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机柜环境控制:如何设计机柜的冷却与通风系统?
2021-10-26
 风电机组电气控制柜实现了整个机组的系统配电、监测与控制,机柜内安装了大量的电气部件,在其运行时会产生热量,电气部件是对温度比较敏感的部件,为确保这些部件运行在允许的温度范围,就需要对机柜的环境进行控制,设计出满足柜内环境要求的散热与通风系统。

最优机柜风扇配置和布局


所有的通风风扇系统都应该包含一个进气和一个排气的配置选项,它们可以是风扇或通风孔。

在理想的设置中,应在机柜顶部附近安装一个风扇,用于排出空气,在机柜底部附近安装一个风扇,用于推入空气。机柜内电气部件会导致空气升温。由于自然对流,密度低于冷空气的暖空气将自行上升。高效的风扇系统有助于加速自然对流,快速排出机柜顶部的热空气,同时将底部的冷空气推入。


只含有一个风扇的机柜风扇系统,应该把它配置成机柜顶部排出热空气。机柜上的其他位置必须有通风孔,最好朝向底部,作为进气口。使用风扇排出空气将导致机柜内出现负压或压力降低。由于空气自然地从高压区域流向低压区域,外部空气将从通风孔流入机柜。

对于设计拙劣的系统,包括设置有一个或多个风扇进气,但没有任何风扇或通风孔作为排气口,这种设计的散热效率最低。

上面几张图显示了在不同的风扇和通风配置下,其工作效率差异非常大。因此在具体机柜散热冷却和通风设计时,可以根据实际机柜的空间位置、防护等级、成本因素等,设计出最优配置的系统。

机柜冷却所需风量的计算


机柜冷却所需风力的计算需要我们考虑各种因素的影响,主要考虑的因素为机柜内温度、柜外温度、机柜自身柜壁自然散热能力、机柜内发热功率、海拔高度等因素。充分考虑这些因素并确定准确参数才能计算出最佳匹配的风扇风量。

机柜自身通过柜壁具有一定的散热能力,当其自身的散热能力不能满足柜内元器件的温度要求世,就必须通过强制散热方式来确保控制柜内部温度在允许的温度范围之内。通常的强制散热方案有风扇、工业空调、热交换器。对于国内风电行业,绝大部分区域采用风扇即可满足散热需求。因此我们主要考虑风扇方案的设计。

下面我们对机柜冷却风量进行计算,并介绍用到的风量计算方程。

首先计算控制柜自身的散热功率:




我们根据以上公式和实际运行设计的各种参数,就可以准确计算出所需的风量。

机柜风扇配置选型和安装布局



计算出准确的风量需求后,我们就可以根据机柜的结构尺寸、实际所选品牌风扇的规格、成本大小、机柜防护等级要求等,确定最终的风扇数量和安装位置。



风扇的选型可以根据风量和风压,参考风扇的特性曲线确定风扇的型号,使得风扇工作在效率最高点处,既增加了风机的寿命又提高了设备的通风效率。

风压即风扇能够令出风口与入风口之间产生的压强差,风量和风压是两个相对的概念。一般来说,要设计风扇风量大,就要牺牲一些风压。



注意事项

风扇冷却方式的优点是成本低,缺点是容易把柜外的粉尘、腐蚀性气体等有害物质带入柜内,可能对柜内元件造成损害,因此这用冷却方式对应用场所有一定要求,并改进柜子的通风通道,比如过滤网。

风冷有两种形式,向内鼓风冷却和向外抽风冷却。

鼓风冷却特点是风压大,风量集成,适用于柜内热量分布不均匀,风阻较大而元件较多的情况

抽风冷却特点是风量大,风压小,风量分布比较均匀,在风冷中应用更广泛。

对于风电行业的控制柜,其柜内元件分布相对均匀,风阻不是很大,因此,采用鼓风和抽风都可以满足冷却和通风需求。
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