Как рассчитать и организовать вентиляцию и охлаждение внутри шкафа управления

Расчет тепловыделения и вентиляции шкафа

Расчет вентиляции шкафа управления начинают с тепловых потерь оборудования, температуры окружающей среды, допустимой температуры внутри корпуса и способа монтажа шкафа.

1. Рассчитать тепловые потери оборудования

   Тепловыделение компонентов в электрощите считают по паспортам и руководствам производителей: складывают потери блоков питания, контроллеров, реле, автоматов, частотных преобразователей и другой аппаратуры.

   P_t = P₁ + P₂ + … + P_n

2. Определить допустимую температуру внутри шкафа

   Значение выбирают по самому чувствительному компоненту, а не по среднему диапазону всей аппаратуры.

   T_i = T_max самого чувствительного устройства

3. Задать максимальную температуру окружающей среды

   Для расчета берут не среднюю температуру, а максимум в зоне установки шкафа: в цехе, на улице или рядом с источником тепла.

   T_a = T_max окружающей среды

4. Рассчитать температурный запас

   Чем меньше разница между температурой внутри и снаружи, тем сложнее отводить тепло вентиляцией.

   ΔT = T_i − T_a

5. Определить эффективную площадь поверхности шкафа

   Площадь считают с учетом типа монтажа: отдельно стоящий шкаф, шкаф у стены или корпус в линейке отдают тепло по-разному.

   Пример для отдельно стоящего шкафа:

   A = 1,8 × H × (W + D) + 1,4 × W × D

6. Оценить естественный теплоотвод через корпус

   Этот шаг показывает, сколько тепла шкаф может отвести через стенки без вентилятора или кондиционера.

   P_c = k × A × ΔT

7. Рассчитать избыточную тепловую нагрузку

   Если тепловые потери оборудования выше естественного теплоотвода корпуса, остаток нужно отводить принудительно.

   P_a = P_t − P_c

8. Рассчитать требуемый расход воздуха

   Для фильтрующей вентиляции предварительный расход воздуха считают по избыточной тепловой нагрузке и температурному запасу.

   V = 3,1 × P_a / ΔT

9. Выбрать тип климатического решения

   Если после расчета остается избыточная тепловая нагрузка, способ отвода тепла выбирают по ΔT и условиям среды. При положительном температурном запасе можно переходить к подбору фильтровентиляции, а при нулевом или отрицательном ΔT, высокой запыленности, влажности или масляном тумане — к закрытому охлаждению.

10. Проверить компоновку и заложить запас

    Расчетный поток должен проходить через зоны максимального нагрева, а не обходить их по свободному пространству. При подборе вентилятора учитывают фильтры, решетки, загрязнение матов и плотность монтажа.

Принудительная фильтрующая вентиляция

Фильтрующую вентиляцию применяют, если наружный воздух холоднее допустимой температуры внутри шкафа и его можно подавать в корпус после очистки. В этом случае устанавливают вентилятор с фильтром для шкафа управления и выпускной фильтр или решетку.

Типовая схема направления воздушных потоков в электрощите — приток снизу, выход нагретого воздуха сверху. Чтобы поток не замыкался между входом и выходом, элементы разносят по высоте и, по возможности, по диагонали.

Поток направляют компоновкой:

• горячие устройства размещают на пути движения воздуха;
• вокруг радиаторов и воздухозаборов оставляют зазоры по инструкции производителя;
• кабельные каналы не ставят вплотную к зонам обдува;
• при застойных зонах добавляют внутренние вентиляторы.

Вентилятор нельзя выбирать только по расчетному расходу воздуха, так как он работает не в идеальных условиях. На фактический воздухообмен влияют сопротивление приточного фильтра, размер выпускной решетки, загрязнение фильтрующего мата, кабельные каналы и плотность компоновки.

Поэтому приточный и выпускной элементы подбирают как комплект. Если выпускной фильтр пропускает меньше воздуха, чем требуется по расчету, давление внутри шкафа растет, а воздухообмен снижается. Фильтры размещают так, чтобы их можно было регулярно менять.

Когда нужен кондиционер или закрытая система охлаждения

Вентилятор не охлаждает воздух, а только заменяет нагретый воздух внутри шкафа наружным. Поэтому фильтровентиляция не справляется, если температура в цехе близка к допустимой температуре внутри корпуса или выше нее. Также она не подходит при высокой запыленности, влажности, масляном тумане, агрессивных примесях и строгих требованиях к классу защиты.

В этих случаях используют промышленный кондиционер для электротехнического шкафа, воздухо-воздушный или воздушно-водяной теплообменник для электрощитов.

Расчет мощности охлаждения кондиционера для щита выполняют по тепловой нагрузке:

Q_конд = P_t − P_c

Где Q_конд — требуемая холодопроизводительность, P_t — суммарные тепловые потери оборудования, P_c — тепло, которое корпус отдает через стенки.

Если температура снаружи выше требуемой температуры внутри шкафа, корпус получает тепло извне. Тогда этот теплоприток добавляют к нагрузке. Для уличных шкафов также учитывают солнечный нагрев.

При температуре окружающей среды до +55 °C выбирают кондиционер или теплообменник, рассчитанный на такой диапазон. Дополнительно проверяют приток воздуха к наружному контуру и исключают рециркуляцию горячего воздуха около агрегата.

Влажность, конденсат и обогрев

Конденсат в шкафу управления образуется, когда стенка корпуса, клемма или электронный модуль становятся холоднее точки росы. Такая проблема характерна для уличных шкафов, неотапливаемых помещений и объектов с резкими суточными перепадами температуры.

Для защиты электроники используют гигростат, термостат и антиконденсатный нагреватель. Совместную работу настраивают так, чтобы обогрев включался при риске конденсации, но не перегревал шкаф и не конфликтовал с охлаждением.

При настройке учитывают несколько правил:

• Не включать нагреватель постоянно. Без управления он может перегревать шкаф и мешать работе вентилятора или кондиционера.
• Использовать гигростат как сигнал по влажности. Он включает антиконденсатный обогрев, когда влажность внутри корпуса поднимается до заданного значения.
• Использовать термостат как температурное ограничение. Он отключает нагрев при достижении заданной температуры или блокирует его, если внутри шкафа уже достаточно тепло.
• Разнести уставки нагрева и охлаждения. Между ними оставляют нейтральный диапазон, чтобы нагреватель и кондиционер не работали одновременно.
• Правильно разместить датчики. Термостат и гигростат ставят в зоне циркуляции воздуха, не вплотную к нагревателю, вентилятору или горячему частотному преобразователю.

Расчет мощности нагревателя электрощита выполняют по теплопотерям корпуса:

P_обогр = k × A × ΔT

Где P_обогр — мощность нагревателя, Вт; k — коэффициент теплоотдачи корпуса; A — эффективная площадь поверхности шкафа; ΔT — разница между требуемой температурой внутри шкафа и минимальной температурой окружающей среды.

Задача нагревателя — не прогреть весь шкаф «с запасом», а удержать температуру поверхностей выше точки росы и не допустить выпадения влаги на электронике.

Охлаждение частотных преобразователей

Частотные преобразователи часто формируют значительную часть тепловой нагрузки, поэтому охлаждение частотника в шкафу управления считают отдельно. Тепловые потери обычно составляют несколько процентов от передаваемой мощности, но для расчета берут данные из паспорта или таблицы производителя.

Если известен КПД, потери можно оценить по формуле:

P_потерь = P_ном × (1 − η)

Например, при КПД 97–98% в тепло перейдет около 2–3% мощности, но итоговое значение зависит от модели, нагрузки и частоты коммутации.

Несколько частотников размещают так, чтобы воздух свободно проходил через радиаторы и не переносил тепло от одного привода к другому. Расстояние между частотными преобразователями при монтаже берут из инструкции производителя. Если допускается установка бок о бок, зазоры сверху и снизу для охлаждения все равно сохраняют.

Воздухозаборы не перекрывают кабельными каналами, а приводы не ставят над источниками тепла.

Для мощных приводов применяют монтаж радиатора частотного преобразователя за борт шкафа. Радиатор или задний охлаждающий канал выводят наружу либо в отдельный воздушный канал, чтобы основная часть тепла не попадала внутрь корпуса.

При таком монтаже проверяют:

• уплотнение проема;
• сохранение класса защиты;
• свободный проход воздуха через радиатор;
• доступ к радиатору для очистки.

Класс защиты IP и обслуживание

Вентиляция не должна снижать защиту шкафа от пыли и влаги. Поэтому вентилятор для шкафа управления IP54 подбирают вместе с фильтром, решеткой, уплотнением и монтажным комплектом. Класс защиты оценивают для шкафа в сборе, уже после выреза отверстий и установки климатического оборудования.

Если нужно сохранить класс защиты IP65 при вентиляции, чаще выбирают закрытый контур: шкафной кондиционер или теплообменник. Прямая подача воздуха через фильтровентилятор в таких условиях обычно не подходит.

В пыльной среде используют фильтры с подходящей степенью очистки и увеличенной площадью фильтрующего мата. При мелкодисперсной или токопроводящей пыли фильтровентиляция может быть рискованной: частицы проходят внутрь, оседают на платах и клеммах, вызывают утечки и перегрев. В таких условиях лучше рассматривать закрытое охлаждение.

Периодичность замены фильтрующих матов в электрощитах зависит от запыленности объекта. В регламент обслуживания также включают:

• очистку решеток;
• проверку вентиляторов;
• очистку радиаторов кондиционеров;
• проверку дренажа конденсата.

Итог

Вентиляцию и охлаждение шкафа управления выбирают после расчета тепловых потерь, ΔT, эффективной площади корпуса и условий эксплуатации. При нормальной температуре и чистом воздухе может хватить фильтрующей вентиляции.

При жаре, пыли, влажности или высоком классе защиты нужен кондиционер, теплообменник или комбинированная система с антиконденсатным обогревом.