Większość falowników dużej mocy i związanych z nimi komponentów elektronicznych jest zintegrowana w szafach elektrycznych. Falowniki nie tylko poprawiają wydajność systemu, ale sama wydajność falownika jest również bardzo wysoka, a straty wynoszą tylko od 2% do 4%. Jednak ze względu na dużą ilość konwersji mocy w falownikach dużej mocy, nawet jeśli straty wydajności są niskie, prowadzi to do wytwarzania od kilku kilowatów do kilkudziesięciu kilowatów ciepła odpadowego, które musi być odprowadzone.
W szafach z otwartym chłodzeniem powietrznym usunięcie tego ciepła jest proste. Jednak w trudnych warunkach, gdzie chłodzenie filtrowanym powietrzem lub chłodzenie bezpośrednim przepływem powietrza nie jest możliwe, zarządzanie termiczne obudowy staje się ważną częścią procesu projektowania. Strategie są niezbędne, aby skutecznie, pasywnie i ekonomicznie chłodzić szczelne obudowy napędów średniej i dużej mocy w trudnych warunkach.
Szafy z otwartym przepływem powietrza umożliwiają przepływ powietrza otoczenia przez szafę, skutecznie chłodząc bezpośrednio moduły dużej mocy. Jednak to wydajne chłodzenie może powodować przedostawanie się zanieczyszczeń z zewnątrz do obudowy, które zwykle minimalizuje się za pomocą systemu filtrów wentylatorowych filtrujących powietrze wpadające do szafy. Filtry pomagają ograniczyć kurz i zanieczyszczenia, ale wymagają regularnej konserwacji w celu czyszczenia lub wymiany filtrów.
W tych systemach elementy dużej mocy (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, tyrystory komutowane bramką zintegrowaną, tyrystory sterowane krzemem) są zwykle podłączone do chłodzonej cieczą płyty zimnej. Ciecz następnie oddaje ciepło do powietrza otoczenia za pomocą układu sprężania pary lub wymiennika ciepła ciecz-powietrze. W obu przypadkach wymagany wymiennik ciepła powietrze-otoczenie może znajdować się wewnątrz lub na zewnątrz obiektu. Główną wadą tych systemów są wyzwania związane z wprowadzeniem cieczy do szafy oraz doprowadzeniem i odprowadzeniem chłodziwa do i z szafy.
Pętle termosyfonowe (LTS) to grawitacyjne dwufazowe urządzenia chłodzące. Działają podobnie do rur cieplnych, gdzie czynnik roboczy odparowuje i skrapla się w zamkniętej pętli, aby przenosić ciepło na określoną odległość. Główną zaletą pętli termosyfonowych w porównaniu z rurami cieplnymi jest możliwość zastosowania przewodzącego czynnika roboczego, co umożliwia wydajne przesyłanie dużej mocy na duże odległości. Pętle termosyfonowe nie mają ruchomych części i są bardziej niezawodne niż aktywne chłodziwa ciekłe, sprężanie pary lub pompowane dwufazowe systemy chłodzenia. Pętle termosyfonowe są idealne do przenoszenia ciepła odpadowego dużej mocy z energoelektroniki w szafie do otoczenia na zewnątrz szafy.
Pętle termosyfonowe są doskonałą metodą usuwania dużych ilości ciepła bezpośrednio z elementów generujących dużo ciepła. Jednak obciążenie cieplne elementów wtórnych nadal wymaga chłodzenia. Te elementy wtórne, w tym wiele urządzeń małej mocy rozproszonych po całej szafie, są trudne do chłodzenia przez bezpośredni kontakt. Dla tych elementów o małej mocy i niskim strumieniu cieplnym najbardziej praktyczną metodą jest bezpośrednie chłodzenie powietrzem. Elementy małej mocy można łatwo chłodzić za pomocą wymienników ciepła powietrze-powietrze, zachowując jednocześnie integralność uszczelnienia obudowy.
W połączeniu pętli termosyfonowej i szczelnego wymiennika ciepła, tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) lub tyrystory komutowane bramką zintegrowaną (IGCT) dużej mocy są montowane na płycie zimnej pętli termosyfonowej, a ich obciążenie cieplne 10 kW jest odprowadzane do powietrza na zewnątrz szafy przez pętlę termosyfonową (patrz rysunek 2). Wszystkie wtórne elementy elektroniczne są chłodzone przez szczelny wymiennik ciepła powietrze-powietrze, który może usunąć około 1 kW ciepła odpadowego.
Pompy zasilające wielu elektrowni są również dość mocne. Na przykład elektrownia cieplna o mocy 2*300 MW ma pompę zasilającą o mocy 5500 kW. Przy tak dużej mocy stosuje się typy średniego i wysokiego napięcia, takie jak 6 kV.
Niektóre młyny kulowe również mają stosunkowo dużą moc, na przykład młyn kulowy Ф5500×8500, którego moc silnika wynosi 4500 kW.
Istnieją również duże walcownie o stosunkowo dużej mocy silników, zwłaszcza urządzenia do walcowania na gorąco. Na przykład moc silnika niektórych walcarek wykańczających wynosi 11 000 kilowatów.
Ogólne metody odprowadzania ciepła dla falowników
W oparciu o obecną strukturę falowników, odprowadzanie ciepła można ogólnie podzielić na następujące trzy typy: naturalne odprowadzanie ciepła, odprowadzanie ciepła przez konwekcję, chłodzenie cieczą oraz odprowadzanie ciepła do środowiska zewnętrznego.
(I) Naturalne odprowadzanie ciepła W przypadku falowników o małej wydajności zwykle stosuje się naturalne odprowadzanie ciepła. Środowisko użytkowania powinno być dobrze wentylowane i wolne od kurzu i pływających przedmiotów. Ten typ falownika jest najczęściej używany w domowych klimatyzatorach, obrabiarkach CNC itp., o bardzo małej mocy i stosunkowo dobrym środowisku użytkowania.
(II) Chłodzenie konwekcyjne — odprowadzanie ciepła
Chłodzenie konwekcyjne jest powszechnie stosowaną metodą chłodzenia, jak pokazano na rysunku 2. Wraz z rozwojem urządzeń półprzewodnikowych, radiatory do urządzeń półprzewodnikowych również rozwinęły się szybko, dążąc do standaryzacji, serializacji i unifikacji; podczas gdy nowe produkty rozwijają się w kierunku niskiej rezystancji termicznej, wielofunkcyjności, małych rozmiarów, lekkości oraz przystosowania do zautomatyzowanej produkcji i instalacji. Kilku głównych producentów radiatorów na świecie ma tysiące serii produktów, wszystkie przetestowane, i udostępniają krzywe mocy i rezystancji termicznej radiatorów, co ułatwia użytkownikom dokładny dobór. Jednocześnie rozwój wentylatorów odprowadzających ciepło jest również dość szybki, wykazując cechy małych rozmiarów, długiej żywotności, niskiego poziomu hałasu, niskiego zużycia energii, dużej objętości powietrza i wysokiego stopnia ochrony. Na przykład powszechnie stosowany wentylator odprowadzający ciepło w falowniku małej mocy ma tylko 25 mm×25 mm×10 mm; japoński wentylator SANYO o długiej żywotności może osiągnąć 200 000 h, a stopień ochrony może osiągnąć IPX5; istnieje również singapurskiwentylator osiowy LEIPOLE o dużej objętości powietrza,o wydajności wyciągu do 5700 m3/h. Czynniki te zapewniają projektantom bardzo szeroką przestrzeń wyboru.
Chłodzenie konwekcyjne jest szeroko stosowane, ponieważ elementy (wentylatory, radiatory) są łatwe w doborze, koszt nie jest zbyt wysoki, a wydajność falownika może wynosić od kilkudziesięciu do kilkuset kVA, a nawet więcej (przy użyciu jednostek równoległych).
(1) Chłodzenie wbudowanym wentylatorem falownika
Chłodzenie wbudowanym wentylatorem jest zazwyczaj stosowane w małych przetwornicach częstotliwości o ogólnym przeznaczeniu. Przy prawidłowym montażu przetwornicy można maksymalnie wykorzystać wydajność chłodzenia jej wbudowanego wentylatora. Wbudowany wentylator może odprowadzać ciepło z wnętrza przetwornicy. Ostateczne rozpraszanie ciepła odbywa się przez żelazną płytę obudowy przetwornicy. Metoda chłodzenia wykorzystująca wyłącznie wbudowany wentylator przetwornicy jest odpowiednia dla szaf sterowniczych z oddzielnymi przetwornicami oraz szaf z relatywnie małą liczbą elementów sterujących. Jeśli w szafie sterowniczej przetwornicy znajduje się kilka przetwornic lub innych elementów elektrycznych o stosunkowo dużym wydzielaniu ciepła, efekt rozpraszania ciepła nie jest zbyt wyraźny.
(2) Chłodzenie zewnętrznym wentylatorem przetwornicy
Dodając kilka wentylatorów z funkcją wentylacji i konwekcji w szafie sterowniczej, w której zainstalowana jest przetwornica, można znacznie poprawić efekt rozpraszania ciepła przetwornicy i obniżyć temperaturę środowiska pracy przetwornicy. Wydajność wentylatora można obliczyć na podstawie rozpraszania ciepła przetwornicy. Omówmy ogólną metodę doboru: Na podstawie doświadczenia obliczyliśmy, że na każde 1 kW ciepła wytworzonego przez zużycie energii, wydajność wyciągu wentylatora wynosi 360 m³/h, a zużycie energii przetwornicy wynosi 4-5% jej mocy. Tutaj obliczamy przy 5% i możemy uzyskać zależność między wentylatorem dopasowanym do przetwornicy a jej mocą: Na przykład: moc przetwornicy wynosi 90 kilowatów, wtedy: wydajność wyciągu wentylatora (m3/h) = moc przetwornicy × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Następnie wybierz model wentylatora różnych producentów na podstawie wydajności wyciągu wentylatora, aby uzyskać wentylator spełniający nasze warunki. Ogólnie rzecz biorąc, chłodzenie wentylatorem jest głównym środkiem chłodzenia przetwornic na tym etapie, szczególnie odpowiednim dla stosunkowo dużych szaf sterowniczych oraz gdy elementy elektryczne w szafie sterowniczej pracują i nagrzewają się jednocześnie. Jest odpowiednie dla wysoce zintegrowanych centralnych szaf sterowniczych i skrzynek sterowniczych. Ponadto, ze względu na ciągły postęp technologiczny w ostatnich latach, wentylatory chłodzące nie są już tak duże jak w poprzednich latach, a małe i wydajne wentylatory są wszechobecne. Stosunek jakości do ceny jest również znacznie lepszy niż w przypadku innych metod chłodzenia.
W szafach z otwartym chłodzeniem powietrznym usunięcie tego ciepła jest proste. Jednak w trudnych warunkach, gdzie chłodzenie filtrowanym powietrzem lub chłodzenie bezpośrednim przepływem powietrza nie jest możliwe, zarządzanie termiczne obudowy staje się ważną częścią procesu projektowania. Strategie są niezbędne, aby skutecznie, pasywnie i ekonomicznie chłodzić szczelne obudowy napędów średniej i dużej mocy w trudnych warunkach.
01 Przepływ powietrza lub szczelna
Szafy z otwartym przepływem powietrza umożliwiają przepływ powietrza otoczenia przez szafę, skutecznie chłodząc bezpośrednio moduły dużej mocy. Jednak to wydajne chłodzenie może powodować przedostawanie się zanieczyszczeń z zewnątrz do obudowy, które zwykle minimalizuje się za pomocą systemu filtrów wentylatorowych filtrujących powietrze wpadające do szafy. Filtry pomagają ograniczyć kurz i zanieczyszczenia, ale wymagają regularnej konserwacji w celu czyszczenia lub wymiany filtrów.
W tych systemach elementy dużej mocy (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, tyrystory komutowane bramką zintegrowaną, tyrystory sterowane krzemem) są zwykle podłączone do chłodzonej cieczą płyty zimnej. Ciecz następnie oddaje ciepło do powietrza otoczenia za pomocą układu sprężania pary lub wymiennika ciepła ciecz-powietrze. W obu przypadkach wymagany wymiennik ciepła powietrze-otoczenie może znajdować się wewnątrz lub na zewnątrz obiektu. Główną wadą tych systemów są wyzwania związane z wprowadzeniem cieczy do szafy oraz doprowadzeniem i odprowadzeniem chłodziwa do i z szafy.
02 Pętle termosyfonowe
Pętle termosyfonowe (LTS) to grawitacyjne dwufazowe urządzenia chłodzące. Działają podobnie do rur cieplnych, gdzie czynnik roboczy odparowuje i skrapla się w zamkniętej pętli, aby przenosić ciepło na określoną odległość. Główną zaletą pętli termosyfonowych w porównaniu z rurami cieplnymi jest możliwość zastosowania przewodzącego czynnika roboczego, co umożliwia wydajne przesyłanie dużej mocy na duże odległości. Pętle termosyfonowe nie mają ruchomych części i są bardziej niezawodne niż aktywne chłodziwa ciekłe, sprężanie pary lub pompowane dwufazowe systemy chłodzenia. Pętle termosyfonowe są idealne do przenoszenia ciepła odpadowego dużej mocy z energoelektroniki w szafie do otoczenia na zewnątrz szafy.
03 Wymienniki ciepła w szczelnej obudowie
Pętle termosyfonowe są doskonałą metodą usuwania dużych ilości ciepła bezpośrednio z elementów generujących dużo ciepła. Jednak obciążenie cieplne elementów wtórnych nadal wymaga chłodzenia. Te elementy wtórne, w tym wiele urządzeń małej mocy rozproszonych po całej szafie, są trudne do chłodzenia przez bezpośredni kontakt. Dla tych elementów o małej mocy i niskim strumieniu cieplnym najbardziej praktyczną metodą jest bezpośrednie chłodzenie powietrzem. Elementy małej mocy można łatwo chłodzić za pomocą wymienników ciepła powietrze-powietrze, zachowując jednocześnie integralność uszczelnienia obudowy.
W połączeniu pętli termosyfonowej i szczelnego wymiennika ciepła, tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) lub tyrystory komutowane bramką zintegrowaną (IGCT) dużej mocy są montowane na płycie zimnej pętli termosyfonowej, a ich obciążenie cieplne 10 kW jest odprowadzane do powietrza na zewnątrz szafy przez pętlę termosyfonową (patrz rysunek 2). Wszystkie wtórne elementy elektroniczne są chłodzone przez szczelny wymiennik ciepła powietrze-powietrze, który może usunąć około 1 kW ciepła odpadowego.
Pompy zasilające wielu elektrowni są również dość mocne. Na przykład elektrownia cieplna o mocy 2*300 MW ma pompę zasilającą o mocy 5500 kW. Przy tak dużej mocy stosuje się typy średniego i wysokiego napięcia, takie jak 6 kV.
Niektóre młyny kulowe również mają stosunkowo dużą moc, na przykład młyn kulowy Ф5500×8500, którego moc silnika wynosi 4500 kW.
Istnieją również duże walcownie o stosunkowo dużej mocy silników, zwłaszcza urządzenia do walcowania na gorąco. Na przykład moc silnika niektórych walcarek wykańczających wynosi 11 000 kilowatów.
Ogólne metody odprowadzania ciepła dla falowników
W oparciu o obecną strukturę falowników, odprowadzanie ciepła można ogólnie podzielić na następujące trzy typy: naturalne odprowadzanie ciepła, odprowadzanie ciepła przez konwekcję, chłodzenie cieczą oraz odprowadzanie ciepła do środowiska zewnętrznego.
(I) Naturalne odprowadzanie ciepła W przypadku falowników o małej wydajności zwykle stosuje się naturalne odprowadzanie ciepła. Środowisko użytkowania powinno być dobrze wentylowane i wolne od kurzu i pływających przedmiotów. Ten typ falownika jest najczęściej używany w domowych klimatyzatorach, obrabiarkach CNC itp., o bardzo małej mocy i stosunkowo dobrym środowisku użytkowania.
(II) Chłodzenie konwekcyjne — odprowadzanie ciepła
Chłodzenie konwekcyjne jest powszechnie stosowaną metodą chłodzenia, jak pokazano na rysunku 2. Wraz z rozwojem urządzeń półprzewodnikowych, radiatory do urządzeń półprzewodnikowych również rozwinęły się szybko, dążąc do standaryzacji, serializacji i unifikacji; podczas gdy nowe produkty rozwijają się w kierunku niskiej rezystancji termicznej, wielofunkcyjności, małych rozmiarów, lekkości oraz przystosowania do zautomatyzowanej produkcji i instalacji. Kilku głównych producentów radiatorów na świecie ma tysiące serii produktów, wszystkie przetestowane, i udostępniają krzywe mocy i rezystancji termicznej radiatorów, co ułatwia użytkownikom dokładny dobór. Jednocześnie rozwój wentylatorów odprowadzających ciepło jest również dość szybki, wykazując cechy małych rozmiarów, długiej żywotności, niskiego poziomu hałasu, niskiego zużycia energii, dużej objętości powietrza i wysokiego stopnia ochrony. Na przykład powszechnie stosowany wentylator odprowadzający ciepło w falowniku małej mocy ma tylko 25 mm×25 mm×10 mm; japoński wentylator SANYO o długiej żywotności może osiągnąć 200 000 h, a stopień ochrony może osiągnąć IPX5; istnieje również singapurskiwentylator osiowy LEIPOLE o dużej objętości powietrza,o wydajności wyciągu do 5700 m3/h. Czynniki te zapewniają projektantom bardzo szeroką przestrzeń wyboru.
Chłodzenie konwekcyjne jest szeroko stosowane, ponieważ elementy (wentylatory, radiatory) są łatwe w doborze, koszt nie jest zbyt wysoki, a wydajność falownika może wynosić od kilkudziesięciu do kilkuset kVA, a nawet więcej (przy użyciu jednostek równoległych).
(1) Chłodzenie wbudowanym wentylatorem falownika
Chłodzenie wbudowanym wentylatorem jest zazwyczaj stosowane w małych przetwornicach częstotliwości o ogólnym przeznaczeniu. Przy prawidłowym montażu przetwornicy można maksymalnie wykorzystać wydajność chłodzenia jej wbudowanego wentylatora. Wbudowany wentylator może odprowadzać ciepło z wnętrza przetwornicy. Ostateczne rozpraszanie ciepła odbywa się przez żelazną płytę obudowy przetwornicy. Metoda chłodzenia wykorzystująca wyłącznie wbudowany wentylator przetwornicy jest odpowiednia dla szaf sterowniczych z oddzielnymi przetwornicami oraz szaf z relatywnie małą liczbą elementów sterujących. Jeśli w szafie sterowniczej przetwornicy znajduje się kilka przetwornic lub innych elementów elektrycznych o stosunkowo dużym wydzielaniu ciepła, efekt rozpraszania ciepła nie jest zbyt wyraźny.
(2) Chłodzenie zewnętrznym wentylatorem przetwornicy
Dodając kilka wentylatorów z funkcją wentylacji i konwekcji w szafie sterowniczej, w której zainstalowana jest przetwornica, można znacznie poprawić efekt rozpraszania ciepła przetwornicy i obniżyć temperaturę środowiska pracy przetwornicy. Wydajność wentylatora można obliczyć na podstawie rozpraszania ciepła przetwornicy. Omówmy ogólną metodę doboru: Na podstawie doświadczenia obliczyliśmy, że na każde 1 kW ciepła wytworzonego przez zużycie energii, wydajność wyciągu wentylatora wynosi 360 m³/h, a zużycie energii przetwornicy wynosi 4-5% jej mocy. Tutaj obliczamy przy 5% i możemy uzyskać zależność między wentylatorem dopasowanym do przetwornicy a jej mocą: Na przykład: moc przetwornicy wynosi 90 kilowatów, wtedy: wydajność wyciągu wentylatora (m3/h) = moc przetwornicy × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Następnie wybierz model wentylatora różnych producentów na podstawie wydajności wyciągu wentylatora, aby uzyskać wentylator spełniający nasze warunki. Ogólnie rzecz biorąc, chłodzenie wentylatorem jest głównym środkiem chłodzenia przetwornic na tym etapie, szczególnie odpowiednim dla stosunkowo dużych szaf sterowniczych oraz gdy elementy elektryczne w szafie sterowniczej pracują i nagrzewają się jednocześnie. Jest odpowiednie dla wysoce zintegrowanych centralnych szaf sterowniczych i skrzynek sterowniczych. Ponadto, ze względu na ciągły postęp technologiczny w ostatnich latach, wentylatory chłodzące nie są już tak duże jak w poprzednich latach, a małe i wydajne wentylatory są wszechobecne. Stosunek jakości do ceny jest również znacznie lepszy niż w przypadku innych metod chłodzenia.