จะรับประกันประสิทธิภาพการระบายความร้อนของตู้ไฟฟ้าได้อย่างไร?

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับภาระความร้อนในตู้ไฟฟ้า

การประเมินปริมาณความร้อนภายในที่เกิดจากชิ้นส่วนไฟฟ้ากำลัง

แผงไฟฟ้าที่เราติดตั้งมักจะร้อนภายในค่อนข้างมากเนื่องจากชิ้นส่วนไฟฟ้าจำนวนมากทำงานอยู่ตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงไฟฟ้า (transformers), อุปกรณ์ควบคุมความเร็วแบบอินเวอร์เตอร์ (VFDs) และสวิตช์เกียร์ (switchgear) อุปกรณ์เหล่านี้โดยทั่วไปสูญเสียพลังงานประมาณ 3 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานขาเข้าในรูปแบบของความร้อนที่สูญเปล่าขณะทำงาน พิจารณาหม้อแปลงไฟฟ้าขนาด 500 kVA มาตรฐาน ซึ่งอาจปล่อยความร้อนออกมาประมาณ 15 กิโลวัตต์ ตามมาตรฐาน IEC 60076-2023 หากอุปกรณ์ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าออกแบบอยู่เพียง 10 องศาเซลเซียส ช่วงอายุการใช้งานของอุปกรณ์ก็จะลดลงครึ่งหนึ่ง ดังนั้นการคำนวณภาระความร้อนอย่างถูกต้องจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบระบบให้มีประสิทธิภาพ เมื่อพิจารณาปริมาณความร้อนที่สะสมภายในตู้อุปกรณ์เหล่านี้ ช่างเทคนิคมักจะพิจารณาค่ากำลังวัตต์ของแต่ละชิ้นส่วน ความถี่ในการทำงานของอุปกรณ์แต่ละตัว และตรวจสอบตารางประสิทธิภาพที่ผู้ผลิตจัดเตรียมไว้ประกอบด้วย

การประเมินปัจจัยภายนอกที่มีผลต่ออุณหภูมิ: สภาวะแวดล้อมและพลังงานความร้อนจากแสงแดด

สภาพแวดล้อมภายนอกหลายประการทำให้ความเครียดจากความร้อนเลวร้ายยิ่งกว่าที่เป็นอยู่ ดวงอาทิตย์สามารถแผ่พลังงานความร้อนไปยังตู้หรือเปลือกอุปกรณ์ได้ประมาณ 150 วัตต์ต่อตารางเมตร และเมื่ออุณหภูมิของอากาศสูงเกิน 40 องศาเซลเซียส กระบวนการระบายความร้อนตามธรรมชาติจะมีประสิทธิภาพลดลงประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ การเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลทำให้วิศวกรจำเป็นต้องคิดอย่างมีพลวัต แทนที่จะยึดติดกับแบบจำลองแบบคงที่เดิมๆ สิ่งนี้มีความสำคัญมากในโรงงานที่ตั้งอยู่ในพื้นที่แห้งแล้ง ซึ่งเครื่องจักรต้องการพลังงานในการระบายความร้อนเพิ่มขึ้นถึง 25% เมื่อเทียบกับพื้นที่ที่มีภูมิอากาศอบอุ่นกว่า การวางอุปกรณ์ในตำแหน่งที่เหมาะสมช่วยลดแสงแดดโดยตรง และใช้ทิศทางลมท้องถิ่นให้เกิดประโยชน์ ทำให้ความร้อนสามารถกระจายออกไปได้เอง โดยไม่จำเป็นต้องพึ่งระบบระบายความร้อนที่ซับซ้อน

การเลือกวิธีการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับตู้ไฟฟ้า

โซลูชันแบบพาสซีฟ: ฮีทซิงก์ วัสดุนำความร้อน และท่อถ่ายเทความร้อน

ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟทำงานโดยอาศัยกระบวนการให้ความร้อนและระบายความร้อนตามธรรมชาติ ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก เมื่อพูดถึงฮีทซิงค์อลูมิเนียมหรือทองแดง พวกมันจะช่วยเพิ่มพื้นที่ในการปล่อยความร้อนออกสู่ภายนอกผ่านการถ่ายเทความร้อนแบบคอนเวกชันและแผ่รังสี การออกแบบที่ดีสามารถลดอุณหภูมิของอุปกรณ์ได้ประมาณ 15 ถึง 20 องศาเซลเซียส วัสดุนำความร้อน (Thermal Interface Materials) หรือที่เรียกกันทั่วไปในอุตสาหกรรมว่า TIM จะทำหน้าที่เติมช่องว่างเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยอากาศระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ กับพื้นผิวระบายความร้อน ซึ่งช่วยให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น บางครั้งอาจมีประสิทธิภาพสูงกว่าการใช้อากาศเพียงอย่างเดียวถึงห้าเท่า ท่อถ่ายเทความร้อน (Heat pipes) ก็มีความน่าทึ่งเช่นกัน โดยทำงานตามหลักการที่ของเหลวเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอแล้วกลับมาเป็นของเหลวอีกครั้ง ซึ่งช่วยเคลื่อนย้ายความร้อนออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก ท่อเหล่านี้สามารถถ่ายเทความร้อนได้มากกว่าทองแดงตันในปริมาณเดียวกันได้ถึงประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์ ผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าพบว่าวิธีการระบายความร้อนแบบพาสซีฟเหล่านี้มีความน่าสนใจมาก เพราะสามารถใช้งานได้นานเกินกว่าหนึ่งทศวรรษโดยแทบไม่ต้องดูแลรักษาระยะยาว และไม่มีค่าใช้จ่ายด้านไฟฟ้าเพิ่มเติมใดๆ เลย

ตัวเลือกการระบายความร้อนแบบแอคทีฟ: พัดลมกรอง, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากอากาศสู่อากาศ, และหน่วยปรับอากาศสำหรับตู้ควบคุม

ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟจะทำงานเมื่อปัจจัยสภาพแวดล้อมเกินกว่าระดับที่ถือว่าปลอดภัย หรือเมื่อความร้อนภายในเพิ่มขึ้นเร็วกว่าที่วิธีการระบายความร้อนแบบพาสซีฟจะรับมือได้ พัดลมที่ได้มาตรฐาน NEMA 4 ช่วยป้องกันฝุ่นเข้ามาพร้อมกับเป่าอากาศเย็นในอัตราประมาณ 300 ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที ซึ่งเหมาะสมกับสถานการณ์ที่มีความต้องการความเย็นในระดับปานกลาง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอากาศต่ออากาศสร้างเกราะกั้นระหว่างอากาศภายนอกและภายในตามมาตรฐาน IP54 และอุปกรณ์เหล่านี้สามารถกำจัดความร้อนส่วนเกินได้ประมาณ 2 ถึง 3 กิโลวัตต์ผ่านการนำความร้อน สำหรับพื้นที่ที่มีความท้าทายอย่างสถานีไฟฟ้ากลางแจ้งหรืออาคารที่ตั้งอยู่ในเขตอากาศร้อนชื้นจำเป็นต้องใช้เครื่องปรับอากาศแบบพิเศษสำหรับตู้ควบคุม เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิคงที่ที่ 25 องศาเซลเซียส แม้จะต้องเผชิญกับภาระความร้อนที่เกิน 5 กิโลวัตต์ ระบบระบายอากาศแบบบังคับสามารถลดอุณหภูมิบริเวณที่ร้อนจัดลงได้ประมาณ 35 องศาเซลเซียสในบางกรณี แต่ก็มีข้อเสียตรงที่โดยทั่วไปต้องใช้พลังงานมากกว่าระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟที่ได้รับการปรับแต่งอย่างเหมาะสมประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์

การออกแบบเพื่อการไหลของอากาศและจัดวางชิ้นส่วนอย่างเหมาะสมในตู้ไฟฟ้า

การจัดวางอย่างมีกลยุทธ์เพื่อหลีกเลี่ยงจุดร้อนและสร้างทางเดินการถ่ายเทความร้อนตามธรรมชาติ

การจัดเรียงชิ้นส่วนมีบทบาทสำคัญต่อการตัดสินใจด้านการออกแบบเชิงความร้อน โดยเฉพาะเมื่อจัดวางอุปกรณ์ที่ปล่อยความร้อนสูง เช่น VFDs ควรติดตั้งใกล้บริเวณที่มีการไหลของอากาศดี แต่ต้องแยกจุดร้อนเหล่านี้ออกจากเครื่องมือที่ไวต่อความร้อนและแม่เหล็กไฟฟ้า เหตุผลคือ การรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถก่อให้เกิดปัญหาได้ และงานวิจัยหลายชิ้นระบุว่าเป็นสาเหตุกว่าหนึ่งในสามของความล้มเหลวทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับความร้อน ควรเว้นพื้นที่ว่างอย่างน้อย 20% รอบๆ อุปกรณ์ที่สร้างความร้อน เพื่อให้อากาศสามารถเคลื่อนตัวขึ้นได้ตามธรรมชาติ เปรียบเสมือนการสร้างผลของการระบายอากาศแบบชิมเน่ย์ (chimney effect) ที่อากาศเย็นถูกดูดขึ้นไปเองโดยไม่ต้องพึ่งพัดลมหรือปั๊ม กลเม็ดง่ายๆ นี้สามารถลดอุณหภูมิภายในตู้ได้ประมาณ 15 องศาเซลเซียส การจัดระยะห่างให้เหมาะสมจึงมีความสำคัญ เพราะหากอุดกั้นการไหลของอากาศ จะก่อให้เกิดจุดร้อน ซึ่งไม่มีใครต้องการเมื่อต้องการให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่นตลอดทั้งระบบ

การระบายอากาศของตู้และระบบจัดการสิ่งกีดขวางโดยใช้ข้อมูลจากการวิเคราะห์พลศาสตร์ของของไหล

การใช้การจำลองแบบไดนามิกส์ของไหลด้วยคอมพิวเตอร์ (CFD) สามารถเปิดเผยปัญหาความร้อนที่รุนแรงได้ก่อนที่จะมีการผลิตจริงขึ้นเสียอีกนาน การที่วิศวกรสร้างแบบจำลองการไหลของอากาศผ่านอุปกรณ์ ติดตามการเปลี่ยนแปลงของความดันบนพื้นผิวต่าง ๆ และระบุตำแหน่งที่ชิ้นส่วนอาจร้อนจัดเกินไป ทำให้พวกเขาค้นพบปัญหานานาชนิดที่โดยปกติแล้วไม่มีใครสังเกตเห็นได้ ตัวอย่างเช่น การจัดวางช่องระบายอากาศไม่เหมาะสมจะก่อให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนแทนที่จะเป็นการไหลอย่างราบรื่น ขณะที่บางจุดกลายเป็น 'จุดร้อน' เนื่องจากไม่มีอากาศไหลเข้าไปถึงเลยแม้แต่น้อย งานวิจัยจากบริษัทวิศวกรรมหลายแห่งชี้ว่า เมื่อนักออกแบบปรับแต่งโครงหุ้ม (enclosures) ด้วยเทคนิค CFD ผลิตภัณฑ์ของพวกเขาจะสามารถกระจายความร้อนได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นประมาณร้อยละ 40 เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบมาตรฐาน คำแนะนำเชิงปฏิบัติบางประการเพื่อให้การวิเคราะห์ CFD ให้ผลลัพธ์สูงสุด ได้แก่ การเอียงช่องระบายอากาศในมุมที่เหมาะสมเพื่อส่งเสริมรูปแบบการไหลของอากาศอย่างราบรื่น การจัดวางสายไฟฟ้าให้ห่างจากช่องระบายอากาศหลัก และการตรวจสอบให้แน่ใจว่าช่องระบายอากาศออก (exhaust ports) มีขนาดใหญ่กว่าช่องรับอากาศเข้า (intake holes) อย่างมีนัยสำคัญ โดยทั่วไปแล้ว ขนาดที่ใหญ่กว่าร้อยละ 20 ถึง 30 จะให้ผลดีที่สุดในการสร้างกระแสการพาความร้อนตามธรรมชาติ (natural convection currents) การดำเนินการจำลองลักษณะนี้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของกระบวนการออกแบบจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในระยะยาว เนื่องจากสามารถป้องกันการปรับแบบใหม่ที่มีราคาแพงในภายหลังได้ ทั้งยังช่วยให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ทั้งหมดจะทำงานอยู่ภายในช่วงอุณหภูมิที่ปลอดภัย พร้อมทั้งสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเชิงโครงสร้างและสิ่งแวดล้อมทั้งหมดที่ผู้ผลิตจำต้องปฏิบัติตาม

การถ่วงดุลระหว่างการปกป้องสิ่งแวดล้อมและการทำงานด้านความร้อนในตู้อุปกรณ์ไฟฟ้า

สำหรับวิศวกรที่ทำงานกับอุปกรณ์อุตสาหกรรม มักมีความจำเป็นต้องถ่วงดุลเสมอเมื่อพูดถึงตู้อุปกรณ์ พวกเขาต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด เช่น มาตรฐาน IP66 หรือ NEMA 4X แต่ในเวลาเดียวกันก็ต้องสามารถระบายความร้อนออกได้เพียงพอเพื่อไม่ให้อุปกรณ์ร้อนเกินไป การป้องกันฝุ่น น้ำ และสารกัดกร่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับระบบสำคัญๆ โดยไม่มีข้อสงสัยใดๆ แต่หากเราปิดผนึกแน่นจนเกินไป ความร้อนจะถูกกักไว้ภายในและกลับทำให้ชิ้นส่วนเสียเร็วขึ้น ยกตัวอย่างเช่น จอยซีลแบบอัด (compression gaskets) ซึ่งใช้งานได้ดีมากในการกันสิ่งแปลกปลอมเข้ามา แต่แล้วเราก็จำเป็นต้องมีวิธีอื่นในการจัดการกับการสะสมของความร้อน โดยทั่วไปหมายถึงการเพิ่มวัสดุนำความร้อนเข้าไปในผนังตู้ หรือติดตั้งฮีทซิงก์ (heat sink) ไว้ที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งในการออกแบบ มิฉะนั้น มาตรการป้องกันทั้งหมดเหล่านี้จะกลายเป็นส่วนหนึ่งของปัญหาแทนที่จะเป็นทางแก้ไข

โซลูชันการระบายอากาศช่วยลดช่องว่างระหว่างความต้องการการไหลของอากาศและการป้องกันจากสภาวะที่รุนแรง อุปกรณ์ระบายอากาศแบบบานเกร็ดที่ติดตั้งตัวกรองฝุ่นอนุภาคสามารถทำงานร่วมกับพัดลมที่ได้รับการจัดอันดับตามมาตรฐาน NEMA ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้อากาศหมุนเวียนได้ดี ขณะเดียวกันก็ยังคงปกป้องอุปกรณ์จากการปนเปื้อนของฝุ่น การกัดกร่อน และการสัมผัสกับน้ำในระหว่างการทำความสะอาดด้วยน้ำแรงดันสูง สำหรับการควบคุมอุณหภูมิ มีหลายแนวทางที่ควรพิจารณา วัสดุเชื่อมต่อความร้อน (Thermal interface materials) จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนจากชิ้นส่วนที่ร้อนไปยังผนังตู้ควบคุม ฉนวนกันความร้อนสามารถติดตั้งอย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายนอกตู้ควบคุม วิธีการเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในบางพื้นที่ โดยเฉพาะบริเวณชายฝั่งที่มีความชื้นสูง ซึ่งจะได้รับประโยชน์อย่างมากจากเครื่องทำความร้อนป้องกันการควบแน่น ที่ช่วยป้องกันความเสียหายจากความชื้น ในทำนองเดียวกัน อุปกรณ์ที่ต้องสัมผัสกับแสงแดดโดยตรงจำเป็นต้องใช้ชั้นเคลือบที่สะท้อนแสง หรือโครงสร้างบังแดด เพื่อลดการสะสมความร้อน เมื่อพิจารณาเรื่องค่าการจัดอันดับ IP และ NEMA สิ่งที่เห็นได้ชัดคือ การป้องกันสภาพแวดล้อมและการจัดการความร้อนไม่ใช่เรื่องที่แยกจากกัน แต่ทั้งสองด้านกลับขึ้นต่อกันและกัน เพื่อให้ระบบจ่ายพลังงานสามารถทำงานได้อย่างมีความน่าเชื่อถือในระยะยาว

คำถามที่พบบ่อย

โหลดความร้อนในตู้ไฟฟ้าคืออะไร

โหลดความร้อนหมายถึงปริมาณพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นภายในตู้ไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่เกิดจากการผลิตความร้อนภายในจากชิ้นส่วนไฟฟ้ากำลัง เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า อุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์แบบเปลี่ยนความถี่ (VFDs) และสวิตช์เกียร์ รวมถึงปัจจัยภายนอก เช่น อุณหภูมิแวดล้อมและการได้รับความร้อนจากแสงแดด

การระบายความร้อนแบบพาสซีฟและแอคทีฟต่างกันอย่างไรสำหรับตู้ไฟฟ้า

การระบายความร้อนแบบพาสซีฟพึ่งพากระบวนการตามธรรมชาติและวัสดุต่างๆ เช่น ฮีทซิงก์และท่อถ่ายเทความร้อน ในขณะที่การระบายความร้อนแบบแอคทีฟใช้ระบบเชิงกล เช่น พัดลมกรองอากาศและเครื่องปรับอากาศสำหรับตู้บรรจุเพื่อจัดการกับความร้อนส่วนเกิน

CFD มีบทบาทอย่างไรในการออกแบบตู้ไฟฟ้า

การจำลองพลศาสตร์ของของไหลด้วยคอมพิวเตอร์ (Computational Fluid Dynamics: CFD) ใช้สำหรับจำลองและปรับปรุงการไหลของอากาศภายในตู้ไฟฟ้า เพื่อระบุและลดจุดร้อนสะสมและแรงดันที่อาจเกิดขึ้น ก่อนกระบวนการผลิต

เหตุใดการสมดุลระหว่างการป้องกันสิ่งแวดล้อมกับประสิทธิภาพด้านความร้อนจึงมีความสำคัญ

การปรับสมดุลระหว่างสองด้านนี้จะช่วยให้ตู้ไฟฟ้าสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม และป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนเกินไป จึงสามารถป้องกันฝุ่น น้ำ และการกัดกร่อน พร้อมทั้งปล่อยความร้อนได้อย่างเพียงพอ