Come dissipare al meglio il calore per inverter ad alta potenza?
La maggior parte degli inverter ad alta potenza e i relativi componenti elettronici sono integrati in armadi elettrici. Gli inverter non solo migliorano l'efficienza del sistema, ma anche l'efficienza dell'inverter stesso è molto elevata, con una perdita solo dal 2% al 4%. Tuttavia, a causa dell'elevata quantità di conversione di potenza negli inverter ad alta potenza, anche se la perdita di efficienza è bassa, ciò porterà alla generazione di diversi kilowatt fino a decine di kilowatt di calore di scarto, che deve essere dissipato.
Nei mobili aperti raffreddati ad aria, è semplice rimuovere questo calore. Tuttavia, in ambienti difficili dove il raffreddamento con ventole filtrata o 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 i drive sigillati a media e alta potenza in ambienti ostili.
01 Flusso o sigillato
I mobili aperti a flusso d'aria permettono all'aria ambiente di scorrere attraverso il mobile, raffreddando di fatto direttamente i moduli ad alta potenza. Tuttavia, questo raffreddamento efficiente può causare l'ingresso di contaminanti esterni nell'involucro, che vengono tipicamente minimizzati utilizzando un sistema di filtro a ventola per filtrare l'aria che entra nel mobile. I filtri aiutano a ridurre polvere e detriti, ma richiedono manutenzione regolare per pulirli o sostituirli.
In questi sistemi, i componenti ad alta potenza (transistor bipolari a gate isolati, tiristori integrati a commutazione a gate, raddrizzatori controllati dal silicio) sono tipicamente collegati a una piastra fredda raffreddata a fluido. Il fluido quindi respinge il calore nell'aria ambiente tramite un sistema di compressione a 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. Il principale svantaggio di questi sistemi è la difficoltà di introdurre il liquido nell'armadio e di convogliare il liquido refrigerante dentro e fuori dall'armadio.
Termosifoni ad anello 02
I termosifoni ad anello (LTS) sono dispositivi di raffreddamento bifase a 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 ad anello 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 ad anello non hanno parti mobili e sono più affidabili rispetto ai refrigeranti liquidi attivi, alla compressione di vapore o ai sistemi di raffreddamento bifase pompati. I termosifoni ad anello sono ideali per trasferire il calore di scarto ad alta potenza dall'elettronica di potenza all'interno di un mobile all'ambiente esterno al mobile.
Scambiatori di calore per custodia sigillata 03
I termosifoni ad anello sono un metodo eccellente per rimuovere grandi quantità di calore direttamente dai componenti ad alta generazione di calore. Tuttavia, il carico di calore residuo dei componenti secondari deve ancora essere raffreddato. Questi componenti secondari, inclusi molti dispositivi a basso consumo dispersi in tutto l'armadio, sono difficili da raffreddare tramite contatto diretto. Per questi componenti a basso consumo e basso flusso di calore, il raffreddamento diretto ad aria è il metodo più pratico. I componenti a basso consumo possono essere facilmente raffreddati da scambiatori di calore aria-aria mantenendo l'integrità della tenuta dell'involucro.
Nella combinazione termosifone ad anello e scambiatore di calore sigillato, transistor bipolari a gate isolati ad alta potenza (IGBT) o tiristori integrati a commutazione a porta (IGCT) sono montati sulla piastra fredda termosifone ad anello, e il suo carico di 10 kW più il carico termico viene dissipato nell'aria esterna del mobile attraverso il termosifone ad anello (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 approvvigionamento idrico di molte centrali elettriche sono anch'esse piuttosto potenti. Ad esempio, una centrale termica da 2*300MW dispone di una pompa di approvvigionamento idrico con una potenza di 5500KW. Con una potenza così elevata, si usano tipi di media e alta tensione, come 6KV.
Alcuni mulini a sfere hanno anche una potenza relativamente elevata, come il mulino a sfere da 5500×8500, la cui potenza motore è di 4500 Kw.
Ci sono anche alcuni grandi laminatoi con una potenza motore relativamente elevata, specialmente attrezzature per laminato a caldo. Ad esempio, la potenza del motore di alcuni mulini di finitura è di 11.000 kilowatt.
Metodi generali di dissipazione del calore per inverter
In base alla struttura attuale degli inverter, la dissipazione del calore può generalmente essere suddivisa nei seguenti tre tipi: dissipazione naturale di calore, dissipazione di calore per convezione, raffreddamento liquido e dissipazione di calore ambientale esterna.
(I) Dissipazione naturale di calore Per inverter di piccola capacità, generalmente si utilizza dissipazione naturale di calore. L'ambiente d'uso dovrebbe essere ben ventilato e privo di polvere e oggetti galleggianti. Questo tipo di inverter è utilizzato principalmente per condizionatori d'aria domestici, macchine utensili CNC, ecc., con una potenza molto bassa e un ambiente d'uso relativamente adeguato.
(II) Il raffreddamento per convezione dissipa il calore
Il raffreddamento per convezione è un metodo di raffreddamento comunemente utilizzato, come mostrato nella Figura 2. Con lo sviluppo dei dispositivi a semiconduttore, anche i dissipatori di calore dei dispositivi semiconduttori si sono sviluppati rapidamente, tendendo alla standardizzazione, serializzazione e generalizzazione; mentre si sviluppano nuovi prodotti nella direzione di bassa resistenza termica, multifunzione, di piccole dimensioni, leggeri e adatti alla produzione e installazione automatizzata. Diversi grandi produttori di dissipatori di calore nel mondo hanno migliaia di serie di prodotti, tutte testate e che forniscono curve di resistenza termica al consumo energetico e ai dissipatori, offrendo comodità agli utenti nella selezione accurata. Allo stesso tempo, lo sviluppo delle ventole a dissipazione del calore è anche piuttosto rapido, mostrando caratteristiche di piccole dimensioni, lunga durata operativa, basso rumore, basso consumo energetico, grande volume d'aria e alta protezione. Ad esempio, la ventola a dissipazione del calore inverter a bassa potenza comunemente utilizzata misura solo 25mm×25mm×10mm; La ventola giapponese SANYO a lunga durata può raggiungere le 200000 ore e il livello di protezione può raggiungere IPX5; c'è anche SingaporeVentilatore a flusso assiale di grande volume d'aria LEIPOLE,con un volume di scarico fino a 5700 m3/h. Questi fattori offrono ai designer uno spazio di scelta molto ampio.
Il raffreddamento a convezione è ampiamente utilizzato perché i componenti (ventole, radiatori) utilizzati sono facili da scegliere, il costo non è troppo alto e la capacità dell'inverter può variare da decine a centinaia di kVA, o addirittura di più (usando unità in parallelo).
(1) Raffreddamento con ventilatore integrato dell'inverter
Il raffreddamento con ventola integrata è generalmente utilizzato per inverter generici di piccola capacità. Installando correttamente l'inverter, la capacità di raffreddamento della ventola integrata dell'inverter può essere massimizzata. La ventola integrata può togliere il calore all'interno dell'inverter. La dissipazione termica finale avviene attraverso la piastra di ferro della scatola inverter. Il metodo di raffreddamento che utilizza solo la ventola integrata dell'inverter è adatto per scatole di controllo con inverter separati e scatole di controllo con relativamente pochi componenti di comando. Se ci sono diversi inverter o altri componenti elettrici con una dissipazione di calore relativamente elevata nella scatola di controllo dell'inverter, l'effetto di dissipazione del calore non è molto evidente.
(2) Raffreddamento con la ventola esterna dell'inverter
Aggiungendo più ventole con funzione di convezione di ventilazione nella scatola di controllo dove 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 dalla dissipazione del calore dell'inverter. Parliamo del metodo generale di selezione: basandoci sull'esperienza, abbiamo calcolato che per ogni 1kW di calore generato dal consumo energetico, il volume di scarico della ventola è di 360m³/h, e il consumo energetico 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, allora: il volume di scarico della ventola (m3/h) = capacità dell'inverter × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Successivamente seleziona il modello di ventilatore di diversi produttori in base al volume di scarico della ventola per ottenere quella che soddisfa le nostre condizioni. In generale, il raffreddamento tramite ventola è il principale mezzo di raffreddamento inverter in questa fase, particolarmente adatto per cabine di controllo relativamente grandi e quando i componenti elettrici nell'armadio di controllo lavorano e riscaldano contemporaneamente. È adatto a armadi di controllo centralizzati altamente integrati e scatole di controllo. Inoltre, grazie ai continui progressi tecnologici negli ultimi anni, le ventole di dissipazione del calore non sono più grandi come negli anni precedenti, e piccole e potenti ventole sono ovunque. Il rapporto qualità-prezzo è anche molto migliore rispetto ad altri metodi di raffreddamento.
