Como dissipar melhor o calor em inversores de alta potência?
A maioria dos inversores de alta potência e seus componentes eletrônicos associados são integrados aos armários 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 deve ser dissipado.
Em armários abertos refrigerados a ar, é simples remover esse calor. No entanto, em ambientes hostis onde o resfriamento por ventilador filtrado ou o resfriamento por fluxo direto de ar não é possível, o gerenciamento térmico do gabinete torna-se uma parte importante do processo de projeto. Estratégias são essenciais para resfriar de forma eficiente, passiva e econômica drives de carcaças seladas de médio e alto consumo em ambientes hostis.
01 Fluxo ou Selado
Armários abertos de fluxo de ar permitem que o ar ambiente passe pelo armário, resfriando efetivamente os módulos de alta potência diretamente. No entanto, esse resfriamento eficiente pode resultar na entrada de contaminantes externos no invólucro, que normalmente são minimizados pelo uso de um sistema de filtro de ventilador para filtrar o ar que entra no gabinete. Filtros ajudam a reduzir poeira e detritos, mas exigem manutenção regular para limpar ou substituir os filtros.
Nesses sistemas, os componentes de alta potência (transistores bipolares de porta isolada, tiristores comutados com porta integrada, retificadores controlados por silício) são tipicamente conectados a uma placa fria resfriada 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 ser localizado dentro ou fora da instalação. A principal desvantagem desses sistemas são os desafios de introduzir fluido no gabinete e canalizar o fluido de arrefecimento para dentro e para fora do armário.
Termossifões de laço 02
Termossifões em laço (LTS) são dispositivos de resfriamento bifásicos movidos 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 por uma determinada distância. A principal vantagem dos termossifões de laço em relação aos tubos de calor é a capacidade de usar um fluido de trabalho condutivo, permitindo uma transmissão eficiente e de alta potência a longa distância. Termossifões de laço não possuem partes móveis e são mais confiáveis do que refrigerantes líquidos ativos, compressão de vapor ou sistemas de resfriamento bifásico bombeados. Termossifões em loop são ideais para transferir calor residual de alta potência da eletrônica de potência em um gabinete para o ambiente externo ao gabinete.
03 Trocadores de Calor para Invólucro Selado
Termossifões em loop são um excelente método para remover grandes quantidades de calor diretamente de componentes geradores de calor elevado. No entanto, a carga térmica residual dos componentes secundários ainda precisa ser resfriada. Esses componentes secundários, incluindo muitos dispositivos de baixa potência espalhados pelo gabinete, são difíceis de resfriar por contato direto. Para esses componentes de baixo consumo e baixo fluxo de calor, o resfriamento direto a ar é o método mais prático. Componentes de baixa potência podem ser facilmente resfriados por trocadores de calor ar-ar, mantendo a integridade da vedação do invólucro.
Na combinação de termossifão de laço e trocador de calor selado, transistores bipolares de porta isolada de alta potência (IGBTs) ou tiristores comutados por porta integrada (IGCTs) são montados na placa fria do termossifão de laço, e sua carga de 10 kW mais carga térmica é dissipada para o ar do gabinete externo através do termossifão em laço (ver 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 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 esferas também possuem potência relativamente grande, como o moinho de esferas Ф5500×8500, cuja potência do motor é de 4500 kW.
Também existem alguns grandes laminadores com potência de motor relativamente grande, especialmente equipamentos de laminação a quente. Por exemplo, a potência do motor de algumas fábricas 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 pode geralmente ser dividida nos seguintes três tipos: dissipação natural de calor, dissipação de calor por convecção, resfriamento por líquido e dissipação de calor no ambiente externo.
(I) Dissipação natural de calor Para inversores de pequena capacidade, geralmente é utilizada dissipação natural de calor. O ambiente de uso deve ser bem ventilado e livre de poeira e objetos flutuantes. Esse tipo de inversor é usado principalmente para ar-condicionados domésticos, máquinas-ferramenta CNC, etc., com consumo muito baixo 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 utilizado, como 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 sendo desenvolvidos na direção de baixa resistência térmica, multifuncionais, pequeno tamanho, leve e adequados para produção e instalação automatizadas. Vários grandes fabricantes de dissipadores de calor no mundo possuem milhares de séries de produtos, todas testadas e que fornecem curvas de consumo de energia e resistência térmica do dissipador, o que facilita a seleção precisa dos usuários. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento dos ventiladores de dissipação de calor também é bastante rápido, mostrando características de pequeno tamanho, longa vida útil, baixo ruído, baixo consumo de energia, grande volume de ar e alta proteção. Por exemplo, o ventilador de dissipação de calor de baixo consumo comumente usado para inversores tem apenas 25mm×25mm×10mm; O ventilador de longa duração do SANYO do Japão pode chegar a 200000h, e o nível de proteção pode chegar a IPX5; também existe SingapuraVentilador de fluxo axial de grande volume de ar LEIPOLE,com um volume de escape de até 5700m3/h. Esses fatores oferecem aos designers um espaço de escolha muito amplo.
O resfriamento por convecção é amplamente utilizado porque os componentes (ventiladores, radiadores) são fáceis de escolher, o custo não é muito alto e a capacidade do inversor pode variar de dezenas a centenas de kVA, ou até mais (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 retirar o calor dentro do inversor. A dissipação final de calor é realizada através da chapa 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 muito 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 geral de seleção: 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
Depois, selecione o modelo de ventilador de diferentes fabricantes de acordo com o volume de exaustão para obter o ventilador que atende às nossas condições. De modo geral, o resfriamento por ventilador é o principal meio de resfriamento por inversor nesta fase, especialmente adequado para gabinetes de controle relativamente grandes, e quando os componentes elétricos do gabinete de controle trabalham 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 eram nos anos anteriores, e pequenos e potentes ventiladores estão por toda parte. O custo-benefício também é muito melhor do que outros métodos de resfriamento.
