Hőmérsékletszabályozás villamos berendezésekben

2008/9. lapszám | Hornyák Tamás Horváth Gábor |  5738 |

Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A mindennapi élet során számos esetben mérjük és rögzítjük a hőmérséklet- és páratartalom értékeket, de vajon megtesszük-e ezt hasonló módon a villamos berendezéseink esetében is? A hőmérséklet az egyik legveszélyesebb és legpusztítóbb „károkozó” té...

A mindennapi élet során számos esetben mérjük és rögzítjük a hőmérséklet- és páratartalom értékeket, de vajon megtesszük-e ezt hasonló módon a villamos berendezéseink esetében is?

A hőmérséklet az egyik legveszélyesebb és legpusztítóbb „károkozó” tényező lehet villamos berendezéseink számára. A nem megfelelő hőmérséklet következményeként jelentősen lecsökkenhet a villamos készülék, illetve a benne lévő villamos egységek, alkatrészek élettartama.

A legtöbb fém ellenállása a hőmérséklet emelkedésével növekszik (pozitív hőmérsékleti együttható), amely további teljesítménycsökkenéshez vezethet.
Drasztikus esetekben a megváltozott hőmérséklet tűz kialakulását, illetve robbanást is kiválthat. Ahhoz, hogy a fentebb említett jelenségeket elkerüljük, hőmérséklet szabályozó eszközök, berendezések alkalmazása válik szükségessé.

Vegyünk először néhány alapelvet és példát!
Az elosztóberendezésben elhelyezett villamos készülékek, illetve villamos vezető anyagok hőenergiát termelnek, illetve hőt adnak le. Ennek a jelenségnek lehet az eredménye például a rövidebb élettartam. Joule törvénye szerint a töltéshordozók elmozdulásakor az áram „folyásának” hatására hő keletkezik. A keletkezett hő teljesítménye a következő szerint számolható: P = R*I2 (Watt).
Az az energia, amely hővé alakul a folyamat során: Hőenergia = U*I*t vagy Hőenergia = R*I2*t.

Például R = 50 Ohm, I = 10 Amper, t = 40 perc. Ez egyenlő a következőkkel: 50*102*40/60 = 3333 Wh, i.e. 2867kcal.
Mit is jelent ez pontosan?
Az 1. ábrából kiderül, hogy adott elektronikai alkatrész élettartama hogyan csökken a hőmérséklet változás függvényében. Alapesetben, a példában vett kondenzátor élettartama 25 év 20 ºC hőmérsékletet feltételezve, míg 55 ºC esetében ez lecsökken 4 évre (a megadott hőmérsékletértékek a környezeti hőmérsékletre vonatkoznak)!

1. ábra

A megnövekedett hőmérséklet azonban nemcsak az elektronikai alkatrészeket károsítja, hanem a villamos vezetőkre is kedvezőtlen hatással van. A magas hőmérséklet hatására a rézcsatlakozások, illetve a sínek hamarabb és nagyobb mértékben oxidálódnak, amely további ellenállásnövekedést eredményez és ez nem várt hőmérséklet-emelkedést okoz (disszipációs teljesítmény: P dissipated power = R*I2). Ez pedig a rendelkezésre álló hatásos telhesítményt lecsökkenti.

Összegezve tehát az eddig leírtakat:
Az elektromos, elektronikus elemeket, rendszereket tartalmazó berendezések ipari környezetben, az esetenként fellépő magas hőmérséklet miatt nagy kockázatnak vannak kitéve. Ennek megfelelően nagy hangsúlyt kell fektetni a hőmérséklet szabályozás kérdéskörére. A következőkben e témakörre keresünk megoldásokat.

Az előzőekben leírtakból következik, hogy célunk a kapcsolószekrény belső hőmérsékletének csökkentése a biztonságos és optimális működés érdekében.
Ennek megvalósítására tekintsünk át néhány megoldást!

1. Növelhetjük az elosztószekrényünk méreteit, mivel a nagyobb felületen jobban eloszlik a hő, ezáltal javul a hőleadás: jó tudni azonban, hogy ez igen költséges megoldás (2. ábra)!

2. Biztosítsunk természetes szellőzést: ez védőrács-, illetve tetőkivágások alkalmazását jelenti az elosztószekényen. A megfelelő légáramlás eléréséhez a felső nyílás keresztmetszete 10%-kal nagyobb kell, hogy legyen, mint az alsóé (3. ábra).

Ebben az esetben szinte többletberuházás nélkül biztosíthatunk hosszabb élettartamot a berendezésünknek. Alkalmazzunk olyan nyílásokat, amelyek az IP-védettséget fenntartják (IP54, IP55).

3. Amennyiben a természetes légáramlás már nem elegendő, mesterséges szellőztetés alkalmazása szükséges. Ezt ventilátor (ok) beépítésével valósíthatjuk meg. Általában a belső beépítésű, beszívó ventilátorokat alkalmaznak erre a célra.

A ventilátorok felhasználásának további előnye az egyenletesebb belső hőmérséklet biztosítása (4. ábra).

4. ábra

Mikor és hol használjuk ezt a megoldást ? Természetesen akkor, amikor a külső hőmérséklet alacsonyabb, mint a belső. Nem ajánlott viszont a használata olyan ipari környezetben, ahol a külső levegő jelentősen „szennyezett” (például szennyvíztelep, festékgyár).

A megfelelő IP-védettség fenntartása érdekében (IP54, IP43) viszont szűrők beépítése válhat szükségessé. A szűrőbetétek rendszeres „karbantartást” igényelnek, mivel a koszos szűrők csökkentik a légáteresztő képességet.

Gyakorlati tapasztalatok alapján az elosztószekrényben akkor érhetjük el a megfelelő hőmérsékletet, ha olyan kapacitású ventilátort választunk, amely óránként 40-60-szor megcseréli a levegőt.

4. Hőcserélők használata
A hőcserélők olyan eszközök, amelyeknél egy közvetítő közeg biztosítja az egymástól elválasztott, különböző hőmérsékletű anyagok közötti hőátadást. Ennek alkalmazásakor a szekrény belső levegőjének a lehűtését a külső levegő vagy egy folyadék, mint hűtőközeg biztosítja (5. ábra).

Használatuk olyan helyeken célszerű, ahol a külső levegő erősen szennyezett (pl. poros környezet).

5. ábra

Mikor és hol használjuk a hőcserélőket? Ezt először is a hőcserélő fajtája határozza meg.

I. Levegő/levegő
• Levevő/levegő hőcserélő alkalmazása akkor célszerű, ha a külső levegő hőmérséklete legalább 5 °C-kal alacsonyabb, mint a belső levegőé.
• A külső és a belső levegő egymástól teljesen elkülönítve - nagyteljesítményű ventilátorok alkalmazásával - ellenáramban haladnak át a hőcserélő kazettán. Így valósul meg az optimális hőleadás. A szekrény IP-védettsége biztosított.

II. Levegő/víz
• Levegő/víz hőcserélők használata akkor kerül előtérbe, ha kis térfogatban nagy hőterhelések elvezetése szükséges.
• Levegő/víz hőcserélő különöses hatásos kis térfogatban nagy hőterhelések elvezetésére.  
• A hőcserélők kívánt teljesítménye a belépő víz hőmérsékletének és nyomásának változtatásával érhető el.

5. Légkondicionáló berendezések alkalmazása
A kapcsolószekrények optimális belső hőmérsékletének biztosításához a legjobb megoldás a klímaberendezés alkalmazása. Az állítás mellett a következő indokok sorakoztathatók fel.
• A megoldás a külső hőmérséklettől független
• A külső és a belső levegő egymással nem érintkezik
• A légkondicionáló berendezés páramentesíti az elosztószekrényt (maximálisan lecsökkenti a levegő pára-, ill. víztartalmát).

Hely szerint két „típusmegoldást” különböztetünk, amely jelen esetben helytől függő:
• Amennyiben a villamos elosztótér nem része az „ipari” környezetnek, költségtakarékosabb megoldást jelenthet a teljes helyiség klimatizálása (ennek racionalitása természetesen a helyiség méretétől is függ). Ennek előnye, hogy a helyiségban lévő minden villamos berendezés azonos hőmérsékleten működik.
Hátránya viszont, hogy nincs kontrollunk a berendezés páratartalma felett, illetve egy-egy nagyobb teljesítményű pl.: frekvenciaváltós szekrény könnyen túlmelegedhet. Ajánlott energia elosztási szekrényeknél!

• Második esetben az ipari környezeten belül lévő szekrényekre koncentrálunk, ahol elengedhetetlen a berendezésen belül elhelyezett „helyi” klímák alkalmazása. Ezek a beépítés helyétől függően lehetnek tető- illetve oldalfali klímaberendezések. Az ilyen klímaberendezések akár 55 ○C környezeti hőmérséklet mellett is biztosítják az optimális, esetenként a környezeti hőmérsékletnél jóval alacsonyabb belső hőmérsékletet.

Alapelvét tekintve minden klímaberendezés azonos, működésük nagyban hasonlítható a hűtőgépekéhez. Azaz, az egyik oldalon a hőt von el, átadja egy hőhordozónak (hűtőközeg), és a másik oldalon a hűtőközeg leadja a hőt a levegőnek, így alkot egy körfolyamatot. Mindig figyeljünk a minél zavarásmentesebb légáram útra!! A klímaberendezések megfelelő szabályzóegységgel rendelkeznek, melyek egy esetlegesen fellépő hiba esetén riasztást indítanak.

6. Fűtőellenállások használata
Víz védett kapcsolószekrény (>=IP54) belső hőmérsékletének változtatásával a relatív légnedvesség is megváltozik, míg a vízpára mennyisége megmarad.

A fűtőellenállás beépítésének két célja van:
• a kondenzáció kialakulásának megakadályozása a villamos és elektronikus alkatrészeken a relatív páratartalom lecsökkenésekor,
• az elektronikus alkatrészek számára az elfogadható üzemi hőmérsékleti határérték biztosítása. A hirtelen hőmérsékletváltozások súlyosan veszélyeztetik az elektronikus alkatrészeket.

Egyes gyártóknál megtalálhatók olyan fűtőellenállások, amelyekben beépített ventilátor biztosítja a jobb hőáramlatot és az egyenletesebb belső hőmérsékletet, ezzel sokkal hatásosabban csökkenthető a kondenzáció.

A fűtőellenállások használata – hasonlóan a ventilátorokéhoz – legtöbb esetben szabályozókészülékek beiktatásával történik.

7. Szabályozókészülékek
A kapcsolószekrények esetében a megfelelő hőmérséklet biztosítása érdekében szükség lehet szabályozókészülékek alkalmazására is.
A berendezések alkalmazására a következő céllal kerülhet sor:
• fűtés bekapcsolása akkor, amikor a hőmérséklet a minimum érték alá csökkenés,
• hőmérséklet túllépés esetén a ventillátor elindítása,
• fűtés mellett az egyenletesebb hőmérséklet biztosítása, pl. kondenzáció megakadályozása,
• a fűtés és a mesterséges szellőzés együttes megvalósítása.

Összefoglalás
A kapcsolószekrények tervezésénél nagy hangsúlyt kell fordítani, a három alapkérdésre:
o beépített teljesítmény (disszipált teljesítmény),
o a szekrényben lévő elektronikai eszközök elhelyezése,
o a működéshez szükséges optimális hőmérséklet biztosítása.
Ezek számításához használjunk rendszerkatalógust, illetve rendszerelemző szoftvereket!

---