Kontrola temperatury w szafach sterowniczych

Stopień zaawansowania współczesnej automatyki sprawia, że zwiększa się ilość umieszczanych urządzeń w szafach sterowniczych. Ma to związek zarówno z rozwojem, jak i z dążeniem do optymalizacji przestrzeni przeznaczonej na elementy sterownicze. Nowoczesne urządzenia stosowane w szafach sterowniczych w głównej mierze opierają się na układach elektronicznych, które są coraz lepszej jakości, co sprawia, że są bardzo dokładne i precyzyjne w działaniu, ale jednocześnie są też bardziej wrażliwe na warunki zewnętrzne. Najczęstszą przyczyną nieprawidłowego działania urządzeń elektrycznych jest niewłaściwa temperatura otoczenia. Niezwykle ważne jest utrzymanie odpowiedniej temperatury w szafach sterowniczych.

Każde urządzenie pracujące i podłączone do prądu emituje ciepło, co może powodować problemy z kontrolowaniem temperatury. Ze względu na upakowanie w ograniczonej przestrzeni, jaką jest szafa sterownicza dużej ilości urządzeń bardzo ważne jest zachowanie odpowiednich warunków w jej wnętrzu.

Zbyt wysoka temperatura sprawia, że urządzenia nie działają prawidłowo. W niewłaściwych warunkach spada żywotność układów i często dochodzi do awarii lub ich uszkodzenia. Natomiast zbyt niska temperatura może powodować nagromadzenie się kondensatu, co również przynosi skutki w postaci awarii i nieprawidłowego działania.

Już na etapie projektu szafy czy rozdzielni należy ocenić ryzyko przegrzewania się poszczególnych komponentów. Należy wziąć pod uwagę wiele czynników: ilość komponentów, które będą umieszczone wewnątrz i ich moc, a także to, czy będą stać na zewnątrz czy wewnątrz budynku. Konieczne jest też ustalenie, czy będzie to samodzielna szafa czy też w zabudowie szeregowej, a także czy przylega ona do ściany. Ważne jest też określenie temperatury otoczenia i temperatury, jaka ma panować wewnątrz szafy. Jak widać, na temperaturę w szafie ma wpływ duża liczba elementów. Wielu producentów udostępnia intuicyjne aplikacje komputerowe lub tabele, według których można odpowiednio ją dopasować.

Chłodzenie

Jedną z najprostszych metod regulacji temperatury jest zastosowanie wentylatorów filtrujących. W dużej ilości przypadków taki sposób usuwania nadmiaru ciepła z wnętrza obudowy jest wystarczający. Ciepło jest odprowadzane z wykorzystaniem naturalnej konwekcji - powietrze wtłaczane przez wentylator znajdujący się w dolnej części urządzenia ogrzewa się wewnątrz, a tym samym staje się lżejsze i zostaje odprowadzone przez kratkę, która znajduje się w górnej części szafy sterowniczej.

Zarówno wentylatory, jak i kratki wyposażone są w wymienne filtry, zabezpieczające urządzenia znajdujące się w obudowie przed pyłem i kurzem oraz innymi zanieczyszczeniami, które mogą się pojawić w zakładzie produkcyjnym. Możliwy jest także odwrotny montaż, w którym wentylator umieszczony u góry wydmuchuje ciepłe powietrze znajdujące się w szafie. Wytworzone w ten sposób niewielkie podciśnienie powoduje wciąganie powietrza przez pasywną kratkę umieszczoną u dołu. Mechanizm ten jest wykorzystywany także w wentylatorach dachowych. W każdym z opisanych przypadków do uzyskania efektu chłodzenia konieczne jest więc, aby powietrze na zewnątrz obudowy było chłodniejsze niż to znajdujące się wewnątrz.

Urządzenie wentylacyjne dobieramy uwzględniając temperaturę, jaką chcemy utrzymywać, straty mocy cieplnej, wielkość szafy oraz temperaturę otoczenia. Odpowiednio dobrany wentylator odprowadza zakładane straty ciepła przy zachowaniu ustalonej maksymalnej temperatury wewnątrz obudowy. Producenci zalecają dobór wentylatora o wydajności większej o około 20% stosunku do kalkulacji. Pozwala to na uwzględnienie zabrudzenia maty filtracyjnej w wentylatorze, spowodowanym zanieczyszczeniem powietrza otoczenia. Istnieje prosty wzór zalecany przez producentów wentylatorów, który pomoże dobrać odpowiednie urządzenie.

gdzie:

V - wydajność w m³/h
DT - różnica temperatur pomiędzy maks. dopuszczalną temperaturą wewnątrz obudowy a temperaturą otoczenia w °C
Q - ilość ciepła wytwarzanego wewnątrz szafy w W (straty mocy)

Jednym z wiodących producentów wentylatorów jest firma Alfa Electric. Urządzenia z serii ATV charakteryzują się dużą wydajnością i łatwą eksploatacją. Mają też możliwość szybkiego odwrócenia kierunku przepływu powietrza.

Klimatyzacja

Zupełnie odrębną metodą utrzymywania odpowiedniej temperatury w szafach jest stosowanie klimatyzacji. Klimatyzatory stosujemy wtedy, gdy mamy bardzo dużą wartość ciepła generowanego wewnątrz szafy. Zwykle najwięcej ciepła generują falowniki, zasilacze i transformatory. Klimatyzacja jest konieczna też w przypadku, gdy temperatura otoczenia jest względnie wysoka oraz gdy nie wystarcza stosowanie wentylatorów. Klimatyzację stosuje się również w przypadku dużego zapylenia otoczenia.

Klimatyzatory działają na zasadzie zamkniętego obiegu powietrza i skutecznie zapobiegają gromadzeniu się ciepła w szafie. Dzięki zastosowaniu wymienników zamontowanych na zewnątrz szafy, które nagrzewają się i przejmują energię cieplną z urządzeń zamontowanych wewnątrz, możliwe jest odprowadzanie ciepła. Czynnik chłodniczy oddaje odebrane ciepło poprzez zasysanie nagrzanego powietrza przez kanał wlotowy klimatyzatora, który je schładza. Po schłodzeniu wdmuchuje je z dużą prędkością do szafy, tym samym wymuszając obieg powietrza wewnątrz schładzając urządzenia w niej pracujące.

Urządzenie klimatyzacyjne i moc chłodniczą dobieramy, podobnie jak w przypadku wentylacji, biorąc pod uwagę kilka czynników. Potrzebne są następujące dane: ilość generowanego ciepła wewnątrz szafy przez urządzenia (moc oraz ilość zasilaczy falowników, itd.), wymiary szafy, dostępne napięcie zasilana urządzenia, oraz temperatura zarówno otoczenia, jak i ta oczekiwana wewnątrz szafy. Producenci urządzeń klimatyzacyjnych udostępniają gotowe kalkulatory, na podstawie których można dokonać obliczeń mocy klimatyzatora.

Dodatkową zaletą używania klimatyzatorów jest także osuszanie powietrza wewnątrz obudowy. Część wilgoci zawartej w powietrzu wewnątrz szafy kondensuje się w wewnętrznym wymienniku ciepła (tzw. parowniku). Kondensat jest bezpiecznie odprowadzany przez odpływ na zewnątrz szafy. Ilość kondensatu zależy w głównej mierze od temperatury powietrza i jego względnej wilgotności oraz od wielkości i objętości szafy sterowniczej.

Na rynku jest dostępnych wiele rodzajów klimatyzatorów, które różnią się m.in. mocą lub miejscem ich montażu. Możemy rozróżnić: klimatyzatory naścienne, naścienne SLIM (chowane do wnętrza szafy), naścienne inwerterowe o wysokim współczynniku energooszczędności oraz klimatyzatory dachowe. Najpopularniejsze klimatyzatory stosowane do kontroli temperatury w szafach i obudowach to klimatyzatory naścienne. Jednym z czołowych producentów specjalizujących się w produkcji klimatyzatorów jest firma Cosmotec Stulz. Charakteryzują się one prostym montażem i są bezobsługowe. Dla bardziej wymagających aplikacji do stosowania na zewnątrz, gdzie klimatyzatory mogą być narażone na działanie czynników atmosferycznych, są dedykowane klimatyzatory OUTDOOR.

Grzanie

Oprócz zagrożenia dla działania podzespołów elektrycznych i elektronicznych spowodowanych przegrzaniem istnieje zagrożenie zbyt niskiej temperatury. W takim wypadku należy podnosić temperaturę w celu uniknięcia wilgoci oraz ochrony przed mrozem. Nie można też dopuścić, aby kondensat osadzał się na urządzeniach wewnątrz szafy sterowniczej. Do podnoszenia temperatury w obudowach są przeznaczone grzałki. Ważne jest to, gdzie grzałka będzie zamontowana. Specjaliści są zgodni co do tego, by montować ją w części podłogowej. Ma to istotne znaczenie dla równomiernego rozkładu temperatury wewnątrz obudowy, a tym samym zwiększenia skuteczności jej działania. Nowoczesna technologia, która jest obecnie stosowana – PCT – umożliwia osiągnięcie maksymalnej temperatury powierzchni grzałki przy jednoczesnej redukcji poboru prądu. Grzałka zawsze działa z termostatem, który jest jej elementem sterującym. Dzięki termostatowi można zaprogramować optymalną temperaturę (uwzględniając wszystkie czynniki zewnętrzne), przy której grzejnik będzie załączany, a także automatycznie wyłączany, gdy temperatura będzie odpowiednio wyższa. Takie rozwiązanie sprawia, że grzałka działa tylko wtedy, gdy jest to konieczne. Tym samym można osiągnąć optymalną temperaturę przy zachowaniu energooszczędności. Przy projektowaniu systemu należy wziąć pod uwagę czynniki zewnętrzne i oczywiście wielkość szafy sterowniczej. Na rynku dostępna jest bardzo szeroka gama grzałek, które różnią się między sobą mocą i powierzchnią grzania. Są dostępne też grzałki kompaktowe oraz super cienkie idealne do stosowanie w obudowach gdzie jest mało miejsca. Jeśli z kolei potrzebna jest duża moc grzewcza, z pomocą przychodzą dmuchawy grzewcze, które dzięki swoim wbudowanym wentylatorom nie tylko umożliwiają wprowadzenie wyższej mocy grzewczej, lecz także poprawiają równomierność rozkładu temperatury.

Ważne

W zależności od urządzenia, które wybraliśmy, jego montaż jest różny. Aby zapewnić prawidłowe działanie, należy się stosować do wskazówek producenta i ogólnych zasad bezpieczeństwa. Proste urządzenia chłodnicze należy montować w odstępie minimum 200 mm od ściany szafy oraz innych elementów. Zalecane jest, by przepływ chłodnego powietrza odbywał się w kierunku od dołu do góry, oraz by nie był skierowany bezpośrednio na pracujące urządzenia wewnątrz szafy. Nie należy dopuścić do szoku termicznego, ponieważ mogłoby to zakłócić ich funkcjonowanie, a zimniejsze powietrze powinno swobodnie krążyć wokół zamontowanych urządzeń. Wnętrze szafy należy też oczyścić ze wszystkich zbędnych ruchomych elementów (np. dokumentacja musi być umieszczona w specjalnie do tego przeznaczonej kieszeni).

Aby zapewnić odpowiednią temperaturę pracy urządzeń grzewczych czy też chłodzących należy umieścić w szafie sterowniczej termostat. Termostat jest prostym i łatwym w obsłudze urządzeniem, które pozwoli na kontrolę temperatury wewnątrz szafy. Termostaty występują w kilku wersjach: dla urządzeń chłodzących (np. wentylatory) lub dla urządzeń grzewczych (grzałki), a także w wersji podwójnej (dla ogrzewaczy i wentylatorów bądź dwóch urządzeń chłodzących). Dzięki nastawieniu wartości granicznej temperatury termostat załącza kontrolowane urządzenie w odpowiednich momentach. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenie grzewcze czy też chłodzące nie musi pracować cały czas, a tym samym oszczędza się pobór energii elektrycznej.

Przegrzanie komponentów wewnątrz obudowy może obniżyć ich sprawność o 30 % i powodować nieprawidłową pracę. Zbyt wysoka temperatura powoduje też częste awarie urządzeń oraz skraca ich żywotność. Dlatego ważne jest dobrze dobrane urządzenie do utrzymywania odpowiedniej temperatury w obudowie. Firmy produkujące sprzęt do kontroli temperatury w szafach sterowniczych i rozdzielniach cały czas usprawniają swoje urządzenia, tak aby proces chłodzenia czy też grzania był bardziej efektywny i energooszczędny.

www.astat.pl

źródło: Astat