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Qual a melhor forma de dissipar o calor para inversores de alta potência?

A maioria dos inversores de alta potência e seus componentes eletrônicos associados são integrados em gabinetes elétricos. Os inversores não apenas melhoram a eficiência do sistema, mas a eficiência do próprio inversor também é muito alta, com uma perda de apenas 2% a 4%. No entanto, devido à grande quantidade de conversão de energia em inversores de alta potência, mesmo que a perda de eficiência seja baixa, isso levará à geração de vários quilowatts a dezenas de quilowatts de calor residual, que devem ser dissipados.


Em gabinetes abertos refrigerados a ar, é simples remover esse calor. No entanto, em ambientes hostis onde o resfriamento do ventilador filtrado ou o resfriamento via fluxo de ar direto não é possível, o gerenciamento térmico do gabinete se torna uma parte importante do processo de projeto. As estratégias são essenciais para resfriar de forma eficiente, passiva e econômica unidades de gabinete seladas de média e alta potência em ambientes hostis.

01 Fluxo ou Selado

Os gabinetes de fluxo de ar aberto permitem que o ar ambiente flua através do gabinete, resfriando efetivamente os módulos de alta potência diretamente. No entanto, esse resfriamento eficiente pode resultar na entrada de contaminantes externos no gabinete, que normalmente são minimizados usando um sistema de filtro de ventilador para filtrar o ar que flui para o gabinete. Os filtros ajudam a reduzir a poeira e os detritos, mas requerem manutenção regular para limpar ou substituir os filtros.

Nesses sistemas, os componentes de alta potência (transistores bipolares de porta isolada, tiristores comutados de porta integrados, retificadores controlados por silício) são normalmente conectados a uma placa fria refrigerada a fluido. O fluido então rejeita o calor para o ar ambiente usando um sistema de compressão de vapor ou através de um trocador de calor líquido-ar. Em ambos os casos, o trocador de calor de ar ambiente necessário pode estar localizado dentro ou fora da instalação. A principal desvantagem desses sistemas são os desafios de introduzir fluido no gabinete e canalizar o refrigerante para dentro e para fora do gabinete.

02 Termossifões de loop

Os termossifões de loop (LTS) são dispositivos de resfriamento bifásico acionados por gravidade. Eles funcionam de forma semelhante aos tubos de calor, onde o fluido de trabalho evapora e condensa em um circuito fechado para transferir calor a uma determinada distância. A principal vantagem dos termossifões de loop sobre os tubos de calor é a capacidade de usar um fluido de trabalho condutor, permitindo uma transmissão eficiente e de longa distância de alta potência. Os termossifões de loop não têm partes móveis e são mais confiáveis do que refrigerantes líquidos ativos, compressão de vapor ou sistemas de resfriamento bifásico bombeado. Os termossifões de loop são ideais para transferir calor residual de alta potência da eletrônica de potência em um gabinete para o ambiente fora do gabinete.

03 Trocadores de calor de gabinete selado

Os termossifões de loop são um excelente método para remover grandes quantidades de calor diretamente de componentes geradores de alto calor. No entanto, a carga de calor residual dos componentes secundários ainda precisa ser resfriada. Esses componentes secundários, incluindo muitos dispositivos de baixa potência dispersos por todo o gabinete, são difíceis de resfriar por contato direto. Para esses componentes de baixo consumo de energia e baixo fluxo de calor, o resfriamento direto a ar é o método mais prático. Os componentes de baixa potência podem ser facilmente resfriados por trocadores de calor ar-ar, mantendo a integridade da vedação do gabinete.

Na combinação de termossifão de loop e trocador de calor selado, transistores bipolares de porta isolada de alta potência (IGBTs) ou tiristores comutados de porta integrados (IGCTs) são montados na placa fria do termossifão de loop, e sua carga de 10 kW mais carga de calor é dissipada para o ar externo do gabinete através do termossifão de loop (consulte a Figura 2). Todos os componentes eletrônicos secundários são resfriados por um trocador de calor ar-ar selado, que pode remover cerca de 1 kW de calor residual.

As bombas de abastecimento de água de muitas usinas de energia também são bastante potentes. Por exemplo, uma usina termelétrica de 2*300MW possui uma bomba de abastecimento de água com potência de 5500KW. Com uma potência tão grande, são usados tipos de média e alta tensão, como 6KV.
Alguns moinhos de bolas também têm uma potência relativamente grande, como o moinho de bolas Ф5500×8500, cuja potência do motor é de 4500Kw.
Existem também alguns laminadores grandes com potência de motor relativamente grande, especialmente equipamentos de laminação a quente. Por exemplo, a potência do motor de algumas usinas de acabamento é de 11.000 quilowatts.

Métodos gerais de dissipação de calor para inversores

Com base na estrutura atual dos inversores, a dissipação de calor geralmente pode ser dividida nos três tipos a seguir: dissipação de calor natural, dissipação de calor por convecção, resfriamento líquido e dissipação de calor do ambiente externo.

(I) Dissipação de calor natural Para inversores de pequena capacidade, geralmente é usada a dissipação de calor natural. O ambiente de uso deve ser bem ventilado e livre de poeira e objetos flutuantes. Este tipo de inversor é usado principalmente para condicionadores de ar domésticos, máquinas-ferramentas CNC, etc., com potência muito baixa e um ambiente de uso relativamente bom.


(II) O resfriamento por convecção dissipa o calor

O resfriamento por convecção é um método de resfriamento comumente usado, conforme mostrado na Figura 2. Com o desenvolvimento de dispositivos semicondutores, os dissipadores de calor de dispositivos semicondutores também se desenvolveram rapidamente, tendendo à padronização, serialização e generalização; enquanto novos produtos estão se desenvolvendo na direção de baixa resistência térmica, multifuncional, tamanho pequeno, peso leve e adequado para produção e instalação automatizadas. Vários dos principais fabricantes de dissipadores de calor do mundo têm milhares de séries de produtos, todas testadas e fornecem curvas de resistência térmica do dissipador de calor e uso de energia, que fornecem conveniência para os usuários selecionarem com precisão. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento de ventiladores de dissipação de calor também é bastante rápido, mostrando as características de tamanho pequeno, longa vida útil, baixo ruído, baixo consumo de energia, grande volume de ar e alta proteção. Por exemplo, o ventilador de dissipação de calor do inversor de baixa potência comumente usado é de apenas 25 mm × 25 mm × 10 mm; O ventilador de longa duração do Japão SANYO pode chegar a 200000h e o nível de proteção pode chegar a IPX5; há também CingapuraVentilador de fluxo axial de grande volume de ar LEIPOLE,com um volume de exaustão de até 5700m3/h. Esses fatores fornecem aos designers um espaço de escolha muito amplo.

O resfriamento por convecção é amplamente utilizado porque os componentes (ventiladores, radiadores) usados são fáceis de escolher, o custo não é muito alto e a capacidade do inversor pode ser de dezenas a centenas de kVA, ou até maior (usando unidades em paralelo).
(1) Resfriamento com ventilador embutido do inversor

O resfriamento com ventilador embutido é geralmente usado para inversores de uso geral de pequena capacidade. Ao instalar corretamente o inversor, a capacidade de resfriamento do ventilador embutido do inversor pode ser maximizada. O ventilador embutido pode tirar o calor dentro do inversor. A dissipação final de calor é realizada através da placa de ferro da caixa do inversor. O método de resfriamento usando apenas o ventilador embutido do inversor é adequado para caixas de controle com inversores separados e caixas de controle com relativamente poucos componentes de controle. Se houver vários inversores ou outros componentes elétricos com dissipação de calor relativamente grande na caixa de controle do inversor, o efeito de dissipação de calor não é muito óbvio.

(2) Resfriamento com ventilador externo do inversor

Ao adicionar vários ventiladores com função de convecção de ventilação na caixa de controle onde o inversor está instalado, o efeito de dissipação de calor do inversor pode ser bastante melhorado e a temperatura do ambiente de trabalho do inversor pode ser reduzida. A capacidade do ventilador pode ser calculada pela dissipação de calor do inversor. Vamos falar sobre o método de seleção geral: Com base na experiência, calculamos que para cada 1kW de calor gerado pelo consumo de energia, o volume de exaustão do ventilador é de 360m³/h e o consumo de energia do inversor é de 4-5% de sua capacidade. Aqui calculamos em 5% e podemos obter a relação entre o ventilador adaptado ao inversor e sua capacidade: Por exemplo: a potência do inversor é de 90 quilowatts, então: o volume de exaustão do ventilador (m3/h) = capacidade do inversor × 5% × 360m³/h/kW = 1620m³/h

Em seguida, selecione o modelo de ventilador de diferentes fabricantes de acordo com o volume de exaustão do ventilador para obter o ventilador que atenda às nossas condições. De um modo geral, o resfriamento por ventilador é o principal meio de resfriamento do inversor nesta fase, especialmente adequado para gabinetes de controle relativamente grandes e quando os componentes elétricos no gabinete de controle funcionam e aquecem ao mesmo tempo. É adequado para gabinetes de controle centralizados altamente integrados e caixas de controle. Além disso, devido ao avanço contínuo da tecnologia nos últimos anos, os ventiladores de dissipação de calor não são mais tão grandes quanto nos anos anteriores, e ventiladores pequenos e potentes estão por toda parte. O desempenho de custo também é muito melhor do que outros métodos de resfriamento.