Як точно розрахувати пропускну здатність шини під час проектування

Правильний вибір перерізу шини починається з точного розрахунку її пропускної здатності за струмом. Якщо шина має недостатній переріз, вона перегріватиметься, виникатимуть втрати енергії, а в кінцевому підсумку — можлива аварія системи. Занадто великий переріз шини також є небажаним: це призводить до витрат матеріалів, зайвого збільшення ваги та підвищення виробничих витрат. При визначенні оптимального розміру мідної або алюмінієвої шини для безпечного пропускання заданого струму враховують кілька чинників. У цьому посібнику розглядаються чотири ключові чинники у розрахунок номінального струму шини та практичні рекомендації для робить в точні та надійні інженерні рішення.

Зрозуміти зв’язок між поперечним перерізом і номінальним струмом

Площа поперечного перерізу шини є найфундаментальнішим параметром для визначення пропускної здатності за струмом. Більша площа поперечного перерізу дозволяє пропускати більший струм до потік ,завдяки збільшенню кількості шляхів для електронів і більшій площі поверхні для розсіювання тепла іон однак залежність між площею поперечного перерізу та номінальним струмом не є лінійною. Подвоєння площі поперечного перерізу не призводить до подвоєння номінального струму, оскільки генерація тепла іон пропорційна квадрату струму (втрати I²R). На практиці інженери часто звертаються до стандартних таблиць допустимих струмів що наводяться довідкові значення номінальних струмів для найпоширеніших шин. Наприклад, за типових умов вільного повітряного охолодження невелика мідна шина з площею поперечного перерізу близько 10 мм² може пропускати десятки ампер, тоді як мідна шина площею 100 мм² зазвичай витримує кілька сотень ампер. Однак точне значення номінального струму залежить не лише від площі поперечного перерізу, а й від розмірів шини, температури навколишнього середовища, допустимого підвищення температури, способу монтажу, відстані між шинами та умов охолодження. Провідність алюмінію становить приблизно 60 % від провідності міді, тому для передачі того самого струму переріз алюмінієвого провідника має бути більшим. Для нестандартних шин компанія Kinto співпрацює з клієнтами, щоб визначити оптимальну площу поперечного перерізу що зустрітися s вимоги до електричних характеристик із урахуванням обмежень щодо простору та маси.

Враховувати підвищення температури та умови навколишнього середовища

Пропускна здатність струму не є фіксованою величиною. Вона змінюється залежно від максимально допустимого підвищення температури шини та температури навколишнього середовища навколо шини. Кожна шина має втрати на опорі, що призводять до виділення тепла. Це тепло має розсіюватися в навколишнє середовище без перевищення класу ізоляції або створення загроз безпеці. Типове проектне підвищення температури становить 30–65 °C над температурою навколишнього середовища. Якщо температура навколишнього середовища всередині корпусу вже становить 50 °C, то номінальний струм має бути значно знижений. Загалом, підвищення температури навколишнього середовища зменшує допустиму пропускну здатність струму, тоді як покращення умов охолодження може суттєво її збільшити. З іншого боку, пропускну здатність можна збільшити за рахунок покращення охолодження за допомогою примусової подачі повітря або безпосереднього відведення тепла через теплові відвідники. На етапі проектування Kinto рекомендує клієнтам визначити очікуване робоче середовище шини та максимально допустиму температуру, щоб забезпечити, що кінцевий продукт шини базується на реальних умовах експлуатації, а не на ідеальних.

Враховуйте ефект поверхневого струму та ефекти близькості для змінного струму

У багатьох проектах враховують лише постійний струм або змінний струм низької частоти, при якому струм рівномірно розподіляється по поперечному перерізу шини. Проте при вищих частотах або з більших розмірах провідників ефект поверхневого струму призводить до того, що струм до тече ближче до поверхні ,зменшуючи ефективну поперечну площу, доступну для провідності. Це збільшує активний опір змінного струму та зменшує ефективну пропускну здатність струму. Для мідної шини глибина скин-ефекту становить приблизно 8,5 мм на частоті 60 Гц. Якщо товщина шини перевищує подвоєну глибину скин-ефекту, внутрішня частина провідника майже не бере участі в передачі струму. Рішення полягає у використанні кількох тонших шин, підключених паралельно, або у використанні ламінованих шин. Пропускна здатність струму може бути ще більше знижена ефектом близькості, який виникає через перерозподіл струму під впливом магнітних полів у сусідніх провідниках. У застосуваннях у системах розподілу електроенергії або інвертерах Kinto допомагає клієнтам зрозуміти, як ці ефекти впливають на шини змінного струму, і рекомендує конфігурації ламінованих шин, що максимізують розмір номінальні значення струму при мінімізації втрат змінного струму.

Застосовуйте поправочні коефіцієнти для форми, корпусу та способу кріплення

Відведення тепла в значній мірі залежить від фізичної конфігурації шини та способу її кріплення. Плоска шина, встановлена вертикально, як правило, відводить тепло ефективніше, ніж горизонтально встановлена шина, завдяки покращеній природній конвекції. Форма шини, відстань між провідниками та площа її поверхні також впливають на характеристики теплопередачі.

Шина, встановлена у відкритому повітрі, має перевагу у необмеженому охолодженні, тоді як та сама шина, встановлена всередині герметичного корпусу, може мати значне зниження своєї номінальної струмової навантажувальної здатності через обмежене відведення тепла. Аналогічно, кілька шин, встановлених поруч одна з одною, створюють взаємне нагрівання, що ще більше зменшує допустимий струм.

Стандартні поправочні коефіцієнти, опубліковані Міжнародною електротехнічною комісією (IEC), Інститутом інженерів з електротехніки та радіоелектроніки (IEEE) або виробниками, повинні застосовуватися з урахуванням конкретної конфігурації монтажу. При визначенні остаточної струмової навантажувальної здатності слід враховувати такі фактори, як тип корпусу, відстань між провідниками, швидкість повітряного потоку та орієнтація монтажу.

У Kinto , наша інженерна команда застосовує ці принципи корекції під час розробки будь-якої нестандартної шини, щоб забезпечити, що розрахована пропускна здатність струму точно відображає реальні умови експлуатації після встановлення.