-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen einer Schalttafeleinrichtung
zum Verteilen von elektrischem Strom zu einem System von Stromverbrauchern,
die einen Teil eines oder mehrerer elektrischer Stromkreise bilden,
wobei die Schalttafeleinrichtung zu diesem Zweck aus einer Anzahl
von elektrischen Modulen aufgebaut ist, die in einer bestimmten
Kombination angeordnet sind und gegebenenfalls in Fächern einer
Schalttafelanordnung, beispielsweise eines Schaltschrankes, angeordnet
sein können,
wobei diese Module die Betriebstemperatur in der Schalttafeleinrichtung
durch Erzeugen und Abstrahlen von Wärme beeinflussen.
-
Es
gibt verschiedene Arten von Stromverbrauchern, beispielsweise Motoren,
Heizelemente, Beleuchtungseinrichtungen usw., und folglich unterscheiden
sich diese Verbraucher voneinander in Bezug auf den Strombedarf,
die Schutzart, die Art der Steuerung usw. Darum sind die Stromversorgungs-, Steuerungs-
und Schutzeinrichtungen usw. für
einzelne Verbraucher im Allgemeinen in separaten Schalt- und/oder
Verteilereinheiten untergebracht, so dass die Schalttafeleinrichtung
aus einer Anzahl verschiedener Arten von elektrischen Schalt- und/oder Verteilereinheiten
aufgebaut ist, die wiederum in einem oder mehreren Schaltschränken untergebracht sein
können.
-
Solche
Schalttafeleinrichtungen, die auch Steuer- und Verteileranlagen
genannt werden, werden weithin in elektrischen Installationen – sowohl Nieder-
als auch Mittelspannungsinstallationen – verwendet, wobei die Anzahl,
die Art und auch die Zusammenstellung (auch die "Konfiguration" genannt) der verschiedenen Typen von
Schalt- und/oder Verteilereinheiten, die benutzt werden, vollständig an
die Erfordernisse des Benutzers angepasst werden können. Um
die Anzahl der Varianten, die in diesem Zusammenhang möglich sind,
zu begrenzen, werden im Allgemeinen Standardeinheiten, auch Module oder
Einschübe
genannt, für
die verschiedenen Typen von Schalt- und/oder Verteilereinheiten
verwendet. Aus Gründen
der Klarheit werden die Schalt- und/oder Verteilereinheiten im weiteren "Module" bzw. "Modul" genannt. Ein weiteres
Ergebnis dieser Standardisierung ist, dass es einfacher wird, die
Installation auszuwechseln, zu modifizieren und/oder zu erweitern.
-
Eine
weitere Begrenzung der Anzahl der Varianten wird des Weiteren dadurch
erreicht, dass man so weit wie möglich
die Leistungswerte standardisiert, die die Module schalten können müssen. Die Module
sind im Allgemeinen in einem oder mehreren Schaltschränken untergebracht,
die zu der Schalttafeleinrichtung kombiniert werden.
-
Während des
Betriebes verursacht der Strom, der durch ein Modul fließt, um einen
Verbraucher mit Strom zu versorgen, sogenannte Leistungsverluste
infolge des elektrischen Widerstandes der Komponenten, die zu dem
Modul gehören.
Während des
Betriebes beeinflussen die Leistungsverluste in den Modulen die
Temperatur nicht nur in dem betreffenden Modul, sondern auch im übrigen Teil
der Schalttafeleinrichtung, indem die Module Wärme erzeugen und abstrahlen.
Da es sich bei den Modulen in einer solchen Schalttafeleinrichtung
um temperaturkritische Komponenten und/oder Materialien handelt,
wie beispielsweise Temperaturschalter, elektronische Bauteile, Thermoplastmaterialien
und dergleichen, bestimmen diese Komponenten und/oder Materialien
praktisch die maximal zulässige
Wärmeentwicklung
und damit auch die maximal zulässige
elektrische Belastbarkeit der Module, des Schaltschrankes und letztendlich
der gesamten Installation.
-
Folglich
ist es überaus
wünschenswert,
den Temperaturhaushalt der Schalttafeleinrichtung richtig zu verstehen,
um zu vermeiden, dass die Lebensdauer der Installation verkürzt wird
oder Störungen auftreten.
Darüber
hinaus besteht aus finanziellen Gründen das Ziel allgemein darin,
den größtmöglichen
Ausnutzungsfaktor in der Schalttafeleinrichtung zu realisieren,
d. h. es wird versucht, eine minimale Anzahl von Modulen und/oder
Schaltschränken
für den
elektrischen Gesamtstrombedarf einer Schalttafeleinrichtung zu verwenden.
Das bedeutet, dass der Leistungswert für jedes Modul und/oder jede
Schalttafel steigt, und damit auch die Menge der erzeugten Wärme, was
gleichermaßen
ein richtiges Verständnis des
Temperaturhaushalts erfordert.
-
Es
können
physikalische Kühlungsmaßnahmen
in Form von Rippen, Luftspalten, Gebläsen und dergleichen vorgesehen
werden. Die internationalen Standards verlangen aber, dass bestimmte
Schalttafeleinrichtungen, beispielsweise Installationen, die in der
petrochemischen Industrie verwendet werden, gasdicht, wasserdicht
und/oder staubdicht sind, weshalb sich insbesondere die Belüftung einer
Schalttafeleinrichtung zu Kühlzwecken
von selbst verbietet.
-
Eine
praktische oder empirische Möglichkeit, dieses
Verständnis
zu gewinnen, besteht darin, eine Schalttafeleinrichtung zusammenzustellen,
die eine bestimmte Modulkombination umfasst, und anschließend die
Temperaturentwicklung während
des Betriebes zu beobachten. Auf diese Weise kann untersucht werden,
ob die verwendete Konfiguration und die resultierende Temperaturentwicklung
eine negative Auswirkung auf das Funktionieren und die optimale
Nutzbarkeit der Schalttafeleinrichtung als Ganzes haben.
-
Aufgrund
der auf Versuch und Irrtum basierenden Vorgehensweise und der großen Anzahl möglicher
Modulkonfigurationen in der Schalttafeleinrichtung ist der obige
Ansatz allerdings zeitaufwändig
und daher eher uninteressant. Folglich wird in der Praxis häufig die
sogenannte "Lastdrosselung" verwendet. Das bedeutet,
dass aus Sicherheitsgründen
der Gesamtleistungswert eines Moduls verringert wird, so dass auch
die Gesamtmenge des Stroms, der durch das Modul fließt, und
folglich auch die Menge der innerhalb des Moduls erzeugten Wärme abnimmt.
Infolge dessen kommt es zwar tatsächlich zu einer Verringerung
der Wärmeproduktion, aber
der Ausnutzungsfaktor wird dadurch ebenfalls verschlechtert. Das
führt letzten
Endes dazu, dass mehr Module benötigt
werden, um die Gesamtinstallationsleistung der betreffenden Schalttafeleinrichtung
zu bewältigen,
wodurch wiederum die Kosten dieser Installation in die Höhe getrieben
werden.
-
Eine
andere, rein theoretische Lösung
zur Gewinnung eines Verständnisses
des Temperaturhaushalts zum Zweck des Erreichens einer optimalen
Konfiguration des Schaltschrankes besteht darin, die Komponenten
und die Teile innerhalb des Schaltschrankes und die Module als ein
System von Wärmequellen
und Thermistoren zu betrachten, das auf ein Wärmemodell reduziert werden
kann, anhand dessen es möglich
ist, die Temperaturänderung,
zu der es während
des Betriebes in jedem der Module im Schaltschrank kommt, abzuleiten.
-
Um
sich dem optimalen Temperaturhaushalt und der optimalen Temperaturentwicklung,
wie sie sich während
des Betriebes tatsächlich
in einer bestimmten Schalttafeleinrichtung vollzieht, anzunähern, macht
es diese theoretische Lösung
erforderlich, alle Komponenten und Teile in der Schalttafeleinrichtung – und damit
in jedem Modul- und/oder Schaltschranktyp – auf eine
Wärmequelle
und/oder einen Thermistor zu reduzieren. Innerhalb dieses Zusammenhangs
muss wenigstens jeder Leiter und jedes elektrische Bauteil als eine
Wärmequelle
betrachtet werden, während
für jeden
Wärmewiderstand
zwischen einem widerstand vom Leitungstyp, einem Widerstand vom
Konvektionstyp und einem Widerstand vom Strahlungstyp unterschieden
werden muss. Obgleich ein hinreichend brauchbarer Ansatz hinsichtlich
des Temperaturhaushalts der Schalttafeleinrichtung erhalten werden
kann, indem man den Schaltschrank und jeden Modultyp in dieser Weise
auf ein System aus Wärmefaktoren
reduziert, ist es erforderlich, Korrekturfaktoren für die Abmessungen
und das Design jedes Moduls und/oder Schaltschrankes zu berücksichtigen,
um eine präzisere
Annäherung
zu erhalten.
-
Für diesen
theoretischen Ansatz ist es des Weiteren erforderlich, eine Reihe
von Parametern, wie beispielsweise die Wärmeabgabe, den Konvektionswiderstand,
den Strahlungswiderstand, den Leitungswiderstand usw., für jede Komponente,
die Leistungsverluste verursacht, zu definieren. Um einen akzeptablen
Grad an Genauigkeit zu erreichen, muss unvermeidlich eine sehr große Anzahl
von Parametern bekannt sein oder gemessen werden, was in der Praxis
nur schwer zu realisieren ist.
-
In
FR-A-2670597 ist das Modellieren des Wärmeverhaltens einer Leiterplatte
offenbart, wobei diese Leiterplatte mehrere miteinander verbundene, verkapselte
elektronische Bauteile umfasst, wobei die Aufgabe dieser Modellierung
darin besteht zu gewährleisten,
dass das vorgeschlagene Layout unter den spezifizierten Betriebsbedingungen
korrekt funktioniert. Genauer gesagt, konzentriert sich das Modell
von FR-A-2670597 darauf, ein genaueres Modell des Wärmeverhaltens
der einzelnen Komponenten zu erstellen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben angesprochenen Nachteile
zu beseitigen und ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe
ein direktes Verständnis
des Temperaturhaushalts einer Schalttafeleinrichtung jeglicher Konfiguration
auf rasche und effiziente Weise unter Durchführung einer begrenzten Anzahl
von Messungen gewonnen werden kann.
-
Gemäß der Erfindung
ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass jede Art von Modul,
aus dem die Schalttafeleinrichtung aufgebaut ist, als eine Wärmequelle
angesehen wird, die durch vorher bekannte Leistungsverluste entsteht,
deren Wärmeeinwirkung
auf die Schalttafeleinrichtung unter Nennlastbedingungen in Temperaturdatenfeldern
abgelegt wird, wobei diese Temperaturdatenfelder das Bilden eines
Wärmemodells
unterstützen,
auf dem basierend es möglich
ist, die Temperaturänderung,
zu der es in jedem der Module in dem Schaltschrank während des
Betriebes kommt, bei jeder gewünschten Konfiguration
der Schalttafeleinrichtung abzuleiten.
-
Um
die optimale Konfiguration oder Zusammenstellung der Module für eine bestimmte
Schalttafeleinrichtung zu erhalten, ist das erfindungsgemäße Verfahren
dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleitete Temperaturänderung
dafür verwendet
wird, die elektrischen Schalt- und/oder Verteilereinheiten in den
Fächern
des Schaltschrankes in einer solchen Weise anzuordnen, dass bei
Verwendung der betreffenden Konfiguration eine zuvor festgelegte
Betriebstemperatur während
des Betriebes nicht überschritten
wird. Infolge dessen wird die Notwendigkeit mehrerer auf Versuch
und Irrtum basierender Messungen in der Praxis vollständig beseitigt.
Darüber
hinaus macht es das erfindungsgemäße Verfahren möglich, den
Einfluss von Änderungen
der Konfiguration der Schalttafeleinrichtung auf die Temperaturen
in der Schalttafeleinrichtung sichtbar zu machen.
-
Gemäß der Erfindung
wird die partielle Änderung
der Betriebstemperatur in einer Schalttafeleinrichtung an wenigstens
zwei verschiedenen Orten der Fächer
innerhalb der Schalttafeleinrichtung für jede Art von Modul ermittelt
und anschließend
in Temperaturdatenfeldern abgelegt, um das Wärmemodell zu erstellen. In
dem Fall, dass die Schalttafeleinrichtung aus einem oder mehreren
Schaltschränken
aufgebaut ist, in dem bzw. in denen die verschiedenen Module in
Form einer Matrix angeordnet sind, wird die partielle Änderung
der Betriebstemperatur in dem betreffenden Schaltschrank an wenigstens
zwei verschiedenen Orten der Fächer
für jede
Art von Einheit ermittelt, um das Wärmemodell zu erstellen.
-
Genauer
gesagt, wird jede Art von Einheit in wenigstens zwei Fächern des
betreffenden Schaltschranks angeordnet; die Einheit, die den dieser
Einheit zugeordneten Nennstrom führt,
wird belastet; und die Temperaturen in der betreffenden Einheit
sowie in allen anderen Fächern
von ähnlicher
Größe in derselben
vertikalen oder horizontalen Reihe werden in zwei Messergebnisdatenfeldern
abgelegt.
-
Gemäß einer
Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wärmemodells entspricht die Anzahl der
Messpunkte zum Bestimmen des Temperaturdatenfeldes wenigstens der
Anzahl an Modulen, die in dem betreffenden Schaltschrank untergebracht
werden können.
Um ein präziseres
Wärmemodell
gemäß der Erfindung
zu erhalten, wird die Entfernung zwischen den Messpunkten durch
die festgelegte Unterteilung des betreffenden Schaltschrankes bestimmt.
-
Die
Erfindung betrifft des Weiteren einen Computer, der Eingabemittel,
Speichermittel, Datenlagermittel, Datenverarbeitungsmittel, Anzeigemittel und
ein Steuerprogramm umfasst, das für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
konfiguriert ist, sowie einen Datenträger, der von einem Computer
gelesen werden kann, wobei dieser Datenträger ein Steuerprogramm umfasst,
das für
die Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
konfiguriert ist.
-
Die
Erfindung wird nun eingehender unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
-
1a–1c sind
Vorderansichten bzw. eine teilweise aufgeschnittene Ansicht von
einigen Ausführungsformen
eines Schaltschrankes, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
aufgebaut ist.
-
2, 3 und 4 sind vereinfachte Wärmemodelle, in denen das erfindungsgemäße Verfahren
implementiert ist.
-
5 zeigt
den Schaltschrank, in dem das erfindungsgemäße Verfahren implementiert
ist.
-
Die
Schaltschränke,
die in den 1a–1c gezeigt
sind, bestehen aus einer Anzahl von Fächern 1a, und 2a–2p.
Solche Schaltschränke
werden beispielsweise in industriellen Elektroinstallationen verwendet,
wo sie die Verteilung von Strom verwalten. In der Regel stehen mehrere Schaltschränke 1 unmittelbar
nebeneinander.
-
In
der Regel ist eine Stromversorgungsleitung 3 in dem Fach 1a angeordnet,
die dazu dient, den (verschiedenen) Schaltschränken 1 elektrische Energie
zuzuführen,
wobei die elektrische Energie in Form von Spannungs- und Stromsignalen über verschiedene
Leitungen 3a und 3b zu den verschiedenen Fächern 1b und 2a–2p verteilt
wird.
-
Jedes
Fach 2a–2p kann
mit einer Schalt- und/oder Verteilereinheit 4a–4p ausgestattet
werden. Die verschiedenen Einheiten können mit einem Schiebemechanismus
in jedem der Fächer
in passenden Eingriff gebracht werden, wodurch ein einfaches Einsetzen
und Herausnehmen der Einheiten ermöglicht wird, indem sie in das
Fach hineingeschoben bzw. aus dem Fach herausgezogen werden. Jedes
Fach ist mit einer Anzahl Kontaktfahnen 5 versehen, um
eine gute elektrische Verbindung zu den Stromversorgungsleitungen 3a und 3b herzustellen, wobei
diese Kontaktfahnen beim Hineinschieben der Schalt- und/oder Verteilereinheiten
mit (nicht gezeigten) Buchsen, die an jeder Schalt- und/oder Verteilereinheit
angeordnet sind, in passenden Eingriff gebracht werden.
-
1c zeigt
eine andere, umfassendere Ausführungsform,
bei der der Schaltschrank ein matrixartiges Design aufweist, das
drei Säulen 1a–1a'–1a'' und Fächer 2a–2p, 2a'–2p' und 2a''–2p'' umfasst,
in denen verschiedene Einheiten 4 untergebracht werden
können.
-
Obgleich
sie für
das richtige Verständnis
der Erfindung nicht von Bedeutung sind, kann jede Schalt- und/oder
Verteilereinheit je nach dem betreffenden Typ Drehschalter und dergleichen
umfassen, die in dieser Ausführungsform
mit den Bezugszahlen 6 und 7 bezeichnet sind,
mit deren Hilfe jede Einheit aus- oder eingeschaltet oder auf eine
bestimmte Position eingestellt werden kann.
-
Wie
bei jeder Elektroinstallation erzeugen die Schalt- und/oder Verteilereinheiten
Wärme und strahlen
diese Wärme
in ihre Umgebung ab. Dieses Erzeugen und Abstrahlen von Wärme beeinflusst
die Betriebstemperatur innerhalb des Schaltschrankes und bestimmt
somit teilweise die maximale Belastbarkeit der Elektroinstallation
als Ganzes. Eine hohe Betriebstemperatur kann zu unerwünschten
Störungen
des Schaltschrankes führen.
-
Es
ist in diesem Zusammenhang wünschenswert,
ein Verständnis
des Wärmehaushalts des
Schaltschrankes während
des Betriebes zu gewinnen.
-
Dies
kann geschehen, indem die verschiedenen Einheiten 2a–2p bei
der Installation des Schaltschrankes 1 in einer bestimmten
Konfiguration oder Zusammenstellung in den Fächern angeordnet werden und
anschließend
die Temperaturentwicklung während
des Betriebes beobachtet wird. Es hat sich erwiesen, dass unterschiedliche
Konfigurationen zu unterschiedlichen Temperaturentwicklungen im Schaltschrank 1 führen. Es
kann somit für
eine bestimmte Konfiguration der Einheiten 4a–4p untersucht
werden, ob die darin stattfindende Temperaturentwicklung in bestimmte
wünschenswerte
Temperaturgrenzen fällt,
wie sie in (internationalen) Standards festgelegt sind.
-
Wie
schon in der Einleitung in groben Zügen beschrieben, ist diese
Lösung
aufgrund der auf Versuch und Irrtum basierenden Vorgehensweise dieses Ansatzes
und der großen
Anzahl möglicher
Konfigurationen der Schaltschränke
zeitaufwändig
und nicht sonderlich praktisch. Wenn offenbar wird, dass eine bestimmte
Zusammenstellung der Einheiten 4a–4p in dem Schaltschrank
zu einer Temperaturentwicklung führt,
die außerhalb
der geltenden Standards liegt, so muss letzten Endes der Schaltschrank
umgeordnet werden, wobei eine andere Konfiguration der Einheiten 4a–4p zum
Einsatz kommt, und die Temperaturentwicklungen in dem Schaltschrank 1 müssen anschließend erneut
beobachtet werden. Wenn andererseits diese Konfiguration aufgrund
von Wartungs-, Reparatur- oder
Erweiterungsarbeiten verändert
wurde, so müssen
an der neuen Konfiguration des Schaltschrankes neue Messungen vorgenommen
werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
hingegen macht es möglich,
in rascher und effizienter Weise ein direktes Verständnis des
Wärmehaushalts
eines Schaltschranks von beliebiger Konfiguration zu gewinnen. Zu
diesem Zweck wird jeder Typ der Module 4a–4p,
aus denen die Schalttafeleinrichtung besteht, als eine Wärmequelle
angesehen, die durch vorher bekannte Leistungsverluste entsteht,
deren Wärmeeinfluss
auf die Schalttafeleinrichtung unter Nennlastbedingungen in Temperaturdatenfeldern
abgelegt wird, wobei diese Temperaturdatenfelder die Erstellung
eines Wärmemodells
unterstützen,
anhand dessen es möglich
ist, die Temperaturänderung,
zu der es in jedem der Module in dem Schaltschrank während des
Betriebes kommt, bei jeder gewünschten Konfiguration
der Schalttafeleinrichtung abzuleiten.
-
In
den 2 und 3 sind
zwei Ausführungsformen
des Wärmemodells
zu sehen. Die Gesamtwärmemodelle
des Schaltschrankes, einschließlich der
verschiedenen Einheiten 4a–4p, können in
einem computergenerierten Diagramm dargestellt werden, das aus einem
System von Feldern besteht, das in Zeilen und Spalten unterteilt
ist.
-
2a zeigt
schematisch den Schaltschrank 1, der 1a entspricht.
Der Schaltschrank 1 umfasst 16 Fächer 2a–2p,
in die ein bestimmtes Modul oder eine bestimmte Schalt- und/oder
Verteilereinheit 4a–4p eingesetzt
werden können.
Das spezifische Modul ist durch seine Verlustleistung gekennzeichnet,
die während
des Betriebes zu Leistungsverlusten führt. In 2a ist
das arithmetische Wärmemodell
anhand von zwei Modulen 4 und 4' beschrieben, die im Modell anhand
ihrer Verlustleistung bezeichnet sind, nämlich 15 kW und 25 kW.
-
Um
das arithmetische Wärmemodell
zu erstellen, wird gemäß der Erfindung
ein Modul 4 (15 kW) in wenigstens zwei verschiedene Fächer des Schaltschrankes
eingesetzt und mit dem zugehörigen
Nennstrom belastet. Für
jedes der zwei verschiedenen Fächer
wird die Temperatur des betreffenden Faches sowie die Temperatur
in allen anderen Fächern – in derselben
vertikalen Reihe in dieser Ausführungsform – unter
Verwendung eines Temperatursensors in Messergebnisdatenfeldern abgelegt.
-
Es
können
zwei Messreihendatenfelder definiert werden, indem das 15 kW-Modul
in das obere Fach 1 (2a) sowie in das untere Fach 16 (2p)
eingesetzt wird, wie in Tabelle 2a gezeigt. Die linke Spalte, die
dem 15 kW-Modul zugeordnet ist, umfasst zwei Reihen mit Zahlen.
Die linke Reihe in der linken Spalte zeigt den Temperaturanstieg
relativ zur Umgebung beim Belasten des 15 kW-Moduls im oberen Fach 2a, und
die rechte Reihe in der linken Spalte zeigt den Temperaturanstieg
relativ zur Umgebung in jedem Fach, wenn das 15 kW-Modul im unteren
Fach 2a mit dem Nennstrom belastet wird.
-
Die
linke Reihe zeigt, dass der Betrieb des 15 kW-Moduls im oberen Fach 2a einen
Temperaturanstieg von 11°K
im Fach 2a verursacht, einen Temperaturanstieg von 4°K im Fach 2b,
das sich direkt darunter befindet, verursacht, usw. Ab den Fächern 2g–2p ist
ein signifikanter Einfluss auf die Temperatur infolge des Betriebes
des 15 kW-Moduls im obersten Fach 2a nicht mehr festzustellen.
-
Gleichermaßen ist
aus der rechten Reihe in der linken Spalte abzulesen, dass das Einsetzen
und Betreiben des 15 kW-Moduls im untersten Fach 2p einen
Temperaturanstieg in Fach 2p um 11°K verursacht, einen Temperaturanstieg
von 4°K
im Fach 2o, das sich direkt darüber befindet, verursacht, usw.
usf. Aufgrund – unter
anderem – der
Wärmekonvektion kann
der Einfluss auf die Temperatur in den oberen Fächern nicht vernachlässigt werden,
im Gegensatz zu dem Fall, wo sich das 15 kW-Modul im obersten Fach
befindet, da sich die Temperatur in den Fächern noch um ein Grad Kelvin
erhöht.
-
Die
rechte Spalte in Tabelle 2a zeigt ähnliche Temperaturdatenfelder
für ein
25 kW-Modul. Infolge der höheren
Leistungsverluste sind die Temperaturgradienten im Schaltschrank
anders, nämlich
höher.
-
Anhand
der beiden Temperaturdatenfelder, die für jedes Modul experimentell
ermittelt werden, wird das arithmetische Wärmemodell erstellt, das in 2b für das 15
kW-Modul gezeigt ist. Die vertikalen Spalten von Tabelle 2 zeigen
die Temperaturdatenfelder für
jedes Fach, von denen das erste und das sechzehnte experimentell
ermittelt wurden, dafür,
wie in 2a gezeigt. Die Temperaturdatenfelder für die dazwischenliegenden
Fächer 2b–2o werden durch
Interpolation in das arithmetische Modell aufgenommen.
-
Nun
kann der Temperaturanstieg, zu dem es während des Betriebes kommt,
für jedes
Fach ermittelt werden, indem die Temperaturen in der horizontalen
Reihe (kursiv dargestellt), die zu einem bestimmten Fach gehören, beispielsweise
dem 14. Fach (siehe die äußerst linke
Spalte in Tabelle 2b), addiert werden. Wenn ein 15 kW-Modul in allen Fächern 2a–2-
vorhanden ist, so beläuft
sich der Temperaturanstieg, zu dem es im 14. Fach kommt, auf 30°K.
-
Die 3a und 3b zeigen
ein ähnliches arithmetisches
Wärmemodell
für ein
45 kW-Modul, das nicht nur einen höheren Leistungsverlust aufweist,
der zu einem höheren
Temperaturgradienten über
die verschiedenen Fächer
in dem Schaltschrank hinweg führt,
sondern das auch andere, größere Gesamtabmessungen
hat. In diesem Beispiel nimmt jedes 45 kW-Modul zwei Standardfächer 2a–2b, 2c–2d usw.
ein, so dass folglich ein Schaltschrank, wie er in 1a gezeigt
ist, mit acht 45 kW-Modulen ausgestattet werden kann, während ein ähnlicher
Schaltschrank mit 16 15-kW- oder
25 kW-Modulen ausgestattet sein kann, wie in 2a–2b gezeigt.
-
Das
Temperaturdatenfeld für
das 45 kW-Modul kann in ähnlicher
Weise in das arithmetische Wärmemodell
eingebaut werden, so dass der Temperaturanstieg für jedes
Fach bestimmt werden kann. Die Temperatur im dritten Fach 2c der
Konfiguration des Schaltschranks, wie sie in 3a gezeigt
ist, erhöht
sich demnach um 46°K.
-
Es
ist ebenfalls möglich,
mittels des arithmetischen Modells eine bestimmte Konfiguration
aus verschiedenen Einheiten 4a–4p in dem Schaltschrank 1 zu
berechnen, um so ein Verständnis
der Temperaturentwicklungen in dem Schaltschrank 1 zu gewinnen.
Wenn aus der Berechnung hervorgeht, dass die Konfiguration 4a–4p zu
einer hohen Betriebstemperatur führt,
die außerhalb
der Grenzen liegt, die in (internationalen) Standards und Richtlinien festgelegt
sind, so kann die Reihenfolge oder die Konfiguration der Einheiten 4a–4p einfach
in dem arithmetischen Modell abgelehnt werden. Wenn sich beispielsweise
zeigt, dass die Zusammenstellung 4a–4b–4c ... 4p zu
einer unerwünschten
Betriebstemperatur führt,
die auf einen zu hohen Wert ansteigt, so kann unter Vornahme einer
geringen Anzahl von Änderungen
am Wärmemodell
eine große Anzahl
anderer Konfigurationen berechnet werden, so dass es praktisch möglich ist,
einen akzeptablen Anstieg der Betriebstemperatur zu erreichen, indem beispielsweise
die Konfiguration 4a–4d–4c–4b–4h–4g–4i usw.
verwendet wird.
-
Eine
solche Implementierung ist in den 4a–4b gezeigt,
wobei der Schaltschrank aus drei verschiedenen Modulen zusammengesetzt ist,
in diesem Fall das 15 kW-, das 25 kW- und das 45 kW-Modul aus den
vorangegangenen Beispielen. Die gewünschte Temperaturverteilung
in dem Schaltschrank kann mittels einer korrekten Ausrichtung erreicht
werden. So werden die 15 kW-Module in den Fächern 2a und 2o untergebracht,
während
ein 25 kW-Modul zwei Fächer 2b–2c einnimmt,
und zwei 45 kW-Module befinden sich in den Fächern 2d–2e und 2i–2j.
All das führt
zu dem arithmetischen Wärmemodell,
wie es in Tabelle 4b gezeigt ist, wo die Temperatur im sechsten
Fach 2f (kursiv dargestellt) um 14°K ansteigt.
-
Des
Weiteren können
Korrekturfaktoren, die beispielsweise mit den konkreten Abmessungen oder
dem Aufbau des Schaltschrankes und der Fächer 4 zusammenhängen, in
das Wärmemodell
eingebaut werden. In diesem Zusammenhang können weitere Isolationspaneele,
Wärmebrücken oder
Lüftungsgitter,
die helfen den Temperaturhaushalt zu beeinflussen, in Betracht gezogen
werden. Die Schienensysteme zum Zuführen von Strom zu den einzelnen
Modulen im Schaltschrank können
ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf den Temperaturhaushalt
in dem Schaltschrank ausüben.
Korrekturfaktoren für
diese Einflüsse
können
in das arithmetische Modell eingefügt werden.
-
Dies
ist schematisch in 5 gezeigt, wobei aus Gründen der
Klarheit nur das System 3–3a–3b zum
Zuführen
von Strom zu den einzelnen Modulen gezeigt ist. Praktisch das gesamte
System, durch das der Strom für
die Module fließt,
kann durch Leistungsverluste gekennzeichnet werden, die an das Innere
des Schaltschranks abgegeben werden, wobei diese Verluste einen
entsprechenden bestimmten Temperaturanstieg in jedem Fach hervorrufen.
Das arithmetische Modell kann auch für dieses Phänomen angepasst werden, so
dass eine repräsentative Berechnung
des Temperaturhaushalts in dem Schaltschrank erhalten werden kann.