Opzioni per il monitoraggio, controllo e protezione di ventole in DC

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Le ventole in continua (DC) sono utilizzate dai progettisti in numerose situazioni e applicazioni per fornire un raffreddamento per convezione forzata. Grazie alla loro ampia diffusione, il loro funzionamento è molto semplice da comprendere e possono essere utilizzate in una pluralità di configurazioni. Il principio di funzionamento affonda le proprie radici nella fisica di base: l’aria in movimento rappresenta un mezzo efficace per raffreddare gli oggetti in quando assorbe il calore che viene quindi trasferito per essere dissipato.  La quantità di energia che viene trasferita dipende da numerosi fattori: la massa dell’aria in movimento, il calore specifico dell’aria in movimento e la variazione di temperatura impartita all’aria in movimento. La differenza tra convezione naturale e convezione ad aria forzata è riportata in figura 1.

Nel processo di selezione di una ventola con specifiche adeguate in termini di dimensioni e flusso d’aria, un progettista deve effettuare un’analisi termica di base per determinare il flusso d’aria minimo richiesto. Un’analisi termica di questi tipo solitamente contempla la modellazione delle fonti di calore, dell’aumento di temperatura e delle condizioni ambientali, oltre all’individuazione un efficiente percorso per l’aria forzata. Il blog di CUI Devices “Understanding Airflow Fundamentals for Proper Dc Fan Selection” fornisce ulteriori dettagli relativi all’analisi termica e al processo di selezione.

Una volta completata l’analisi termica e selezionata la/e ventola/e più adatta, il progettista deve semplicemente collegare le ventole a una sorgente di alimentazione per consentire a queste ultime di fornire un raffreddamento ad aria forzata costante. In molti casi un approccio di questo tipo non è efficiente si rivela poco efficace sul lungo periodo. Parecchie ventole attualmente sul mercato mettono a disposizione una vasta gamma di opzioni che consentono un monitoraggio, un controllo e una gestione migliori. La conoscenza delle opzioni disponibili può contribuire a ottimizzare l’uso delle ventole, assicurando così una maggiore affidabilità del sistema complessivo.

Controllo On/Off

Come menzionato poco sopra, far funzionare una ventola a tempo pieno è un approccio molto semplice alla gestione termica che può sicuramente assicurare il raffreddamento ad aria forzata richiesto dall’applicazione considerata. Si tratta comunque di un approccio non particolarmente efficiente in termini energetici perché una ventola continuamente in funzione utilizza una grande quantità di potenza e provoca un rumore udibile non adatto per tutti gli scenari applicativi. Le ventole contengono inoltre numerose parti in movimento che, seppur caratterizzati da cicli di vita molto lunghi, hanno una durata finita e saranno soggetti a n’usura più rapida se fatti funzionate su base continuativa.

Il controllo on/off è uno di quegli approcci che permette di prolungare la durata della ventola e prevede l’accensione e lo spegnimento della ventola quando viene raggiunta una soglia di raffreddamento o un valore preimpostato (setpoint) di temperatura. L’accensione e lo spegnimento ciclico della ventola permette di risparmiare potenza, aumentare la durata della ventola e ridurre il rumore acustico quando la ventola non è in funzione.

Anche se intrinsecamente molto semplice, il controllo on/off evidenzia alcune imitazioni. Dal punto di vista della gestione termica, questo tipo di controllo crea sequenze di raffreddamento e di riscaldamento sui componenti che devono essere raffreddati. Questi cicli termici possono essere una delle principali cause di guasti prematuri dei componenti, poiché la differenza dei coefficienti di temperatura provoca sollecitazioni supplementari sui materiali e sui giunti. I cicli termici possono essere addirittura più dannosi per i componenti rispetto al funzionamento costante ad alta temperatura.

Nel periodo che intercorre tra l’avvio della ventola e il momento in cui l’aria forzata inizia a raffreddarsi può entrare in gioco anche il fenomeno del superamento del valore impostato (thermal overshoot). A meno quello prestabilito per l’accensione non sia un valore basso, il surriscaldamento può verificarsi mentre il flusso d’aria di raffreddamento raggiunge questo valore. Per limitare le vibrazioni durante le fasi di on/off in prossimità del valore impostato della temperatura è necessario inoltre prevedere un ciclo di isteresi.

Il grafico di figura 2 è stato ideato allo scopo di illustrare l’overshoot termico imputabile all’inevitabile ritardo termico delle applicazioni di controllo delle ventole di tipo on/off. Nel grafico la linea blu rappresenta il valore delle temperatura impostato desiderato ed è caratterizzato da una brusca variazione (a gradino), la linea verde rappresenta i cicli di on/off della ventola è la linea blu scuro è la temperatura effettiva.

Controlli e protezioni delle ventole

Le ventole attualmente disponibili prevedono una gamma di controlli e protezioni grazie ai quali i progettisti possono ottimizzare i loro sistemi per la gestione termica. Questo controlli possono sopperire alle limitazione del controllo di tipo on/off e consentire di migliorare prestazioni, affidabilità ed efficienza. Sono altresì disponibili protezioni che permettono di rilevare tempestivamente i problemi, consentendo in tal modo di aumentare la durata delle ventole e tutelare i sistemi contro eventuali rischi. Nel seguito verranno descritti alcuni dei più diffusi controlli e protezioni utilizzati per le ventole unitamente alla loro implementazione.

Modulazione PWM (Pulse-Width Modulation)

Questo tipo di modulazione viene utilizzato per controllare e variare la velocità della ventola al mutare delle condizioni termiche. Primo passo per migliorare le prestazioni della ventola, il controllo della velocità variabile basato su PWM assicura una migliore efficienza operativa e può essere implementato in abbinamento con algoritmi di controllo avanzati. Questi algoritmi possono prendere in considerazione i modelli di utilizzo, i costi dell’energia e numerosi altri parametri, adattando le dinamiche operative in modo da adeguare la velocità della ventola al carico termico.

E’ possibile ottenere ulteriori miglioramenti adottando, al posto del semplice controllo della ventola di tipo on/off, strategie di controllo di tipo PID (Proportional-Integral-Derivative) ad anello chiuso. I controlli di tipo PI o PID contribuiscono a diminuire la probabilità che si verifichino fenomeni di undershoot (mancato raggiungimento del valore impostato) e overshoot (superamento del valore impostato) termici al variare del carico termico assicurando che il flusso d’aria mantenga le condizioni operative alla temperatura di setpoint desiderata.

Contagiri integrato

Capace di rilevare e segnalare la velocità di rotazione della ventola attraverso un segnale impulsivo, un contagiri integrato è un tipo di controllo utilizzato per fornire un riscontro ad anello chiuso ed effettuare controlli della ventola più avanzati. Un contagiri integrato può anche funzionare da sensore di blocco nel caso la ventola si arresti a causa di perdita di potenza, ostruzioni e per altri motivi. L’integrazione di queste funzionalità di rilevamento rappresenta un notevole beneficio per il funzionamento del sistema poiché tanto prima vengono riscontate condizioni anomale, tanto più velocemente il sistema potrà essere spento (shut-down) o fatto entrare in uno stato inattivo al fine di proteggere componenti sensibili.

Protezione contro il riavvio automatico

Questo tipo di protezione rileva quando il motore della ventola non è in grado di ruotare e automaticamente interrompe la corrente di pilotaggio. La protezione contro il riavvio automatico serve sia a proteggere il circuito di pilotaggio della ventola sia a indicare al controllore della ventola stessa l’esistenza di un problema a causa dell’interruzione della corrente di pilotaggio.

Sensore di rilevamento della rotazione/blocco

Come dice il nome stesso, un sensore di questo tipo rileva se il motore della ventola è in funzione oppure è fermo in modo da evitare l’insorgere di problemi che potrebbero verificarsi in fase di avviamento o durante il funzionamento.

Considerazioni conclusive

Le ventole in continua rappresentano la soluzione ideale per molti sistemi di gestione termica, fornendo un raffreddamento ad aria forzata agli apparati e mantenendo i componenti all’interno dei loro limiti operativi. Comunque, la scelta di una ventola che viene poi fatta funzionare continuamente o l’adozione di un controllo di tipo on/off sono approcci poco efficaci quando si ricorre a una ventola per la gestione termica. Grazie alla disponibilità di un gran numero di funzionalità di controllo e di protezione, i progettisti possono ottimizzare le loro soluzioni di raffreddamento ad aria forzata per ottenere livelli più elevati di efficienza e affidabilità. CUI Devices permette di semplificare il processo di scelta grazie a una vasta offerta di ventole assiali in continua e soffianti disponibile in varie versioni che si differenziano in termini di dimensioni, valori nominali del flusso d’aria e opzioni di controllo.

CUI Devices

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