《电子技术应用》
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散热风扇的可靠性分析及其对UPS系统的影响
2019年电子技术应用第9期
孙海华
浙江邮电职业技术学院,浙江 绍兴312000
摘要: UPS系统运行中产生的热量通过风扇来散热。与自然对流冷却相比,使用风扇冷却的效果较好,可将系统内温度降低多达30 ℃。电子元器件的预期寿命需要经过建模、实验室测试和现场验证。UPS系统中,若风扇故障,用于强制风冷的气流速度将降低,系统内元器件温度将升高。为了达到UPS系统的预期寿命,需要对风扇进行定期的维修与更换。讨论了温度对绝缘老化的作用、自然对流与强制对流的区别、风扇的可靠性建模以及采用预防性维护来提高UPS系统的可靠性。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190533
中文引用格式: 孙海华. 散热风扇的可靠性分析及其对UPS系统的影响[J].电子技术应用,2019,45(9):119-122,128.
英文引用格式: Sun Haihua. Reliability analysis of cooling fans and their impact on UPS system[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(9):119-122,128.
Reliability analysis of cooling fans and their impact on UPS system
Sun Haihua
Zhejiang Post and Telecommunication College,Shaoxing 312000,China
Abstract: The heat generated in the operation of UPS system is dissipated by cooling fans. Compared with natural convection cooling, the cooling effect of fan is better, and the temperature in the system can be reduced up to 30 ℃. The expected life of electronic components requires extensive modeling, laboratory testing and field verification. In UPS system, if the fan fails, the velocity of air flow used for forced cooling air will decrease, and the temperature of components in the system will rise. In order to achieve the expected life of UPS system, periodic maintenance and replacement of cooling fans are needed. This paper briefly discusses the effect of temperature on insulation aging, the difference between natural convection and forced convection, the reliability modeling of cooling fans and how periodic maintenance improve the reliability of UPS system.
Key words : cooling fans;UPS system reliability;expected life

0 引言

    在UPS系统的应用中,其自身元件质量、工作环境以及负载状况等因素,都会影响到UPS系统的故障率和稳定水平[1]。UPS系统在运行过程中,元器件产生的热量通过对流、辐射等形式散发到周围环境中去,导致环境空气与元器件表面温差升高。这些元器件包括:电感、变压器、功率半导体器件、电容、电阻等。表1给出了各元器件效率的典型值。

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    UPS工作在不同的模式下,产生的热量也不相同。在UPS绝大部分运行时间内,工作在主路逆变状态,运行效率达80%~98%。UPS的2%~20%功率会转化成热量。一个100 kVA的UPS系统可以产生5 kW~10 kW的热量。UPS因散热等外在因素降低了其容量的使用效率[2-3]。对于大型的UPS来说,电气元器件多,热量损耗大,效率很容易低于95%,低于90%也是非常常见的。这就意味着5%到10%的功率转换成热量消耗了。

    当UPS风扇故障时,元器件外壳与外界温度差会超过40 ℃。器件表面到内部热源还有5 ℃到15 ℃的温差。通过强制空气冷却,40 ℃的温升可以降到10 ℃以下。几乎所有功率等级的UPS都会使用强制空气冷却,来降低器件的温升。

    散热风扇主要由外壳、叶片和包括轴承和润滑系统的电机组成。这些风扇部件中,许多已经从原先的金属材质改用塑料材质。像其他电气元件一样,散热风扇也有一定的寿命期限。风扇厂家通过实验室测试,给出在额定运行条件下的预期使用寿命。在特定使用条件下,风扇的寿命也可由厂家提供的公式计算得出。

    UPS的寿命与可靠性部分取决于单个元器件的表面温升大小。除此以外,绝缘材料之间的电场、振动、湿度也是加速UPS老化的因素。本文仅讨论温度和散热风扇对UPS可靠性的影响,分析元器件温度大小致使UPS预期寿命下降的原因。比较强制空气对流冷却在降低温度方面比自然空气对流冷却的优势。对散热风扇的可靠性进行建模分析,最后讨论其对UPS系统可靠性的影响。

1 温升对元器件可靠性的影响

    固体材料元器件的绝缘性能随着温度升高而退化。绝缘材料的寿命通常与漏电流的大小成反比[4-5]。不同的老化过程导致漏电流增加和绝缘电阻降低,表现为物质氧化、化合物分子分裂和离子污染物增加,这三种变化都与温度大小有关。Arrhenius模型阐述了由于温升引起的热降解作用与使用寿命的关系,其方程式如式(1)所示。

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式中:L(T)是在最大壳体温度T下工作元器件的预期使用寿命;L(T0)是由元器件厂家提供的使用寿命温度系数。

    根据式(2)可以得出,在最大允许温度范围内,温度每增加10 ℃,使用寿命就会减少一半[6-7]。厂家提供的温度寿命系数取值大约在1.6~3范围内。值得注意的是温度增长的基数。当温度从70 ℃增加到80 ℃时,使用寿命可能减少一半,但是当温度从30 ℃增加到40 ℃时,使用寿命的变化小得多。在40 ℃以下几乎没有温度退化现象。实际的温度使用寿命系数在不同的温度段可能差距较大。

    如何为一个完整的UPS系统建立使用寿命温度参数模型,业界仍存在分歧,但提高UPS系统运行温度会导致其使用寿命降低的结论毋庸置疑。

2 自然对流冷却与强制对流冷却

    UPS内部主要散热的方式为自然和强制空气对流冷却。热传递可用式(3)来估算。主要的难点在于估计强制对流空气与自然空气对流的空气流量体积。

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式中:Q为传递的热量;F为气体流速,单位为每分钟立方英尺,CFM;CP为一定温度和密度的空气比热容。

    空气的比热容和密度都随局部温度变化而变化。假设这两者均为常数,式(3)可简化成如图1所示,来表述传递热量、气流速度及温差三者之间的关系。

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    从图1中可以看出,为了降低空气流速,进出空气温差必须加大,以保持恒定的热传递速率。每千瓦的热量传递需要大约100 CFM的空气流量,以保持小于10 ℃的温差,从而在器件内部保持较小的温升。

    强制对流冷却与自然对流冷却相比,容积风量差异较大。强制空气冷却中,风扇通过压缩空气产生压差,从而迫使空气流动,空气流速可达200 CFM。在自然对流的情况下,温度差引起气体密度的变化,也可导致压力差和空气流量,但空气流量要小得多。自然对流产生的气流速度比风扇产生的气流速度要小得多。

3 散热风扇的可靠性建模

    散热风扇具有不同尺寸、特性,可由不同的电机技术驱动。最常见的两种是轴流风扇和离心风扇,如图2所示。

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    功率半导体通常配有散热器,两者通过导热性能好的硅胶连接在一起。散热器设计在UPS内部的一个腔室中。散热风扇通常安装在这个腔室的顶部或底部,将冷空气吸入或将热空气排出UPS。还有其他安装布置,例如安装在散热器的一侧。典型的UPS系统如图3所示,图中给出了典型UPS系统中的多个不同风扇和不同风扇位置。

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    驱动风扇运转的电机也分很多种类。表2给出了不同功率等级下使用的电机种类。

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    影响风机可靠性的主要机械设计参数是轴承技术。电机轴承有两种不同的形式:套筒轴承或滚珠轴承加上密封润滑系统。使用套筒轴承或滚珠轴承的分界范围是100~200 CFM。

    风扇既有机械故障也有电气故障。机械故障主要由轴承磨损引起,也可能是由于风扇叶片和外壳随使用时间变形而引起。越来越多的金属风扇外壳与叶片正在被塑料外壳所取代。电气故障是由于电机线圈老化,最终无法转动或线圈接地引起的。其中机械故障远比电气故障概率要高,大约占总故障的65%。

    为防止微小颗粒进入冷却气流中,通常的做法是在风机侧增加过滤装置。空气流动过程中往往造成静电增加。机房环境、静电、尘埃颗粒导致过滤孔隙率降低等因素将导致空气流速降低。如果没有维修和更换操作,UPS内部的强制气流将随着时间的推移而减少。

    随着时间的推移,风扇和电机出现故障的频次是逐渐增加的。在逐渐老化期间,风扇的转速和空气流量不断降低。

    在相同条件下运行的一组风扇,它们的失效时间不对称分布。这种分布称为概率密度函数,通常使用Weibull函数建模。风扇具有特定的使用寿命和故障概率。Weibull分布是风机可靠性模型的首选。其原因有:(1)作为一个封闭形式方程,其解可由代数方法算出;(2)Weibull函数具有矩阵的封闭形式解;(3)许多软件中包含Weibull函数。

    Weibull模型关键在于两个特征参数,特征寿命类似于非对称分布中的模式,形状因子决定概率分布的宽度和非对称性。Weibull分布的方程式如式(4)所示。

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    在过去的20年中,人们对风机故障进行了广泛的研究。一些大型厂家对用户提供了特征寿命和形状因子。一般来说,带套筒轴承风扇的特征寿命是75 000小时左右,带滚珠轴承的风扇的特征寿命是15 000小时左右。形状因子在2.0~5之间,典型值为3.25。

    图4是两个不同的失效概率曲线图,这两个曲线具有相同的形状因子3.25。从图4中可知,5~8年期间内,UPS中的风扇失效的概率可能为5%~10%。对于特定的可靠性曲线,需要特定的环境信息和风扇可靠性信息。MTBF(平均故障间隔时间)是用于表征特定部件的宏观使用寿命平均值。如果研究微观失效模型,则需要基于Weibull或等效分布模型的可靠性曲线。

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4 风机可靠性对大型UPS可靠性的影响

    UPS的可靠性量化需要大量的建模、实验室测试和现场验证。如果没有日常预防性维护操作,用于强制空气冷却的空气流速将缓慢降低,导致UPS中单个部件的外壳或表面温度上升。随着时间推移,这将降低单个部件的有效使用寿命,其中电容器和功率半导体对表面或外壳温度的微小增加最敏感。过滤器中的污垢堆积;轴承润滑降低;电机摩擦增加;塑料风扇部件变形,这也可能导致摩擦增加;以及电气故障,都可能降低电机的功率或导致电机完全停止转动,致使冷却空气流量减少。

    散热风扇每秒钟都在运转,是UPS内部比较薄弱容易出问题的环节,属于易损件。UPS可靠性很大程度决定于风冷系统的可靠性。UPS内一般装有两个温度检测元件,来检测整流器和逆变器的温度。当温度达到70 ℃时,UPS产生过温的报警。当温度达到90 ℃时,系统关闭整流器和逆变器,切换至旁路供电运行,负载处于不稳定的市电供电,得不到保护,可靠性显著下降[8-9]

    提高UPS供电运行可靠性,是系统具备良好的散热性能,可以从以下几个方面考虑。

    (1)UPS内部设置过滤网,减少进入设备内部的灰尘颗粒;电路板竖放,以减少电路板上的积灰,提高可靠性。轴流风扇的使用寿命实际上取决于轴承的寿命,而轴承的寿命由工作温度和清洁度来决定。少尘、散热良好的工作环境,有利于延长风扇的寿命[10]

    (2)采用集中式冗余散热,将器件散热片集中在一腔室空间中,设计散热风道;进行散热冗余设计,即使有风扇故障,也要保证系统正常散热[10-11]

    (3)加强风扇更换的可操作性,可带电更换风扇,维修方便。

5 风扇现场使用建议

    经验表明,对UPS系统进行适当的维护,其预期寿命与可靠性显著提高。现对UPS风扇现场使用提出建议,如表3所示,望在使用中有一定的参考价值。

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参考文献

[1] 李正明,张家浚,何斌.一种用于光伏微型逆变器的功率解耦电路[J].电子技术应用,2018(4):142-145.

[2] 曹洪奎,王江平,席乐乐,等.带电池管理系统的矿用不间断电源[J].电子技术应用,2015(9):122-124.

[3] 张金,魏影,韩裕生,等.一种改进的锂离子电池剩余寿命预测算法[J].电子技术应用,2015(8):110-112,116.

[4] 孙海华.大功率UPS系统关键器件寿命分析及其在应用中的影响[J].通信电源技术,2018(5):91-92.

[5] 米子昂.UPS电源技术性能及可靠性探讨[J].电子技术与软件工程,2016(4):223.

[6] 周蓉,姚志慧,杨海涛.不间断电源UPS中逆变变压器的寿命评估[J].电子技术应用,2009(6):88-92.

[7] 王艳,冯敏,徐慧珍.UPS供电系统的可靠性分析及维护[J].电子世界,2018(18):135-136.

[8] 李成章.可靠散热险[J].信息系统工程,1999(11):13.

[9] 赵鹤群.UPS电源供电可靠性相关分析[J].电子技术与软件工程,2017(22):239.

[10] 张国建.电厂UPS体系故障探讨[J].科协论坛(下半月),2012(11):70-71.

[11] 李峰.数据中心供配电系统设计[J].通信技术,2010(6):227-231.



作者信息:

孙海华

(浙江邮电职业技术学院,浙江 绍兴312000)