Cum modifică frecvența modulației puterii (modulația în lățime a impulsului la 1 Hz față de . 100 Hz) pentru un încălzitor cu manta de titan, durata de viață la oboseală termomecanică a firului de rezistență și a tubului?

În încălzitoarele electrice cu înveliș de titan, puterea este controlată în mod obișnuit prin intermediul modulării lățimii de impuls-(PWM) pentru a controla temperatura. Viteza cu care încălzitorul pornește și se oprește este determinată de frecvența semnalului PWM. La frecvența scăzută de 1 Hz, fiecare ciclu provoacă o variație mare de temperatură de 10-30 de grade în firul de rezistență și în manta de titan. La frecvență înaltă (100 Hz) masa termică a încălzitorului netezește impulsurile, astfel încât variațiile de temperatură sunt de numai 1-5 grade. Variațiile de temperatură provoacă tensiuni termice ciclice în firul de rezistență internă (de obicei aliaj de nichel-crom) și în manta de titan. Durata de viață a oboselii termomecanice este mărită de 5-10 ori la 100 Hz în raport cu 1 Hz datorită amplitudinii mai mici a tensiunii pe ciclu.

Mecanism termomecanic de oboseală prin modularea puterii

Fiecare ciclu de pornire-încălzește firul de rezistență, făcându-l să se extindă. Expansiunea pune stres pe izolația din oxid de magneziu din jur și pe mantaua de titan. Răciți și contractați la fiecare ciclu de oprire-. Amplitudinea tensiunii (Δσ) este proporțională cu variația de temperatură (ΔT) înmulțită cu coeficientul de dilatare termică. Pentru fir NiCr=14 × 10⁻⁶ / grad , pentru titan=8.6 × 10⁻⁶ / grad . Firul de NiCr este supus unei tensiuni ciclice de ~0,04 % la modulație de 1 Hz și la o variație de temperatură de 30 de grade , suficientă pentru a provoca oboseală ciclului redus-pentru câteva milioane de cicluri. Tensiunea este de numai 0,007% cu o oscilație de 5 grade la modulația de 100 Hz, care este sub limita de oboseală pentru ambele materiale și, prin urmare, oferă o viață aproape nelimitată.

Durata de viață cantitativă la oboseală față de frecvența 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 de ore și nu este experimentat niciun stres termic al tecii de titan. La 1 kHz PWM variația de temperatură este < 2 grade și performanța este aceeași cu cea a funcționării continue.

Efectele sensibilității PWM asupra geometriei încălzitorului și densității puterii

Influența frecvenței PWM se bazează pe densitatea puterii și masa termică a încălzitorului. La o densitate scăzută de putere (5 W/cm²), fluctuațiile de temperatură sunt mai mici pentru orice frecvență dată, prin urmare, un semnal PWM de 1 Hz dă doar o balansare de 10 grade, iar durata de viață a firului este de 20.000-50.000 de ore. La o densitate mare de putere de 25 W/cm² și un semnal PWM de 1 Hz, o balansare de 50 de grade reduce durata de viață a firului la 1.000 până la 3.000 de ore. Pentru un tub cu perete-subțire (0,9 mm), masa termică este mai mică, iar schimbările de temperatură sunt mai mari. Tubul cu perete mai gros (2,0 mm) are o masă termică mai mare, iar variațiile de temperatură scad cu 30–50%. Pentru un încălzitor lung (2 m), masa termică atenuează și variația de temperatură de la capete.

Încălzitoare cu manta de titan PWM Frequency Selection Guide.pdf

Următorul tabel oferă sugestii pentru frecvența PWM în funcție de densitatea de putere, durata de viață prevăzută a încălzitorului și nevoile de control al temperaturii.

Densitatea puterii (W/cm²) Durata de viață dorită a încălzitorului (ore) Precizia necesară controlului (± grade ) Frecvența PWM recomandată (Hz) Variația de temperatură așteptată (grade )<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 Oricare 1,000+<2 Engineering Beyond PWM Frequency Selection

Gradul de titan nu afectează rezistența la oboseală termică a firului de rezistență, cu toate acestea, titanul de gradul 7 are o expansiune termică similară cu gradul 2. Materialul firului de rezistență este o funcție puternică a duratei de viață la oboseală. Firul NiCr 80/20 are o rezistență mai bună la oboseală termică în comparație cu firul FeCrAl. Calitatea izolației cu MgO este de asemenea importantă, deoarece MgO compactat transferă mai bine căldura și reduce diferența de temperatură dintre sârmă și manta. Controlul puterii-pornire ușoară (creștere treptată a puterii, în loc de impulsuri de pornire-oprire) ajută la reducerea stresului termic. Dacă doriți o gestionare precisă a temperaturii, atunci o frecvență PWM mai mare (100-1.000 Hz) este întotdeauna mai bună.

Realizarea unei specificații motivate

Pentru încălzitoarele cu manta de titan cu putere modulată, se recomandă o frecvență PWM de 100 Hz sau mai mare pentru a minimiza solicitarea termomecanică. Pentru aplicațiile care necesită o densitate mare de putere (peste 20 W/cm2), utilizați modularea lățimii impulsului (PWM) de 1.000 Hz sau un controler al unghiului de fază (control uniform al puterii) în loc de modulația pornit-off. Pentru încălzitoarele existente de joasă frecvență (1 Hz), adăugați un inductor de netezire sau actualizați controlerul la PWM de înaltă frecvență. Dacă o precizie de control al temperaturii de ±2 grade este acceptabilă, atunci frecvența de 10 Hz este suficient de bună pentru a oferi o durată de viață suficientă la oboseală termică pentru majoritatea aplicațiilor. Inginerul operează la 100 Hz PWM în loc de 1 Hz, reducând variația temperaturii de la 30 de grade la 5 grade și crescând durata de viață la oboseală a firului de rezistență și a mantalei de titan cu un factor de 5-10.