 500 miliamperi (mA) și o ieșire de 12 volți, 500 mA, pentru ventilator. În timp ce seria ABC601 este oferită cu două tipuri de capsulare, seria VPS600 este disponibilă în trei variante, cu puteri nominale diferite: canal în U răcit prin convecție, cu o putere nominală de 600 de wați, unități cu capac cu fante, cu o putere nominală de 420 de wați, și unități cu capac simplu, cu o putere nominală de 360 de wați.

Figura 5: seria VSP600 este disponibilă în trei configurații de capsulare cu puteri nominale diferite: unități de 600 de wați cu canal în U răcite prin convecție, unități de 420 de wați cu capac cu fantă și unități de 360 de wați cu capac simplu de 360 de wați. (Sursa imaginii: Bel Power Solutions)

Diferitele opțiuni de tensiune de ieșire și stiluri de capsulare au curbe de reducere a sarcinii de funcționare diferite. De exemplu, reducerea sarcinii de funcționare pentru unitățile de ieșire de 24 V _c.c. este:

• Cadru deschis
  • Încărcare prin convecție, 600 wați continuu până la 30 °C
• Capac cu fante
  • Încărcare prin convecție, 420 wați continuu până la 30 °C
• Capac simplu
  • Încărcare prin convecție, 360 wați continuu până la 30 °C
• Pentru toate stilurile de capace
  • Reducerea sarcinii de funcționare între 30 și 50 °C cu 0,833% per °C
  • Reducerea sarcinii de funcționare peste 50 °C cu 2,5% per °C până la un maxim de 70 °C.

Efectul tensiunii de intrare

Eficiența unității de alimentare poate fi redusă la tensiuni de intrare mai mici, ceea ce duce la reducerea puterii nominale de ieșire. De exemplu, sursele de alimentare c.a. - c.c. din seria ABE1200/MBE1200 furnizează 1200 de wați cu o intrare de la 180 la 305 V_c.a. și 1000 de wați cu o gamă de intrare de la 85 la 180 V_c.a. (Figura 6). Aceste valori nominale sunt cuprinse între 0 și 60 °C. La 70 °C, acestea își reduc liniar sarcina de funcționare, de la 1200 la 1100 wați și, respectiv, de la 1000 la 900 wați.

Figura 6: unitățile de alimentare ABE1200/MBE1200 furnizează 1200 de wați cu tensiuni de intrare de la 180 la 305 V_c.a. și 1000 de wați cu tensiuni de intrare de la 85 la 180 V_c.a. (Sursa imaginii: Bel Power Solutions)

Aceste unități de alimentare includ un control al vitezei ventilatorului pentru a minimiza zgomotul audibil atunci când nu este nevoie de un flux de aer maxim. Acestea sunt disponibile în trei capsule compatibile cu înălțimea de 1U, inclusiv un model închis cu două ventilatoare (numai modelele de 24 V_c.c.) și un șasiu în formă de U cu două opțiuni de capac de protecție (Figura 7).

Figura 7: unitățile de alimentare ABE1200 sunt disponibile cu ventilatoare duble (numai pentru modelele de 24 V_c.c.) și cu două variante de capace de protecție. (Sursa imaginii: Bel Power Solutions)

DIN este diferit

Unitățile de alimentare din seria LEN120 au o putere nominală de 120 de wați și sunt proiectate pentru montare pe șină DIN standard. De exemplu, LEN120-12 furnizează o ieșire de 12 V_c.c. pe intervale de tensiune de intrare nominală de la 90 până la 264 V_c.a. (universal) sau de la 127 până la 370 V_c.c. (Figura 9). Atunci când se reduce sarcina de funcționare pentru unitățile de alimentare pe șină DIN, fișele tehnice iau adesea în considerare simultan tensiunile de intrare și de ieșire, pe lângă temperatura de funcționare. Pentru seria LEN120:

• Toate modelele
  • De la -20 °C la -10 °C, cu o intrare nominală de 115 V_c.a., puterea de ieșire scade cu 2%/°C
  • De la -20 °C la -10 °C, cu o intrare nominală de 230 V_c.a., nu este necesară o reducere a sarcinii de funcționare
  • De la +40 °C la +60 °C, cu o intrare nominală de 115 V_c.a., puterea de ieșire scade cu 2,5%/°C
  • Pentru tensiuni de intrare cuprinse între 115 și 264 V_c.a. și între 162 și 370 V_c.c., nu este necesară reducerea sarcinii de funcționare
  • Pentru tensiuni de intrare cuprinse între 115 și 90 V_c.a. și între 162 și 127 V_c.c. (condiții de linie joasă), puterea de ieșire scade cu 1%/V
• Modelul LEN120-12 (ieșire de 12 V_c.c.)
  • De la +45 °C la +60 °C, cu o intrare nominală de 230 V_c.a., puterea de ieșire scade cu 3,33%/°C
• Modelele LEN120-24 și LEN120-48 (ieșire de 24 și, respectiv, 48 V_c.c.)
  • De la +50 °C la +60 °C, cu o intrare nominală de 230 V_c.a., puterea de ieșire scade cu 5%/°C

Figura 8: seria LEN120 a unităților de alimentare pe șină DIN are o putere nominală de 120 de wați și este răcită prin convecție. (Sursa imaginii: Bel Power Solutions)

Pași practici pentru o mai bună proiectare termică

După cum s-a arătat, integrarea unei unități de alimentare într-un sistem implică probleme complexe de proiectare termică. Există mai multe măsuri practice pe care proiectanții le pot aplica pentru a evita surprizele neplăcute:

• Producătorul PSU poate furniza informații detaliate despre relația dintre debitul de aer al ventilatorului și presiunea statică (curba P-Q), permițând proiectanților să știe la ce debit de aer să se aștepte dacă ventilatorul PSU va funcționa cu sau împotriva contrapresiunii interne din sistem.
• Unii producători de unități de alimentare pot furniza modele termice FlowTHERM ale unității de alimentare care pot fi utilizate în modelul general al sistemului pentru a evalua performanța termică a unității de alimentare și pentru a identifica eventualele probleme.
• Cereți producătorului unității de alimentare să revizuiască proiectul termic al unui sistem și să facă recomandări pentru analize suplimentare sau să confirme validitatea proiectului.

Concluzie

Există mai multe aspecte care trebuie luate în considerare atunci când se proiectează un sistem de gestionare termică al PSU-ului pentru aplicații medicale sau industriale. Printre acestea se numără fluxul de aer din sistem, impactul pe care îl pot avea ventilatoarele sistemului asupra performanțelor ventilatoarelor integrate în unitatea de alimentare, intervalul temperaturii de funcționare specificat, necesitatea de a susține furnizarea de vârfuri de putere și impactul pe care intervalul tensiunii de intrare îl poate avea asupra disipării de putere.

Pentru a ajuta la rezolvarea acestor probleme, proiectanții pot apela la modelele de unități de alimentare de la Bel Industrial Power care sunt optimizate pentru diferite medii termice și scenarii de aplicații. În plus, producătorii de unități de alimentare au la dispoziție instrumente de gestionare termică care pot ajuta la accelerarea procesului de proiectare.

Lectură recomandată

1. Selectarea unui ventilator