La maggior parte degli inverter ad alta potenza e dei relativi componenti elettronici è integrata nei quadri elettrici. Gli inverter non solo migliorano l'efficienza del sistema, ma anche l'efficienza dell'inverter stesso è molto elevata, con una perdita di solo il 2% al 4%. Tuttavia, a causa della grande quantità di conversione di potenza negli inverter ad alta potenza, anche se la perdita di efficienza è bassa, ciò porta alla generazione di diversi kilowatt fino a decine di kilowatt di calore residuo, che deve essere dissipato.
Negli armadi raffreddati ad aria aperta, è semplice rimuovere questo calore. Tuttavia, in ambienti difficili dove il raffreddamento a ventola filtrata o il raffreddamento tramite flusso d'aria diretto non è possibile, la gestione termica dell'involucro diventa una parte importante del processo di progettazione. Le strategie sono essenziali per raffreddare in modo efficiente, passivo ed economico gli azionamenti sigillati in armadi di media e alta potenza in ambienti difficili.
Gli armadi a flusso d'aria aperto consentono all'aria ambiente di fluire attraverso l'armadio, raffreddando efficacemente i moduli ad alta potenza direttamente. Tuttavia, questo raffreddamento efficiente può comportare l'ingresso di contaminanti esterni nell'involucro, che vengono tipicamente ridotti al minimo utilizzando un sistema di filtri a ventola per filtrare l'aria che entra nell'armadio. I filtri aiutano a ridurre polvere e detriti, ma richiedono una manutenzione regolare per pulire o sostituire i filtri.
In questi sistemi, i componenti ad alta potenza (transistor bipolari a gate isolato, tiristori commutati a gate integrato, raddrizzatori controllati al silicio) sono tipicamente collegati a una piastra fredda raffreddata a fluido. Il fluido poi cede il calore all'aria ambiente utilizzando un sistema a compressione di vapore o tramite uno scambiatore di calore liquido-aria. In entrambi i casi, lo scambiatore di calore ad aria ambiente richiesto può essere posizionato all'interno o all'esterno della struttura. Lo svantaggio principale di questi sistemi è la sfida di introdurre fluido nell'armadio e di convogliare il liquido di raffreddamento dentro e fuori dall'armadio.
I termosifoni a circuito (LTS) sono dispositivi di raffreddamento bifase azionati per gravità. Funzionano in modo simile ai heat pipe, dove il fluido di lavoro evapora e condensa in un circuito chiuso per trasferire calore su una data distanza. Il principale vantaggio dei termosifoni a circuito rispetto ai heat pipe è la capacità di utilizzare un fluido di lavoro conduttivo, consentendo una trasmissione efficiente e a lunga distanza di alta potenza. I termosifoni a circuito non hanno parti mobili e sono più affidabili dei refrigeranti liquidi attivi, della compressione di vapore o dei sistemi di raffreddamento bifase pompati. I termosifoni a circuito sono ideali per trasferire il calore di scarto ad alta potenza dall'elettronica di potenza in un armadio all'ambiente esterno all'armadio.
I termosifoni a circuito sono un metodo eccellente per rimuovere grandi quantità di calore direttamente dai componenti che generano calore elevato. Tuttavia, il carico di calore di scarto dei componenti secondari deve ancora essere raffreddato. Questi componenti secondari, inclusi molti dispositivi a bassa potenza dispersi in tutto l'armadio, sono difficili da raffreddare per contatto diretto. Per questi componenti a bassa potenza e basso flusso di calore, il raffreddamento diretto ad aria è il metodo più pratico. I componenti a bassa potenza possono essere facilmente raffreddati da scambiatori di calore aria-aria mantenendo l'integrità della tenuta dell'involucro.
Nella combinazione di termosifone a circuito e scambiatore di calore sigillato, i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) o i tiristori commutati a gate integrato (IGCT) ad alta potenza sono montati sulla piastra fredda del termosifone a circuito, e il suo carico di 10 kW più il carico termico viene dissipato nell'aria esterna dell'armadio tramite il termosifone a circuito (vedi Figura 2). Tutti i componenti elettronici secondari sono raffreddati da uno scambiatore di calore aria-aria sigillato, che può rimuovere circa 1 kW di calore di scarto.
Le pompe di alimentazione dell'acqua di molte centrali elettriche sono anche piuttosto potenti. Ad esempio, una centrale termoelettrica da 2*300MW ha una pompa di alimentazione dell'acqua con una potenza di 5500KW. Con una potenza così grande, vengono utilizzati tipi a media e alta tensione, come 6KV.
Anche alcuni mulini a palle hanno una potenza relativamente grande, come il mulino a palle Ф5500×8500, la cui potenza del motore è di 4500Kw.
Ci sono anche alcuni grandi laminatoi con potenza del motore relativamente grande, specialmente le attrezzature di laminazione a caldo. Ad esempio, la potenza del motore di alcuni laminatoi finitori è di 11.000 kilowatt.
Metodi generali di dissipazione del calore per gli inverter
In base alla struttura attuale degli inverter, la dissipazione del calore può generalmente essere suddivisa nei seguenti tre tipi: dissipazione naturale del calore, dissipazione per convezione, raffreddamento a liquido e dissipazione del calore nell'ambiente esterno.
(I) Dissipazione naturale del calore Per gli inverter di piccola capacità, viene generalmente utilizzata la dissipazione naturale del calore. L'ambiente di utilizzo deve essere ben ventilato e privo di polvere e oggetti fluttuanti. Questo tipo di inverter è utilizzato principalmente per condizionatori d'aria domestici, macchine utensili CNC, ecc., con potenza molto bassa e un ambiente di utilizzo relativamente buono.
(II) Raffreddamento per convezione dissipare il calore
Il raffreddamento per convezione è un metodo di raffreddamento comunemente usato, come mostrato nella Figura 2. Con lo sviluppo dei dispositivi a semiconduttore, i dissipatori di calore per dispositivi a semiconduttore si sono sviluppati rapidamente, tendendo alla standardizzazione, serializzazione e generalizzazione; mentre i nuovi prodotti si stanno sviluppando nella direzione di bassa resistenza termica, multifunzionalità, dimensioni ridotte, peso leggero e adatti alla produzione e installazione automatizzate. Diversi importanti produttori di dissipatori di calore nel mondo hanno migliaia di serie di prodotti, tutti testati e forniscono curve di potenza e resistenza termica del dissipatore, che offrono comodità agli utenti per una selezione accurata. Allo stesso tempo, lo sviluppo delle ventole di dissipazione è anche abbastanza rapido, mostrando le caratteristiche di dimensioni ridotte, lunga durata, basso rumore, basso consumo energetico, grande volume d'aria e alta protezione. Ad esempio, la ventola di dissipazione per inverter a bassa potenza comunemente usata è solo 25mm×25mm×10mm; la ventola a lunga durata SANYO del Giappone può raggiungere 200000h, e il livello di protezione può raggiungere IPX5; c'è anche SingaporeVentola assiale a grande volume d'aria LEIPOLE,con un volume di scarico fino a 5700m3/h. Questi fattori forniscono ai progettisti uno spazio di scelta molto ampio.
Il raffreddamento per convezione è ampiamente utilizzato perché i componenti (ventole, radiatori) utilizzati sono facili da scegliere, il costo non è troppo elevato e la capacità dell'inverter può essere da decine a centinaia di kVA, o anche superiore (utilizzando unità in parallelo).
(1) Raffreddamento con ventola integrata dell'inverter
Il raffreddamento con ventola integrata viene generalmente utilizzato per inverter di piccola capacità per uso generale. Installando correttamente l'inverter, la capacità di raffreddamento della ventola integrata dell'inverter può essere massimizzata. La ventola integrata può allontanare il calore all'interno dell'inverter. La dissipazione finale del calore avviene attraverso la piastra di ferro della scatola dell'inverter. Il metodo di raffreddamento che utilizza solo la ventola integrata dell'inverter è adatto per quadri di controllo con inverter separati e quadri di controllo con relativamente pochi componenti di controllo. Se ci sono diversi inverter o altri componenti elettrici con dissipazione del calore relativamente grande nel quadro di controllo dell'inverter, l'effetto di dissipazione del calore non è molto evidente.
(2) Raffreddamento con ventola esterna dell'inverter
Aggiungendo diverse ventole con funzione di convezione di ventilazione nel quadro di controllo in cui è installato l'inverter, l'effetto di dissipazione del calore dell'inverter può essere notevolmente migliorato e la temperatura dell'ambiente di lavoro dell'inverter può essere ridotta. La capacità della ventola può essere calcolata in base alla dissipazione del calore dell'inverter. Parliamo del metodo di selezione generale: In base all'esperienza, abbiamo calcolato che per ogni 1kW di calore generato dal consumo di energia, il volume di scarico della ventola è di 360m³/h, e il consumo di energia dell'inverter è del 4-5% della sua capacità. Qui calcoliamo al 5%, e possiamo ottenere la relazione tra la ventola adattata all'inverter e la sua capacità: Ad esempio: la potenza dell'inverter è di 90 kilowatt, quindi: volume di scarico della ventola (m3/h) = capacità dell'inverter × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Quindi selezionare il modello di ventola di diversi produttori in base al volume di scarico della ventola per ottenere la ventola che soddisfa le nostre condizioni. In generale, il raffreddamento a ventola è il mezzo principale di raffreddamento dell'inverter in questa fase, particolarmente adatto per armadi di controllo relativamente grandi, e quando i componenti elettrici nell'armadio di controllo lavorano e si riscaldano allo stesso tempo. È adatto per armadi di controllo centralizzati altamente integrati e scatole di controllo. Inoltre, grazie al continuo avanzamento della tecnologia negli ultimi anni, le ventole di dissipazione del calore non sono più enormi come negli anni precedenti, e ventole piccole e potenti sono ovunque. Il rapporto qualità-prezzo è anche molto migliore rispetto ad altri metodi di raffreddamento.
Negli armadi raffreddati ad aria aperta, è semplice rimuovere questo calore. Tuttavia, in ambienti difficili dove il raffreddamento a ventola filtrata o il raffreddamento tramite flusso d'aria diretto non è possibile, la gestione termica dell'involucro diventa una parte importante del processo di progettazione. Le strategie sono essenziali per raffreddare in modo efficiente, passivo ed economico gli azionamenti sigillati in armadi di media e alta potenza in ambienti difficili.
01 Flusso d'aria o Sigillato
Gli armadi a flusso d'aria aperto consentono all'aria ambiente di fluire attraverso l'armadio, raffreddando efficacemente i moduli ad alta potenza direttamente. Tuttavia, questo raffreddamento efficiente può comportare l'ingresso di contaminanti esterni nell'involucro, che vengono tipicamente ridotti al minimo utilizzando un sistema di filtri a ventola per filtrare l'aria che entra nell'armadio. I filtri aiutano a ridurre polvere e detriti, ma richiedono una manutenzione regolare per pulire o sostituire i filtri.
In questi sistemi, i componenti ad alta potenza (transistor bipolari a gate isolato, tiristori commutati a gate integrato, raddrizzatori controllati al silicio) sono tipicamente collegati a una piastra fredda raffreddata a fluido. Il fluido poi cede il calore all'aria ambiente utilizzando un sistema a compressione di vapore o tramite uno scambiatore di calore liquido-aria. In entrambi i casi, lo scambiatore di calore ad aria ambiente richiesto può essere posizionato all'interno o all'esterno della struttura. Lo svantaggio principale di questi sistemi è la sfida di introdurre fluido nell'armadio e di convogliare il liquido di raffreddamento dentro e fuori dall'armadio.
02 Termosifoni a circuito
I termosifoni a circuito (LTS) sono dispositivi di raffreddamento bifase azionati per gravità. Funzionano in modo simile ai heat pipe, dove il fluido di lavoro evapora e condensa in un circuito chiuso per trasferire calore su una data distanza. Il principale vantaggio dei termosifoni a circuito rispetto ai heat pipe è la capacità di utilizzare un fluido di lavoro conduttivo, consentendo una trasmissione efficiente e a lunga distanza di alta potenza. I termosifoni a circuito non hanno parti mobili e sono più affidabili dei refrigeranti liquidi attivi, della compressione di vapore o dei sistemi di raffreddamento bifase pompati. I termosifoni a circuito sono ideali per trasferire il calore di scarto ad alta potenza dall'elettronica di potenza in un armadio all'ambiente esterno all'armadio.
03 Scambiatori di calore per involucri sigillati
I termosifoni a circuito sono un metodo eccellente per rimuovere grandi quantità di calore direttamente dai componenti che generano calore elevato. Tuttavia, il carico di calore di scarto dei componenti secondari deve ancora essere raffreddato. Questi componenti secondari, inclusi molti dispositivi a bassa potenza dispersi in tutto l'armadio, sono difficili da raffreddare per contatto diretto. Per questi componenti a bassa potenza e basso flusso di calore, il raffreddamento diretto ad aria è il metodo più pratico. I componenti a bassa potenza possono essere facilmente raffreddati da scambiatori di calore aria-aria mantenendo l'integrità della tenuta dell'involucro.
Nella combinazione di termosifone a circuito e scambiatore di calore sigillato, i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) o i tiristori commutati a gate integrato (IGCT) ad alta potenza sono montati sulla piastra fredda del termosifone a circuito, e il suo carico di 10 kW più il carico termico viene dissipato nell'aria esterna dell'armadio tramite il termosifone a circuito (vedi Figura 2). Tutti i componenti elettronici secondari sono raffreddati da uno scambiatore di calore aria-aria sigillato, che può rimuovere circa 1 kW di calore di scarto.
Le pompe di alimentazione dell'acqua di molte centrali elettriche sono anche piuttosto potenti. Ad esempio, una centrale termoelettrica da 2*300MW ha una pompa di alimentazione dell'acqua con una potenza di 5500KW. Con una potenza così grande, vengono utilizzati tipi a media e alta tensione, come 6KV.
Anche alcuni mulini a palle hanno una potenza relativamente grande, come il mulino a palle Ф5500×8500, la cui potenza del motore è di 4500Kw.
Ci sono anche alcuni grandi laminatoi con potenza del motore relativamente grande, specialmente le attrezzature di laminazione a caldo. Ad esempio, la potenza del motore di alcuni laminatoi finitori è di 11.000 kilowatt.
Metodi generali di dissipazione del calore per gli inverter
In base alla struttura attuale degli inverter, la dissipazione del calore può generalmente essere suddivisa nei seguenti tre tipi: dissipazione naturale del calore, dissipazione per convezione, raffreddamento a liquido e dissipazione del calore nell'ambiente esterno.
(I) Dissipazione naturale del calore Per gli inverter di piccola capacità, viene generalmente utilizzata la dissipazione naturale del calore. L'ambiente di utilizzo deve essere ben ventilato e privo di polvere e oggetti fluttuanti. Questo tipo di inverter è utilizzato principalmente per condizionatori d'aria domestici, macchine utensili CNC, ecc., con potenza molto bassa e un ambiente di utilizzo relativamente buono.
(II) Raffreddamento per convezione dissipare il calore
Il raffreddamento per convezione è un metodo di raffreddamento comunemente usato, come mostrato nella Figura 2. Con lo sviluppo dei dispositivi a semiconduttore, i dissipatori di calore per dispositivi a semiconduttore si sono sviluppati rapidamente, tendendo alla standardizzazione, serializzazione e generalizzazione; mentre i nuovi prodotti si stanno sviluppando nella direzione di bassa resistenza termica, multifunzionalità, dimensioni ridotte, peso leggero e adatti alla produzione e installazione automatizzate. Diversi importanti produttori di dissipatori di calore nel mondo hanno migliaia di serie di prodotti, tutti testati e forniscono curve di potenza e resistenza termica del dissipatore, che offrono comodità agli utenti per una selezione accurata. Allo stesso tempo, lo sviluppo delle ventole di dissipazione è anche abbastanza rapido, mostrando le caratteristiche di dimensioni ridotte, lunga durata, basso rumore, basso consumo energetico, grande volume d'aria e alta protezione. Ad esempio, la ventola di dissipazione per inverter a bassa potenza comunemente usata è solo 25mm×25mm×10mm; la ventola a lunga durata SANYO del Giappone può raggiungere 200000h, e il livello di protezione può raggiungere IPX5; c'è anche SingaporeVentola assiale a grande volume d'aria LEIPOLE,con un volume di scarico fino a 5700m3/h. Questi fattori forniscono ai progettisti uno spazio di scelta molto ampio.
Il raffreddamento per convezione è ampiamente utilizzato perché i componenti (ventole, radiatori) utilizzati sono facili da scegliere, il costo non è troppo elevato e la capacità dell'inverter può essere da decine a centinaia di kVA, o anche superiore (utilizzando unità in parallelo).
(1) Raffreddamento con ventola integrata dell'inverter
Il raffreddamento con ventola integrata viene generalmente utilizzato per inverter di piccola capacità per uso generale. Installando correttamente l'inverter, la capacità di raffreddamento della ventola integrata dell'inverter può essere massimizzata. La ventola integrata può allontanare il calore all'interno dell'inverter. La dissipazione finale del calore avviene attraverso la piastra di ferro della scatola dell'inverter. Il metodo di raffreddamento che utilizza solo la ventola integrata dell'inverter è adatto per quadri di controllo con inverter separati e quadri di controllo con relativamente pochi componenti di controllo. Se ci sono diversi inverter o altri componenti elettrici con dissipazione del calore relativamente grande nel quadro di controllo dell'inverter, l'effetto di dissipazione del calore non è molto evidente.
(2) Raffreddamento con ventola esterna dell'inverter
Aggiungendo diverse ventole con funzione di convezione di ventilazione nel quadro di controllo in cui è installato l'inverter, l'effetto di dissipazione del calore dell'inverter può essere notevolmente migliorato e la temperatura dell'ambiente di lavoro dell'inverter può essere ridotta. La capacità della ventola può essere calcolata in base alla dissipazione del calore dell'inverter. Parliamo del metodo di selezione generale: In base all'esperienza, abbiamo calcolato che per ogni 1kW di calore generato dal consumo di energia, il volume di scarico della ventola è di 360m³/h, e il consumo di energia dell'inverter è del 4-5% della sua capacità. Qui calcoliamo al 5%, e possiamo ottenere la relazione tra la ventola adattata all'inverter e la sua capacità: Ad esempio: la potenza dell'inverter è di 90 kilowatt, quindi: volume di scarico della ventola (m3/h) = capacità dell'inverter × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Quindi selezionare il modello di ventola di diversi produttori in base al volume di scarico della ventola per ottenere la ventola che soddisfa le nostre condizioni. In generale, il raffreddamento a ventola è il mezzo principale di raffreddamento dell'inverter in questa fase, particolarmente adatto per armadi di controllo relativamente grandi, e quando i componenti elettrici nell'armadio di controllo lavorano e si riscaldano allo stesso tempo. È adatto per armadi di controllo centralizzati altamente integrati e scatole di controllo. Inoltre, grazie al continuo avanzamento della tecnologia negli ultimi anni, le ventole di dissipazione del calore non sono più enormi come negli anni precedenti, e ventole piccole e potenti sono ovunque. Il rapporto qualità-prezzo è anche molto migliore rispetto ad altri metodi di raffreddamento.