Come dissipare al meglio il calore per gli inverter ad alta potenza?
La maggior parte degli inverter ad alta potenza e i relativi componenti elettronici sono integrati negli armadi 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, porterà alla generazione di diversi kilowatt fino a decine di kilowatt di calore residuo, che deve essere dissipato.
Negli armadi aperti raffreddati ad aria, è semplice rimuovere questo calore. Tuttavia, in ambienti difficili in cui non è possibile il raffreddamento filtrato con ventola o tramite flusso d'aria diretto, la gestione termica dell'armadio diventa una parte importante del processo di progettazione. Le strategie sono essenziali per raffreddare in modo efficiente, passivo ed economico gli azionamenti sigillati per armadi di media e alta potenza in ambienti difficili.
01 Flusso o sigillato
Gli armadi a flusso d'aria aperto consentono all'aria ambiente di fluire attraverso l'armadio, raffreddando efficacemente direttamente i moduli ad alta potenza. Tuttavia, questo raffreddamento efficiente può causare l'ingresso di contaminanti esterni nell'involucro, che in genere vengono ridotti al minimo utilizzando un sistema di filtraggio della ventola per filtrare l'aria che scorre 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 a commutazione di gate integrati, raddrizzatori controllati al silicio) sono tipicamente collegati a una piastra fredda raffreddata a fluido. Il fluido respinge quindi il calore nell'aria ambiente utilizzando un sistema di compressione del vapore o attraverso uno scambiatore di calore liquido-aria. In entrambi i casi, lo scambiatore di calore dell'aria ambiente richiesto può essere posizionato all'interno o all'esterno dell'impianto. Lo svantaggio principale di questi sistemi è rappresentato dalle sfide legate all'introduzione del fluido nell'armadio e alle tubazioni del refrigerante all'interno e all'esterno dell'armadio.
02 Termosifoni ad anello
I termosifoni ad anello (LTS) sono dispositivi di raffreddamento bifase azionati a gravità. Funzionano in modo simile ai tubi di calore, in cui il fluido di lavoro evapora e si condensa in un circuito chiuso per trasferire il calore su una determinata distanza. Il vantaggio principale dei termosifoni ad anello rispetto ai tubi di calore è la capacità di utilizzare un fluido di lavoro conduttivo, che consente una trasmissione efficiente e a lunga distanza di elevata potenza. I termosifoni ad anello non hanno parti mobili e sono più affidabili dei refrigeranti liquidi attivi, della compressione del vapore o dei sistemi di raffreddamento bifase pompati. I termosifoni ad anello 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 a tenuta stagna
I termosifoni ad anello sono un metodo eccellente per rimuovere grandi quantità di calore direttamente dai componenti che generano calore. Tuttavia, il carico di calore residuo dei componenti secondari deve ancora essere raffreddato. Questi componenti secondari, tra cui molti dispositivi a bassa potenza sparsi 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 guarnizione dell'involucro.
Nella combinazione di termosifone ad anello e scambiatore di calore sigillato, sulla piastra di raffreddamento del termosifone ad anello sono montati transistor bipolari a gate isolato ad alta potenza (IGBT) o tiristori a commutazione di gate integrati (IGCT) e il suo carico di 10 kW più il carico termico viene dissipato nell'aria esterna dell'armadio attraverso il termosifone ad anello (vedere la Figura 2). Tutti i componenti elettronici secondari sono raffreddati da uno scambiatore di calore aria-aria sigillato, in grado di rimuovere circa 1 kW di calore residuo.
Anche le pompe di approvvigionamento idrico di molte centrali elettriche sono piuttosto potenti. Ad esempio, una centrale termica da 2*300 MW ha una pompa di alimentazione dell'acqua con una potenza di 5500 KW. Con una potenza così grande, vengono utilizzati tipi a media e alta tensione, come 6KV.
Alcuni mulini a palle hanno anche una potenza relativamente grande, come il mulino a sfere Ф5500×8500, la cui potenza del motore è di 4500 kW.
Ci sono anche alcuni grandi laminatoi con una potenza del motore relativamente grande, in particolare 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 inverter
In base all'attuale struttura degli inverter, la dissipazione del calore può essere generalmente suddivisa nelle seguenti tre tipologie: dissipazione naturale del calore, dissipazione del calore per convezione, raffreddamento a liquido e dissipazione del calore dell'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 galleggianti. Questo tipo di inverter viene utilizzato principalmente per condizionatori d'aria domestici, macchine utensili CNC, ecc., con una potenza molto bassa e un ambiente di utilizzo relativamente buono.
(II) Il raffreddamento a convezione dissipa il calore
Il raffreddamento a convezione è un metodo di raffreddamento comunemente usato, come mostrato nella Figura 2. Con lo sviluppo dei dispositivi a semiconduttore, anche i dissipatori di calore dei dispositivi a semiconduttore si sono sviluppati rapidamente, tendendo alla standardizzazione, alla serializzazione e alla generalizzazione; mentre i nuovi prodotti si stanno sviluppando nella direzione di una bassa resistenza termica, multifunzione, di piccole dimensioni, leggeri e adatti per la produzione e l'installazione automatizzate. Diversi importanti produttori di dissipatori di calore al mondo hanno migliaia di serie di prodotti, tutti testati e che forniscono curve di consumo energetico e di resistenza termica del dissipatore di calore, che offrono agli utenti la comodità di selezionare con precisione. Allo stesso tempo, anche lo sviluppo di ventole di dissipazione del calore è abbastanza veloce, mostrando le caratteristiche di dimensioni ridotte, lunga durata, bassa rumorosità, basso consumo energetico, grande volume d'aria e alta protezione. Ad esempio, la ventola di dissipazione del calore dell'inverter a bassa potenza comunemente usata è di soli 25 mm×25 mm×10 mm; La ventola a lunga durata Japan SANYO 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 progettisti una scelta di spazi molto ampia.
Il raffreddamento a 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 variare da decine a centinaia di kVA, o anche superiore (utilizzando unità in parallelo).
(1) Raffreddamento con ventola incorporata dell'inverter
Il raffreddamento con ventola incorporata viene generalmente utilizzato per inverter generici di piccola capacità. Installando correttamente l'inverter, è possibile massimizzare la capacità di raffreddamento della ventola incorporata dell'inverter. La ventola incorporata può portare via il calore all'interno dell'inverter. La dissipazione finale del calore viene effettuata attraverso la piastra di ferro della scatola dell'inverter. Il metodo di raffreddamento che utilizza solo la ventola incorporata dell'inverter è adatto per scatole di controllo con inverter separati e scatole di controllo con relativamente pochi componenti di controllo. Se nella scatola di controllo dell'inverter sono presenti più inverter o altri componenti elettrici con dissipazione del calore relativamente grande, l'effetto di dissipazione del calore non è molto evidente.
(2) Raffreddamento con ventola esterna dell'inverter
Aggiungendo diversi ventilatori con funzione di convezione di ventilazione nella scatola 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 del ventilatore può essere calcolata dalla dissipazione del calore dell'inverter. Parliamo del metodo di selezione generale: sulla base dell'esperienza, abbiamo calcolato che per ogni 1kW di calore generato dal consumo di energia, il volume di scarico del ventilatore è di 360 m³/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 il ventilatore adattato all'inverter e la sua capacità: Ad esempio: la potenza dell'inverter è di 90 kilowatt, quindi: il volume di scarico del ventilatore (m3/h) = la 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 funzionano e si riscaldano allo stesso tempo. È adatto per armadi di controllo centralizzati e scatole di controllo altamente integrati. Inoltre, a causa del continuo progresso della tecnologia negli ultimi anni, le ventole di dissipazione del calore non sono più enormi come negli anni precedenti e le ventole piccole e potenti sono ovunque. Anche le prestazioni in termini di costi sono molto migliori rispetto ad altri metodi di raffreddamento.
