Как лучше всего рассеивать тепло для мощных инверторов?
Большинство мощных инверторов и связанных с ними электронных компонентов интегрированы в электрические шкафы. Инверторы не только повышают эффективность системы, но и эффективность самого инвертора очень высока — потеря составляет всего 2–4%. Однако из-за большого преобразования мощности в высокомощных инверторах, даже при низких потерях эффективности это приведёт к выработке от нескольких киловатт до десятков киловатт отходного тепла, которое необходимо рассеять.
В шкафах с открытым воздушным охлаждением это тепло легко удалить. Однако в суровых условиях, где охлаждение с фильтрованным вентилятором или охлаждение через прямой поток воздуха невозможно, термическое управление корпусом становится важной частью процесса проектирования. Стратегии необходимы для эффективного, пассивного и экономичного охлаждения приводов с герметичным корпусом средней и высокой мощности в суровых условиях.
01 Flow или Sealed
Открытые шкафы позволяют окружающему воздуху проходить через корпус, эффективно охлаждая мощные модули напрямую. Однако такое эффективное охлаждение может привести к попаданию внешних загрязнителей в корпус, которые обычно минимизируются с помощью системы вентиляторного фильтра для фильтрации воздуха, поступающего в шкаф. Фильтры помогают уменьшить пыль и мусор, но требуют регулярного обслуживания для чистки или замены фильтров.
В этих системах мощные компоненты (изолированные затворные биполярные транзистори, интегрированные тиристоры с коммутацией затвора, кремниевые управляемые выпрямители) обычно соединяются с холодной пластиной, охлаждаемой жидкостью. Затем жидкость отбрасывает тепло в окружающий воздух с помощью системы сжатия пара или через теплообменник жидкость-воздух. В любом случае необходимый теплообменник воздуха может находиться как внутри, так и снаружи объекта. Основным недостатком этих систем являются сложности с подачей жидкости в корпус и трубопроводом охлаждающей жидкости внутри и обратно.
02 Петлевые термосифоны
Петляные термосифоны (LTS) — это гравитационные двухфазные охлаждающие устройства. Они работают аналогично тепловым трубам, где рабочая жидкость испаряется и конденсируется в замкнутом контуре, передавая тепло на заданное расстояние. Главное преимущество петлевых термосифонов перед тепловыми трубами — возможность использовать проводящую рабочую жидкость, что позволяет эффективно передавать высокую мощность на большие расстояния. Контурные термосифоны не имеют движущихся частей и являются более надёжными, чем активные жидкостные охлаждающие жидкости, паровые компрессии или насосные двухфазные системы охлаждения. Петлевые термосифоны идеально подходят для передачи высокомощного отходного тепла от электроники в шкафу в окружающую среду за пределами шкафа.
03 Теплообменники с герметичным корпусом
Контурные термосифоны — отличный способ непосредственного удаления больших объёмов тепла от компонентов с высоким уровнем тепла. Однако отходная тепловая нагрузка вторичных компонентов всё ещё требует охлаждения. Эти вторичные компоненты, включая множество маломощных приборов, разбросанных по корпусу, трудно охлаждаются при прямом контакте. Для этих компонентов с низким энергопотреблением и низким тепловым потоком наиболее практичным является прямое воздушное охлаждение. Энергопотребляющие компоненты легко охлаждаются с помощью теплообменников «воздух-воздух» при сохранении целостности уплотнения корпуса.
В комбинации контурного термосифона и герметичного теплообменника высокомощные изолированные затворные биполярные транзисторы (IGBT) или интегрированные тиристоры с коммутацией затвора (IGCT) устанавливаются на холодной пластине контурного термосифона, а её нагрузка мощностью 10 кВт плюс тепловая нагрузка рассеивается во внешний корпус воздуха через контурный термосифон (см. рисунок 2). Все вторичные электронные компоненты охлаждаются герметичным теплообменником воздух-воздух, который может удалять около 1 кВт отходящего тепла.
Насосы водоснабжения многих электростанций также довольно мощны. Например, тепловая электростанция мощностью 2*300 МВт оснащена насосом водоснабжения мощностью 5500 кВт. При такой большой мощности используются средние и высоковольтные типы, такие как 6 кВ.
Некоторые шариковые мельницы также обладают относительно большой мощностью, например, шариковая мельница Ф5500×8500 с мощностью двигателя 4500 кВт.
Также имеются крупные прокатные станы с относительно большой мощностью моторов, особенно оборудование для горячего прокатки. Например, мощность некоторых отделочных заводов составляет 11 000 киловатт.
Общие методы рассеивания тепла для инверторов
Исходя из текущей структуры инверторов, рассеивание тепла обычно делится на три типа: естественное рассеивание тепла, конвекционное рассеивание тепла, жидкое охлаждение и рассеивание тепла в внешней среде.
(I) Естественное рассеивание тепла Для инверторов малой ёмкости обычно используется естественное рассеивание тепла. Среда должна быть хорошо проветриваемой, свободной от пыли и плавающих предметов. Этот тип инвертора в основном используется для бытовых кондиционеров, станков с ЧПУ и т.д., при очень низком энергопотреблении и относительно удобных условиях использования.
(II) Конвекционное охлаждение рассеивает тепло
Конвекционное охлаждение — это широко используемый метод охлаждения, как показано на рисунке 2. С развитием полупроводниковых устройств теплоотводы полупроводниковых устройств также быстро развивались, стремясь к стандартизации, сериализации и обобщению; В то время как новые продукты развиваются в направлении низкого термического сопротивления, многофункциональности, малого размера, лёгкого веса и пригодности для автоматизированного производства и установки. Несколько крупнейших производителей радиаторов в мире выпускают тысячи серий продукции, все они были протестированы и предоставляют кривые энергопотребления и теплового сопротивления радиаторов, что обеспечивает удобный выбор пользователей. В то же время разработка вентиляторов с рассеиванием тепла также довольно быстрой, что демонстрирует характеристики малых размеров, долгий срок службы, низкий уровень шума, низкое энергопотребление, большой объём воздуха и высокая защита. Например, широко используемый маломощный инверторный вентилятор отвода тепла имеет всего 25 мм×25 мм×10 мм; Японский вентилятор SANYO может достигать 200000 ч, а уровень защиты — IPX5; есть также СингапурОсевой вентилятор LEIPOLE с большим воздушным объёмом,с объёмом выхлопа до 5700 м3/ч. Эти факторы предоставляют дизайнерам очень широкий выбор пространства.
Конвекционное охлаждение широко применяется, потому что используемые компоненты (вентиляторы, радиаторы) легко выбирать, стоимость не слишком высока, а ёмкость инвертора может достигать от десятков до сотен кВА или даже выше (при параллельных установках).
(1) Охлаждение с встроенным вентилятором инвертора
Охлаждение с встроенным вентилятором обычно используется для инверторов общего назначения малой ёмкости. Правильно установив инвертор, можно максимизировать охлаждающую способность встроенного вентилятора инвертора. Встроенный вентилятор может отводить тепло внутри инвертора. Окончательное рассеивание тепла осуществляется через железную пластину инверторного короба. Метод охлаждения, использующий только встроенный вентилятор инвертора, подходит для управляющих блоков с отдельными инверторами и управляющих блоков с относительно небольшим количеством управляющих компонентов. Если в инверторном блоке установлено несколько инверторов или других электрических компонентов с относительно большим теплоотсеиванием, эффект рассеивания тепла не очень очевиден.
(2) Охлаждение с помощью внешнего вентилятора инвертора
Добавив несколько вентиляторов с функцией вентиляционной конвекции в блоке управления, где установлен инвертор, можно значительно улучшить эффект рассеивания тепла инвертора и снизить температуру рабочей среды инвертора. Ёмкость вентилятора может быть рассчитана по отводу тепла инвертора. Давайте поговорим о общем методе отбора: на основе опыта мы рассчитали, что на каждый 1 кВт тепла, вырабатываемого за счёт потребления энергии, объём выхлопа вентилятора составляет 360 м³/ч, а энергопотребление инвертора — 4-5% от его ёмкости. Здесь мы вычисляем при 5%, и получаем зависимость между вентилятором, адаптированным к инвертору, и его ёмкостью: например: мощность инвертора составляет 90 киловатт, тогда: объём выхлопа вентилятора (м3/ч) = ёмкость инвертора × 5% × 360 м³/ч/кВт = 1620 м³/ч
Затем выберите модель вентилятора разных производителей в зависимости от объёма выхлопа, чтобы получить вентилятор, соответствующий нашим условиям. В целом, основным способом охлаждения инвертором на данном этапе является охлаждение вентилятором, особенно подходит для относительно больших шкафов управления, а также когда электрические компоненты в шкафе одновременно работают и нагреваются. Он подходит для высокоинтегрированных централизованных шкафов управления и пультов управления. Кроме того, благодаря постоянному развитию технологий в последние годы, вентиляторы с рассеиванием тепла уже не такие огромные, как в предыдущие годы, и маленькие мощные вентиляторы встречаются повсюду. Стоимость также значительно выше, чем у других способов охлаждения.
