Kuinka valita oikean kokoinen lämmönpoistin korkeatehoisille kiinteän tilan releille (SSR) lämpövian ehkäisemiseksi

Johdanto: Miksi lämpö on kiinteän tilan releiden vihollinen

Korkeatehoisia kiinteän tilan releitä (SSR) käytetään laajalti teollisessa automaatiossa korkeavirtaisten lämmityselementtien, moottoreiden ja teollisuuskäyttöön tarkoitettujen valaistuskuormien ohjaukseen. Koska SSR:t eivät sisällä liikkuvia mekaanisia koskettimia, ne ovat vapaat mekaanisesta kulumasta. Niiden riippuvuus puolijohdevoitelaitteista (kuten thyristoreista, triaceista tai MOSFET:eistä) tuo kuitenkin mukanaan merkittävän fysikaalisen rajoituksen: sisäisen lämmön muodostuminen.

Käytön aikana pieni sisäinen eteenpäin suuntainen jännitehäviö (tyypillisesti 1,0–1,6 volttia) syntyy kiinteän tilan releen (SSR) puolijohdeyhdistelmän yli. Tämä jännitehäviö, kerrottuna laitteen läpi kulkevalla kuormavirralla, tuottaa lämpöä. Esimerkiksi 40 ampeerin kuorman kytkentään käytetty SSR voi tuottaa 40–60 watin lämpöä laitteen kotelon sisällä. Jos lämpöenergian hajottamiseksi ei ole riittävän tehokasta jäähdytyslevyä, sisäisen puolijohteisen yhdistelmän lämpötila nousee nopeasti yli sen enimmäisrajan (yleensä 125 °C). Tämä johtaa välittömään lämpökriisiin, jolloin SSR vaurioituu pysyvästi oikosulkutilaan. B2B-insinööreille ja ohjauspaneelien rakentajille oikean kokoisen jäähdytyslevyn valinta on ratkaisevan tärkeää järjestelmän kestävyyden ja turvallisuuden varmistamiseksi. Tässä oppaassa käydään läpi vaiheittain lämpölaskentaprosessi.

Lämpövastuksen fysiikka kiinteän tilan releiden (SSR) kokoonpanoissa

Oikean lämmönvaihtimen valitsemiseksi on ymmärrettävä lämpövastuksen käsite, jota merkitään symbolilla Rth ja joka mitataan asteikolla celsiusasteikkoa watteja kohden (°C/W). Lämpövastus kuvaa aineen tai kokoonpanon vastustusta lämmön kulkeutumiselle. Mitä pienempi Rth-arvo on, sitä helpommin lämpö kulkee, mikä johtaa parempaan jäähdytykseen.
SSR- ja lämmönvaihtimen kokoonpanossa lämmön on kuljettava kolmen pääasiallisen lämpövastuksen läpi ennen kuin se hajaantuu ympäröivään ilmakehään:

1. Liitoskohtaan–koteloan lämpövastus (Rth-jc): Tämä on vastus sisäisen puolijohdepiirin ja SSR:n metallisen takapinnan välillä. Tämä arvo määritetään valmistusprosessissa ja se ilmoitetaan SSR:n teknisessä tietolehdessä. DAQCN:n korkeatehoisissa SSR-laitteissa tätä arvoa pidetään erityisen alhaalla käyttämällä korkean lämmönjohtavuuden kuparipohjalevyjä.

2. Kotelon ja lämmönvaihtimen välinen lämmönsiirtovastus (Rth-cs): Tämä on vastus kiinteän tilalaitteen (SSR) metallisen takapuolen ja lämmönvaihtimen kiinnityspinnan välillä. Ilma on huono lämmönjohtaja, joten jopa mikroskooppiset ilmavälit kahden pinnan välillä voivat haitata lämmönsiirtoa. Tämän vastuksen minimoimiseksi on välttämätöntä käyttää ohutta kerrosta korkealaatuista lämpövoitelua tai lämpöpadiota.

3. Lämmönvaihtimen ja ympäristön välinen lämmönsiirtovastus (Rth-sa): Tämä on lämmönvaihtimen oma vastus ympäröivään ilmaan. Tätä arvoa on laskettava ja valittava lämmönvaihtimen hankinnassa.
Vaiheittainen opas lämmönvaihtimen lämmönsiirtovastuksen laskemiseen
Lämmönvaihtimen suurimman sallitun lämmönsiirtovastuksen (Rth-sa) määrittämiseksi käytä tätä insinöörilaskentakaavaa:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Tarkastellaan tässä kaavassa käytettyjä muuttujia yksitellen ja selitetään, miten niiden arvot saadaan:

Vaihe 1: Määritä suurin puolijohdepiirin liitoslämpötila (Tj)
Vaikka useimmat teho puolijohteet on luokiteltu maksimilämpötilalle Tj = 125 °C, laitteen käyttö sen absoluuttisella rajalla vähentää sen käyttöikää. Turvallisuuden ja pitkäaikaisen luotettavuuden varmistamiseksi insinöörit käyttävät yleensä turvallisuuskerrointa (derating-tekijää), jolla rajoitetaan suurin sallittu liitoslämpötila (Tj) 95 tai 100 asteeseen Celsius.

Vaihe 2: Määritä suurin ympäristölämpötila (Ta)
Tämä on korkein lämpötila sähköisen ohjauskaapin sisällä, johon kiinnitetään kiinteä tila -solid state rele (SSR). Huomaa, että teollisuuspaneelin sisälämpötila on usein huomattavasti korkeampi kuin tehdasrakennuksen ympäristölämpötila. Jos paneeli ei ole tuuletettu tai se sijaitsee lähellä muuta lämmön tuottavaa laitteistoa, oletetaan varovaisesti Ta-arvoksi 40–50 °C.

Vaihe 3: Laske tehon häviö (Pd)
Tehon häviäminen on kokonaismäärä lämpötehoa, jonka kiinteätilavastus (SSR) tuottaa, ja se mitataan watteina. Luotettava insinöörin käytännön sääntö standardien vaihtovirta-SSR:ien osalta on, että ne tuottavat noin 1,2 W lämpöä jokaista kuormavirta-ampereita kohden.
Pd = Kuormavirta (I) × 1,2
40 A:n kuormalle:
Pd = 40 × 1,2 = 48 W lämpöä.

Vaihe 4: Hae tekniset tiedot (Rth-jc ja Rth-cs)

• Rth-jc: Katso DAQCN-tuotteen teknistä esitettä. Tyypilliselle 40 A:n teollisuus-SSR:ille tämä on yleensä noin 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Jos korkealaatuista lämmönvaihtovoiteletta on käytetty asianmukaisesti, kotelon ja jäähdytyslevyn välinen lämmönvastus on erittäin pieni, yleensä noin 0,1 °C/W.
  

Vaihe 5: Suorita laskutoimitus
Käyttäen esimerkkiä 40 A:n kuormalle, turvallisuusvarmennetulla Tj-arvolla 95 °C ja laitekoteloissa vallitsevalla ympäristölämpötilalla Ta 45 °C:
Tj = 95 °C
Ta = 45 °C
Pd = 48 W
Rth-jc = 0,3 °C/W
Rth-cs = 0,1 °C/W
Rth-sa = ((95 - 45) / 48) - 0,3 - 0,1
Rth-sa = (50 / 48) - 0,4
Rth-sa = 1,04 - 0,4 = 0,64 °C/W
Jotta kiinteän tilan releen (SSR) liitoslämpötila pysyy alle 95 asteen Celsiusasteikolla, on valittava lämmönvaihtimen lämpövastusarvoltaan enintään 0,64 °C/W. Lämmönvaihdin, jonka lämpövastus on 0,5 °C/W tai 0,6 °C/W, olisi erinomainen ja turvallinen valinta tähän sovellukseen.
Käytännön tekijät, jotka on otettava huomioon lämmönvaihtimien valinnassa
Vaikka matemaattiset kaavat antavat tarkan perustan, useat käytännön tekijät voivat vaikuttaa lämmönvaihtimen suorituskykyyn, ja niitä on otettava huomioon suunnitteluprosessissa:

• Ilmavirtaus ja pakotettu konvektio: Lämmönvaihtimen lämmönsiirtovastusarvo ilmoitetaan yleensä luonnolliselle konvektiolle (paikallaan oleva ilma). Ilmanvaihtopuhaltimen käyttöönotto jÄÄNNYTÄJÄ kotelo sisällä parantaa huomattavasti lämmön poistoa, mikä vähentää lämmönvaihtimen tehollista lämmönsiirtovastusta jopa 50 prosenttia. Jos tila on rajallinen, pienempi lämmönvaihtimen ja pakotetun ilmavirran puhaltimen yhdistelmä on usein suositeltavampi vaihtoehto kuin suuri passiivinen lämmönvaihtin.
  
• Asennusasento: Lämmönvaihtimet perustuvat luonnollisiin konvektiovirtauksiin, joissa lämmin ilma nousee ylöspäin. Tehokkuuden maksimoimiseksi lämmönvaihtin tulee aina asentaa pystysuoraan niin, että jäähdytyslamellit ovat pystysuorassa. Vaakasuora asennus voi vähentää lämmönvaihtimen tehokkuutta 20–30 prosenttia.
  
• Kotelon ilmanvaihto: Lämmönvaihtin ei voi jäähdyttää kiinteää tilaa ohjaavaa releä (SSR), jos kuumaa ilmaa pidetään suljetussa koteloissa. Varmista, että ohjauskaappi on varustettu riittävillä ilmanvaihtoaukoilla, ilmanvaihtorakoilla tai aktiivisilla poistoilmapuhaltimilla, jotta sisäinen lämmin ilma voidaan vaihtaa viileämmän ulkoisen ilman kanssa.
  
• Esikokoel-tuotteiden hankinta: Suunnitteluriskin poistamiseksi ja kokoonpanoaika tehtaalla lyhentämiseksi B2B-tukkukaupat ja paneelirakentajat hankkivat usein valmiiksi testattuja ja valmistajan arvioimia yksikköitä, joissa SSR-kytkimet ja lämmönjakopinnat on yhdistetty yhdeksi kokonaisuudeksi.
  

Miksi DAQCN on luotettava kumppanisi lämmönhallintaratkaisuissa

DAQCN valmistaa laajan valikoiman korkeatehoisia kiinteätilaisia kytkimiä (SSR) ja niille soveltuvia alumiinisia lämmönjakopintoja, jotka on suunniteltu toimimaan vaativissa teollisuusympäristöissä. Meidän lämmönhallintaratkaisumme tarjoavat:

• Korkealaatuisten, puristettujen alumiinilämmönjakopintojen suuret siivipinnat, jotka mahdollistavat tehokkaan lämmönsiirron.
  
• Valmiiksi asennetut korkean lämmönjohtavuuden lämmönsiirtopadit SSR-kokoonpanoissamme, mikä poistaa käsityöllisen lämmönsiirtavoitelman epävarmuudet ja likaisuuden.
  
• Kaikille tuotteillemme saatavilla olevat täydelliset lämmöntaloudelliset tiedot, joiden avulla insinöörit voivat tehdä tarkkoja laskelmia ilman arvauksia.
  Olipa kyse yksittäisistä komponenteista tai integroiduista SSR-jäähdytyskoteloista, DAQCN varmistaa, että teollisuuslämmitys- ja moottorinohjausjärjestelmäsi pysyvät viileinä, tehokkaina ja luotettavina.
  

Johtopäätös: Teollisuusinvestointisi suojaaminen

Lämpötilan aiheuttama vika on johtava syy kiinteän tilan releen (SSR) vaurioitumiselle, mutta se on täysin estettävissä. Tarkalla laskennalla vaadittu jäähdytyskotelon lämmönvastus, korkealaatuisten lämmönsiirtomateriaalien käyttö sekä riittävä ilmavirta mahdollistavat B2B-insinöörien taata järjestelmänsä pitkäaikaisen luotettavuuden. Erityisasiantuntijatoimittajan, kuten DAQCN:n, kanssa yhteistyössä pääsee käsiksi korkean suorituskyvyn komponentteihin ja tekniseen asiantuntemukseen, joiden avulla lämpötilan aiheuttamat viat voidaan poistaa kokonaan.