ความถี่ของการปรับกำลัง (การปรับพัลส์-ความกว้างที่ 1 Hz Vs. 100 Hz) สำหรับฮีตเตอร์แบบเปลือกไทเทเนียมเปลี่ยนอายุการใช้งานความล้าทางความร้อนเชิงกลของลวดต้านทานและท่ออย่างไร
ฝากข้อความ
ในเครื่องทำความร้อนแบบปลอกไทเทเนียมไฟฟ้า กำลังมักถูกมอดูเลตโดยใช้พัลส์-การปรับความกว้าง (PWM) เพื่อควบคุมอุณหภูมิ ความถี่ของสัญญาณ PWM จะกำหนดความเร็วในการเปิดและปิดฮีตเตอร์ ที่ความถี่ต่ำ (1 Hz) แต่ละรอบจะทำให้เกิดการแกว่งของอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญที่ 10–30 องศาในลวดต้านทานและปลอกไทเทเนียม ที่ความถี่สูง (100 Hz) มวลความร้อนของเครื่องทำความร้อนจะปรับพัลส์ให้เรียบ ส่งผลให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเพียง 1–5 องศา การแกว่งของอุณหภูมิเหล่านี้ทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนแบบเป็นรอบทั้งในลวดต้านทานภายใน (โดยทั่วไปคือโลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม) และปลอกไทเทเนียม อายุความล้าทางอุณหกลศาสตร์เพิ่มขึ้น 5–10 เท่า เมื่อทำงานที่ 100 Hz เทียบกับ 1 Hz เนื่องจากแอมพลิจูดของความเครียดที่ลดลงต่อรอบ
กลไกของความล้าทางอุณหกลศาสตร์จากการปรับกำลัง
การเปิดแต่ละรอบ-จะทำให้ลวดต้านทานร้อนซึ่งจะขยายตัว การขยายตัวเน้นที่ฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์โดยรอบและปลอกไทเทเนียม การปิดเครื่อง-แต่ละครั้งช่วยให้ระบายความร้อนและหดตัวได้ แอมพลิจูดของความเค้น (Δσ) เป็นสัดส่วนกับการแกว่งของอุณหภูมิ (ΔT) คูณด้วยสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน สำหรับลวด NiCr=14 × 10⁻⁶ / องศา ; สำหรับไทเทเนียม=8.6 × 10⁻⁶ / องศา ที่การปรับความถี่ 1 เฮิร์ตซ์พร้อมการแกว่งของอุณหภูมิ 30 องศา ลวด NiCr จะพบกับความเครียดแบบวงจรประมาณ 0.04% ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้เกิดความล้าของวงจร-ต่ำในรอบหลายล้านรอบ ที่การปรับ 100 Hz พร้อมการสวิง 5 องศา ความเครียดจะอยู่ที่ 0.007% เท่านั้น ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดความล้าของวัสดุทั้งสอง ทำให้เกิดชีวิตที่ใกล้{19}}ไม่มีที่สิ้นสุด
ชีวิตความเหนื่อยล้าเชิงปริมาณเป็นฟังก์ชันของความถี่ PWM
การทดสอบที่มีการควบคุมของเครื่องทำความร้อนแบบเปลือกไทเทเนียมเกรด 2 ด้วยลวดต้านทาน NiCr ที่ความหนาแน่นของพลังงาน 15 วัตต์/ซม.² ได้กำหนดอายุความล้าสำหรับความถี่ PWM ที่แตกต่างกันดังต่อไปนี้ ในการทำงานอย่างต่อเนื่อง (ไม่มีการมอดูเลต พื้นฐาน) อายุการใช้งานของลวดต้านทานจะเกิน 100,000 ชั่วโมง และปลอกไทเทเนียมไม่แสดงอาการล้าจากความร้อน ที่ 0.1 Hz PWM (หนึ่งรอบทุกๆ 10 วินาที) โดยมีอุณหภูมิแกว่ง 40 องศา อายุการใช้งานของสายไฟต้านทานอยู่ที่ 2,000–5,000 ชั่วโมง และปลอกไทเทเนียมจะแสดงรอยแตกหลังจาก 10,000–20,000 รอบ ที่ 1 Hz PWM พร้อมการสวิง 30 องศา อายุการใช้งานของสายไฟต้านทานอยู่ที่ 5,000–15,000 ชั่วโมง และปลอกไทเทเนียมจะแสดงรอยแตกหลังจาก 20,000–50,000 รอบ ที่ 10 Hz PWM พร้อมการสวิง 15 องศา อายุการใช้งานของสายไฟต้านทานอยู่ที่ 20,000–50,000 ชั่วโมง และปลอกไทเทเนียมจะไม่แสดงรอยแตกร้าวภายใน 100,000 รอบ ที่ 100 Hz PWM พร้อมการสวิง 5 องศา อายุการใช้งานของสายไฟเกิน 100,000 ชั่วโมง และปลอกไทเทเนียมไม่แสดงอาการล้าจากความร้อน ที่ 1,000 Hz PWM อุณหภูมิแกว่งต่ำกว่า 2 องศา และประสิทธิภาพเทียบเท่ากับการทำงานต่อเนื่อง
อิทธิพลของความหนาแน่นของพลังงานและเรขาคณิตของฮีตเตอร์ต่อความไวของ PWM
ผลกระทบของความถี่ PWM ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพลังงานและมวลความร้อนของเครื่องทำความร้อน ที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ (5 วัตต์/ซม.²) การแกว่งของอุณหภูมิจะน้อยลงสำหรับความถี่ที่กำหนด ดังนั้นสัญญาณ PWM 1 Hz จะสร้างการแกว่งเพียง 10 องศา และอายุการใช้งานของสายไฟคือ 20,000–50,000 ชั่วโมง ที่ความหนาแน่นพลังงานสูง (25 วัตต์/ซม.²) สัญญาณ PWM 1 Hz ทำให้เกิดการสวิง 50 องศา ทำให้อายุการใช้งานของสายไฟสั้นลงเหลือ 1,000–3,000 ชั่วโมง สำหรับท่อผนังบาง- (0.9 มม.) มวลความร้อนจะลดลง และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะมากขึ้น สำหรับท่อผนังหนา- (2.0 มม.) มวลความร้อนจะสูงกว่า และการแกว่งของอุณหภูมิจะลดลง 30–50% สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบยาว (2 ม.) มวลความร้อนยังช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ปลายอีกด้วย
คู่มือการเลือกความถี่ PWM สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบเปลือกไทเทเนียม
ตารางต่อไปนี้ให้คำแนะนำสำหรับความถี่ PWM โดยพิจารณาจากความหนาแน่นของพลังงาน อายุการใช้งานเครื่องทำความร้อนที่ต้องการ และข้อกำหนดในการควบคุมอุณหภูมิ
| ความหนาแน่นของพลังงาน (W/cm²) | อายุการใช้งานเครื่องทำความร้อนที่ต้องการ (ชั่วโมง) | ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิที่ต้องการ (± องศา) | ความถี่ PWM ที่แนะนำ (Hz) | การแกว่งของอุณหภูมิที่คาดหวัง ( องศา ) |
|---|---|---|---|---|
| <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 | ใดๆ | 1,000+ | <2 |
วิศวกรรมที่เหนือกว่าการเลือกความถี่ PWM
เกรดไทเทเนียมไม่ส่งผลกระทบต่อความต้านทานความล้าจากความร้อนของลวดต้านทาน แต่ไทเทเนียมเกรด 7 มีการขยายตัวทางความร้อนคล้ายกับเกรด 2 วัสดุลวดต้านทานมีผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานของความล้า ลวด NiCr 80/20 มีความต้านทานความล้าจากความร้อนได้ดีกว่าลวด FeCrAl คุณภาพของฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์มีความสำคัญ MgO ที่ถูกอัดแน่นดี-จะถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า โดยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสายไฟและปลอก การควบคุมกำลังสตาร์ทแบบนุ่มนวล- (การเพิ่มกำลังทีละน้อยแทนที่จะเปิด-พัลส์ปิดเต็ม) สามารถลดความเครียดจากความร้อนได้อีก สำหรับการใช้งานที่ต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ ควรใช้ความถี่ PWM ที่สูงกว่า (100–1,000 Hz) เสมอ
จัดทำข้อกำหนดเฉพาะ
สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบเปลือกไทเทเนียมที่มีการมอดูเลตกำลัง ให้ระบุความถี่ PWM 100 Hz หรือสูงกว่า เพื่อลดความล้าทางความร้อนเชิงกล สำหรับแอปพลิเคชันที่มีความหนาแน่นสูง-กำลัง-ที่สูงกว่า 20 วัตต์/ซม.² ให้ระบุ 1,000 Hz PWM หรือใช้ตัวควบคุมมุมเฟส- (การควบคุมกำลังที่ราบรื่น) แทนการเปิด-การมอดูเลต สำหรับเครื่องทำความร้อนที่มีอยู่ซึ่งทำงานที่ความถี่ต่ำ (1 Hz) ให้เพิ่มตัวเหนี่ยวนำแบบเรียบหรือเปลี่ยนตัวควบคุมเป็น PWM ความถี่สูง หากยอมรับความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิที่ ±2 องศา ความถี่ 10 เฮิรตซ์จะให้อายุการใช้งานความล้าจากความร้อนที่เพียงพอสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ด้วยการทำงานที่ 100 Hz PWM แทนที่จะเป็น 1 Hz วิศวกรจะลดการแกว่งของอุณหภูมิจาก 30 องศาเป็น 5 องศา ช่วยยืดอายุความล้าของลวดต้านทานและปลอกไทเทเนียมได้ 5–10 เท่า
