Jak najlepiej rozpraszać ciepło dla inwerterów o dużej mocy?
Większość wysokomocowych inwerterów i ich powiązanych komponentów elektronicznych jest zintegrowana z szafami elektrycznymi. Falowniki nie tylko poprawiają sprawność systemu, ale także bardzo wysoką efektywność samego inwertera, z utratą tylko od 2% do 4%. Jednak ze względu na dużą ilość konwersji mocy w inwerterach o dużej mocy, nawet jeśli strata sprawności jest niska, doprowadzi to do powstania kilku kilowatów do dziesiątek kilowatów ciepła odpadowego, które musi być rozpraszane.
W otwartych, chłodzonych powietrzem szafkach łatwo usunąć to ciepło. Jednak w trudnych warunkach, gdzie filtrowane chłodzenie wentylatorem lub chłodzenie przez bezpośredni przepływ powietrza nie jest możliwe, zarządzanie termiczne obudowy staje się ważnym elementem procesu projektowania. Strategie są niezbędne do efektywnego, pasywnego i ekonomicznego chłodzenia średnich i wysokich mocy, zamkniętych napędów w trudnych warunkach.
01 Przepływ lub uszczelniony
Otwarte szafy powietrza umożliwiają przepływ powietrza otoczenia przez szafę, skutecznie chłodząc bezpośrednio moduły o dużej mocy. Jednak to efektywne chłodzenie może powodować przedostawanie się zanieczyszczeń zewnętrznych do obudowy, co zwykle minimalizuje się poprzez zastosowanie filtra wentylatora do filtrowania powietrza do szafy. Filtry pomagają zmniejszyć kurz i zanieczyszczenia, ale wymagają regularnej konserwacji w celu czyszczenia lub wymiany filtrów.
W tych systemach komponenty o wysokiej mocy (izolowane tranzystory bipolarne z bramką, zintegrowane tyrystory z przełączaną bramką, prostowniki sterowane krzemem) są zazwyczaj połączone z chłodzoną cieczą płytką chłodzącą. Następnie ciepło odprowadza do powietrza otoczenia, korzystając z systemu sprężania pary lub przez wymiennik ciepła ciecz-powietrze. W obu przypadkach wymagany wymiennik ciepła powietrza może być umieszczony wewnątrz lub na zewnątrz obiektu. Główną wadą tych systemów są wyzwania związane z wprowadzaniem płynu do szafy oraz przewodnieniem płynu chłodzącego do i z szafy.
02 Termosyfony pętli
Termosyfony pętli (LTS) to dwufazowe urządzenia chłodzenia napędzane grawitacją. Działają podobnie jak rury cieplne, gdzie ciecz robocza paruje i kondensuje się w zamkniętej pętli, przekazując ciepło na określoną odległość. Główną zaletą termosyfonów pętlowych nad rurami cieplnymi jest możliwość wykorzystania przewodzącego czynnika roboczego, co pozwala na efektywną, dalekosiężną transmisję dużej mocy. Termosyfony pętli nie mają ruchomych części i są bardziej niezawodne niż aktywne płyny chłodnicze, sprężanie pary czy systemy chłodzenia dwufazowego z pompą. Termosyfony pętli są idealne do przenoszenia wysokomocowego ciepła odpadowego z elektroniki mocy w szafie do środowiska zewnętrznego szafy.
03 Wymienniki ciepła w zamkniętej obudowie
Termosyfony pętli to doskonała metoda usuwania dużych ilości ciepła bezpośrednio z komponentów generujących wysoką temperaturę. Jednak obciążenie cieplne odpadów komponentów wtórnych nadal wymaga chłodzenia. Te elementy wtórne, w tym wiele urządzeń niskomocowych rozmieszczonych w szafie, są trudne do chłodzenia bezpośrednim kontaktem. Dla tych niskomocowych elementów o niskim strumieniu ciepła najpraktyczną metodą jest bezpośrednie chłodzenie powietrzem. Niskoenergetyczne komponenty można łatwo chłodzić za pomocą wymienników ciepła powietrze-powietrze, zachowując jednocześnie integralność uszczelnienia obudowy.
W połączeniu termosyfonu pętli i uszczelnionego wymiennika ciepła, wysokomocowe izolowane tranzystory bipolarne z bramką (IGBT) są zamontowane na termosyfonowej pętli termosyfonowej, a jego obciążenie 10 kW plus obciążenie cieplne jest rozpraszane do zewnętrznego powietrza w szafie przez termosyfon pętli (patrz Rysunek 2). Wszystkie wtórne elementy elektroniczne są chłodzone przez szczelny wymiennik ciepła powietrze-powietrze, który może usunąć około 1 kW ciepła odpadowego.
Pompy zaopatrzenia w wodę w wielu elektrowniach są również bardzo wydajne. Na przykład elektrownia cieplna o mocy 2*300MW ma pompę zaopatrzenia w wodę o mocy 5500kW. Przy tak dużej mocy stosuje się typy średniego i wysokiego napięcia, takie jak 6KV.
Niektóre młyny kulowe mają również stosunkowo dużą moc, jak młyn kulowy o pojemności 5500×8500, którego moc silnika wynosi 4500 kW.
Są też duże walcownie o stosunkowo dużej mocy silnika, zwłaszcza do walcowania na gorąco. Na przykład moc silnika niektórych frezów wykończeniowych wynosi 11 000 kilowatów.
Ogólne metody odprowadzania ciepła dla inwerterów
Na podstawie obecnej struktury inwerterów, rozpraszanie ciepła można ogólnie podzielić na następujące trzy typy: naturalne rozpraszanie ciepła, konwekcyjne odprowadzanie ciepła, chłodzenie cieczowe oraz odprowadzanie ciepła ze środowiska zewnętrznego.
(I) Naturalne rozpraszanie ciepła W przypadku inwerterów o małej pojemności stosuje się naturalne rozpraszanie ciepła. Środowisko użytkowania powinno być dobrze wentylowane i wolne od kurzu oraz unoszących się przedmiotów. Ten typ inwertera jest głównie stosowany w klimatyzatorach domowych, obrabiarkach CNC itp., przy bardzo niskim poborze mocy i stosunkowo dobrym środowisku użytkowania.
(II) Chłodzenie konwekcyjne rozprasza ciepło
Chłodzenie konwekcyjne jest powszechnie stosowaną metodą chłodzenia, jak pokazano na Rysunku 2. Wraz z rozwojem urządzeń półprzewodnikowych, radiatory tych urządzeń również szybko się rozwijały, prowadząc do standaryzacji, serializacji i uogólnienia; natomiast nowe produkty rozwijają się w kierunku niskiej odporności cieplnej, wielofunkcyjności, małych rozmiarów, lekkiej masy i odpowiednich do zautomatyzowanej produkcji i instalacji. Kilku czołowych producentów radiatorów na świecie posiada tysiące serii produktów, wszystkie przetestowane i oferują krzywe odporności termicznej zużywania energii oraz radiatorów, co ułatwia użytkownikom dokładny wybór. Jednocześnie rozwój wentylatorów odprowadzających ciepło jest również dość szybki, wykazując cechy niewielkich rozmiarów, długiej żywotności, niskiego hałasu, niskiego zużycia energii, dużej objętości powietrza i wysokiej ochrony. Na przykład powszechnie używany niskomocowy wentylator inwerterowy do odprowadzania ciepła ma tylko 25 mm×25 mm×10 mm; Japoński wentylator SANYO o długowieczności może osiągać 200000h, a poziom ochrony może osiągnąć IPX5; jest też SingapurWentylator osiowy LEIPOLE o dużej objętości powietrza,o objętości wylotu do 5700 m3/h. Te czynniki dają projektantom bardzo szeroki wybór.
Chłodzenie konwekcyjne jest szeroko stosowane, ponieważ komponenty (wentylatory, chłodnice) są łatwe do wyboru, koszt nie jest zbyt wysoki, a pojemność inwertera może sięgać od dziesiątek do setek kVA, a nawet więcej (przy użyciu jednostek równoległych).
(1) Chłodzenie za pomocą wbudowanego wentylatora inwertera
Chłodzenie z wbudowanym wentylatorem jest zazwyczaj stosowane w inwerterach o małej pojemności ogólnego przeznaczenia. Prawidłowo instalując inwerter można maksymalizować zdolność chłodzenia wbudowanego wentylatora inwertera. Wbudowany wentylator może odprowadzać ciepło z inwertera. Ostateczne odprowadzanie ciepła odbywa się przez żelazną płytę skrzynki inwerterowej. Metoda chłodzenia, wykorzystująca wyłącznie wbudowany wentylator inwertera, jest odpowiednia dla skrzynek sterujących z oddzielnymi falownikami oraz skrzynek sterujących z relatywnie niewielką liczbą elementów sterujących. Jeśli w skrzynce sterującej inwertera znajduje się kilka falowników lub innych komponentów elektrycznych o stosunkowo dużym rozpraszaniu ciepła, efekt rozpraszania ciepła nie jest zbyt oczywisty.
(2) Chłodzenie zewnętrznym wentylatorem falownika
Dodając kilka wentylatorów z funkcją wentylacji konwekcyjnej w skrzynce sterującej, gdzie zainstalowany jest falownik, efekt odprowadzania ciepła przez falownik można znacznie poprawić oraz obniżyć temperaturę środowiska pracy falownika. Pojemność wentylatora można obliczyć na podstawie odprowadzania ciepła przez inwerter. Porozmawiajmy o ogólnej metodzie selekcji: Na podstawie doświadczenia obliczyliśmy, że na każde 1 kW ciepła generowanego przez zużycie energii objętość wylotu wentylatora wynosi 360 m³/h, a zużycie energii przez inwerter to 4-5% jego mocy. Tutaj obliczamy na poziomie 5% i możemy uzyskać zależność między wentylatorem dostosowanym do inwertera a jego pojemnością: Na przykład: moc inwertera wynosi 90 kilowatów, a zatem: objętość wylotu wentylatora (m3/h) = pojemność falownika × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h
Następnie wybierz model wentylatora różnych producentów zgodnie z objętością wylotu, aby uzyskać wentylator spełniający nasze warunki. Ogólnie rzecz biorąc, chłodzenie wentylatorem jest głównym sposobem chłodzenia inwertera na tym etapie, szczególnie odpowiednim dla stosunkowo dużych szaf sterujących oraz gdy komponenty elektryczne w szafie sterującej działają i ogrzewają się jednocześnie. Nadaje się do wysoko zintegrowanych scentralizowanych szaf sterujących i skrzynek sterujących. Ponadto, dzięki ciągłemu rozwojowi technologii w ostatnich latach, wentylatory odprowadzające ciepło nie są już tak duże jak w poprzednich latach, a małe i mocne wentylatory są wszędzie. Efektywność kosztowa jest również znacznie lepsza niż w przypadku innych metod chłodzenia.
