Jak změní frekvence modulace výkonu (pulzní-šířková modulace při 1 Hz vs . 100 Hz) u ohřívače s titanovým pláštěm termomechanickou únavovou životnost odporového drátu a trubice?

U elektrických ohřívačů s titanovým pláštěm je výkon běžně řízen pomocí pulzní -šířkové modulace (PWM) k řízení teploty. Rychlost, kterou se ohřívač zapíná a vypíná, je určena frekvencí signálu PWM. Při nízké frekvenci 1 Hz způsobí každý cyklus velký teplotní výkyv o 10-}30 stupňů v odporovém drátu a titanovém plášti. Při vysoké frekvenci (100 Hz) tepelná hmota ohřívače vyhlazuje pulzy, takže teplotní výkyvy jsou pouze 1-5 stupňů. Změny teploty způsobují cyklické tepelné pnutí ve vnitřním odporovém drátu (obvykle slitina nikl-chrom) a titanovém plášti. Životnost termomechanické únavy se zvyšuje 5-10krát při 100 Hz ve vztahu k 1 Hz kvůli menší amplitudě napětí na cyklus.

Termomechanický únavový mechanismus pomocí modulace výkonu

Každý cyklus zapnutí-zahřeje odporový drát a způsobí jeho roztažení. Expanze namáhá okolní izolaci z oxidu hořečnatého a titanové pouzdro. Ochlaďte a stáhněte se při každém-vypnutí. Amplituda napětí (Δσ) je úměrná kolísání teploty (ΔT) vynásobené koeficientem tepelné roztažnosti. Pro drát NiCr=14 × 10⁻⁶ / stupeň , pro titan=8.6 × 10⁻⁶ / stupeň . NiCr drát je vystaven cyklickému namáhání ~0,04 % při modulaci 1 Hz a teplotním výkyvu o 30 stupňů, což je dostatečné k tomu, aby způsobilo únavu při nízkém cyklu během několika milionů cyklů. Namáhání je pouze 0,007 % s výkyvem o 5 stupňů při modulaci 100 Hz, což je pod limitem únavy pro oba materiály, a proto poskytuje téměř neomezenou životnost.

Kvantitativní únavová životnost vs. frekvence PWM

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 hodin a žádné tepelné namáhání titanového pláště. Při 1 kHz PWM je změna teploty < 2 stupně a výkon je stejný jako při nepřetržitém provozu.

Vliv citlivosti PWM na geometrii ohřívače a hustotu výkonu

Vliv frekvence PWM závisí na hustotě výkonu a tepelné hmotnosti ohřívače. Při nízké hustotě výkonu (5 W/cm²) jsou teplotní výkyvy menší pro jakoukoli danou frekvenci, proto signál 1 Hz PWM poskytuje pouze 10 stupňů výkyvu a životnost vodiče je 20 000–50 000 hodin. Při vysoké hustotě výkonu 25 W/cm² a signálu 1 Hz PWM snižuje výkyv o 50 stupňů životnost vodiče na 1 000 až 3 000 hodin. U tenkostěnné trubky (0,9 mm) je tepelná hmotnost menší a změny teploty jsou větší. Trubka se silnější stěnou (2,0 mm) má větší tepelnou hmotnost a teplotní výkyvy se snižují o 30–50 %. U dlouhého ohřívače (2 m) tepelná hmota také tlumí teplotní výkyvy na koncích.

Průvodce výběrem frekvence PWM s titanovým pláštěm.pdf

Následující tabulka uvádí návrhy pro frekvenci PWM podle hustoty výkonu, zamýšlené životnosti ohřívače a potřeb regulace teploty.

Hustota výkonu (W/cm²) Požadovaná životnost ohřívače (hodiny) Požadovaná přesnost ovládání (± stupně) Doporučená frekvence PWM (Hz) Očekávané kolísání teploty (stupně)<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 Libovolná 1,000+<2 Engineering Beyond PWM Frequency Selection

Stupeň titanu neovlivňuje odolnost odporového drátu proti tepelné únavě, nicméně titan třídy 7 má podobnou tepelnou roztažnost jako třída 2. Materiál odporového drátu je silně funkcí únavové životnosti. Drát NiCr 80/20 má lepší odolnost proti tepelné únavě ve srovnání s drátem FeCrAl. Důležitá je také kvalita izolace MgO, protože zhutněný MgO lépe přenáší teplo a snižuje teplotní rozdíl mezi drátem a pláštěm. Měkké-ovládání výkonu při startu (postupný nárůst výkonu namísto pulzů zapnutí{8}}vypnutí) pomáhá dále snižovat tepelné namáhání. Pokud chcete přesné řízení teploty, pak je vždy lepší vyšší frekvence PWM (100-1 000 Hz).

Vytvoření odůvodněné specifikace

U výkonově modulovaných titanových ohřívačů pláště se doporučuje frekvence PWM 100 Hz nebo vyšší, aby se minimalizovalo termomechanické namáhání. Pro aplikace vyžadující vysokou hustotu výkonu (nad 20 W/cm2) použijte 1 000 Hz pulzně šířkovou modulaci (PWM) nebo regulátor fázového úhlu (plynulé řízení výkonu) místo modulace zapnuto-vypnuto. U stávajících nízkofrekvenčních (1Hz) ohřívačů přidejte vyhlazovací induktor nebo aktualizujte ovladač na vysokofrekvenční PWM. Pokud je přijatelná přesnost regulace teploty ±2 stupně, pak je frekvence 10 Hz dostačující pro zajištění dostatečné životnosti tepelné únavy pro většinu aplikací. Inženýr pracuje při 100 Hz PWM místo 1 Hz, čímž snižuje kolísání teploty z 30 stupňů na 5 stupňů a zvyšuje únavovou životnost odporového drátu a titanového pláště faktorem 5–10.