Miten titaanivaippalämmittimen tehomodulaation taajuus (pulssi-leveysmodulaatio taajuudella 1 Hz vs

Sähköisissä titaanivaippalämmittimissä tehoa ohjataan yleensä pulssi{0}}leveysmodulaatiolla (PWM) lämpötilan säätämiseksi. Nopeus, jolla lämmitin kytkeytyy päälle ja pois päältä, määräytyy PWM-signaalin taajuuden mukaan. Matalalla 1 Hz:n taajuudella jokainen jakso aiheuttaa suuren 10-30 asteen lämpötilavaihtelun vastuslangassa ja titaanivaipassa. Korkealla taajuudella (100 Hz) kiukaan lämpömassa tasoittaa pulsseja niin, että lämpötilavaihtelut ovat vain 1-5 astetta. Lämpötilavaihtelut aiheuttavat syklisiä lämpöjännitystä sisäisessä vastuslangassa (yleensä nikkeli-kromiseos) ja titaanivaippassa. Termomekaanisen väsymyksen käyttöikä pitenee 5-10 kertaa taajuudella 100 Hz suhteessa 1 Hz:iin, koska jännitysamplitudi on pienempi sykliä kohden.

Termomekaaninen väsymismekanismi tehomodulaatiolla

Jokainen käynnistysjakso{0}}lämmittää vastuslangan, mikä saa sen laajenemaan. Laajentuminen rasittaa ympäröivää magnesiumoksidieristystä ja titaanivaippaa. Jäähdytä ja supista jokaisella virrankatkaisulla-. Jännitysamplitudi (Δσ) on verrannollinen lämpötilan vaihteluun (ΔT) kerrottuna lämpölaajenemiskertoimella. NiCr-langalle=14 × 10⁻⁶ / aste, titaanille=8.6 × 10⁻⁶ / aste. NiCr-lankaan kohdistuu ~0,04 %:n syklinen jännitys 1 Hz:n modulaatiolla ja 30 asteen lämpötilavaihtelulla, mikä riittää aiheuttamaan alhaisen -syklin väsymisen useiden miljoonien jaksojen aikana. Jännitys on vain 0,007 % 5 asteen heilahtelulla 100 Hz:n modulaatiolla, mikä on molempien materiaalien väsymisrajan alapuolella ja antaa siten lähes rajattoman käyttöiän.

Kvantitatiivinen väsymisikä vs. PWM-taajuus

Controlled tests of the Grade 2 titanium sheath heater with NiCr resistance wires at a power density of 15 W/cm2 have produced the following fatigue lifetimes at various PWM frequencies. The resistance wire has a life of more than 100,000 hours of continuous operation (no modulation, baseline) and the titanium sheath is not affected by thermal fatigue. 2,000-5,000 hours resistance wire life at 0.1Hz PWM (one cycle in 10 sec) with 40°C temperature variation and the titanium sheath splits after 10,000-20,000 cycles. The resistance wire life is 5,000–15,000 hours at 1 Hz PWM with a 30°C swing, while the titanium sheath fractures after 20,000–50,000 cycles. For the resistance wire, longevity is 20,000–50,000 hours at 10 Hz PWM with a 15°C swing, while the titanium sheath exhibits no cracks within 100,000 cycles. At 100Hz PWM with a 5°C swing, the resistance wire life is >100 000 tuntia eikä titaanivaipan lämpöjännitystä koeta. 1 kHz PWM:llä lämpötilan vaihtelu on < 2 astetta ja suorituskyky on sama kuin jatkuvassa käytössä.

PWM-herkkyys vaikuttaa lämmittimen geometriaan ja tehotiheyteen

PWM-taajuuden vaikutus riippuu lämmittimen tehotiheydestä ja lämpömassasta. Pienellä tehotiheydellä (5 W/cm²) lämpötilavaihtelut ovat pienemmät millä tahansa taajuudella, joten 1 Hz PWM-signaali antaa vain 10 asteen heilahduksen ja langan käyttöikä on 20 000–50 000 tuntia. Korkealla tehotiheydellä 25 W/cm² ja 1 Hz PWM-signaalilla 50 asteen heilahdus lyhentää langan käyttöikää 1 000 - 3 000 tuntiin. Ohuessa -seinäputkessa (0,9 mm) lämpömassa on pienempi ja lämpötilamuutokset suurempia. Paksumman seinämän putken (2,0 mm) lämpömassa on suurempi ja lämpötilavaihtelut pienenevät 30–50 %. Pitkällä kiukaan (2 m) lämpömassa vaimentaa myös lämpötilan heilahtelua päistä.

Titaanivaippalämmittimet PWM-taajuuden valintaopas.pdf

Seuraavassa taulukossa on ehdotuksia PWM-taajuudelle tehotiheyden, aiotun lämmittimen käyttöiän ja lämpötilan säätötarpeiden mukaan.

Tehon tiheys (W/cm²) Lämmittimen haluttu käyttöikä (tuntia) Vaadittu ohjaustarkkuus (± aste ) Suositeltu PWM-taajuus (Hz) Odotettu lämpötilan heilahdus ( aste )<10 >50,000 2 1 10–15 <10 >50,000 0.5 100 2–5 10–20 >50,000 2 10 8–12 10–20 >50,000 0.5 1,000 1–3 20–30 >20,000 2 100 3–6 20–30 >50,000 1 1,000 1–2 >30 >10 000 Mikä tahansa 1,000+<2 Engineering Beyond PWM Frequency Selection

Titaanin laatu ei vaikuta vastuslangan lämpöväsymiskestävyyteen, kuitenkin luokan 7 titaanilla on samanlainen lämpölaajeneminen kuin Grade 2:lla. Vastuslangan materiaali on vahvasti riippuvainen väsymiskestävyydestä. NiCr 80/20 -langalla on parempi lämpöväsymiskestävyys kuin FeCrAl-langalla. MgO-eristeen laatu on myös tärkeä, sillä tiivistetty MgO siirtää lämpöä paremmin ja pienentää langan ja vaipan välistä lämpötilaeroa. Pehmeä-käynnistyksen tehonsäätö (tehon asteittainen nousu päälle-pois-pulssien sijaan) auttaa edelleen vähentämään lämpörasitusta. Jos haluat tarkan lämpötilanhallinnan, korkeampi PWM-taajuus (100-1000 Hz) on aina parempi.

Perusteltujen eritelmien tekeminen

Tehomoduloiduille titaanivaippalämmittimille suositellaan vähintään 100 Hz:n PWM-taajuutta termomekaanisen rasituksen minimoimiseksi. Käytä sovelluksissa, jotka vaativat suurta tehotiheyttä (yli 20 W/cm2), käytä 1 000 Hz:n pulssinleveysmodulaatiota (PWM) tai vaihekulmasäädintä (tasainen tehonsäätö) päälle-pois-modulaation sijaan. Lisää olemassa oleviin matalataajuisiin (1 Hz) lämmittimiin tasoituskela tai päivitä ohjain korkeataajuiseen PWM:ään. Jos ±2 asteen lämpötilansäätötarkkuus on hyväksyttävä, 10 Hz:n taajuus on riittävän hyvä antamaan riittävän lämpöväsymisiän useimpiin sovelluksiin. Insinööri toimii 100 Hz PWM taajuudella 1 Hz:n sijaan, mikä vähentää lämpötilan vaihtelua 30 astetta 5 asteeseen ja lisää vastuslangan ja titaanivaipan väsymisikää kertoimella 5–10.